碳粉脫氧工藝在轉(zhuǎn)爐出鋼過程中的應(yīng)用

賈崇雪 李長新 韓永鎮(zhèn) 李興彬 劉效森

(濟(jì)南鋼鐵有限公司)

0 前言

目前鋼鐵市場舉步維艱、不容樂觀，如何使用最低的成本生產(chǎn)出滿足客戶苛刻要求的高質(zhì)量產(chǎn)品成了鋼鐵企業(yè)面臨的巨大難題。脫氧工藝是轉(zhuǎn)爐煉鋼的重要一環(huán)，它對鋼中夾雜物形態(tài)、數(shù)量、種類有著直接影響。常規(guī)煉鋼一般用鋁進(jìn)行脫氧，鋁不僅價格昂貴(14870.9 元/t)，而且脫氧產(chǎn)物為固態(tài)的Al2O3夾雜，很難完全充分上浮去除，對鋼水的澆鑄和鋼材的成品性能產(chǎn)生不利影響［1］。在出鋼前期，使用價格便宜的碳粉(1737.93 元/t)代替部分鋁進(jìn)行鋼水預(yù)脫氧，不僅降低了鋁制品的消耗，而且脫氧產(chǎn)物為CO，在鋼液中無殘留，達(dá)到了既降低生產(chǎn)成本又提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

1 概況

濟(jì)南鋼鐵有限公司中厚板廠120 t 轉(zhuǎn)爐區(qū)域有120 t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐3 座，板坯連鑄機(jī)4 臺，其中包括ASP 薄板坯鑄機(jī)2 臺。其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中成品碳≤0.08%的低碳鋼占50%左右，包括薄板坯鑄機(jī)的SPHC、SPHD、DD11～DD15 深沖鋼及車輪鋼等系列鋼種以及厚規(guī)格的管線鋼、部分油罐鋼等系列鋼種。這些鋼種由于成品［C］含量的限制，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)［C］較低，一般在0.05%以下，相應(yīng)的終點(diǎn)［O］含量較高，一般在500×10－6以上。即使一些中、高碳鋼，由于滿足出鋼溫度和脫磷的需要，轉(zhuǎn)爐拉后吹現(xiàn)象也時有發(fā)生，致使終點(diǎn)鋼水［O］急劇上升。對2012年度的轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧含量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧含量分布圖

由于鋼水過氧化，為了完全去除鋼中［O］，一般采用補(bǔ)加鋁質(zhì)脫氧劑的方法。由此不僅造成了鋁質(zhì)脫氧劑消耗的增加，增加了生產(chǎn)成本，還造成了鋼水中的Al2O3夾雜的增多，對鋼水的澆鑄和鋼材的成品性能產(chǎn)生不利影響。為降低生產(chǎn)成本和提高鋼水質(zhì)量，開發(fā)高效、高質(zhì)、低成本的脫氧工藝很有必要，為此，濟(jì)鋼對120 t 轉(zhuǎn)爐區(qū)域開展在轉(zhuǎn)爐出鋼過程中碳粉預(yù)脫氧工藝的研究和試驗(yàn)。

2 C－O 反應(yīng)機(jī)理

碳氧反應(yīng)的方程式為:［C］+［O］={CO}，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)的達(dá)到平衡時:

式中:PCO——平衡時CO 的壓力;

PΘ——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;

a［C］——碳的活度;

a［O］——氧的活度)［2］。

轉(zhuǎn)爐出鋼終點(diǎn)時爐內(nèi)C—O 反應(yīng)達(dá)到平衡，利用出鋼過程中鋼水溫度和氣相中CO 分壓降低等有利于促進(jìn)C—O 進(jìn)一步反應(yīng)的熱力學(xué)條件，以及出鋼過程中鋼包底吹氬和鋼流沖擊對鋼水產(chǎn)生強(qiáng)烈攪拌的動力學(xué)條件，在出鋼前期加入一定量的碳粉，促進(jìn)C—O 進(jìn)一步反應(yīng)，達(dá)到降低鋼中氧含量的目的。

3 碳粉脫氧方案及實(shí)施

3.1 細(xì)分鋼種

將鋼種按照成分進(jìn)行分類，根據(jù)鋼種碳含量和硅、錳等合金成分要求，將所冶煉的鋼種分為四大類:A、低碳無合金鋼系列鋼種，該系列鋼種主要包括SPHC、SPHD、SPCC、DD11～DD15 深沖鋼系列等鋼種，該類鋼種的特點(diǎn)在于成品［C］≤0.06%，在出鋼過程中僅加入脫氧劑，幾乎不加入用于合金化的合金;B、低碳低合金鋼系列鋼種，此類鋼種主要包括330CL—R2、380CL—R2、420CL—R1、420CL—R2、510L—R1、510L—R2、JG510L—R1 以及管線鋼、部分油罐鋼等系列鋼種，該類鋼種特點(diǎn)是成品［C］≤0.09%，在出鋼過程中不僅加入脫氧劑，還要加入數(shù)量不等的合金。C、普碳鋼系列鋼種，此系列鋼種主要是指成品［Mn］≤0.7%，成品［Si］≤0.25%，成品［C］≥0.12%的鋼種。該系列鋼種由于合金量較少，合金加入時間可以適當(dāng)延遲。D、中、高碳鋼低合金鋼系列鋼種，此系列鋼種主要是指成品［Mn］＞0.7%，成品［Si］＞0.25%，成品［C］≥0.12%的鋼種，該系列鋼種由于合金量較大，合金加入時間較早。細(xì)分鋼種的目的主要是根據(jù)成品［C］要求和合金加入量確定脫氧增碳劑的加入量。

3.2 確定出鋼口時間

出鋼口的出鋼時間一般在6 min～3.8 min 之間，新出鋼口出鋼時間較長，老出鋼口出鋼時間較短，出鋼口中、后期侵蝕較慢。出鋼口時間長短決定了合金加入時機(jī)的早晚，亦即決定了脫氧碳粉和鋼中氧反應(yīng)時間的長短。因此為便于該方案的實(shí)施，將出鋼口時間劃分為≤4.5 min 和＞4.5 min 兩類，以此作為合金加入時機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 確定轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水氧含量所對應(yīng)的區(qū)間段

“碳粉脫氧工藝”是利用碳粉中的［C］與鋼水中的［O］反應(yīng)生產(chǎn)成CO 氣體，以達(dá)到降低鋼水中氧含量的目的，因此終點(diǎn)氧含量是決定脫氧碳粉加入量的主要因素。為此，根據(jù)上述所劃分的四個鋼種系列，將每個鋼種系列所對應(yīng)的終點(diǎn)氧含量細(xì)分為若干個區(qū)間段。

3.4 制定脫氧碳粉加入方案

3.4.1 低碳鋼加入方案

此系列鋼種包括SPHC、330CL—R2、380CL—R2、420CL—R1、420CL—R2、510L—R1、510L—R2、JG510L—R1 以及管線鋼系列鋼種。此類鋼種終點(diǎn)氧含量較高，一般在500×10－6～1000×10－6之間。該系列鋼種加入的碳粉如果不能完全用于脫氧或者被燒損，極易造成鋼水碳含量出格。為避免出鋼過程鋼水增碳，此系列鋼種脫氧碳粉的加入量以及脫氧劑和合金的加入時機(jī)都要嚴(yán)格控制。低碳鋼系列鋼種脫氧碳粉加入方案詳見表1。

表1 低碳鋼系列鋼種脫氧碳粉加入方案

3.4.2 中、高碳鋼系列鋼種碳粉加入方案

此系列鋼種成品［C］含量較高，在出鋼過程中需用增碳法配加一定數(shù)量的碳粉才能達(dá)到鋼種目標(biāo)碳含量要求。此類鋼種終點(diǎn)氧含量一般在200×10－6～800×10－6之間，該系列鋼種不擔(dān)心因脫氧碳粉不能完全氧化而造成的增碳問題。中、高碳鋼系列鋼種碳粉加入方案見表2。

3.5 實(shí)施要求

1)嚴(yán)格控制脫氧碳粉加入時機(jī)，出鋼30 s 內(nèi)須將用以脫氧的碳粉加完;

表2 中、高碳鋼系列鋼種碳粉加入方案

2)低碳鋼系列鋼種要待鋼包內(nèi)碳－氧反應(yīng)趨于平靜后再加入脫氧劑，以防碳粉氧化不徹底造成鋼水增碳;

3)中、高碳鋼系列鋼種根據(jù)合金的加入時機(jī)以及鋼包內(nèi)C－O 反應(yīng)情況，前期所加碳粉按照0～20%的增碳量考慮;

4)理論計(jì)算10 kg 碳粉與15 kg 純鋁的脫氧量相當(dāng)，但考慮到碳與鋁脫氧能力的差別，碳粉的脫氧效率和純鋁的脫氧效率可以按1∶ 1 換算。在使用碳脫氧的爐次，鋁塊的加入量也應(yīng)該做相應(yīng)減少，調(diào)整后的鋁塊加入量可以按下式計(jì)算:

鋁塊加入量=原規(guī)程規(guī)定的鋁塊加入量－脫氧碳粉的加入量

4 應(yīng)用效果

為了便于比較，分別在3 座轉(zhuǎn)爐相鄰的前、后爐次取鋼水樣進(jìn)行定氧操作。前兩爐按照正常脫氧工藝加入脫氧劑，后兩爐按照碳粉預(yù)脫氧方案要求加入了一定數(shù)量的碳粉進(jìn)行預(yù)脫氧。試驗(yàn)結(jié)果見表3和表4。

表3 SPHC 鋼種采用正常脫氧工藝的爐次試驗(yàn)結(jié)果

表4 SPHC 鋼種采用碳粉預(yù)脫氧工藝的爐次試驗(yàn)結(jié)果

由表3、表4 對比可以看出，CAS 站所測定的自由［O］基本一樣，說明兩種脫氧工藝的脫氧效果基本相同。在終點(diǎn)鋼水平均氧含量和脫氧效果基本相同的情況下，采用碳粉預(yù)脫氧工藝的爐次較采用正常脫氧工藝的爐次，鋁塊平均少加31.16 kg。

對于鋁鎮(zhèn)靜鋼，Al2O3夾雜在水口耐火材料的上面沉積是造成連鑄過程中水口結(jié)瘤比較嚴(yán)重的主要原因之一。實(shí)施碳粉脫氧工藝后，鋼水中［AlT］降低了14.32%。鋼水中［AlT］降低，減少了水口結(jié)瘤現(xiàn)象，因結(jié)瘤而造成的更換浸入式水口的頻率由4.8%降低到2.6%。

5 結(jié)論

1)在出鋼前期采用碳粉預(yù)脫氧工藝，在達(dá)到同樣脫氧效果的情況下，降低鋁塊消耗0.16 kg/t 鋼，年降成本約720 余萬元;

2)采用碳粉預(yù)脫氧工藝后，因鋼水粘而造成的浸入式水口更換頻率降低了45.8%，減少了浸入式水口的消耗，降低了鑄機(jī)的非穩(wěn)態(tài)作業(yè)率，提高了鑄坯質(zhì)量。

［1］王慶祥，吳雄，喻承歡，等.浸入式水口堵塞的機(jī)理及其改善措施［J］.鋼鐵，2005，40(2):34－36.

［2］馮捷，張紅文.煉鋼基礎(chǔ)知識［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2010:146.