昆钢新区 120t转炉保碳出钢工艺实践

昆钢新区 120t转炉保碳出钢工艺实践

向伟 周虎 徐钢

昆钢新区分公司 650300

摘要：介绍了昆钢新区120t顶底复吹转炉生产HRB400E、HRB500E和Q235KZ用保碳出钢工艺实践情况。通过合适的供氧制度、造渣制度、终点控制等，以保证各期炉渣的碱度和渣中（FeO）含量合适，达到快速、高效脱磷，在保证吹炼终点 [C]达0.06%～0.12%的情况下，终点[P]控制在0.030%以下。转炉保碳出钢，不仅降低了生产成本，而且钢水的纯净度也得到了有效提高。

关键词：保碳出钢 脱磷 工艺优化

1前言

转炉炼钢终点控制技术作为转炉冶炼技术的后期操作，也是保碳出钢非常关键的技术操作，终点控制水平对产品质量和生产效率都有直接的影响。转炉炼钢终点控制技术包括对钢水的温度和碳含量的控制，其中的碳含量控制过低会使钢中的氮和氧的含量增加，但是如果控制的过高则会导致钢的脱磷和脱硫效果变差，从而影响钢的品质，而终点控制在温度上如果控制的过高会增加冷却剂及辅料的消耗，过低则会造成拉后吹，从而增加冶炼时间及冶炼金属的损耗，对炉衬寿命产生影响。

2转炉保碳出钢的原因

昆钢新区炼钢厂自投产以来，转炉第一套炉役，转炉终点控制采用增碳法。即在吹炼含碳量大于 0.08％的钢种时，一律将钢液的碳脱至0.02%～0.06%时停吹，而后出钢时向钢包内加增碳剂增碳至钢种规格要求的操作方法。从实际生产情况看，增碳法钢水过氧化较为严重，终渣（FeO）升高，造成金属和合金收得率低、转炉耐材消耗高、钢水夹杂物含量高，还要加入大量碳粉增碳，严重影响钢水质量，因此，探索保碳出钢工艺以已迫在眉睫，而生产实践也表明保碳出钢的关键在于高效去磷，而高效去磷的关键在于造渣制度、供氧制度、终点控制等操作入手，进行工艺优化，达到保碳出钢的目的。

2.1降低钢铁料消耗

钢铁料消耗是炼钢企业最重要的成本指标，是衡量一个炼钢厂竞争或赢利能力重要标志。而终点[C]含量又很大程度上影响着钢铁料消耗。我们知道，终点[C]含量与渣中（FeO）存在着对应的关系。终点[C]含量越高，渣中（FeO）就越低；相反终点[C]越低，渣中（FeO)就越高，则渣中带走的铁含量也就越高，越不利于钢铁料消耗的降低。

当[C]含量低于0.06%时，渣中（FeO）会急聚增加，严重后吹及点吹炉次的（FeO）含量会高达30％以上，而当[C]含量在0.06～0.08％，渣中（FeO）则急剧降至20%以下的较低水平，随着[C]含量的继续升高，（FeO）的降低趋势则趋于平缓。因此，为了使终点[C]对钢铁料消耗的影响不至于太明显，应该使终点[C]含量﹥0.06％。我们可以简单计算下：若渣中（FeO）增加10%，则1t炉渣则多带走铁含量为：1000×10％×56 /72=77.8kg,由此可见，提高转炉终点[C]有利于降低钢铁料消耗^[1]，在允许的条件下，我们应尽可能的提高终点[C]含量，杜绝拉后吹及点吹。

2.2降低合金消耗

我们知道，终点[C]含量越高，熔池[O]就越低，反之，熔池[O]则越高。因此终点[C]是合金工配合金首先要考虑的因素。不同的终点[C]含量对合金收得率有着不同的影响，但若[C]含量保持在0.07％以上，不仅脱氧合金如铝铁消耗大大降低，硅、锰元素收得率也能分别稳定在90％及95%以上的水平^[3]。而一旦后吹或点吹严重，因[O]的分布明显加大，使元素吸收率明显下降且波动大，配料计算就难以把握，不利于成分的控制与稳定性。回收率若降低，吨钢成本则升高。因此，后吹或点吹严重的情况，严重制约着生产成本的降低。此外，转炉终点[Mn]和终点[C]也有着一定关系，一般终点[C]含量越高，终点余[Mn]含量就越高，相应脱氧合金化过程中加入的锰铁量就越少。由此可见提高终点[C]含量工艺对合金料消耗的降低是显而易见。

2.3利于维护炉衬，提高护炉

渣中（FeO）含量显著影响着炉衬寿命，渣中（FeO）含量越高，对炉衬的侵蚀就越严重。也就是说终点[C]含量越低，对炉衬侵蚀严重。渣中（FeO）是溅渣护炉最重要的技术参数，对溅渣效果起着至关重要的作用。若终渣（FeO）含量较高，特别是有严重后吹及点吹情况时，溅渣效果往往较差，对维护炉衬非常不利。而采用终点高[C]含量工艺时，由于终点熔池[C]高，终渣中（FeO）含量较低，可明显改善终渣状况，提高溅渣护炉效果，降低溅渣调料剂及补炉材料消耗，补炉次数减少。经过保碳出钢工艺开展，昆钢新区E、F号转炉已经突破了20000炉龄。因此提高转炉终点[C]含量，是维护炉衬提高炉龄的主要任务。

2.4提高钢水质量

终点[C]含量越低，则渣中及钢水中残存的氧含量越高，在钢水脱氧后，氧化夹杂物也就越多，残存在钢水中的数量也较多。严重的后吹及点吹使钢脱氧后产生大量的一次夹杂物使钢的可浇性差。而终点[C]含量高的钢水，在这方面的情况则大为减少甚至消失。因此，终点[C]含量低，不仅增加消耗，加重精炼负担，还严重影响钢水内在质量。

3转炉保碳出钢的原因分析

3.1保碳出钢不利于钢水的脱磷

在昆钢新区现有条件下，脱磷是转炉最重要的任务之一。炼钢温度下脱磷是－界面反应，没有适当成分的炉渣是不可能进行的^[2]。由转炉熔池内的去磷反应式 2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO.P2O5)+5Fe+Q （1）

提高转炉终点钢水碳含量，将降低钢水和炉渣的氧化性，不利于吹炼后期熔池磷元素的氧化去除。因而如何实现转炉过程的有效脱磷是提高出钢保碳含量需要解决的关键问题。

根据脱磷反应的热力学条件可知，钢中[C]低，钢及渣中氧化性高，渣中（FeO）升高有利于脱磷。大量生产实践证明，转炉终点[C]含量越高，回磷倾向越小。这也就是为什么在冶炼低磷钢使终点[C]含量普遍控制偏低的原因。因此，如何保证转炉终点[C]含量较高的前提下，最大限度的去除[P]是昆钢新区炼钢转炉存在的难点。昆钢新区转炉单渣操作的出钢碳含量与磷含量的实际生产数据表明，出钢碳含量的升高对转炉脱磷效果的影响并不明显，因而提高转炉出钢碳含量至0.06%以上，转炉单渣操作也有能力达到较好的脱磷效果。设计思想为：在转炉吹炼前期，熔池温度较低，充分利用低温条件进行高效脱磷；吹炼后期合理造渣，保证炉渣有一定碱度的条件下，提高炉渣氧化性防止炉渣返干，实现进一步脱磷并抑制碳氧反应的快速进行；吹炼末期提高渣活性游离氧化钙含量，固化脱磷效果，抑制钢水回磷。

3.2提高吹炼前期的脱磷效果

转炉吹炼前期炉温较低，温度是脱磷的最大影响因素，不需要较高的碱度便可以达到较好的脱磷效果，碱度过高影响炉渣流动性，反而不利与脱磷。生产实际表明，吹炼前期高效脱磷期阶段的熔池温度应控制在1350～1400℃。不宜超过1450℃。前期碱度控制在2.0左右^[3]。

3.3 温度控制分析

温度对去磷反应的影响应从两个方面来看：一方面，去磷是放热反应，高温不利于去磷，然而熔池温度提高，将加速石灰的熔化，提高熔渣碱度，从而能提高磷在炉渣和钢水中的分配比；另一方面，高温能提高渣的流动性，能加强渣－钢界面反应，提高去磷速度，所以过低的温度也不利于去磷。但是要到达出钢温度，又要保碳，又要去磷。就要把温度控制在最有效的温度范围（1450～1500℃）。这就要求冶炼初期，要根据铁水温度采用不同的操作制度。铁水温度低（1250℃以下），要采用低枪位操作以提高熔池温度，加速石灰的熔解，迅速形成初期渣，充分利用前期炉渣FeO高、炉温低的优势，快速脱磷。若铁水温度特别高（大于1350℃），冶炼初期要适当采用高枪位操作，并加入部分矿石，抑制炉温的快速升高，同时也有利于石灰的溶解,延长冶炼在低温区（1500℃以下）的运行时间。

3.4终点判断的失误

如果一味的片面追求高碳出钢，控制不当反而会出现终点高碳高磷现象，这就必然采取点吹操作，不仅增加冶炼周期，还严重侵蚀了炉衬，增加了钢水中夹杂物，增加了钢铁料消耗和合金消耗，这对降成本显然起到了相反的作用，得不偿失。

4保碳出钢采取措施

为给新区120t转炉脱磷创造有利条件，根据脱磷反应热力学条件可知，前期熔池温度低，渣中（FeO）含量高，[C]－[O]反应缓慢，是保碳出钢工艺最有效的去磷时期。在此时冶炼控制遵循前期“早化渣、提高初渣（FeO）、多去磷”、中期“全程化渣、防止返干、熔池均匀升温”、后期“拉准碳、磷硫成分和温度达到钢种要求”的原则，对造渣制度、供氧制度和终点控制等工艺参数进行了优化。

4.1合理的造渣制度

在高[Si]、高[Mn]铁水条件下，易化渣量大，[P]在终点[C]含量较高的情况下也很容易脱到较低水平，这是提高终点[C]含量的绝佳机会。若在低[Si]、低[Mn]铁水条件下，我们提倡全留渣操作，很容易达到低磷、保碳出钢目的。另外对石灰、返矿的加入方式及镁球的加入量进行了调整，轻烧白云石的加入方式和加入量不变。造渣制度优化前后对比见表1。

表1造渣制度优化前后对比

4.2供氧制度和终点控制

对氧枪操作和供氧压力、流量进行了调整。(见表2、3)高枪位低氧流量操作为保证终点碳，在中期可采用高枪位低供氧流量操作，这样既可以抑制快速降碳升温，又可以增加渣中FeO含量，促进化渣。能够在一定程度上抑制碳氧反应的快速进行，这样既可以抑制快速脱[C]升温，又可以增加渣中FeO含量，促进化渣，强化脱磷，同时保证了终点[C]。而在后期采用高枪位、中等氧量操作，以便在确保化好渣去磷的前提下，对终点碳温进行有效控制。在昆钢120t转炉中采用上述控制措施后，效果明显，一般能保证终点 [P]控制在0.030％内。

表2 氧枪操作制度优化前后对比

昆钢120t转炉终点控制方法进行了调整,由增碳法改为一次拉碳法或高拉补吹法。由原来的钢水碳含量为0.06%以下时倒炉,改为钢水碳含量为0.10%～0.20%时倒炉或直接吹炼0.06%以上出钢。然后根据所炼钢种和倒炉钢水成分、温度选择是否补吹或出钢。

表3 供氧压力、流量优化前后对比

4.3控制合适的炉渣（FeO）

（FeO）含量过高或过低都会影响熔池去磷效果。因为（FeO）含量过低时，炉渣流动性和氧化性差，去磷能力降低；而（FeO）含量过高时，会导致炉渣中（CaO）活度显著降低，这样反而会降低熔池去磷能力。取终渣分析表明，昆钢新区炉渣（FeO）含量控制在13%～18%脱磷效果最佳。可见过高（FeO）对脱磷无用，且会降低终点[C]含量，在保证脱磷合适的前提下，控制炉渣（FeO）越低越好。

4.4铁水条件确定合理铁水、废钢加入量及和调整渣料加入的措施

在转炉入炉的铁水温度与成分有波动时要及时调整装入量。铁水中的硅是转炉炼钢的主要发热元素之一。根据转炉炼钢的热平衡计算，铁水中的硅含量每增加0.1％，废钢可以增加1.2T左右。由于在实际操作过程中热量不足、过程判断不准渣料加入过多、过程化渣不好终点P高等，在转炉入炉的铁水温度与成分有波动时要及时调整。昆钢新区通过实际设计了静态模型的计算，根据装入量、铁水温度、铁水成分来调整废钢。按照已知的原材料条件（根据铁水、废钢和熔剂装入量）和吹炼操作条件（如炉膛温度、出钢后等待时间），根据吹炼终点的目标温度及含碳量，利用静态模型计算出需要吹入的氧量、冷却剂量、造渣材料的加入量，并以此进行吹炼，在吹炼过程中根据上炉计算对数据修正的吹炼控制方法。在装料后还要根据实际装入情况进行调整计算，出钢后根据实际得到的结果进行反馈计算，达到终点保碳出钢目的。新区炼钢厂把终点碳控制在0.07%左右，因而生产率高，终渣（FeO）控制在15%～20%，化渣好，去磷率高，热收入较多，有利用增加废钢用量，也能实现保碳出钢。

4.5降低出钢温度，快速出钢

在保碳出钢工艺下，为保证去磷效果，过程温度控制偏低对脱磷有利。在转炉停炉间隔及出钢时间短，钢包烘烤情况，正常周转包等有利出钢条件和满足后续工序要求的条件下，出钢温度控制的越低越好。2015年昆钢新区通过把出钢口直接135mm扩大到180mm，终点温度控制在1645℃～1665℃就能满足后续工序，容易进行保碳低磷操作。经过出钢口工艺优化后，终点[C]有效控制在了0.06％～0.012％，同时平均磷也控制在了0.030％以下。

4.6推广炉长一次拉[C]命中率竞赛

在上述优化工艺的基础上，进行一次拉[C]命中率竞赛，奖励与考核制度并行，激励炉长的工作热情和积极性，并能有效提高工人的冶炼水平。

5实施效果

该工艺自2015年1月推广应用后，前后各200炉实践数据平均值对比具体见表4。

表4 各钢种终点碳、磷、含量和温度

昆钢新区120t转炉通过优化工艺及保碳劳动竞赛，通过采取保碳出钢工艺。转炉炼钢厂120t转炉在冶炼HRB400E和HRB500E、Q235KZ钢种时，实现了在吹炼终点 [C]0.12～0.06%的情况下，使终点[P]控制在0.030%以下的目标。终点[C]由原来0.02～0.06％提高到0.06～0.12％，平均[Mn]增加约0.03％，终点氧含量由600PPm～900PPm降到350ppm～450ppm，吨钢铝铁消耗降低约0.1kg /t ，平均终点[P]控制在0.030%以下。一次终点合格率有原来40％提升到65%。硅、锰合金收得率分别有原来的80%、90%提高90%、95%。另外，终渣粘度大大改观，溅渣料消耗减少，溅渣效果较好，溅渣时间缩短约1～2分钟，吨钢氮气节约750～1500Nm3。炉衬质量保持良好，补炉料消耗降低，补炉料消耗平均节约2kg /吨.钢，液位长期稳定在650～750mm，利于操作的稳定。

6结论

(1)稳定装入量和根据铁水条件装入合理废钢是减少热量不足和渣料加入过多影响保碳出钢的基础。

(2)改进造渣和供氧制度是提高过程和终点脱磷效果，实现保碳出钢的关键。

(3)通过采取保碳出钢工艺措施的实施，在顺利脱P的情况下，吹炼终点［C］达0.06%～0.12%，钢中残锰增加0.05%，达到了钢水质量提高和合金消耗降低等的效果。

参考文献：

[1]高泽平.炼钢工艺学[M].北京:冶金工业出版社,2008.

[2]冯捷.张红文.炼钢基础知识 [M].北京:冶金工业出版社,2007.

[3]王雅贞.李承祚等.转炉炼钢问答[M].北京:冶金工业出版社,2007.