轉爐煉鋼過程中鋼包溫度控制研究

齊 凱

技術人員通過反復試驗發(fā)現(xiàn)，鋼包的溫降速度與紅包出鋼率、鋼包的空置時間以及鋼包的周轉速度有著密切關系，因此，鋼鐵企業(yè)應當結合鋼包的這一特點，制訂一套科學系統(tǒng)的鋼包控溫措施，在推進煉鋼生產(chǎn)進度的同時，為鋼產(chǎn)品質量的提升提供強大的技術支撐。

1 鋼包種類與煉鋼溫降階段

1.1 鋼包種類

鋼包作為鋼水的轉運容器，其運行狀況直接關系到煉鋼質量，而在實際生產(chǎn)過程中，為了便于區(qū)分每一種鋼包的不同特性，通常將鋼包劃分為異常包與無異常包兩大種類，其中，無異常包以周轉包為主，而異常包則包括新包、小修包、烤包、超時包、粘鋼包、涼包。新包是在大修與中修后經(jīng)過烘烤的前五次包齡的鋼水包，小修包是經(jīng)過小修后烘烤前三次包齡的鋼水包，烤包是指周轉包在熱修超時、包數(shù)減少的情況下停止使用，而在烘烤器中經(jīng)過烘烤完成的鋼水包，超時包是空置時間大于等于50min，小于等于80min 的周轉包，粘鋼包是指鋼包底部存在粘鋼，粘鋼重量小于等于8t 的周轉包，而涼包則是指空置時間達到80min 以上，或者臥包后包口溫度小于200℃、包殼溫度小于80℃的鋼水包。如果在煉鋼生產(chǎn)中，出現(xiàn)上述異常包，現(xiàn)場操作人員應當嚴格執(zhí)行上述的標準名稱，以免影響煉鋼進度與質量。

1.2 煉鋼溫降階段

轉爐煉鋼溫度下降主要集中在三個階段，即：鋼包運輸鋼水階段、出鋼階段以及澆鑄階段。鋼包的主要功能和作用是用來盛裝鋼水，在轉爐出鋼一直到鋼水澆鑄，這一系列生產(chǎn)工序均在鋼包內(nèi)完成，因此，鋼包的狀態(tài)參數(shù)與煉鋼溫度降低有著密不可分關系。尤其在鋼包運輸鋼水過程中，由于包裹鋼包的外襯極易產(chǎn)生熱損失，進而使鋼包內(nèi)部溫度快速下降，為了有效抑制溫度下降速度，技術人員通常采用減少鋼包空等周期，或者延長鋼包在線烘烤時間等方法。在出鋼階段，鋼水本身自帶熱輻射，而且也會產(chǎn)生對流散熱，在這種情況下，鋼水溫度也將快速下降，另外，由于整個出鋼過程將極易出現(xiàn)脫氧合金化現(xiàn)象，這對鋼水溫度也會產(chǎn)生一定的影響。目前，在應對出鋼階段溫度下降的問題時，技術人員多采用提高出鋼前鋼包溫度以及烘烤合金的方法，來降低出鋼溫度。在澆鑄階段，鋼水溫降不穩(wěn)定的因素主要包括澆鑄時間、中包溫度狀態(tài)以及保護澆鑄等。在應對澆鑄階段溫降時，通常采取增加中間包保溫層的方法，來減緩熱量散失速度，選用的鋼包保溫層材料一般以微孔絕熱納米板為主，該材料的導熱系數(shù)≤0.06W/m·k（300℃）、而中間包保溫層材料的導熱系數(shù)≤0.08W/m·m（600℃）。或者采用熔點為1250℃，導熱系數(shù)為0.62W/（m·K），鋪展性良好并且不結過殼的中包覆蓋劑，應用這種方法能夠大幅減少中間包的熱損失。

2 澆注溫度與出鋼溫度的確定方法

2.1 確定澆注溫度

澆注溫度實際是中間包內(nèi)部的鋼水溫度，一部分是鋼水本身的凝固溫度，也稱為液相線溫度，另一部分是鋼水的過熱度，即超過凝固溫度的溫度值。澆注溫度的數(shù)學計算式為：Tc=TL+ΔT，其中Tc 表示鋼水的澆注溫度，TL 表示鋼水的液相線溫度，ΔT 則表示鋼水的過熱度。影響液相線溫度的因素主要是鋼水當中各種元素的含量多少與性質。在計算液相線溫度時，一般采用下面這一計算式：

TL=1537-[88C%+8Si%+5Mn%+30P%+25S%+5Ca%+4Ni%+2Mo%+2V%+1.5Cr%]，以q235 合金化后的鋼包內(nèi)鋼水成分為例，其中：C 的含量0.15%、Si 的含量0.25%、Mn 的含量0.45%、P 的含量0.025%、S 的含量0.02%，如果將這些已知條件代入到上面的計算式中，能夠計算出鋼水的液相線溫度為1518℃，這一溫度也是液態(tài)鋼與固態(tài)鋼的臨界溫度。而鋼水過熱度主要由澆注的鋼種、鑄坯斷面以及實際生產(chǎn)條件決定，取值范圍通常介于5℃～40℃之間，在鋼水性能優(yōu)越、溫降小、鑄坯斷面大的情況下，一般取下限值，反之，則取上限值。比如對于中厚板材來說，為了避免出現(xiàn)內(nèi)部裂紋或者偏析現(xiàn)象，過熱度取值以接近下限值為宜，一般在10℃～15℃之間。

2.2 確定出鋼溫度

在確保正常澆注、正常出鑄坯與出鋼錠的前提下，出鋼溫度的數(shù)學計算式為：T 出=TL+Δtl+Δt2，在計算式中，TL 代表澆注鋼種的液相線溫度，Δtl 代表澆注過程中鋼水的溫降，Δt2 代表從出鋼、鋼水精煉到鋼水澆注時的鋼水溫降。其中，鋼種的液相線溫度與鋼液的組成成分有關，鋼種不同，液相線溫度也存在明顯差異。Δtl 是鋼水澆注工序開始以后，需要保持一定的過熱溫度，這與生產(chǎn)條件以及澆注質量有著密切關系。對于模柱來說，鋼水過熱度介于50℃～100℃之間，而對于連鑄工序來說，鋼水的過熱度一般在5℃～30℃之間。實驗數(shù)據(jù)表明，鋼水過熱度偏低，產(chǎn)品的內(nèi)部質量較好，鋼水過熱度偏高，產(chǎn)品的表面質量較好。而Δt2 的數(shù)值變化則與出鋼時間、鋼包容積、鋼水流動狀態(tài)、鋼包內(nèi)襯溫度以及加入鐵合金的多少有關，一般情況下，取值范圍在30℃～80℃之間，而在連鑄生產(chǎn)中，受到中間包熱損失的影響，模鑄溫度往往比鋼水溫度低20℃～50℃。

2.3 鋼水溫度對煉鋼工藝產(chǎn)生的不良影響

鋼水溫度一般是指平均澆鑄溫度，即在煉鋼生產(chǎn)過程中，需要對鋼水的澆鑄溫度測量三次，然后再取三次的平均值，第一次測量在澆鑄開始以后的5min 進行，第二次在澆鑄中期進行，第三次則在澆鑄結束前5min 進行。如果三次測量的平均值過度，那么對煉鋼工藝將產(chǎn)生以下不良影響：即出結晶器坯殼薄，易漏鋼；耐火材料侵蝕速度加快，易導致鑄流失控，降低澆鑄安全性；增加非金屬夾雜，影響板坯內(nèi)在質量；鑄坯柱狀晶發(fā)達；中心偏析加重，易產(chǎn)生中心線裂紋。如果三次測量的平均值過低，則容易對煉鋼工藝產(chǎn)生以下不良影響：即容易發(fā)生水口堵塞，澆鑄中斷；連鑄表面容易產(chǎn)生結皰、夾渣、裂紋等缺陷；非金屬夾雜不易上浮，影響鑄坯內(nèi)在質量。由此可以看出，在轉爐煉鋼過程中，合理控制鋼水溫度，對改善產(chǎn)品質量、優(yōu)化煉鋼工藝流程均將起到積極的促進作用。

在轉爐煉鋼過程中，控制鋼水溫度過高的方法主要包括攪拌法以及攪拌+冷廢鋼的方法。攪拌法主要是利用氬槍從鋼包頂部或底部吹入氬氣，對鋼水進行攪拌，通過這種方法，能夠均衡鋼包內(nèi)上下部鋼水的溫度。攪拌+冷廢鋼的方法主要是在吹氣攪拌過程中，向鋼水當中加入一些輕型的清潔廢鋼，然后通過廢鋼的吸熱過程來達到降低鋼水溫度的目的。而控制鋼溫度過低的方法主要包括電弧加熱法、感應加熱法以及等離子加熱法，其中，電弧加熱法主要是利用電墨電極產(chǎn)生出的高溫電弧對鋼水進行加熱，電弧的加熱溫度可以達到4000℃以上，采用這種升溫方法時，鋼包容量越大，加熱效率則越高。比如20t 鋼包的加熱效率約為30%，而250t 的鋼包的加熱效率將達到75%以上。感應加熱法主要是利用線圈產(chǎn)生的交流磁場在鋼水當中產(chǎn)生感應電勢對鋼水進行加熱處理，這種方法的加熱效率能夠達到70%以上，升溫速度可以達到每分鐘2.5℃。而等離子加熱法則是對氬、氮等氣體進行加熱，使其轉變成為等離子狀態(tài)，然后利用高溫等離子體對鋼水進行加熱處理，這種加熱方法的升溫速度能夠達到每分鐘5℃以上，加熱效率最高可以達到80%。

3 鋼包溫度的有效控制措施

3.1 砌筑絕熱層

鋼包運行的優(yōu)化涉及到鋼包運轉整個過程所牽扯的各個環(huán)節(jié)：鋼包的維修、轉爐冶煉和連鑄澆鋼，特別是天車的作業(yè)等，需要用整體的觀念對鋼包運行實施系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和優(yōu)化。對鋼包傳擱過程中無效占用天車時間較長的環(huán)節(jié)，如滿包從轉爐到精煉站，從精煉站到連鑄機，空包從連鑄機到鋼包維修站以及修畢鋼包從維修站至轉爐爐后鋼包車等，均應優(yōu)化作業(yè)，提高天車的作業(yè)效率。砌筑鋼包絕熱層是有效控制鋼包溫度的一種簡單易行的方法，過去，絕熱層材料一般以硅酸鋁纖維為主，但是，這種材料的絕熱效果相對較差。因此，近年來，隨著納米技術的迅猛發(fā)展，一些利用納米材料研制開發(fā)出來的新型絕熱材料與絕熱機構，被普遍應用于鋼包絕熱層當中，并且收到了較為理想的絕熱效果。下面以國內(nèi)某鋼廠盛滿120t 鋼水的鋼包為例，其中1#、3#、5#鋼包未砌筑絕熱層，2#、4#、6#鋼包砌筑了絕熱層，然后對包殼溫度、澆注中后期溫降、澆注中后期平均溫降等參數(shù)進行比對。

從對比數(shù)據(jù)可以看出，未砌筑微孔絕熱納米板的1#、3#、5#鋼包，比砌筑微孔絕熱納米板的2#、4#、6#鋼包的包殼溫度要高出50℃～70℃，而澆注中后期的溫降值相差2℃左右，平均溫降則相差3℃左右，由此可以得出結論，在鋼包表面砌筑微孔絕熱納米板能夠有起到保溫作用，進而使溫降速度得到有效緩解。

3.2 提高紅包出鋼率

所謂紅包出鋼主要是指出鋼之前將鋼包內(nèi)襯烤至發(fā)紅，使內(nèi)襯溫度達到800℃～1000℃，如果提升紅包出鋼率，那么在鋼包處于空置狀態(tài)時，內(nèi)襯的溫度損失將大幅減少。比如鋼包的溫降速率為4.11℃/min，那么在鋼包空置時間保持在50min 時，鋼包內(nèi)襯的溫度依然在900℃以上，如果鋼包的空置時間達到70℃以上時，在鋼包內(nèi)襯未經(jīng)烘烤的情況下，則無法實現(xiàn)紅包出鋼。而在轉爐煉鋼過程中，一般會出現(xiàn)超時時間超過20min 的超時包，這種類型的鋼包對各個階段的溫度影響較大，因此，鋼廠應當根據(jù)現(xiàn)場實際，合理制訂生產(chǎn)計劃，以加快推進各道工序的生產(chǎn)進度，這樣可以有效避免超時包的出現(xiàn)。以300t 的鋼水包為例，如果該鋼包的內(nèi)襯經(jīng)過烘烤，并且達到了紅包出鋼的條件，那么出鋼的平均溫降值能夠保持在15℃左右，在這種情況下，生產(chǎn)出的成品鋼其外觀質量與內(nèi)部質量均能夠滿足用戶需求。另外，為了保證紅包出鋼，技術人員應當掌握與合理控制鋼包上線之前的烘烤時間。

溫度變化的臨界點發(fā)生在烘烤7h 的時間節(jié)點上面，因此，在鋼包上線之前，應當保證烘烤時間達到7h 以上，這樣才能確保紅包出鋼。

3.3 啟動在線烘烤模式

鋼包的周轉速度給鋼包溫度造成直接影響，而周轉速度出現(xiàn)不均衡的原因主要與轉爐補爐、鋼口更換、擋渣滑板更換、臨時性檢修、連鑄機故障等因素有關，如果鋼包周轉速度不均，那么極易出現(xiàn)內(nèi)襯變黑現(xiàn)象，這將給產(chǎn)品質量造成嚴重影響。為了避免這種情況的出現(xiàn)，在出鋼之前，技術人員可以啟動在線烘烤模式，即利用轉爐的在線烘燒器，對鋼包進行烘烤，使鋼包內(nèi)襯始終保持“紅亮”狀態(tài)。具體操作流程如下：從鋼包停澆至鋼包更換水口，再到投放引流砂這一系列工序所占有時間應當保證在25min 以內(nèi)，當這些工序完成以后，應將鋼包坐上轉爐在線鋼包車，將其直接開至在線烤包器下，對鋼包進行在線烘烤。以300t 的鋼包為例，如果利用在線烘烤的模式，烘烤時間15min，鋼包內(nèi)襯的溫度能夠達到850℃以上，經(jīng)過在線烘烤處理的鋼包，溫降速度也由原來的60℃～80℃下降至40℃～60℃，這就使鋼包內(nèi)部的鋼水能夠時刻處于一種良好的保溫狀態(tài)，進而能夠大幅提升煉鋼質量。

3.4 提升鋼包周轉速度

排除生產(chǎn)過程中鋼包運轉受一些不確定因素的影響和必要的等待時間，在生產(chǎn)工序作業(yè)水平保持不變的前提下僅著眼于鋼包傳擱過程的系統(tǒng)調(diào)控，將鋼包運行周期由200min 縮短至180min ～190min，即將現(xiàn)有的13 個周轉鋼包數(shù)量減至12 個。若煉鋼或連鑄等主要生產(chǎn)工序的作業(yè)水平進一步提高，使得鋼包運行過程時間繼續(xù)縮短，鋼包運轉的個數(shù)還可進一步優(yōu)化至10 個～11 個，即鋼包運行周期縮短至160min ～170min。鋼包使用個數(shù)的減少，可優(yōu)化生產(chǎn)流程中鋼包的配置和運行，從根本上杜絕各工序隨意占用鋼包的現(xiàn)象。如果鋼包空置時間過長，鋼包內(nèi)襯的溫降速度也將明顯加快，因此，為了縮短鋼包的空置時間，技術人員可以采取以下兩種方法來加快鋼包的周轉速度，以最大限度的減少鋼包空置時間。第一，優(yōu)化運行工序，加快鋼包周轉，每一道工序的銜接盡量縮短時間間隔，進而來縮短鋼包的空置時間。第二，對生產(chǎn)工序進行優(yōu)化和改進，在保證出鋼質量的前提下，應當盡量縮短每一道工序所花費的時間，這樣，既可以加快生產(chǎn)進度，同時，鋼包的空置時間也得到大幅縮減。比如以3 臺連鑄機的澆鋼生產(chǎn)為例，如果鋼包的周轉數(shù)量從14 個降到12 個或者13 個，那么出鋼溫度也將降低10℃～15℃，可以看出，鋼包的周轉數(shù)量越少，出鋼溫降幅度則越小。以國內(nèi)某煉鋼廠為例，該鋼廠通過對在線鋼包數(shù)量的優(yōu)化，采取緊湊式的生產(chǎn)組織模式，在采用3 爐3 機正常的生產(chǎn)情況下，使用7 個鋼包進行周轉，其周轉率提高到7.71 次/班左右，周轉平均周期由71.11min 縮短為62.22min，這不僅使鋼包在線時間得到提升，同時還降低了能量消耗，進而給企業(yè)創(chuàng)造了更加豐厚的經(jīng)濟效益。

3.5 添加鋼包覆蓋劑

鋼包覆蓋劑是一種以絕熱保溫為主要性能的覆蓋劑，對于鋼包覆蓋劑來說，通常具備三個基本功能，第一，在液態(tài)渣層上保持一層保溫、絕熱的粉狀物層，阻止鋼水向空氣傳送或輻射熱量，保溫絕熱性能是鋼包覆蓋劑最重要的技術指標，一方面能夠有效降低出鋼溫度，節(jié)省能量消耗，另一方面可以提高鋼產(chǎn)量。第二，能夠隔絕鋼水與周圍空氣的接觸，并且不會侵蝕包襯，澆鑄工序結束后，不會發(fā)生結殼現(xiàn)象。鋼包覆蓋劑主要包括兩大類，一類是含碳鋼包覆蓋劑，另一類是無碳鋼包覆蓋劑。

其中，含碳鋼包覆蓋劑與無碳鋼包覆蓋劑的堆比重介于0.6t/m3～0.8t/m3之間，熔點為1300℃±30℃，1mm ～5mm的粒度含量達到90%以上。添加鋼包覆蓋劑的主要作用是保證鋼包表面渣面不結殼、鋪展性能好，而且能夠保證溫降≤0.5℃/min。經(jīng)過實驗驗證得出結論，當精煉工序結束以后，如果在鋼水液面添加覆蓋劑，那么鋼包表面的結殼率將大幅下降，同時，鋼水的溫降值也下降5℃～8℃。

3.6 采用鋼包加蓋工藝

鋼包加蓋是一種新型的鋼包溫度控制工藝，其工藝原理是：當鋼包處于直立狀態(tài)時，技術人員可以采取加蓋的方法，將鋼包蓋與鋼包連為一體，這樣，既方便摘取，而且在排渣之后，包蓋可以和鋼包靠連接爪自行鎖緊。在對鋼包進行加蓋處理后，鋼包內(nèi)上部與下部的鋼水溫差將大大縮小，而且中間包的鋼水溫度波動幅度也大幅降低，在這種情況下，鑄坯的表面質量將得到有效改善。該工藝的操作流程如下：首先，技術人員需要將鋼包烘烤至800℃，并利用專業(yè)工具將鋼包蓋與鋼體相連，在出鋼之前，借助于鋼包自動插齒的作用將鋼包蓋揭開，當完成出鋼工序以后，鋼包蓋自行蓋緊。然后將鋼包運至精煉爐，利用旋轉揭蓋裝置開啟鋼包蓋，當精煉工序結束后，再將鋼包蓋蓋緊，需要注意的是，從烘烤鋼包工序開始一直到澆鋼作業(yè)完畢，鋼包全程都處于加蓋狀態(tài)。通過加蓋處理后，鋼包內(nèi)襯熱量散失將減少25%以上，這就相當于鋼水溫降減少7℃以上，并且當鋼包處于空置狀態(tài)時，包壁的溫度也將提升30℃以上，這就滿足了紅包出鋼的條件，同時，也能夠減少鋼包覆蓋劑的添加量，進而為鋼廠節(jié)省了大量的生產(chǎn)成本。

4 結語

綜上，對轉爐煉鋼過程中的鋼包溫度進行有效控制，不僅可以改善和提高出鋼質量，而且也能夠給鋼鐵企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益。因此，在鋼材需求量逐年遞增的背景下，鋼鐵企業(yè)應當科學選擇鋼包溫度控制工藝，在保證生產(chǎn)進度的同時，為社會各領域生產(chǎn)出更多的優(yōu)質鋼材。