萊鋼頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐碳氧積穩(wěn)定控制技術研究

高志濱，溫福新，于亮濤（萊鋼集團銀山型鋼有限公司煉鋼廠，山東萊蕪271104）

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萊鋼頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐碳氧積穩(wěn)定控制技術研究

高志濱，溫福新，于亮濤
（萊鋼集團銀山型鋼有限公司煉鋼廠，山東萊蕪271104）

摘要：通過改進底吹透氣磚工藝設計、開發(fā)新型轉(zhuǎn)爐濺渣工藝、優(yōu)化轉(zhuǎn)爐智能煉鋼及底吹模型等，實現(xiàn)復吹轉(zhuǎn)爐碳氧積的降低并穩(wěn)定控制在較低水平；利用激光測厚儀對爐型進行監(jiān)控，確保爐型穩(wěn)定，防止碳氧積波動；利用靜止脫碳技術進一步降低碳氧積。工藝實施后，1#～3#120 t轉(zhuǎn)爐碳氧積控制在0.002 5，4#脫磷爐碳氧積控制在0.002 3；4座轉(zhuǎn)爐終渣平均全鐵含量由14.38%降為12.83%，吹煉終點鋼水氧含量平均由520×10-6降為450×10-6，長壽轉(zhuǎn)爐碳氧積穩(wěn)定控制技術年直接經(jīng)濟效益2 390.04萬元。

關鍵詞：復吹轉(zhuǎn)爐；碳氧積；智能模型；爐型監(jiān)控；靜止脫碳

1　前　言

終點鋼水的碳一定時，碳氧積數(shù)值越低則鋼中自由氧含量越低，合金回收率越高，脫氧產(chǎn)生的夾雜物越少，鋼水質(zhì)量越好。傳統(tǒng)大型轉(zhuǎn)爐雖然爐襯壽命可達到10 000爐以上，但有效轉(zhuǎn)爐復吹壽命一般在3 000～4 000爐以內(nèi)。由于底吹與爐齡不同步，造成爐役中后期轉(zhuǎn)爐各項經(jīng)濟技術指標下滑，嚴重影響成本控制及品種鋼的質(zhì)量提升。研究全爐役碳氧積穩(wěn)定控制技術，實現(xiàn)碳氧積控制與爐齡的同步，對于提升轉(zhuǎn)爐復吹效果，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本具有重要意義。

本研究針對萊鋼銀山型鋼煉鋼廠碳氧積控制中出現(xiàn)的問題制定了相應的改進工藝措施，形成了一套完善的頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐碳氧積控制技術，有效降低了鋼水終點氧含量，提高了鋼水的潔凈度，降低了脫氧劑及合金的消耗，縮短了LF、RH冶煉時間，促進了低成本高效化冶煉。

2　碳氧積穩(wěn)定控制技術

2.1改進底吹透氣磚工藝設計［1］

“爐渣—金屬蘑菇頭”是在轉(zhuǎn)爐冶煉和濺渣過程中，金屬和爐渣反復冷凝在底吹供氣元件表面形成的冷凝層，由于供氣元件不斷吹入氣體，因而在金屬一爐渣冷凝層內(nèi)形成了迷宮式的彌散氣孔，因此“爐渣—金屬蘑菇頭”形成后既可以防止鋼水對透氣磚的侵蝕，又能夠保證透氣磚良好的透氣性能。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐底吹透氣磚安裝工藝設計，底吹透氣磚的高度與爐底工作面平齊，爐役初期的“爐渣—金屬蘑菇頭”生成較晚。一般在爐齡400～500爐，底吹透氣磚侵蝕約250 mm，底吹透氣磚上部覆蓋200～300 mm的保護渣層時，初步生成“爐渣—金屬蘑菇頭”，對底吹透氣磚的底吹效果和透氣磚壽命造成影響。根據(jù)新型的工藝設計，透氣磚安裝結(jié)構由透氣磚、透氣磚座磚和保護磚組成。底吹透氣磚和保護磚比爐底工作襯鎂碳磚高出100 mm，在透氣磚的左右兩側(cè)、前后環(huán)各砌筑1～4塊保護磚，相應將底槍亦加長。

開新爐的5～10爐內(nèi)，在開爐模式下操作，底吹透氣磚不作護理，任底吹透氣磚蘑菇頭自由生長。若底吹透氣磚處出現(xiàn)局部凹坑，在出鋼后進行搖爐掛渣操作，促使“爐渣—金屬蘑菇頭”快速生成。底吹透氣磚安裝工藝改進后，可使“爐渣—金屬蘑菇頭”的形成時間縮短到100爐左右，同時保護了底吹透氣磚，防止冶煉過程中鋼水對底吹透氣元件的融損，延長了底吹透氣元件的使用周期，解決了返氣問題，對提高復吹轉(zhuǎn)爐壽命奠定了基礎。

2.2保持透氣磚形態(tài)及透氣性能

濺渣護爐是提高爐襯壽命的關鍵性技術措施，但會堵塞底吹透氣磚，影響復吹。在整個爐役期內(nèi)保持透氣磚穩(wěn)定、良好的形態(tài)及透氣性能，是長壽復吹轉(zhuǎn)爐碳氧積控制的關鍵技術。

1）在爐役初期快速生成“爐渣—金屬蘑菇頭”的基礎上，爐役中后期嚴格控制爐底深度和“爐渣—金屬蘑菇頭”大小。嚴格控制爐底深度，確保1#～3#120 t轉(zhuǎn)爐爐底深度爐役中后期控制在7.65 m左右，4#150 t轉(zhuǎn)爐控制在8.70 m左右，既要保證底吹供透氣磚的暢通，又要防止底吹透氣磚的堵塞和過分熔損。實踐證明，當爐底濺渣層厚度超過300 mm時，底吹對熔池的攪拌效果明顯變差，碳氧積會增大至0.003 0以上。

2）當?shù)状倒庠霈F(xiàn)壓力升高、流量減少時，可視為底吹供氣元件出現(xiàn)堵塞傾向，應立即采取吹堵處理措施：加大底氣流量，進行底吹供氣元件吹堵。若吹堵效果差，應進一步采取措施：出鋼后倒凈爐渣，采用最低槍位開氧吹洗爐底。

3）開發(fā)新型轉(zhuǎn)爐濺渣工藝［3］。開發(fā)復吹轉(zhuǎn)爐用碳鎂球濺渣護爐工藝，使用新型碳鎂球代替石灰或白云石。碳鎂球粒度20～50 mm，化學組成：C 10%～15%，MgO≥55%，SiO2≤5.5%，CaO 2%～5%。

針對不同爐況，使用不同濺渣護爐槍位：當爐底渣層脫落，爐襯磚暴露，冶煉鋼水可能導致底吹供氣元件燒損時，采用“高—低—低”的槍位濺渣，根據(jù)需要加入適量碳鎂球，將爐渣濺好、濺干，爐底能均勻形成濺渣層，并且采取延長濺渣時間、加大濺渣頻率、粘渣掛渣等方法適當上漲爐底。

穩(wěn)定爐底時采用“高—低”相間的槍位濺渣，保證爐渣黏度適中，爐底不會上漲即可，濺渣護爐結(jié)束后及時將爐渣倒掉，防止其粘結(jié)在爐底。

當爐底渣層過厚，影響到底吹元件的供氣效果時，需要下爐底，采用全程“低”槍位濺渣，濺渣不加碳鎂球，適當降低爐渣黏度，避免形成較厚濺渣層?？捎庙敶笛鯓寣t底進行適當吹洗，槍位控制在0.7～1.2 m，氧壓控制在0.75～0.85 MPa，每次吹洗不超過2 min，吹洗結(jié)束提槍倒渣，并觀察爐底情況，嚴禁吹洗過度；也可連續(xù)冶煉3、4爐低碳鋼，或在副槍測量結(jié)束至提槍關氧之前，加入500～1 000 kg的礦石，實現(xiàn)低碳、高氧化鐵渣出鋼［4］。

通過采取一系列措施，控制爐底形狀和“爐渣—金屬蘑菇頭”大小，保證底吹供透氣磚的暢通，防止底吹透氣磚的堵塞或過分熔損，實現(xiàn)了爐役過程中底吹蘑菇頭良好的效果。

2.3優(yōu)化智能煉鋼及底吹模式

1）轉(zhuǎn)爐冶煉要求在降低原材物料消耗的同時實現(xiàn)終點成分和溫度的雙命中，保證出鋼鋼水的質(zhì)量穩(wěn)定。當出現(xiàn)拉碳過高、終點磷高、終點溫度不合等情況時，就不得不對鋼水進行補吹再處理。補吹操作導致了鋼水的過氧化，鋼水中溶解了過多的氧，碳氧積發(fā)生一定變化，對鋼中夾雜物的含量也產(chǎn)生一定影響。通過對智能煉鋼模型不斷進行細化優(yōu)化，并根據(jù)鐵水條件及裝入量不同制定相應的操作模型，來穩(wěn)定轉(zhuǎn)爐過程及終點控制，避免終點的二次補吹。

原有智能煉鋼程序中，加料及槍位模式不能完全覆蓋所有情況下的冶煉，當遇到鐵水條件波動時，過程操作就會遇到較大難度，需要人為干預進行調(diào)整。通過對操作模式的細化整理，并根據(jù)不同的終點目標進行模式的設定與調(diào)整，避免人為干預，實現(xiàn)全過程的自動控制。

根據(jù)長期生產(chǎn)實踐，制定詳細分類的操作模型，對不同條件下吹煉過程的反應特點進行總結(jié)歸納，以冶煉過程礦石加入量情況、爐內(nèi)反應出現(xiàn)的噴濺或者返干情況以及終點目標需要為依據(jù)進行選擇。如：低硅一批料模式、ERP深脫磷模式、根據(jù)鐵水硅和鐵水溫度劃分的區(qū)間模式及低硅與高硅條件下的小批量多批次模式等。

通過合理的模式優(yōu)化，完善了智能煉鋼操作模型，保證了吹煉過程的穩(wěn)定控制，減輕了低硅條件下的返干及高硅時的噴濺現(xiàn)象，提高了終點命中率，避免了終點補吹，降低了終點氧含量，減輕了鋼水對爐襯的沖刷。同時，加強對工藝要求的執(zhí)行力度，嚴格控制終點壓槍時間，普碳鋼保證壓槍≥1 min，低碳鋼保證壓槍≥2 min。加大終點爐渣黏度，促進渣中全鐵含量降低。

2）脫磷反應以鋼－渣界面反應為主，控制合適的熔池攪拌強度可以促進渣鋼反應，強化脫磷過程，使渣鋼反應具備良好的動力學條件，促進脫磷反應，同時降低轉(zhuǎn)爐終點氧含量。底吹強度太弱，熔池攪拌動力不足，不利于鋼中氣體上浮，易發(fā)生噴濺事故，并且對脫碳脫磷反應的進行產(chǎn)生阻礙，鋼液成分不均勻。但實際生產(chǎn)實踐中可以發(fā)現(xiàn)，在吹煉中后期，當?shù)状祻姸冗^大時，如果與吹煉過程的頂吹氧槍槍位配合不好，常常會由于熔池攪拌過于劇烈造成過程返干的現(xiàn)象，導致化渣效果變差，終點磷偏高。

經(jīng)過多次調(diào)整對比，對底吹供氣模式進行優(yōu)化，選取理想底吹流量，進行參數(shù)設定。根據(jù)所煉鋼種終點碳的要求，調(diào)整吹煉過程底吹供氣強度。目前，萊鋼銀山型鋼煉鋼廠1#～3#轉(zhuǎn)爐每個爐座底吹供氣元件共有6支，過程供氣強度在0.03～0.08 m3/（min·t）。4#脫磷爐底吹元件8支，過程底吹供氣強度在0.06～0.12 m3/（min·t）。1#～3#轉(zhuǎn)爐優(yōu)化后的底吹模式底吹流量在200～500 Nm3/h，4#脫磷爐底吹流量在300～900 Nm3/h。新的底吹供氣模式為熔池提供了足夠的攪拌動力，防止了過程噴濺，同時促進了渣—鋼界面反應的充分進行，提升了脫磷率，均勻了成分和溫度，為吹煉終點的有效命中提供了保障。

2.4實施終點靜止脫碳工藝

1）氧在鋼液中的溶解度［2］。在轉(zhuǎn)爐冶煉煉過程中，氧在鋼中的飽和溶解度與渣中（FeO）的分解反應相關：

（FeO）=［Fe］+［O］，△Gθ=121 000-52.38T；

lgK=lg［O］=-8 372/T+2.738。

此反應為吸熱過程，氧在鋼中的飽和溶解度隨度的升高而升高。

2）熔池中的脫碳反應。熔池中的脫碳主要反應如下：

［C］+［O］=CO；lgK=1 160/T+2.003；

K=Pco/（a［C］×a［O］）=PCO/（［C］×［O］×fC×fO）。

當煉鋼過程接近終點時，鋼中［C］、［O］濃度很低，可認為fC=fO=l，即在PCO=101.325 kPa時，［C］× ［O］=l/K=m，m為碳氧濃度積，由碳氧濃度積的定義公式可知，鋼水中的碳氧積隨溫度的升高而上升。

3）吹煉終點的碳氧平衡。在轉(zhuǎn)爐吹煉末期，鋼中元素、鋼水溫度都已基本調(diào)整到了合適的范圍，但是在鋼液中已溶解了過多的氧，此時，鋼中的實際氧含量高于碳氧平衡值，產(chǎn)生了過剩的氧。且終點［C］含量越低，鋼中過剩的［O］含量越高。

為進一步降低轉(zhuǎn)爐終點鋼水中的氧含量，打破吹煉終點碳氧平衡，促進碳氧進一步發(fā)生反應，實施終點靜止脫碳工藝，從而達到降低鋼水中氧含量的目的。主要措施是在轉(zhuǎn)爐吹煉終了提槍后，等待2 min，期間利用底吹強攪功能，增加底吹供氣強度，加大熔池內(nèi)的攪拌力度，運用動力學條件促進碳氧的繼續(xù)反應，將鋼中的碳、氧含量降低，從而達到優(yōu)化轉(zhuǎn)爐冶煉指標的目的。靜止脫碳前后，碳、氧含量的變化見圖1。其中，TSO1為未進行靜止脫碳的爐次探頭測定數(shù)據(jù)，TSO2為進行靜止脫碳后探頭的測定數(shù)據(jù)。從圖中可以明顯看出，靜止脫碳前后碳、氧含量均有明顯降低。

圖1　靜止脫碳前后碳、氧含量的變化情況

2.5優(yōu)化爐型控制

隨著低碳鋼、超低碳鋼品種越來越多，鋼水、鋼渣氧化性強，對爐襯的侵蝕加劇，特別是熔池、耳軸、爐底等重點部位。出現(xiàn)操作過程槍位使用不當，過程加料模式不合理，終點命中率低時需采取補吹措施等，鋼水的浸泡加上補吹產(chǎn)生的瞬間沖刷，對轉(zhuǎn)爐爐型的穩(wěn)定控制都會產(chǎn)生較大影響。吹煉過程的金屬或泡沫渣噴濺、吹煉終點的高氧化鐵爐渣等均會對爐襯產(chǎn)生較大侵蝕，影響爐型的穩(wěn)定。維護好爐型，是品種開發(fā)的需要，更是提高轉(zhuǎn)爐爐齡、穩(wěn)定碳氧積控制的重要措施。

單靠傳統(tǒng)的人工觀察來判斷轉(zhuǎn)爐爐襯侵蝕情況存在盲區(qū)，對爐襯侵蝕部位觀察不全面，爐襯厚度無法量化體現(xiàn)。應用激光測厚儀對轉(zhuǎn)爐侵蝕情況進行監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果制定維護計劃。

應用移動小車式爐襯激光測厚儀，由定位小車在兩個位置選擇3個測量角度對轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯進行測量，110°測量鋼面，90°測量兩側(cè)耳軸、65°測量渣面，繪制各方位剖面圖及整個爐襯展開圖。整體測量1次用時10～15 min，每8 d一定修時，測量1次，根據(jù)測量結(jié)果，制定出爐襯維護計劃，全面掌握爐襯內(nèi)型，可以根據(jù)爐型調(diào)整濺渣護爐模式，對終點區(qū)域進行維護，保持合理的爐型。

激光測厚儀的使用大大提高了對爐襯厚度測量的精度與可靠性，改變了傳統(tǒng)經(jīng)驗判斷的不足，檢測區(qū)域覆蓋了全部爐襯。激光測厚儀檢測出的爐襯薄弱區(qū)域，對厚度數(shù)據(jù)進行了量化，能夠直觀體現(xiàn)出薄弱程度。對侵蝕嚴重的部位，用鎂砂質(zhì)補爐料進行熱填補。利用出鋼后爐溫高的有利條件，倒入一定數(shù)量的補爐料，搖爐至相應區(qū)域進行熱燒結(jié)，補爐料中的鎂砂在高溫燒結(jié)下形成具有高熔點的MgO保護層，加強對爐襯工作層的保護，減輕鋼水對爐襯的侵蝕。配合自流料的使用，對耳軸、熔池中無法填補的盲區(qū)進行彌補，確保良好的補爐效果。當爐底出現(xiàn)較為嚴重的侵蝕時，將入爐補爐料搖至爐底進行燒結(jié)，為避免燒結(jié)不均勻，可將頂吹氧槍降至下極限槍位，開氮氣吹掃，時間控制在10 s以內(nèi)，確保爐底料分布均勻。

3　實際應用效果

應用一系列碳氧積控制技術后，轉(zhuǎn)爐爐底控制穩(wěn)定，碳氧積控制明顯改善，波動范圍小。其中1#～3#爐碳氧積穩(wěn)定控制在0.002 5，4#爐碳氧積穩(wěn)定控制在0.002 3。當爐齡達到8 000爐時，碳氧積未出現(xiàn)較大波動，底吹系統(tǒng)仍具有良好的透氣性能。4#脫磷爐底吹透氣磚“蘑菇頭”實現(xiàn)了全爐役期間可視化。實際應用效果還體現(xiàn)在以下方面：

1）終渣全鐵含量降低。4座轉(zhuǎn)爐

終渣全鐵含量（平均值）由14.38%降為12.83%。

2）吹煉終點鋼水中氧含量降低。吹煉終點鋼水氧含量平均由520×10-6降為450×10-6，很多爐次終點氧含量達到了400×10-6以下。

3）合金回收率提高。鋼水氧含量和渣中氧化鐵含量的降低，促進了終點鋼水殘錳提高，終點鋼水的殘錳平均由0.08%提高到0.10%。冶煉高錳鋼時可減少合金使用量0.40 kg/t。

4）脫氧劑使用量減少。由于終點鋼水氧含量的降低，脫氧劑使用量相應減少。鋁錳鐵由原來的平均2.20 kg/t降低到2.10 kg/t。

長壽轉(zhuǎn)爐碳氧積穩(wěn)定控制技術年直接經(jīng)濟效益2 390.04萬元。碳氧積穩(wěn)定控制技術為鋼材產(chǎn)品質(zhì)量的提升和高端產(chǎn)品的開發(fā)提供了重要的技術支撐，為潔凈鋼的生產(chǎn)奠定了基礎。

參考文獻：

［1］武光君.一種頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐底吹透氣磚及其安裝結(jié)構：中國，200910017406［P］.2010-08-11.

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［3］蘇天森，劉瀏.轉(zhuǎn)爐濺渣護爐技術［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1999.

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Research of Carbon Oxygen Product Stability Control Technology on the Long Life Converter in Laiwu Steel

GAO Zhibin, WEN Fuxin, YU Liangtao
（The Steelmaking Plant of Laiwu Steel Group Yinshan Section Steel Co., Ltd., Laiwu 271104, China）

Abstrraacctt:: Through improving the design of bottom blowing air brick process, developing new type of converter slag splashing technology, optimization intelligent of converter steelmaking and bottom blowing model, to realize the combined-blowing converter low carbon oxygen deposition and stability control at a lower level. Using a laser thickness gauge to monitor the furnace type to guarantee the stability of furnace type, prevent the carbon oxygen volume fluctuations and using the static decarburization technology to further reduce carbon and oxygen. After the process implementation, the carbon oxygen volumes of the No.1, No.2 or No.3 converters were controlled in 0.002 5 and the carbon oxygen product of No.4 converter for dephosphorization was controlled in 0.002 3; The average total iron content of the final slag of 4 converters was reduced to 12.83% from 14.38% and the average oxygen content in molten steel at the end of blowing was decreased to 450×10- 6from 520×10- 6. The direct economic benefit of oxygen carbon product stability control technology for long life of converter is 23.9 million Yuan.

Key worrddss:: top-bottom converter; carbon oxygen product; intelligence model; static decarburization

生產(chǎn)技術

生產(chǎn)技術

作者簡介：高志濱，男，1989年生，2011年畢業(yè)于遼寧科技大學冶金工程專業(yè)?，F(xiàn)為萊鋼集團銀山型鋼有限公司煉鋼廠技術科助理工程師，從事煉鋼工藝技術工作。

收稿日期：2015-08-06

中圖分類號：TF729

文獻標識碼：B

文章編號：1004-4620（2015）06-0020-03