高炉—转炉—精炼流程流体温度变化分析

2016-12-14朱晓雷陈付振李晓伟刘祥廖相巍

鞍钢技术 2016年6期

关键词：温降钢液脱碳

朱晓雷，陈付振，李晓伟，刘祥，廖相巍

（1.鞍钢集团钢铁研究院辽宁鞍山114009；2.鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司辽宁营口115007）

高炉—转炉—精炼流程流体温度变化分析

朱晓雷1，陈付振2，李晓伟1，刘祥1，廖相巍1

（1.鞍钢集团钢铁研究院辽宁鞍山114009；2.鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司辽宁营口115007）

通过对高炉—转炉—精炼工艺流程的流体温度变化进行理论分析，得出各工序温降、升温的理论值，即折罐时铁水罐温降平均为2.24℃/min，鱼雷罐温降为0.78℃/min，转炉流体升温300～400℃，并提出具体措施，保证各工序的温度合格率。

高炉；转炉；精炼；温度变化

温度参数是炼钢生产中的重要工艺参数，各流程稳定的钢水温度合格率、温降和中包温度是保证铸坯顺利生产的基本前提，也是获得优质产品的关键。钢水温度过高会加快炉衬的侵蚀、降低出钢口寿命以及增加钢铁料的烧损等；钢水温度低会使铸流“冻结”，造成浇注困难，也会增加精炼的生产成本。所以制定合理的温度制度是衡量钢厂管理水平和技术水平的重要参数。

温度的控制是全流程的工作，核心是连铸时的中包温度。当中包温度适当、过热度适中时，铸坯的等轴晶区扩大、组织结构致密，会降低铸坯的中心偏析和疏松，对改善铸坯的质量有重要的意义。文献表明，为了降低出钢温度，从“系统温度”的观点出发，根据炼钢-连铸生产过程中的钢水温度控制的实际情况，通过减少工序温降、加强钢包周转、连铸保温等改进工作，优化了各点温度的控制，并取得了降低转炉出钢温度、稳定中包浇注温度的效果［1-2］。本文针对鞍钢炼铁—炼钢过程温度点测试结果并结合理论计算，提出系统温度的控制措施。

1 炼铁厂—炼钢厂传输过程温度点的测试

从炼铁厂出铁到炼钢厂铸机浇注，各环节液态铁水（钢水）的主要温度点如下：出铁温度、铁水罐温度、铁水预处理温度、铁水入转炉温度、转炉

出钢温度、转炉出钢后罐内温度、精炼到站温度、精炼出站温度、连铸到达温度以及连铸中间包温度。

炼铁高炉的出铁温度一般在1 450℃以上，但是铁水在运输和待装过程中散失的热量多，铁水罐运输铁水至炼钢厂的到达温度一般在1 300℃左右，鱼雷罐的温降更低，到达炼钢厂的铁水一般能达到1 330～1 340℃。分析铁水过程温降，按4座高炉，4个炼钢分厂为对象设计测试线路如下：

（1）甲高炉→炼钢一分厂；

（2）乙高炉→炼钢三分厂；

（3）乙高炉→炼钢二分厂；

（4）丙高炉→炼钢三分厂；

（5）丁高炉→炼钢四分厂。

铁水在高炉工序的温降集中在出铁过程以及在高炉下的等待，铁水罐到达炼钢厂后可能的处理方式有四种：①直接兑入转炉；②脱硫、扒渣后再兑入转炉；③折罐（或进混铁炉）后再兑入转炉；④折罐（或进混铁炉）后进行脱硫、扒渣，再兑入转炉。铁水处理流程见图1，铁水装运过程温降见表1。

图1 铁水处理流程图

表1 铁水装运过程的温降

经测试，各高炉的出铁温度相差较大，最高近1 500℃，最低只有1 422℃。同一高炉同一铁次出铁过程中铁水温度也是变化的。通常，出铁前期即第一罐温度低，出铁前期、后期温差最大达到46℃。一般来讲，出铁温度越高，温降速率越大。在折罐过程中，会发生铁水与空气的对流、辐射传热以及铁水与罐壁的传热，因此铁水温降较大。测试表明，折罐时铁水罐运输的铁水温降平均达到2.24℃/min，而鱼雷罐折铁时，接铁空罐温度较高，温降只有0.78℃/min。

2 炼钢过程温度控制

以Q235B为例，该钢液相线温度为1 517℃，按过热度25℃浇注计算，即中包温度1 542℃。铁水温度一般为1 250～1 400℃，因此炼钢过程需要升高的温度为142～292℃，同时满足成分要求。转炉吹炼是升温的过程，转炉脱硅、脱碳都是放热过程，而造渣、热辐射等过程伴随着热量的损失，使钢水温度降低。转炉吹炼过程炉内化学反应如下：

渣-金界面成渣反应的晗为：ΔH（SiO2）= -97 133 J/mol（SiO2），ΔH（P2O5）=-97 133 J/mol（P2O5）。在1 873 K时，铁的比热为450 J/（kg·℃），因此，使1 t钢水升温1℃需要吸收热量450 kJ。对于100 t铁水来说，每氧化0.1%的硅，会使温度升高20℃，按铁水硅含量0.2%～0.5%计算，脱硅升温40～100℃。而每氧化0.1%的碳（假设全部生成CO），会使铁水温度升高8℃，按转炉内氧化的碳含量为3.9%～4.2%计算，脱碳升温312～336℃。按转炉终渣量15 t计算，渣中（FeO）每增加1%，钢水升温18℃。按转炉终渣（FeO）=20%计算，铁氧化升温360℃。所以综合考虑脱碳、脱硅和铁氧化的总体升温值在700～800℃。

在炉内的热量支出方面，底吹气体和转炉炉气带走的热量、渣料及废钢的吸热和熔池、炉壳的热辐射占主要部分。其中渣料的熔化吸热可由CaO-SiO2-FeO三元相图进行计算，而熔池液面向炉内的热辐射和通过炉壳向大气散热的总热量损失可由式（9）计算，而由此产生的温降则由式（10）计算［3］。

式中，Q为钢液辐射散热速度，J/（m2·s）；T1为钢液温度，K；T2为介质温度，K;C为钢液热容，kJ/（K·kg）；Wm为钢液质量，kg。

在介质温度一定的条件下，辐射散热本质上是辐射面积的函数，因而也是炉子尺寸和炉子状态的函数。如果按辐射到大气温度25℃计算，对于100 t钢水，则辐射散热速度为0.5℃/（m2·min）。如果辐射给炉壁，炉壁温度按照实测450℃计算，则辐射散热速度为0.48℃/（m2·min）。整个吹炼过程由于钢水散热会降低温度300～350℃。

在出钢温降方面，有文章称出钢碳含量为0.05%～0.06%的铝镇静钢平均出钢温降10℃/min［4］。出钢过程的脱氧升温方面，每脱除占钢水量0.01%的溶解氧，如果选择用硅脱氧，则钢水升温1℃；如果选择用铝脱氧，则钢水升温4～5℃。合金化溶解过程中的温降则由元素本身的性质决定。

出钢等待时间的影响可以归结为罐口散热的影响。罐口钢液散热主要包括对流散热和辐射散热。文献表明［5］：罐口钢液的散热主要以辐射散热为主，对流散热所占的比例很小；裸露部分钢液的温降速度比未裸露部分钢液的温降速度大一倍左右。一般熔渣温度比钢液温度低300～400℃，为了简化计算，取钢液温度为1 923 K，熔渣温度为1 623 K，大气温度为303 K，将式（1）计算得到的Q值带入公式（2），可得裸露钢水和未裸露钢水由于辐射带来的温降分别为0.368 8℃/（m2·min）和0.182 3℃/（m2·min）。如果钢包罐口直径为3.14 m，不裸露钢水的温降速度为4.6℃/min。裸露20%面积的钢水温降速度为5.5℃/min。根据转炉与钢包尺寸的对比，粗略估计由于出钢等待造成的钢水温降速度为5℃/min。

钢水运输过程的散热包括包衬蓄热、包壁传热和表面散热，而包衬蓄热是钢水散热的主要原因。出钢时将钢包烘烤温度由600℃提高到1 200℃可使钢水温降减少7℃。运输过程钢水表面加覆盖剂，减少钢水温度损失。钢水表面覆盖有80 mm厚液渣和40 mm厚碳化稻壳时，60 t钢水5 min内温度降低仅2.3℃［6］。

3 精炼过程的温度控制

炼钢精炼设备有LF炉、RH炉、ANS-OB炉以及VD炉等，这些设备的主要功能是脱硫、升温、深脱碳、去气等，这里主要讨论升温。VD炉相对简单，不具备升温的功能，但能以低成本满足去气和去夹杂的钢种要求，例如重轨、石油管线类以及板坯探伤等品种均采用VD炉。VD炉的进站温度只能靠前期的LF炉处理过程进行升温调节。在升温上，最主要的精炼手段是电极升温的LF炉。电极升温的好处是对钢水纯净度无明显影响，并且在实验钢的生产中，在大罐罐况较好的前提下可以大幅升温，但是电极升温的成本最高。而RH和ANS-OB的升温方式是依靠铝氧升温，RH在深脱碳过程中，还有CO的二次燃烧升温，此反应在真空室内发生，烘烤真空室，但是此反应对钢水的升温有限。二者升温模式如下：

RH精炼升温模式：

Analysis on Temperature Variation in Fluid Made in Blast Furnace-Converter-Refining Process Flow

Zhu Xiaolei1，Chen Fuzhen2，Li Xiaowei1，Liu Xiang1，Liao Xiangwei1
（1.Iron&Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation,Anshan 114009,Liaoning,China; 2.Bayuquan Iron&Steel Subsidiary Company of Angang Steel Co.,Ltd.,Yingkou 115007,Liaoning，China）

Based on the theoretical analysis of the temperature variation in fluid made in the blast furnace-converter-refining process flow,the theoretical values of temperature dropping and temperature rising for all the production processes were obtained.The results show that the average value of temperature dropping in hot metal ladle was 2.24℃/min after pouring hot metal from one ladle to another,the value for torpedo was 0.78℃/min and the value limit of temperature rising of the fluid in converter was from 300℃to 400℃.So some concrete measures were proposed in order to guarantee the qualified values of the temperatures for all the production processes.

blast furnace;converter;refining;temperature variation