降低冶煉400系不銹鋼氬氣消耗的實踐

徐光富，趙剛，殷齊敏，劉新波，李江江

（山東泰山鋼鐵集團有限公司不銹鋼煉鋼廠，山東萊蕪 271100）

生產技術

降低冶煉400系不銹鋼氬氣消耗的實踐

徐光富，趙剛，殷齊敏，劉新波，李江江

（山東泰山鋼鐵集團有限公司不銹鋼煉鋼廠，山東萊蕪 271100）

為降低TSR轉爐冶煉400系不銹鋼的氬氣消耗，泰鋼采取以氮代氬技術，同時采取優化脫碳速度、優化轉爐二級過程參數、穩定入爐原料等措施，410S不銹鋼氬氣消耗由25～30 Nm3/t降低至20 Nm3/t以下，噸鋼成本降低15元以上。

TSR轉爐；不銹鋼冶煉；氬氣消耗；成本

1 前言

泰鋼TSR轉爐是在GOR底吹轉爐基礎上升級改造的頂底復吹不銹鋼精煉爐，現有3座，公稱容量70 t，主要采用全鐵水冶煉生產400系不銹鋼，年不銹鋼生產能力達到100萬t。目前400系不銹鋼不含鎳或少含鎳，成本低，而且隨著不銹鋼冶煉技術的進步，其部分性能已經達到或超過含鎳不銹鋼，400系不銹鋼目前已成為主要發展趨勢。TSR轉爐冶煉不銹鋼過程中需要消耗大量氬氣，實現“脫碳保鉻”。但氬氣作為一種稀有氣體，價格昂貴，氬氣消耗對TSR轉爐冶煉成本影響較大。為此，本研究通過優化TSR轉爐冶煉工藝，降低氬氣消耗。

2 冶煉的基本反應

TSR轉爐應用頂底復吹技術向爐內吹入氧氣、氬氣和氮氣等脫除鋼水中多余的C、S等有害物質，并配加Cr、Ni等合金元素，冶煉出不銹鋼等鋼鐵產品。TSR轉爐冶煉不銹鋼時，始終存在C、Cr、Si、Mn等的競爭性氧化，在冶煉后期，主要是C和Cr的競爭性氧化，反應為：

由式（2）可知，在TSR轉爐冶煉不銹鋼過程中，實現利于“去碳保鉻”的熱力學條件，一般采取如下措施：1）提高熔池溫度，平衡常數K增大，熔池內平衡的aCr升高，因此冶煉過程中吹氧迅速提高熔池溫度，利于“去碳保鉻”；2）降低氣相一氧化碳分壓PCO，熔池內平衡的aCr升高，因此冶煉時可采用真空、半真空下吹氧或利用底吹惰性氣體的稀釋作用降低PCO，促進“去碳保鉻”。TSR轉爐主要采用非真空底吹惰性氣體（氬氣）降低PCO，通過工藝優化降低氬氣消耗可以實現經濟的不銹鋼冶煉。

3 降低氬氣消耗的主要途徑

3.1 應用以氮代氬技術

目前為降低氬氣消耗，應用最廣泛的技術是以氮代氬。采用以氮代氬技術的核心控制要點在于精確控制鋼中的氮含量，由于過多的氮含量會引起鋼中氣泡、氮化物析出，降低鋼的使用性能，甚至造成廢品。400系鐵素體不銹鋼對氮含量要求比較嚴格，一般含量較低，如410S鋼種氮含量要求控制在300×10-6以下，相對于含氮較高的不銹鋼，冶煉400系不銹鋼氬氣消耗較高。

TSR轉爐實現以氮代氬技術的關鍵控制環節在于吹煉過程中氮氬切換點的控制和氮氣的有效脫除。目前較為成熟的理論是氮的溶解和脫除理論。

TSR轉爐運用氮氣代替氬氣進行冶煉過程由兩個步驟組成：1）冶煉前期氧氮混吹時，氮氣在不銹鋼中的溶解過程；2）冶煉后期，多余氮原子的脫除過程，即運用氬氣氣泡精煉理論脫除一部分氮，使鋼中溶解的氮含量達到鋼種要求。

1）氮氣的溶解。根據式（3），在一定溫度下,鋼液中氮的溶解度取決于氣相中的氮分壓和鋼液中氮的活度系數。隨著氣相中氮分壓的增加,鋼液中氮的溶解度亦增加。當氮分壓一定時，鋼液中氮的溶解度與其活度系數有關。氮的活度系數由鋼液中氮元素之間、氮與其他元素之間的相互作用決定。因此在TSR轉爐冶煉相同鋼種時，即鋼中成分、溫度和PN2

明確的條件下，氮的溶解度可控制。通過生產實踐總結，鋼中氮含量能較為精確地控制：

式中：KN為氮氣溶解于鋼水的反應平衡常數，PN2為N2在大氣中的分壓，fN為［N］活度系數。

2）氮氣的脫除。TSR轉爐冶煉不銹鋼過程中，氮氣、氧氣以不同比例混合吹煉促進C-O反應，當鋼中的氮含量達到一定溶解度后，改為氬氣進行精煉，根據氣泡精煉理論，應用式（4）［1］，脫除一部分氮元素，達到產品要求的氮元素范圍值。

式中：VAR為噸鋼消耗氬氣量，K’為氮的脫除反應平衡常數，［N］為最終產品的氮含量，［N］B為氮在該鋼種中一定溫度下的溶解度值，f為不銹鋼中存在的氧硫元素含量對脫氮速度的影響系數。

通過該理論，可以在實踐中確定氮氣吹入量，選擇較為合適的氮氣/氬氣吹入的切換點，達到以氮代氬，降低氬氣消耗的目的。泰鋼通過實踐摸索總結出一套滿足400系不銹鋼氮含量控制的以氮代氬冶煉工藝，氮含量達標率由83.04%提高至94.76%。

3.2 控制合理氧、氬（氮）比

由式（2）可知，在鉻活度aCr一定的條件下，含碳量和溫度不同，PCO隨之變化。因此在TSR轉爐冶煉過程中，冶煉每個反應時間節點，都會有一個最佳的碳含量、溫度和PCO平衡點，通過理論計算可得出表1所示的平衡參數。因此，根據平衡點可確定最佳的氧氣和氬氣混合比例，以減少氬氣消耗。

表1 ［C］與［Cr］的氧化平衡溫度和PCO

3.3 優化脫碳速度

優化脫碳速度，可縮短冶煉周期、降低熱量損失、提高氧氬氣利用率、降低還原階段還原劑消耗。在不銹鋼冶煉過程中，實施頂底復吹、適當提高供氧強度增加鋼水攪拌、優化輔料加入批次和數量控制爐渣的透氣性、提高反應氣體的排除等，可改善TSR轉爐的動力學條件，促進鋼水中C、O傳質，提高脫碳速度；通過優化半鋼條件改善TSR轉爐的熱平衡，優化頂槍槍位促進CO的充分燃燒、控制合金輔料加入時機等，控制熔池反應溫度，改善C-O反應的熱力學條件，促進脫碳速度。

3.4 優化TSR轉爐二級過程參數

在TSR轉爐的入爐原料標準和內控成分等輸入參數控制范圍一定的條件下，根據TSR轉爐輸入、輸出數據，通過數據分析可確定最佳的配氣、溫度控制方案和輔料加入制度，當條件發生變化后根據方案及時調整完善。對關鍵參數如頂槍停吹時間點、氮氬切換點和還原時間點等不斷優化完善，提高成分、溫度的命中率，減少TSR轉爐倒爐次數、返吹、延長非冶煉時間等，以降低氬氣消耗。

3.5 穩定入爐原料

入爐原料，如半鋼條件、輔料、合金品位和粒度等參數的波動，都會對TSR轉爐二級控制程序中的關鍵參數平穩控制造成干擾，進而影響一系列過程操作，導致物料消耗增加，吹煉時間延長等。例如，在一般情況下，原料硅含量增加0.1%熔池溫度將升高20～25℃；又如，按鋼水量的1%配比加入輔料、合金等冷料至熔池，吹氬2 min攪拌后，熔池溫度將會產生一定的溫度波動，高碳鉻鐵造成的溫降值約為18℃，石灰、金屬返回料溫降值約20℃。因此必須進行嚴格管控TSR轉爐的入爐原料，保證過程平穩控制，降低氬氣消耗。

4 實施效果

通過采用以氮代氬技術，同時采取優化脫碳速度、優化轉爐二級過程參數、穩定入爐原料等措施，泰鋼TSR轉爐冶煉400系不銹鋼氬氣消耗不斷降低。430不銹鋼控制實際氮含量（350～400）×10-6［目標（300～500）×10-6］，氬氣消耗≤18.0 Nm3/t；410S不銹鋼控制實際氮含量（200～300）×10-6（目標≤300×10-6），氬氣消耗由25～30 Nm3/t降低至20 Nm3/t以下，噸鋼成本降低15元以上。

［1］曾慶祥.AOD中以氮代氬的研究——NOD初探［D］.沈陽：東北大學，2007：13，55.

Practice of Reducing Argon Consumption of Smelting 400 Series Stainless Steel

XU Guangfu,ZHAO Gang,YIN Qimin,LIU Xinbo,LI Jiangjiang
（The Stainless Steelmaking Plant of Shandong Taishan Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Laiwu 271100,China）

In order to reduce the argon consumption of smelting 400 series stainless steel in TSR converter,the technology of taking nitrogen instead of argon was adopted in Taishan Steel.At the same time,some measures such as optimizing decarburization rate and the two stage control parameters,stabilizing the raw materials into the furnace were adopted.The argon consumption of smelting 410S stainless steel was reduced to 20 Nm3/t from 25-30 Nm3/t and the cost of per ton steel was reduced by more than 15 Yuan.

TSR furnace;stainless steel smelting;argon consumption

TF764

B

1004-4620（2017）01-0018-02

2016-11-01

徐光富，男，1975年生，1999年畢業于本溪冶金高等專科學校煉鋼及鐵合金專業。現為山東泰山鋼鐵集團不銹鋼煉鋼廠工程師，從事不銹鋼煉鋼研發工作。