提高中高錳鐵水轉爐冶煉終點殘錳

左 歡

（天津工業職業學院，天津 300400）

針對鋼鐵行業激烈的市場競爭和原材料價格上漲，鋼鐵企業面臨的成本控制壓力不斷增大，為了占據更大的市場份額，必須在成本控制上搶得先機。因此，本文針對這一問題，在鐵水無脫硫預處理的條件下，在保證冶煉轉爐充分脫磷且脫硫的狀態基礎上，對中高錳鐵水轉爐冶煉終點殘錳量的影響因素進行分析，以降低鋼水錳合金化成本為目的，找出提高殘錳量的方法，為轉爐冶煉提高終點殘錳含量提供理論依據。

1 轉爐吹煉過程中錳的反應機理

開吹點火后，鐵液中的錳元素先于碳元素被氧氣直接氧化，生成MnO進入爐渣中，并放出熱量，低溫有利于該反應（1）的進行，生成的MnO能促進前期化渣。

吹煉中期，碳氧反應速率逐漸加快，爐渣中FeO減少，熔池溫度升高，反應（2）朝著正方向進行，前期進入爐渣的MnO部分被還原重新返回鋼液。

吹煉后期，鋼水碳的質量分數降低，鋼水氧化性和爐渣中的FeO因消耗減慢而增加。鋼水中的錳被重新氧化進入爐渣中，反應如（3）、和式（4）。

由以上反應可知，鋼水終點的殘錳量取決于反應式（2）、式（3）和式（4）[1]，理論上與鋼水氧化性、溫度、碳質量分數、爐渣中FeO含量、爐渣中MnO質量分數等因素有關[2]。

2 提高中高錳鐵水轉爐冶煉終點殘錳方法設計

冶煉終點鋼水中錳含量的高低與鐵水中的原始錳含量有一定的關系，但是吹煉過程對冶煉工藝的控制措施是決定終點鋼水錳含量的重要因素。氧氣轉爐煉鋼的吹煉時間僅僅是十幾分鐘，在這短短的時間內要完成造渣、脫碳、脫磷、脫硫、去氣、去除非金屬夾雜物及升溫等基本任務，還要保證終點鋼水的碳含量和錳含量。從以上工藝流程可以看出，煉鋼的工藝生產十分復雜，每一個環節對鋼水最終的質量都有著十分重要的影響，而在工藝環節中的“終點鋼水含錳量”指的是中高錳鐵水轉爐冶煉終點中的殘錳。殘錳含量的多少對鋼的質量有著更加重要的影響，因此本文通過對上述工藝流程進行分析，從多個不同的環節的控制，找出提高殘錳量的主要方法分為六步，分別為降低鋼水氧化性、提高轉爐終點溫度、降低轉爐終點碳質量分數、降低爐渣中FeO總質量分數、采用頂底復吹工藝、降低轉爐噸鋼爐渣量，下面對著六個方面進行詳細的說明。

2.1 降低鋼水氧化性

在冶煉工藝過程中，隨著鋼水的碳質量分數的降低，鋼水中的氧元素會呈持續增加的狀態。由反應式（3）可知，鋼水的氧化性越高，越有利于錳的氧化，所以應降低終點鋼水的氧化性以抑制錳元素的氧化。通過實踐總結得出，當終點鋼水中氧元素的質量分數每降低6ppm～8ppm，終點殘錳量將增加0.01%，同時降低鋼水的氧化性能也能顯著提高鋼水的純凈度和增加金屬收得率。

2.2 提高轉爐終點溫度

反應式（3）和式（4）從熱力學角度中分析可知，兩反應均為吸熱反應，當溫度升高時，有利于反應向逆向進行，從而有效的提高中高錳鐵水轉爐冶煉終點的殘錳量。為了準確找提高中高錳鐵水轉爐冶煉終點殘錳質量分數的具體溫度控制范圍，選擇三個不同溫度控制范圍的環境對殘錳的質量分數進行研究。

表1 轉爐終點溫度控制范圍及終點錳質量分數

通過對表1冶煉終點的溫度控制范圍與終點錳的質量分數關系可以得出，當終點溫度處于較低狀態時，提升溫度有利于氧化錳的還原反應，從而提高終點殘錳的質量分數；而當溫度超出了一定范圍后，反而不利于氧化錳的還原，殘錳的質量分數不會隨之提高。主要原因在于，在冶煉鋼的過程中，環境條件基本保持不變的狀態下，過高的冶煉終點溫度會造成轉爐中爐渣和鐵水的氧化性增強，因而影響氧化錳的還原反應。

2.3 降低轉爐終點碳質量分數

在進行轉爐吹煉的后期階段，隨著碳元素不斷被氧化，鋼水中的錳元素會產生還原反應。由氧化反應式（3）和式（4）可以看出，當鋼水以及轉爐中的爐渣氧化性增強時，會使錳的氧化反應逐漸增強，最終冶煉終點的殘錳質量分數會受到兩種氧化反應的平衡狀態影響[3]。

當轉爐終點的碳元素質量分數較高時，鋼水以及爐渣的氧化性會降低，從而促進錳元素的還原反應，進而抑制錳元素的氧化反應進行，使得冶煉終點的殘錳質量分數增高；反之當轉爐終點的碳元素質量分數較低時，鋼水以及爐渣的氧化性會升高，從而抑制錳元素的還原反應，進而促進錳元素的氧化反應進行，使得冶煉終點的殘錳質量分數降低。

2.4 降低爐渣中FeO質量分數

在鋼的冶煉工藝中，在碳含量相對固定的前提下，鋼水氧化性越強，轉爐中的爐渣氧化性越強。而鋼水中殘錳的提高正是通過控制鋼水氧化性從而控制爐渣的氧化性實現的。因此，當金屬熔液中元素消耗氧逐漸減慢時，則表示爐渣的氧化性在逐漸增強，而金屬熔液中氧元素質量分數與鋼中含有的錳元素質量分數之間又有著密切的聯系。在轉爐吹煉過程中，隨著熔池溫度的上升，碳的氧化進入劇烈反應期，爐渣中的FeO被大量消耗，鋼水的氧化性降低，有利于錳還原反應的進行。由轉爐終點鋼水對爐渣中的氧化鐵的影響可以得出，當轉爐中的爐渣氧化性能越差，則轉爐終點的鋼水含錳元素質量分數越高。通過實踐經驗得出，當轉爐爐渣中的氧化鐵質量分數降低到原來的60%～80%時，可以將終點殘錳質量分數提高0.3%～0.2%。

2.5 采用頂底復吹工藝

由反應（4）可知，爐渣氧化性越強，越有利于錳元素的氧化，而頂底復吹轉爐渣中（FeO）含量低于純頂吹轉爐，即鋼水中的[Mn]取決于爐渣的氧化性。

復吹轉爐的底吹工藝可以有效的提升熔池中的攪拌能力，增大氣、液、渣的反應界面，加快反應速率，從而促進冶煉反應的平衡，降低碳氧積。通過進一步的探究得出，在相同的溫度、碳元素質量的情況下，有轉爐底吹工藝的鋼水和爐渣的氧化性較低；而沒有轉爐底吹工藝的鋼水和爐渣更容易發生過氧化。因此，從理論的角度分析可以得出，復吹轉爐底吹工藝可以有效提高中高錳鐵水轉爐冶煉終點殘錳。

當鐵水條件、冶煉鋼種、終點控制以及操作方法均相同的狀態下，有底吹工藝的平均終點的殘錳質量分數明顯高于無底吹工序的平均終點殘錳質量分數，且增長率約為0.2%～0.4%。因此，采用頂底復吹轉爐工藝可以有效的提高中高錳鐵水轉爐冶煉終點殘錳。頂底復吹轉爐爐渣堿度高，自由氧化物（MnO）的活度大，鋼水殘錳增加，從而降低了Fe-Mn消耗。

2.6 降低轉爐噸鋼爐渣量

在轉爐吹煉過程中，錳元素的氧化產物一部分要進入爐渣中，一部分留在鋼液內，所以要想使錳在渣鋼之間的分配比變小，減少渣量是可行的方法之一。由錳元素的還原反應(MnO)+[C]=[Mn]+CO及上文分析可知，當提高轉爐中爐渣的氧化錳質量分數有利于反應的進行。而轉爐爐渣中氧化錳是來自于中高錳鐵水中的錳元素氧化。在各冶煉廠中，中高錳鐵水中錳元素的質量分數均為相對穩定的，因此要想提高轉爐爐渣中的氧化錳質量分數，可以通過降低轉爐噸鋼爐的渣量的方式實現。通過對每爐平均噸鋼的渣量與平均殘錳的質量分數統計結果可以看出，降低轉爐噸鋼爐渣量能夠有效的降低轉爐爐渣中氧化錳的總量，從而降低錳在渣鋼間的分配比，有利于提高中高錳鐵水轉爐冶煉終點殘錳。

3 實驗論證分析

通過本文上述研究，得出了針對提高中高錳鐵水轉爐冶煉終點殘錳的方法，為了使本文方法研究更加嚴謹，將用本文方法冶煉爐次的殘錳質量分數進行了采樣，采樣要求：終點氧含量控制在300ppm～600ppm之間，終點碳的質量分數控制到0.06%～0.15%，終點溫度控制在1620℃～1670℃之間，終渣氧化鐵質量分數降控制到15%左右，白灰加入量30Kg/t左右，白云石加入量25Kg/t左右，并在復吹轉爐中進行生產。與傳統工藝下相同鐵水成分、鋼種、終點碳含量和操作方法等條件的的殘錳質量分數進行對比試驗。根據兩種方法的數據記錄結果繪制如圖1所示的實驗結果對比圖。

圖1 本文方法與傳統工藝實驗結果對比

從圖1中可以看出，利用本文方法可以有效提高中高錳鐵水轉爐冶煉終點殘錳質量分數。與傳統冶煉工藝相比，殘錳質量分數提高了0.25%，具有更高的應用價值。因此通過實驗證明，本文方法通過降低鋼水氧化性、提高轉爐終點溫度、降低轉爐終點碳元素質量分數、采用復吹轉爐工藝、降低轉爐噸鋼爐渣量對提高殘錳量具有更好的作用。

4 結語

本文針對提高中高錳鐵水轉爐冶煉終點殘錳方法進行研究，通過對工藝流程中的具體工序進行分析，找出一種從六個方面對其進行提升的方法，并通過對比實驗證明了該方法的有效性和可行性，對與冶煉企業而言，該方法具有更高的應用價值。但對于中高錳鐵水轉爐冶煉終點殘錳的質量分數與鐵水原始錳含量的內在聯系的研究本文沒有過多涉及，因此在后續的研究中還將對這一方面的問題進行更加深入的研究。