試析電弧爐冶煉終點碳的控制

霍建光

摘要：近年來，隨著現(xiàn)代化社會發(fā)展水平的不斷提升以及科學(xué)技術(shù)的進步發(fā)展，我國的冶煉終點碳技術(shù)水平得到了日益提升。但是在終點碳冶煉過程中，必須要高度重視各個環(huán)節(jié)的控制要點，從根本上提升冶煉水平。文章就電弧爐冶煉終點碳的管理控制展開論述。

關(guān)鍵詞：電弧爐；冶煉終點碳；管理控制；冶煉水平；氧化情況 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TF741 文章編號：1009-2374（2016）05-0079-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.040

從專業(yè)化角度出發(fā)，現(xiàn)代化的電弧爐煉鋼程序EAF-LF/VD-CC的關(guān)鍵性技術(shù)核心在于有效縮短電弧爐實際冶煉周期，從而使之和連鑄節(jié)奏之間相互適應(yīng)。目前的現(xiàn)代化電弧爐煉鋼工藝技術(shù)都是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。此外，為了在一定程度上實現(xiàn)冶煉周期的縮短，在電弧爐冶煉過程中往往會采用二次燃燒技術(shù)、氧燃燒嘴技術(shù)、碳氧槍技術(shù)以及底風(fēng)口技術(shù)等，使供氧強度得到大大提高，一般情況下可以達到噸鋼用氧量在30m3左右。

1 電弧爐冶煉期間熔池[C]-[O]之間的關(guān)系

1.1 在電弧爐冶煉中熔池的[C]-[Fe]選擇氧化情況分析

從某種程度上講，終點碳冶煉期間的碳含量控制問題本質(zhì)上屬于選擇氧化問題，在這個過程中需要有效解決的主要包括以下兩個方面內(nèi)容：第一，是否可以利用碳含量對熔池中鐵的實際過氧化反應(yīng)進行科學(xué)控制；第二，怎樣有效控制管理好熔池中的過氧化反應(yīng)來充分降低相應(yīng)的鐵損情況，進而防止噴濺情況的發(fā)生，確保工藝技術(shù)的順利完成。其中，合理選擇氧化問題屬于冶金熱力學(xué)目前分析研究的關(guān)鍵問題，主要包括以下兩個方面內(nèi)容：第一，在相應(yīng)的濃度條件極差上合理選擇冶煉過程中的氧化溫度，也就是說在臨界溫度基礎(chǔ)上，哪一種物質(zhì)優(yōu)先氧化的問題；第二，指在相應(yīng)溫度條件前提下，其氧化反應(yīng)在平衡濃度方面的問題，也就是說在平衡濃度之上哪一種物質(zhì)率先氧化的問題。在實踐過程中廣泛應(yīng)用到的準(zhǔn)確計算不銹鋼的冶煉期間C-Cr選擇氧化以及轉(zhuǎn)爐冶煉期間Si-C選擇氧化都屬于其實際應(yīng)用的例子。然而Fe-C在選擇氧化方面有著相對較強的特殊性，由于鐵屬于溶劑元素，所以在之后的冶煉后期過程中所占的熔池重量大約在98%左右甚至是更高，碳屬于溶質(zhì)元素，在實際熔煉后期將不會超出1%。因此可以從碳氧化機理方面進行進一步探討，吹氧熔煉期間碳的氧化大部分都是以間接氧化方式作為主體，究其原因主要是在于氧流一般都會集中在作用區(qū)域的附近并不是分散在熔池，而且氧流沖擊可以形成局部的高溫區(qū)域，從而使Si元素、Mn元素、S元素等實際反應(yīng)活性不斷下降，便于碳元素的氧化。此外，從反應(yīng)動力學(xué)角度出發(fā)，碳向氧氣泡傳質(zhì)的實際速率往往比氧化反應(yīng)實際速率要慢很多，然而熔池中存在著相對豐富的鐵元素。

1.2 [C]-[Fe]在選擇氧化期間溫度因素的相關(guān)影響

目前，在電弧爐冶煉工作的初期，其熔池溫度通常情況下會比較低，從而使得氣體氧以及鐵液反應(yīng)過程中所生成的FeO溶解度相對較低。若相對較多的FeO不能在鐵液中得到充分溶解，則聚集起來將會與氧氣進行再次反應(yīng)氧化最終生成相應(yīng)的Fe3O4，進而產(chǎn)生一定數(shù)量的褐煙。在電弧爐冶煉的精煉時期相應(yīng)溫度條件之下，其鋼液溫度往往會比較高，大約在1580℃～1650℃之間，然而[C]+[O]={CO}屬于微弱放熱反應(yīng)，其反應(yīng)平衡常數(shù)一般情況下不會隨溫度變化而出現(xiàn)相對較大的變化。但是與鐵液平衡的部分氧化鐵在分解壓方面相對來說是非常低的，將會使熔池以及氧化性氣氛進行接觸的過程中，在表面上快速形成相應(yīng)的FeO膜。所以從這個角度上來看，熔池中鐵元素的實際氧化程度可以由熔池中相應(yīng)的溶解氧濃度情況來決定，溫度因素影響程度相對較小。具體情況如圖1所示：

圖1 溫度在[C]-[O]關(guān)系中的相關(guān)影響情況分析圖

2 電弧爐冶煉過程中的工藝控制分析

從電弧爐冶煉終點碳的技術(shù)控制角度上進行分析，根據(jù)冶煉的[C]-[O]之間的關(guān)系曲線，我們能夠用[C]來有效控制[O]，從而在一定程度上防止鋼液的過氧化，進而通過預(yù)報氧來指導(dǎo)出鋼過程中的脫氧現(xiàn)象。此外，在冶煉低碳鋼的過程中，針對20MnSi型號的鋼，應(yīng)充分考慮到防止精煉期存在過量氧與出鋼之后補加合金中的一定量碳含量，需要把終點碳有效控制在0.07%～0.10%之間。而針對碳要求在0.06%及以下的部分鋼種，其電爐終點碳應(yīng)該控制在0.040%～0.045%之間。這樣做的好處在于能夠有效減少鐵損，進而提高金屬的收得率，有效降低脫氧鋁消耗以及LF電耗，從根本上減少渣料的消耗、耐材消耗以及LF電極消耗，有效提升鋼液潔凈度。

3 電弧爐冶煉終點碳的具體操作步驟分析

在實際生產(chǎn)過程中應(yīng)嚴(yán)格按照不同鐵水熱裝比準(zhǔn)確計算出科學(xué)化的熔池碳含量。當(dāng)完全確定鐵水成分以及加入量情況之后，把出鋼碳含量具體要求等內(nèi)容有效輸入相應(yīng)的計算表中，得到終點碳的基準(zhǔn)吹氧量。具體的終點碳冶煉步驟為：第一，科學(xué)選用潔凈廢鋼，并杜絕入爐的鐵料含土量相對較多的廢鋼，避免酸性物質(zhì)使得爐渣堿度下降；第二，電弧爐實際裝入量應(yīng)按照爐役期情況進行及時優(yōu)化調(diào)整，防止熔池過低而引起渣中的氧化鐵富集，進而造成大沸騰安全事故，而且還應(yīng)避免熔池過高而引起相應(yīng)的脫碳反應(yīng)劇烈過程中爐門翻鋼水以及偏心箱漏水現(xiàn)象；第三，當(dāng)?shù)谝慌摿弦约拌F水入爐之后，送電大約5分鐘，使?fàn)t壁的超音速集束氧槍以及EBT氧槍嚴(yán)格按照相應(yīng)的使用流量情況，也就是熔化期，借助集束氧槍采用燒嘴模式進行助熔；第四，加料完成之后，熔清之前的爐門氧槍用于清理爐門廢鋼，而熔清之后要沿鋼渣界面進行吹氧化渣，然后實施脫磷反應(yīng)。在爐渣熔化充分之后繼續(xù)吹渣脫磷大約3～5分鐘。爐門氧槍通常情況下會停留到工作位，進行間歇性噴吹碳粉以及吹渣操作，而且在配碳量相對較高的時候，有效配合超音速的集束氧槍進行繼續(xù)脫碳操作；第五，整個電弧爐冶煉過程中，必須要全程送電，并嚴(yán)格采用相應(yīng)的2級電壓送電管理制度；第六，當(dāng)冶煉中脫碳反應(yīng)已經(jīng)進行一段時間之后，且氧氣消耗量已經(jīng)達到基準(zhǔn)的吹氧量，則需要停電以及停氧實施測溫取樣；第七，當(dāng)終點碳處于目標(biāo)范圍內(nèi)，但是溫度不能達到出鋼要求的時候，爐門氧槍需要以相對較低的流量進行吹渣，并采用相對較大的噴碳量實施噴碳造泡沫渣，然后進行埋弧送電提溫，當(dāng)溫度合適之后再完成出鋼；第八，當(dāng)終點碳過高的時候，應(yīng)采用集束氧槍M4中的專業(yè)化脫碳模式實施科學(xué)化的溫度調(diào)整以及脫碳操作，待優(yōu)化調(diào)整結(jié)束后實施有效的取樣分析，當(dāng)成分合適后再出鋼。

4 結(jié)語

總而言之，電弧爐冶煉終點碳控制工作是一項專業(yè)性、復(fù)雜性都相對較強的工作，關(guān)系到終點碳的順利冶煉。因此，在進行電弧爐冶煉終點碳的過程中，要高度重視冶煉過程中的各個環(huán)節(jié)，從整體出發(fā)，時刻關(guān)注冶煉溫度以及氧化反應(yīng)情況，采取合理化的控制措施，嚴(yán)格落實執(zhí)行，從根本上確保終點碳的質(zhì)量水平。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）