試析電弧爐冶煉終點(diǎn)碳的控制

霍建光

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

關(guān)鍵詞：電弧爐；冶煉終點(diǎn)碳；管理控制；冶煉水平；氧化情況 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

從專(zhuān)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(shí)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(lái)的。此外，為了在一定程度上實(shí)現(xiàn)冶煉周期的縮短，在電弧爐冶煉過(guò)程中往往會(huì)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(qiáng)度得到大大提高，一般情況下可以達(dá)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(diǎn)碳冶煉期間的碳含量控制問(wèn)題本質(zhì)上屬于選擇氧化問(wèn)題，在這個(gè)過(guò)程中需要有效解決的主要包括以下兩個(gè)方面內(nèi)容：第一，是否可以利用碳含量對(duì)熔池中鐵的實(shí)際過(guò)氧化反應(yīng)進(jìn)行科學(xué)控制；第二，怎樣有效控制管理好熔池中的過(guò)氧化反應(yīng)來(lái)充分降低相應(yīng)的鐵損情況，進(jìn)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(wèn)題屬于冶金熱力學(xué)目前分析研究的關(guān)鍵問(wèn)題，主要包括以下兩個(gè)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(guò)程中的氧化溫度，也就是說(shuō)在臨界溫度基礎(chǔ)上，哪一種物質(zhì)優(yōu)先氧化的問(wèn)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(wèn)題，也就是說(shuō)在平衡濃度之上哪一種物質(zhì)率先氧化的問(wèn)題。在實(shí)踐過(guò)程中廣泛應(yīng)用到的準(zhǔn)確計(jì)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(shí)際應(yīng)用的例子。然而Fe-C在選擇氧化方面有著相對(duì)較強(qiáng)的特殊性，由于鐵屬于溶劑元素，所以在之后的冶煉后期過(guò)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(shí)際熔煉后期將不會(huì)超出1%。因此可以從碳氧化機(jī)理方面進(jìn)行進(jìn)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(huì)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(shí)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(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，碳向氧氣泡傳質(zhì)的實(shí)際速率往往比氧化反應(yīng)實(shí)際速率要慢很多，然而熔池中存在著相對(duì)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(huì)比較低，從而使得氣體氧以及鐵液反應(yīng)過(guò)程中所生成的FeO溶解度相對(duì)較低。若相對(duì)較多的FeO不能在鐵液中得到充分溶解，則聚集起來(lái)將會(huì)與氧氣進(jìn)行再次反應(yīng)氧化最終生成相應(yīng)的Fe3O4，進(jìn)而產(chǎn)生一定數(shù)量的褐煙。在電弧爐冶煉的精煉時(shí)期相應(yīng)溫度條件之下，其鋼液溫度往往會(huì)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(huì)隨溫度變化而出現(xiàn)相對(duì)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(duì)來(lái)說(shuō)是非常低的，將會(huì)使熔池以及氧化性氣氛進(jìn)行接觸的過(guò)程中，在表面上快速形成相應(yīng)的FeO膜。所以從這個(gè)角度上來(lái)看，熔池中鐵元素的實(shí)際氧化程度可以由熔池中相應(yīng)的溶解氧濃度情況來(lái)決定，溫度因素影響程度相對(duì)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(guò)程中的工藝控制分析

從電弧爐冶煉終點(diǎn)碳的技術(shù)控制角度上進(jìn)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(lái)有效控制[O]，從而在一定程度上防止鋼液的過(guò)氧化，進(jìn)而通過(guò)預(yù)報(bào)氧來(lái)指導(dǎo)出鋼過(guò)程中的脫氧現(xiàn)象。此外，在冶煉低碳鋼的過(guò)程中，針對(duì)20MnSi型號(hào)的鋼，應(yīng)充分考慮到防止精煉期存在過(guò)量氧與出鋼之后補(bǔ)加合金中的一定量碳含量，需要把終點(diǎn)碳有效控制在0.07%～0.10%之間。而針對(duì)碳要求在0.06%及以下的部分鋼種，其電爐終點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)碳的具體操作步驟分析

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照不同鐵水熱裝比準(zhǔn)確計(jì)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(jì)算表中，得到終點(diǎn)碳的基準(zhǔn)吹氧量。具體的終點(diǎn)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(duì)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(shí)際裝入量應(yīng)按照爐役期情況進(jìn)行及時(shí)優(yōu)化調(diào)整，防止熔池過(guò)低而引起渣中的氧化鐵富集，進(jìn)而造成大沸騰安全事故，而且還應(yīng)避免熔池過(guò)高而引起相應(yīng)的脫碳反應(yīng)劇烈過(guò)程中爐門(mén)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(jìn)行助熔；第四，加料完成之后，熔清之前的爐門(mén)氧槍用于清理爐門(mén)廢鋼，而熔清之后要沿鋼渣界面進(jìn)行吹氧化渣，然后實(shí)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(mén)氧槍通常情況下會(huì)停留到工作位，進(jìn)行間歇性噴吹碳粉以及吹渣操作，而且在配碳量相對(duì)較高的時(shí)候，有效配合超音速的集束氧槍進(jìn)行繼續(xù)脫碳操作；第五，整個(gè)電弧爐冶煉過(guò)程中，必須要全程送電，并嚴(yán)格采用相應(yīng)的2級(jí)電壓送電管理制度；第六，當(dāng)冶煉中脫碳反應(yīng)已經(jīng)進(jìn)行一段時(shí)間之后，且氧氣消耗量已經(jīng)達(dá)到基準(zhǔn)的吹氧量，則需要停電以及停氧實(shí)施測(cè)溫取樣；第七，當(dāng)終點(diǎn)碳處于目標(biāo)范圍內(nèi)，但是溫度不能達(dá)到出鋼要求的時(shí)候，爐門(mén)氧槍需要以相對(duì)較低的流量進(jìn)行吹渣，并采用相對(duì)較大的噴碳量實(shí)施噴碳造泡沫渣，然后進(jìn)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(diǎn)碳過(guò)高的時(shí)候，應(yīng)采用集束氧槍M4中的專(zhuān)業(yè)化脫碳模式實(shí)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(shí)施有效的取樣分析，當(dāng)成分合適后再出鋼。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，電弧爐冶煉終點(diǎn)碳控制工作是一項(xiàng)專(zhuān)業(yè)性、復(fù)雜性都相對(duì)較強(qiáng)的工作，關(guān)系到終點(diǎn)碳的順利冶煉。因此，在進(jìn)行電弧爐冶煉終點(diǎn)碳的過(guò)程中，要高度重視冶煉過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，從整體出發(fā)，時(shí)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(shí)執(zhí)行，從根本上確保終點(diǎn)碳的質(zhì)量水平。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）