唐鋼轉爐冶煉中碳鋼碳氧積的控制研究

張 垚

（河北鋼鐵集團 唐鋼公司 第二鋼軋廠，河北 唐鋼 063000）

轉爐終點氧位是轉爐冶煉的重要指標，對于潔凈鋼冶煉、合金料消耗、冶煉成本等影響較大。本文從碳氧積入手，探討唐鋼轉爐冶煉中碳鋼過程的氧位控制情況。唐鋼第二鋼軋廠現有2座公稱容量65t轉爐，爐容比為0.93，采用頂底復吹技術，采用4孔氧槍，喉口直徑26 mm，噴孔夾角10.5°，設計氧氣流量17000Nm3/h，供氧強度3.57Nm3/tmin。底吹透氣元件為4支環縫式底吹槍。

1 平衡碳氧積

冶煉終點鋼中氧含量的多少直接受到終點碳氧積高低的影響，當反應達到平衡時，在一定的溫度下，碳氧濃度的乘積趨近于一個常數。穩定的較低水平的終點碳氧積直接反應出終點的控制水平，碳氧積低，則終點氧含量低，可有效的降低鋼鐵料消耗和合金消耗，提高終點碳含量，減少鋼中夾雜物，提高鋼水質量。

轉爐熔池中脫碳反應為：［C］+［O］=CO（g），ΔGφ=-20482-38.94T

其中，Pθ為大氣壓力；H鋼、H渣為CO氣泡以上鋼液、熔渣的高度；ρ鋼、ρ渣為鋼液、熔渣的密度；σ為金屬液表面張力；rCO為CO氣泡半徑。

碳氧積的主要影響因素為溫度，這是由于碳氧反應是放熱反應，溫度升高，則平衡常數K升高，碳氧積值也就升高。這就要求我們根據不同的鋼種和不同的冶煉工藝，制定不同的出鋼溫度，在保證中包過熱度的情況下，盡力的去降低出鋼溫度。同時由于頂底復合吹煉的影響，強化了熔池的攪拌作用，促進熔池內的反應，使碳氧反應更趨近與平衡，可有效的降低碳氧積。

2 溫度對鋼水終點碳氧積的影響

由前文碳氧積的計算可知，溫度是碳氧積的主要因素，降低出鋼溫度，則平衡常數K降低，碳氧積也就降低。因此如何有效的降低出鋼溫度是降低碳氧積的首要考慮因素。圖1為唐鋼生產過程中碳鋼氧位隨著溫度的變化的趨勢。

圖1 不同出鋼溫度下的氧位

對終點氧位與溫度進行數據透視分析可知：出鋼溫度在1610~1660℃，氧位與溫度存在比較明顯的線性關系。隨著終點溫度的升高，氧位逐漸增加。溫度低于1610℃或高于1660℃時氧位開始出現震蕩，不排除煉鋼工在過低溫度和過高溫度出鋼控制上的經驗不足，因操作原因導致。

從純凈鋼的角度出發，出鋼溫度應控制在較低水平，從根本上控制鋼中夾雜物的生成。但矛盾的是通常純凈鋼的冶煉需要二次精煉處理，其過程需要一定的溫降值，要求較高的出鋼溫度。為此可采用鋼包加蓋、加覆蓋劑和加快周轉時間等方法減少鋼水過程溫降，從而達到降低轉爐出鋼溫度的目的。

3 底吹對鋼水終點碳氧積的影響

有效的頂底復合吹煉，能達到強化熔池攪拌，促進鋼—渣界面反應的作用，使鋼中碳氧反應更趨近與平衡，是降低碳氧積的另一有效途徑 。

目前唐鋼第二鋼軋廠轉爐底吹流量從200～560 m3/h，4支底吹槍每支的流量為0.003～0.008 m3/（t·min），圖2（a）為正常流量下碳氧積和氧位的情況，此時底吹總流量為480 m3/h，其中紫色線為理論碳氧積，綠色線為實際碳氧積曲線；圖2（b）為爐役后期由于1只底吹槍堵塞，流量只有300 m3/h，同樣紫色線為理論碳氧積，紅色線為實際碳氧積曲線。

圖2 不同底吹對碳氧積的影響

圖2可知當流量為300 m3/h時，實際碳氧積更大，偏離理論曲線更遠，同時氧位更為分散。可知在唐鋼轉爐底吹范圍內，底吹流量越大對氧位控制越有利。故在實際生產中，應 保證有效的底吹蘑菇頭的形成，并通過合理的濺渣護爐手段，保證底吹元件的壽命，使底吹能達到最大的利用化。

4 爐齡對鋼水終點碳氧積的影響

以1000爐作為一個爐役階段，分析了每個階段碳氧積的調整均值，如圖3爐齡對碳氧積的影響。

圖3 爐齡對碳氧積的影響

圖3可知，爐齡對碳氧積的影響十分明顯。在不同的爐役階段，碳氧積存在明顯的差距，整體趨勢為不斷緩慢的增大。如圖3所示為爐齡在5500爐以內的碳氧積的變化情況，碳氧積不斷增大，在3000爐以內升高幅度較小，3000爐以后上漲幅度較大。爐齡在2000爐以內，碳氧積均值在0.00265以內，當爐齡大于3000爐后，碳氧積開始偏離理論平衡值，特別是大于5000爐后，嚴重偏離理論平衡值，達0.0029。這主要的由于隨著爐齡的增加，爐膛內型變化較大，在相同的條件下，碳氧反應不能達到有效平衡。同時，由于爐齡的增加，底吹元件受損或者受堵現象嚴重，導致底吹效果變差，降低了熔池的攪拌作用，碳氧積極速增加。

為了保證一個合適的爐膛內型，這就要求操作人員根據爐齡情況，采用合適的補爐手段，使得爐膛內型隨著爐齡的增加，能均勻的侵蝕，保證爐膛內型在一個合理范圍內變化。同時加強對底吹元件的維護和管理，保證底吹元件能長壽命的高校應用。

5 碳氧積對鋼鐵料消耗的影響

鋼鐵料消耗是影響轉爐成本的主要指標之一，低氧位控制有利于減少鋼鐵料的吹損，同時也減少轉爐爐后合金加入量，降低冶煉成本。但為控制較低的氧位需要低溫出鋼、高拉碳等操作，由于唐鋼轉爐沒有副槍，轉爐終點測溫取樣需要倒爐進行，由于爐渣溫度偏低，爐渣粘度大，渣中（FeO）和鐵珠含量會升高，倒爐過程倒渣會增加鋼鐵料的損失。為此從降低鋼鐵料消耗，減少成本的角度不能一味降低終點氧位，圖4為冶煉中碳鋼終點氧位和鋼鐵料及冶煉總成本的關系。

圖4 轉爐終點氧位和鋼鐵料消耗及冶煉總成本的關系

按照唐鋼轉爐目前情況轉爐終點氧位控制在350~400 ppm，鋼鐵料及總成本最低，根據以上研究結果，目前唐鋼轉爐終點氧位已經控制在此范圍內。

6 結 語

（1）對理論平衡碳氧積進行了分析，從熱力學角度，在轉爐氣氛內溫度是影響碳氧積的主要因素。

（2）根據唐鋼實際生產中碳鋼過程溫度和氧位的關系研究，可知出鋼溫度在1610~1660℃，應盡量低溫出鋼，降低終點氧位。

（3）從動力學角度，底吹對氧位影響較大，以唐鋼目前底吹流量情況，應充分發揮底吹作用，保持底吹槍通暢，有利于穩定的降低終點氧位。爐齡對氧位的影響可以理解為底吹效果對氧位的影響，唐鋼應提倡經濟爐齡，不必一再追求高爐齡。

（4）結果表明，唐鋼目前轉爐工藝條件下350ppm左右的氧位時鋼鐵料消耗和冶煉總成本最低，實際生產過程應按照此目標控制。