莱钢顶底复吹转炉碳氧积稳定控制技术研究

高志滨，温福新，于亮涛（莱钢集团银山型钢有限公司炼钢厂，山东莱芜271104）



莱钢顶底复吹转炉碳氧积稳定控制技术研究

高志滨，温福新，于亮涛
（莱钢集团银山型钢有限公司炼钢厂，山东莱芜271104）

摘要：通过改进底吹透气砖工艺设计、开发新型转炉溅渣工艺、优化转炉智能炼钢及底吹模型等，实现复吹转炉碳氧积的降低并稳定控制在较低水平；利用激光测厚仪对炉型进行监控，确保炉型稳定，防止碳氧积波动；利用静止脱碳技术进一步降低碳氧积。工艺实施后，1#～3#120 t转炉碳氧积控制在0.002 5，4#脱磷炉碳氧积控制在0.002 3；4座转炉终渣平均全铁含量由14.38%降为12.83%，吹炼终点钢水氧含量平均由520×10-6降为450×10-6，长寿转炉碳氧积稳定控制技术年直接经济效益2 390.04万元。

关键词：复吹转炉；碳氧积；智能模型；炉型监控；静止脱碳

1　前　言

终点钢水的碳一定时，碳氧积数值越低则钢中自由氧含量越低，合金回收率越高，脱氧产生的夹杂物越少，钢水质量越好。传统大型转炉虽然炉衬寿命可达到10 000炉以上，但有效转炉复吹寿命一般在3 000～4 000炉以内。由于底吹与炉龄不同步，造成炉役中后期转炉各项经济技术指标下滑，严重影响成本控制及品种钢的质量提升。研究全炉役碳氧积稳定控制技术，实现碳氧积控制与炉龄的同步，对于提升转炉复吹效果，提高产品质量，降低成本具有重要意义。

本研究针对莱钢银山型钢炼钢厂碳氧积控制中出现的问题制定了相应的改进工艺措施，形成了一套完善的顶底复吹转炉碳氧积控制技术，有效降低了钢水终点氧含量，提高了钢水的洁净度，降低了脱氧剂及合金的消耗，缩短了LF、RH冶炼时间，促进了低成本高效化冶炼。

2　碳氧积稳定控制技术

2.1改进底吹透气砖工艺设计［1］

“炉渣—金属蘑菇头”是在转炉冶炼和溅渣过程中，金属和炉渣反复冷凝在底吹供气元件表面形成的冷凝层，由于供气元件不断吹入气体，因而在金属一炉渣冷凝层内形成了迷宫式的弥散气孔，因此“炉渣—金属蘑菇头”形成后既可以防止钢水对透气砖的侵蚀，又能够保证透气砖良好的透气性能。传统的转炉底吹透气砖安装工艺设计，底吹透气砖的高度与炉底工作面平齐，炉役初期的“炉渣—金属蘑菇头”生成较晚。一般在炉龄400～500炉，底吹透气砖侵蚀约250 mm，底吹透气砖上部覆盖200～300 mm的保护渣层时，初步生成“炉渣—金属蘑菇头”，对底吹透气砖的底吹效果和透气砖寿命造成影响。根据新型的工艺设计，透气砖安装结构由透气砖、透气砖座砖和保护砖组成。底吹透气砖和保护砖比炉底工作衬镁碳砖高出100 mm，在透气砖的左右两侧、前后环各砌筑1～4块保护砖，相应将底枪亦加长。

开新炉的5～10炉内，在开炉模式下操作，底吹透气砖不作护理，任底吹透气砖蘑菇头自由生长。若底吹透气砖处出现局部凹坑，在出钢后进行摇炉挂渣操作，促使“炉渣—金属蘑菇头”快速生成。底吹透气砖安装工艺改进后，可使“炉渣—金属蘑菇头”的形成时间缩短到100炉左右，同时保护了底吹透气砖，防止冶炼过程中钢水对底吹透气元件的融损，延长了底吹透气元件的使用周期，解决了返气问题，对提高复吹转炉寿命奠定了基础。

2.2保持透气砖形态及透气性能

溅渣护炉是提高炉衬寿命的关键性技术措施，但会堵塞底吹透气砖，影响复吹。在整个炉役期内保持透气砖稳定、良好的形态及透气性能，是长寿复吹转炉碳氧积控制的关键技术。

1）在炉役初期快速生成“炉渣—金属蘑菇头”的基础上，炉役中后期严格控制炉底深度和“炉渣—金属蘑菇头”大小。严格控制炉底深度，确保1#～3#120 t转炉炉底深度炉役中后期控制在7.65 m左右，4#150 t转炉控制在8.70 m左右，既要保证底吹供透气砖的畅通，又要防止底吹透气砖的堵塞和过分熔损。实践证明，当炉底溅渣层厚度超过300 mm时，底吹对熔池的搅拌效果明显变差，碳氧积会增大至0.003 0以上。

2）当底吹供气元件出现压力升高、流量减少时，可视为底吹供气元件出现堵塞倾向，应立即采取吹堵处理措施：加大底气流量，进行底吹供气元件吹堵。若吹堵效果差，应进一步采取措施：出钢后倒净炉渣，采用最低枪位开氧吹洗炉底。

3）开发新型转炉溅渣工艺［3］。开发复吹转炉用碳镁球溅渣护炉工艺，使用新型碳镁球代替石灰或白云石。碳镁球粒度20～50 mm，化学组成：C 10%～15%，MgO≥55%，SiO2≤5.5%，CaO 2%～5%。

针对不同炉况，使用不同溅渣护炉枪位：当炉底渣层脱落，炉衬砖暴露，冶炼钢水可能导致底吹供气元件烧损时，采用“高—低—低”的枪位溅渣，根据需要加入适量碳镁球，将炉渣溅好、溅干，炉底能均匀形成溅渣层，并且采取延长溅渣时间、加大溅渣频率、粘渣挂渣等方法适当上涨炉底。

稳定炉底时采用“高—低”相间的枪位溅渣，保证炉渣黏度适中，炉底不会上涨即可，溅渣护炉结束后及时将炉渣倒掉，防止其粘结在炉底。

当炉底渣层过厚，影响到底吹元件的供气效果时，需要下炉底，采用全程“低”枪位溅渣，溅渣不加碳镁球，适当降低炉渣黏度，避免形成较厚溅渣层。可用顶吹氧枪对炉底进行适当吹洗，枪位控制在0.7～1.2 m，氧压控制在0.75～0.85 MPa，每次吹洗不超过2 min，吹洗结束提枪倒渣，并观察炉底情况，严禁吹洗过度；也可连续冶炼3、4炉低碳钢，或在副枪测量结束至提枪关氧之前，加入500～1 000 kg的矿石，实现低碳、高氧化铁渣出钢［4］。

通过采取一系列措施，控制炉底形状和“炉渣—金属蘑菇头”大小，保证底吹供透气砖的畅通，防止底吹透气砖的堵塞或过分熔损，实现了炉役过程中底吹蘑菇头良好的效果。

2.3优化智能炼钢及底吹模式

1）转炉冶炼要求在降低原材物料消耗的同时实现终点成分和温度的双命中，保证出钢钢水的质量稳定。当出现拉碳过高、终点磷高、终点温度不合等情况时，就不得不对钢水进行补吹再处理。补吹操作导致了钢水的过氧化，钢水中溶解了过多的氧，碳氧积发生一定变化，对钢中夹杂物的含量也产生一定影响。通过对智能炼钢模型不断进行细化优化，并根据铁水条件及装入量不同制定相应的操作模型，来稳定转炉过程及终点控制，避免终点的二次补吹。

原有智能炼钢程序中，加料及枪位模式不能完全覆盖所有情况下的冶炼，当遇到铁水条件波动时，过程操作就会遇到较大难度，需要人为干预进行调整。通过对操作模式的细化整理，并根据不同的终点目标进行模式的设定与调整，避免人为干预，实现全过程的自动控制。

根据长期生产实践，制定详细分类的操作模型，对不同条件下吹炼过程的反应特点进行总结归纳，以冶炼过程矿石加入量情况、炉内反应出现的喷溅或者返干情况以及终点目标需要为依据进行选择。如：低硅一批料模式、ERP深脱磷模式、根据铁水硅和铁水温度划分的区间模式及低硅与高硅条件下的小批量多批次模式等。

通过合理的模式优化，完善了智能炼钢操作模型，保证了吹炼过程的稳定控制，减轻了低硅条件下的返干及高硅时的喷溅现象，提高了终点命中率，避免了终点补吹，降低了终点氧含量，减轻了钢水对炉衬的冲刷。同时，加强对工艺要求的执行力度，严格控制终点压枪时间，普碳钢保证压枪≥1 min，低碳钢保证压枪≥2 min。加大终点炉渣黏度，促进渣中全铁含量降低。

2）脱磷反应以钢－渣界面反应为主，控制合适的熔池搅拌强度可以促进渣钢反应，强化脱磷过程，使渣钢反应具备良好的动力学条件，促进脱磷反应，同时降低转炉终点氧含量。底吹强度太弱，熔池搅拌动力不足，不利于钢中气体上浮，易发生喷溅事故，并且对脱碳脱磷反应的进行产生阻碍，钢液成分不均匀。但实际生产实践中可以发现，在吹炼中后期，当底吹强度过大时，如果与吹炼过程的顶吹氧枪枪位配合不好，常常会由于熔池搅拌过于剧烈造成过程返干的现象，导致化渣效果变差，终点磷偏高。

经过多次调整对比，对底吹供气模式进行优化，选取理想底吹流量，进行参数设定。根据所炼钢种终点碳的要求，调整吹炼过程底吹供气强度。目前，莱钢银山型钢炼钢厂1#～3#转炉每个炉座底吹供气元件共有6支，过程供气强度在0.03～0.08 m3/（min·t）。4#脱磷炉底吹元件8支，过程底吹供气强度在0.06～0.12 m3/（min·t）。1#～3#转炉优化后的底吹模式底吹流量在200～500 Nm3/h，4#脱磷炉底吹流量在300～900 Nm3/h。新的底吹供气模式为熔池提供了足够的搅拌动力，防止了过程喷溅，同时促进了渣—钢界面反应的充分进行，提升了脱磷率，均匀了成分和温度，为吹炼终点的有效命中提供了保障。

2.4实施终点静止脱碳工艺

1）氧在钢液中的溶解度［2］。在转炉冶炼炼过程中，氧在钢中的饱和溶解度与渣中（FeO）的分解反应相关：

（FeO）=［Fe］+［O］，△Gθ=121 000-52.38T；

lgK=lg［O］=-8 372/T+2.738。

此反应为吸热过程，氧在钢中的饱和溶解度随度的升高而升高。

2）熔池中的脱碳反应。熔池中的脱碳主要反应如下：

［C］+［O］=CO；lgK=1 160/T+2.003；

K=Pco/（a［C］×a［O］）=PCO/（［C］×［O］×fC×fO）。

当炼钢过程接近终点时，钢中［C］、［O］浓度很低，可认为fC=fO=l，即在PCO=101.325 kPa时，［C］× ［O］=l/K=m，m为碳氧浓度积，由碳氧浓度积的定义公式可知，钢水中的碳氧积随温度的升高而上升。

3）吹炼终点的碳氧平衡。在转炉吹炼末期，钢中元素、钢水温度都已基本调整到了合适的范围，但是在钢液中已溶解了过多的氧，此时，钢中的实际氧含量高于碳氧平衡值，产生了过剩的氧。且终点［C］含量越低，钢中过剩的［O］含量越高。

为进一步降低转炉终点钢水中的氧含量，打破吹炼终点碳氧平衡，促进碳氧进一步发生反应，实施终点静止脱碳工艺，从而达到降低钢水中氧含量的目的。主要措施是在转炉吹炼终了提枪后，等待2 min，期间利用底吹强搅功能，增加底吹供气强度，加大熔池内的搅拌力度，运用动力学条件促进碳氧的继续反应，将钢中的碳、氧含量降低，从而达到优化转炉冶炼指标的目的。静止脱碳前后，碳、氧含量的变化见图1。其中，TSO1为未进行静止脱碳的炉次探头测定数据，TSO2为进行静止脱碳后探头的测定数据。从图中可以明显看出，静止脱碳前后碳、氧含量均有明显降低。

图1　静止脱碳前后碳、氧含量的变化情况

2.5优化炉型控制

随着低碳钢、超低碳钢品种越来越多，钢水、钢渣氧化性强，对炉衬的侵蚀加剧，特别是熔池、耳轴、炉底等重点部位。出现操作过程枪位使用不当，过程加料模式不合理，终点命中率低时需采取补吹措施等，钢水的浸泡加上补吹产生的瞬间冲刷，对转炉炉型的稳定控制都会产生较大影响。吹炼过程的金属或泡沫渣喷溅、吹炼终点的高氧化铁炉渣等均会对炉衬产生较大侵蚀，影响炉型的稳定。维护好炉型，是品种开发的需要，更是提高转炉炉龄、稳定碳氧积控制的重要措施。

单靠传统的人工观察来判断转炉炉衬侵蚀情况存在盲区，对炉衬侵蚀部位观察不全面，炉衬厚度无法量化体现。应用激光测厚仪对转炉侵蚀情况进行监控，根据监测结果制定维护计划。

应用移动小车式炉衬激光测厚仪，由定位小车在两个位置选择3个测量角度对转炉内衬进行测量，110°测量钢面，90°测量两侧耳轴、65°测量渣面，绘制各方位剖面图及整个炉衬展开图。整体测量1次用时10～15 min，每8 d一定修时，测量1次，根据测量结果，制定出炉衬维护计划，全面掌握炉衬内型，可以根据炉型调整溅渣护炉模式，对终点区域进行维护，保持合理的炉型。

激光测厚仪的使用大大提高了对炉衬厚度测量的精度与可靠性，改变了传统经验判断的不足，检测区域覆盖了全部炉衬。激光测厚仪检测出的炉衬薄弱区域，对厚度数据进行了量化，能够直观体现出薄弱程度。对侵蚀严重的部位，用镁砂质补炉料进行热填补。利用出钢后炉温高的有利条件，倒入一定数量的补炉料，摇炉至相应区域进行热烧结，补炉料中的镁砂在高温烧结下形成具有高熔点的MgO保护层，加强对炉衬工作层的保护，减轻钢水对炉衬的侵蚀。配合自流料的使用，对耳轴、熔池中无法填补的盲区进行弥补，确保良好的补炉效果。当炉底出现较为严重的侵蚀时，将入炉补炉料摇至炉底进行烧结，为避免烧结不均匀，可将顶吹氧枪降至下极限枪位，开氮气吹扫，时间控制在10 s以内，确保炉底料分布均匀。

3　实际应用效果

应用一系列碳氧积控制技术后，转炉炉底控制稳定，碳氧积控制明显改善，波动范围小。其中1#～3#炉碳氧积稳定控制在0.002 5，4#炉碳氧积稳定控制在0.002 3。当炉龄达到8 000炉时，碳氧积未出现较大波动，底吹系统仍具有良好的透气性能。4#脱磷炉底吹透气砖“蘑菇头”实现了全炉役期间可视化。实际应用效果还体现在以下方面：

1）终渣全铁含量降低。4座转炉

终渣全铁含量（平均值）由14.38%降为12.83%。

2）吹炼终点钢水中氧含量降低。吹炼终点钢水氧含量平均由520×10-6降为450×10-6，很多炉次终点氧含量达到了400×10-6以下。

3）合金回收率提高。钢水氧含量和渣中氧化铁含量的降低，促进了终点钢水残锰提高，终点钢水的残锰平均由0.08%提高到0.10%。冶炼高锰钢时可减少合金使用量0.40 kg/t。

4）脱氧剂使用量减少。由于终点钢水氧含量的降低，脱氧剂使用量相应减少。铝锰铁由原来的平均2.20 kg/t降低到2.10 kg/t。

长寿转炉碳氧积稳定控制技术年直接经济效益2 390.04万元。碳氧积稳定控制技术为钢材产品质量的提升和高端产品的开发提供了重要的技术支撑，为洁净钢的生产奠定了基础。

参考文献：

［1］武光君.一种顶底复吹转炉底吹透气砖及其安装结构：中国，200910017406［P］.2010-08-11.

［2］焦兴利，杨利彬，刘浏，等.马钢300 t转炉长寿复吹工艺［J］.钢铁研究学报，2012，24（12）：32-35.

［3］苏天森，刘浏.转炉溅渣护炉技术［M］.北京：冶金工业出版社，1999.

［4］陈豪卫，王爱敏，刘忠建，等.一种转炉炉底残留钢渣的清除方法：中国，201310060864.8［P］.2013-02-26.

Research of Carbon Oxygen Product Stability Control Technology on the Long Life Converter in Laiwu Steel

GAO Zhibin, WEN Fuxin, YU Liangtao
（The Steelmaking Plant of Laiwu Steel Group Yinshan Section Steel Co., Ltd., Laiwu 271104, China）

Abstrraacctt:: Through improving the design of bottom blowing air brick process, developing new type of converter slag splashing technology, optimization intelligent of converter steelmaking and bottom blowing model, to realize the combined-blowing converter low carbon oxygen deposition and stability control at a lower level. Using a laser thickness gauge to monitor the furnace type to guarantee the stability of furnace type, prevent the carbon oxygen volume fluctuations and using the static decarburization technology to further reduce carbon and oxygen. After the process implementation, the carbon oxygen volumes of the No.1, No.2 or No.3 converters were controlled in 0.002 5 and the carbon oxygen product of No.4 converter for dephosphorization was controlled in 0.002 3; The average total iron content of the final slag of 4 converters was reduced to 12.83% from 14.38% and the average oxygen content in molten steel at the end of blowing was decreased to 450×10- 6from 520×10- 6. The direct economic benefit of oxygen carbon product stability control technology for long life of converter is 23.9 million Yuan.

Key worrddss:: top-bottom converter; carbon oxygen product; intelligence model; static decarburization

生产技术

生产技术

作者简介：高志滨，男，1989年生，2011年毕业于辽宁科技大学冶金工程专业。现为莱钢集团银山型钢有限公司炼钢厂技术科助理工程师，从事炼钢工艺技术工作。

收稿日期：2015-08-06

中图分类号：TF729

文献标识码：B

文章编号：1004-4620（2015）06-0020-03