提高260 t 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)一拉率工藝研究與應(yīng)用

陳晨，李超，尚德義，劉博，劉延信，冉茂鐸

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007）

轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)一拉率是指轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)未進(jìn)行補(bǔ)吹，一次拉碳直接出鋼的爐數(shù)占總冶煉爐數(shù)的比例。實(shí)際生產(chǎn)中，減少轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)補(bǔ)吹次數(shù)能降低鋼水氧化性，使渣粘稠，減少下渣量，同時(shí)，縮短冶煉時(shí)間，減緩爐襯侵蝕。 因此，提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)一拉率對(duì)于提高鋼水收得率、 提高鋼水質(zhì)量、穩(wěn)定生產(chǎn)節(jié)奏、維護(hù)轉(zhuǎn)爐爐體等均具有重要意義。

為提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)一拉率，韶鋼采用的措施是高爐鐵水全部入混鐵爐，實(shí)行穩(wěn)定裝入量制度，出鐵后必須測溫取樣等[1]；淮鋼100 t 轉(zhuǎn)爐采取的措施是優(yōu)化氧槍噴頭、槍位、造渣料加入制度及底吹模式等，都不同程度地提高了終點(diǎn)命中率，其中淮鋼終點(diǎn)溫度命中率提高39.87%[2]。 鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司 （以下簡稱“鲅魚圈”）2019 年轉(zhuǎn)爐平均終點(diǎn)一拉率僅為91.38%，低于國內(nèi)先進(jìn)企業(yè)水平。 本文采用Minitab 軟件分析現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用排列圖、回歸分析等質(zhì)量工具，確定影響轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)一拉率的原因，制定并采取相應(yīng)措施后，提高了轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)一拉率。

1 工藝裝備

鲅魚圈目前有3 座260 t 大型轉(zhuǎn)爐，噴槍主要采用五孔椎體氧槍。 轉(zhuǎn)爐爐體和氧槍噴頭的主要技術(shù)參數(shù)如表1、表2 所示。

表2 氧槍噴頭的主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main Technical Parameters of Oxygen Lance Nozzles

2 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)一拉率控制水平

利用Minitab 軟件得出2019 年轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)一拉率時(shí)間序列圖見圖1。由圖1 可以看出，2019年，只有6月份3 座轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)一拉率達(dá)到了95.77%，全年平均一拉率約為91.38%，低于國內(nèi)先進(jìn)水平（93%），一拉率的控制水平較低。

圖1 2019 年轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)一拉率時(shí)間序列圖Fig. 1 Time Series Diagram for Success Rates of First Decarbonization at End Point in Converter in 2019

3 影響轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)一拉率的原因

將2019 年12 月影響轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)一拉率的因素做成排列圖見圖2。 由圖2 可以看出，影響轉(zhuǎn)爐一拉率的主要因素包括終點(diǎn)溫度低、終點(diǎn)磷高、終點(diǎn)碳高三個(gè)方面，其中起主要作用的是終點(diǎn)溫度低和終點(diǎn)磷高，共占比94.5%。

圖2 影響轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)一拉率的因素排列圖Fig. 2 Arrangement Diagram for Factors Af fecting Success Rates of the First Decarbonization at End Point in Converter

3.1 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度低

轉(zhuǎn)爐冶煉條件下，終點(diǎn)溫度低的主要影響因素有轉(zhuǎn)爐槍齡、廢鋼加入量、拉碳槍位、拉碳時(shí)間等，首先對(duì)槍齡與升溫速度的關(guān)系進(jìn)行分析，見圖3。

圖3 槍齡與升溫速度的關(guān)系Fig. 3 Relationship between Service Life of Oxygen Lance and Heating Rate

由圖3 可以看出，氧槍槍齡<30 次和>100 次兩種情況下，鋼水升溫速度沒有顯著差別，可以排除其影響。 對(duì)終點(diǎn)溫度與拉碳槍位、拉碳時(shí)間、廢鋼加入量的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，見圖4。 由圖4 可以看出，拉碳時(shí)間對(duì)終點(diǎn)溫度影響顯著；拉碳槍位、 廢鋼加入量對(duì)終點(diǎn)溫度影響不顯著；拉碳槍位、 拉碳時(shí)間交互作用顯著，對(duì)終點(diǎn)溫度影響較大，貢獻(xiàn)率達(dá)78.12%。

圖4 終點(diǎn)溫度與拉碳槍位、拉碳時(shí)間、廢鋼加入量的回歸分析結(jié)果Fig. 4 Regression Analysis Results of End Point Temperature with Oxygen Lance Position for Catching Carbon, Catching Carbon Time and Scrap Addition

3.2 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)磷含量高

3.2.1 終點(diǎn)溫度對(duì)終點(diǎn)磷的影響

首先進(jìn)行脫磷反應(yīng)機(jī)理研究，脫磷反應(yīng)是界面反應(yīng)，由下列反應(yīng)組成：

綜合（1）～（3）得：

式中，K 為脫磷反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)；T 為鋼水溫度；△H°為反應(yīng)熱量差值，以上反應(yīng)是強(qiáng)放熱的。

由式（5）計(jì)算的K 值見表3。 由表3 可見，隨著溫度的升高，K 值顯著減小。 由此可知，低溫對(duì)脫磷有利（前文的溫度是指達(dá)到轉(zhuǎn)爐目標(biāo)出鋼溫度要求的轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度，此處是指較低的出鋼溫度對(duì)脫磷有利，聯(lián)系上文與此處的分析認(rèn)為，較低的轉(zhuǎn)爐目標(biāo)出鋼溫度是有利的）[3]。

表3 脫磷反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)Table 3 Chemical Equilibrium Constant for Dephosphorization Reaction

3.2.2 其它因素對(duì)終點(diǎn)磷含量的影響

對(duì)堿度、終點(diǎn)氧含量、廢鋼加入量等影響終點(diǎn)磷含量的因素進(jìn)行多變量回歸分析，結(jié)果見圖5。

圖5 終點(diǎn)磷含量與堿度、終點(diǎn)氧含量、廢鋼加入量的回歸分析結(jié)果Fig. 5 Regression Analysis Results of Phosphorus Content at End Point with Alkalinity, Oxygen Content at End Point and Scrap Addition

由圖5 看出，堿度、終點(diǎn)氧含量、廢鋼加入量對(duì)終點(diǎn)磷含量影響顯著，堿度、終點(diǎn)氧含量交互作用顯著，對(duì)終點(diǎn)磷含量影響較大，貢獻(xiàn)率48.64%。

4 采取的措施

4.1 控制終點(diǎn)溫度

4.1.1 控制拉碳時(shí)間、拉碳槍位

提取262 爐SPHC 鋼種的終點(diǎn)溫度與拉碳槍位、拉碳時(shí)間數(shù)據(jù)，利用Minitab 軟件做等值線圖如圖6 所示。由圖6 可以看出，若想將終點(diǎn)溫度控制在與目標(biāo)溫度偏差0～20 ℃，拉碳槍位應(yīng)控制在205～215 cm，拉碳時(shí)間控制在20 s 以上。

圖6 終點(diǎn)溫度與拉碳槍位、拉碳時(shí)間的等值線圖Fig. 6 Isopleth Map for End Point Temperature,Oxygen Lance Position for Catching Carbon and Catching Carbon Time

為了進(jìn)一步優(yōu)化控制終點(diǎn)溫度，采用響應(yīng)優(yōu)化器分析了終點(diǎn)溫度與拉碳槍位、 拉碳時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果見圖7。

圖7 終點(diǎn)溫度與拉碳槍位、拉碳時(shí)間的優(yōu)化響應(yīng)分析Fig. 7 Optimized Response Analysis on End Point Temperature,Oxygen Lance Position for Catching Carbon and Catching Carbon Time

由圖7 可以看出，響應(yīng)優(yōu)化器的因子優(yōu)化結(jié)果是拉碳槍位控制在195～205 cm，拉碳時(shí)間控制在25～37 s，可將終點(diǎn)溫度與目標(biāo)溫度偏差控制在10 ℃，達(dá)到最優(yōu)出鋼的溫度要求。

4.1.2 提高靜態(tài)計(jì)算精度

將靜態(tài)計(jì)算應(yīng)用到轉(zhuǎn)爐二級(jí)控制系統(tǒng)，建立轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)靜態(tài)模型，進(jìn)一步提高終點(diǎn)控制水平。鲅魚圈轉(zhuǎn)爐靜態(tài)模型是以物料平衡和熱平衡計(jì)算為基礎(chǔ)建立的數(shù)學(xué)模型，采用理論計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、參數(shù)回歸分析于一體的代數(shù)增量法，根據(jù)轉(zhuǎn)爐吹煉前的入爐條件（鐵水成分及鐵水量、廢鋼成分及重量、鐵水溫度、轉(zhuǎn)爐停爐時(shí)間等）和目標(biāo)控制要求（吹煉鋼種目標(biāo)碳含量、目標(biāo)溫度、磷含量控制上限等），計(jì)算副原料加入數(shù)量（造渣材料數(shù)量、冷卻劑數(shù)量、總吹氧量、副槍測量時(shí)機(jī)等）及其它控制參數(shù)（吹氧量、吹氧時(shí)間、吹煉槍位等），并根據(jù)副原料的實(shí)時(shí)加入數(shù)量進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，對(duì)物料種類及數(shù)量進(jìn)行修正。 傳統(tǒng)的靜態(tài)模型在吹煉過程中不再進(jìn)行任何修正，而該靜態(tài)模型能夠根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況不斷修正計(jì)算參數(shù)，提高模型的準(zhǔn)確程度。 靜態(tài)模型計(jì)算公式為：

式中，Y 為靜態(tài)模型計(jì)算輸出結(jié)果；Yj為參考爐次數(shù)據(jù)；X 為本爐次模型控制輸入條件；Xj為參考爐次模型控制輸入條件。

轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，加入1 t 物料所消耗的熱量是該物料的冷卻效應(yīng)。 物料吸收的熱量包括物料提高溫度所消耗的物理熱和參加化學(xué)反應(yīng)消耗的化學(xué)熱兩部分。 鲅魚圈結(jié)合大量的生產(chǎn)實(shí)踐統(tǒng)計(jì)分析了不同物料的冷卻效應(yīng)，應(yīng)用到靜態(tài)模型計(jì)算中，以提高溫度控制精度。不同物料的冷卻效應(yīng)見表4。

表4 不同物料的冷卻效應(yīng)Table 4 Cooling Effects of Different Materials

4.2 控制終點(diǎn)磷含量

4.2.1 降低轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度

提取262 爐SPHC 鋼種的終點(diǎn)磷含量與終點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，利用Minitab 軟件做回歸分析，結(jié)果如圖8 所示，公式為

圖8 終點(diǎn)磷含量與終點(diǎn)溫度的回歸分析圖Fig. 8 Regression Analysis Diagram for Phosphorus Content and Temperature at End Point

從圖8 可以看出,溫度對(duì)脫磷的影響有兩個(gè)拐點(diǎn)，為1 640 ℃和1 690 ℃。 當(dāng)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度低于1 640 ℃時(shí)，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)磷含量明顯降低；當(dāng)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度高于1 690 ℃時(shí)，磷含量急劇升高，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)爐冶煉過程的脫磷反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，因而當(dāng)爐溫過高時(shí)，反應(yīng)向逆向進(jìn)行，鋼中的磷含量不僅不降低，反而會(huì)產(chǎn)生回磷。

因此，優(yōu)化LF 工藝路線，使管線、核電、橋梁等鋼種的目標(biāo)出鋼溫度由1 660 ℃降至1 620 ℃，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水磷含量0.010%以下的控制目標(biāo)；使超低碳鋼目標(biāo)出鋼溫度由1 695 ℃降至1 685 ℃，實(shí)現(xiàn)該類鋼種轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水磷含量0.013%以下的控制目標(biāo)。

4.2.2 控制終渣堿度與終點(diǎn)氧含量

提取262 爐SPHC 鋼種的終點(diǎn)磷含量與終點(diǎn)氧含量及終渣堿度數(shù)據(jù)，利用Minitab 軟件做三者的等值線圖，見圖9，廢鋼量固定在40 t。

圖9 終點(diǎn)磷含量與終點(diǎn)氧含量及終渣堿度的等值線圖Fig. 9 Isopleth Map for Phosphorus Content at End Point,Oxygen Content at End Point and Alkalinity of Final Slag

由圖9 可以看出，終點(diǎn)氧含量控制在0.04%～0.08%，堿度控制在2.3～4.3 時(shí)，可將終點(diǎn)磷含量控制在15×10-6～25×10-6的范圍之內(nèi)。 采用響應(yīng)優(yōu)化器進(jìn)一步分析終點(diǎn)磷含量與終點(diǎn)氧含量、 終渣堿度及廢鋼量加入量的關(guān)系，如圖10。

圖10 終點(diǎn)磷含量與終點(diǎn)氧含量、終渣堿度及廢鋼量加入量的優(yōu)化響應(yīng)分析Fig. 10 Optimized Response Analysis of Phosphorus Content at End Point with Oxygen Content at End Point, Alkalinity of Final Slag and Scrap Addition

鲅魚圈目前產(chǎn)量最多的鋼種包括低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼（SPHC）、焊絲鋼（AYHS5）、高碳鋼（AGMJ45）等，總占比達(dá)到60%以上，此類鋼種成品磷含量大于0.020%。根據(jù)響應(yīng)優(yōu)化器的分析結(jié)果，將廢鋼量固定為40.1 t，終點(diǎn)氧含量控制在0.041 8%～0.078 9%，終渣堿度控制在2.76～3.18，可將終點(diǎn)磷含量控制約為0.017%，達(dá)到了大部分鋼種的出鋼要求。

5 取得的效果

采用上述措施后，鲅魚圈260 t 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)一拉率由91.38%提高到94.17%，年節(jié)省成本約116 萬元。 優(yōu)化前后轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)一拉率對(duì)比箱線圖如圖11 所示。

圖11 優(yōu)化前后轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)一拉率對(duì)比Fig. 11 Comparison of Success Rates of First Decarbonization at End Point in Converter before and after Optimization

6 結(jié)論

（1）采用Minitab 軟件分析認(rèn)為，鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司260 t 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度低、終點(diǎn)磷含量高是造成終點(diǎn)一拉率低的主要原因。

（2）溫度對(duì)脫磷的影響有兩個(gè)拐點(diǎn)，1 640 ℃和1 690 ℃。 降低超低磷鋼種的目標(biāo)出鋼溫度，由1 660 ℃降低到1 620 ℃；降低超低碳鋼種的目標(biāo)出鋼溫度，由1 695 ℃降低到1 685 ℃，降低脫磷壓力。 將拉碳槍位控制在195～205 cm，拉碳時(shí)間控制在25～37 s，可將終點(diǎn)溫度與目標(biāo)溫度偏差控制在10 ℃，達(dá)到最優(yōu)出鋼溫度的要求。

（3）廢鋼量控制在40.1 t，終點(diǎn)氧含量控制在0.041 8%～0.078 9%，終渣堿度控制在2.76～3.18，可將終點(diǎn)磷含量平均控制在0.017%，達(dá)到出鋼要求。

（4）動(dòng)態(tài)維護(hù)轉(zhuǎn)爐二級(jí)計(jì)算系統(tǒng)，建立轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)靜態(tài)計(jì)算模型，為生產(chǎn)操作提供參考，進(jìn)一步提高了終點(diǎn)控制水平。

（5）采取上述措施后，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)一拉率由91.38%提高到94.17%，年節(jié)省成本約116 萬元。