唐钢转炉冶炼中碳钢碳氧积的控制研究

张 垚

（河北钢铁集团 唐钢公司 第二钢轧厂，河北 唐钢 063000）

转炉终点氧位是转炉冶炼的重要指标，对于洁净钢冶炼、合金料消耗、冶炼成本等影响较大。本文从碳氧积入手，探讨唐钢转炉冶炼中碳钢过程的氧位控制情况。唐钢第二钢轧厂现有2座公称容量65t转炉，炉容比为0.93，采用顶底复吹技术，采用4孔氧枪，喉口直径26 mm，喷孔夹角10.5°，设计氧气流量17000Nm3/h，供氧强度3.57Nm3/tmin。底吹透气元件为4支环缝式底吹枪。

1 平衡碳氧积

冶炼终点钢中氧含量的多少直接受到终点碳氧积高低的影响，当反应达到平衡时，在一定的温度下，碳氧浓度的乘积趋近于一个常数。稳定的较低水平的终点碳氧积直接反应出终点的控制水平，碳氧积低，则终点氧含量低，可有效的降低钢铁料消耗和合金消耗，提高终点碳含量，减少钢中夹杂物，提高钢水质量。

转炉熔池中脱碳反应为：［C］+［O］=CO（g），ΔGφ=-20482-38.94T

其中，Pθ为大气压力；H钢、H渣为CO气泡以上钢液、熔渣的高度；ρ钢、ρ渣为钢液、熔渣的密度；σ为金属液表面张力；rCO为CO气泡半径。

碳氧积的主要影响因素为温度，这是由于碳氧反应是放热反应，温度升高，则平衡常数K升高，碳氧积值也就升高。这就要求我们根据不同的钢种和不同的冶炼工艺，制定不同的出钢温度，在保证中包过热度的情况下，尽力的去降低出钢温度。同时由于顶底复合吹炼的影响，强化了熔池的搅拌作用，促进熔池内的反应，使碳氧反应更趋近与平衡，可有效的降低碳氧积。

2 温度对钢水终点碳氧积的影响

由前文碳氧积的计算可知，温度是碳氧积的主要因素，降低出钢温度，则平衡常数K降低，碳氧积也就降低。因此如何有效的降低出钢温度是降低碳氧积的首要考虑因素。图1为唐钢生产过程中碳钢氧位随着温度的变化的趋势。

图1 不同出钢温度下的氧位

对终点氧位与温度进行数据透视分析可知：出钢温度在1610~1660℃，氧位与温度存在比较明显的线性关系。随着终点温度的升高，氧位逐渐增加。温度低于1610℃或高于1660℃时氧位开始出现震荡，不排除炼钢工在过低温度和过高温度出钢控制上的经验不足，因操作原因导致。

从纯净钢的角度出发，出钢温度应控制在较低水平，从根本上控制钢中夹杂物的生成。但矛盾的是通常纯净钢的冶炼需要二次精炼处理，其过程需要一定的温降值，要求较高的出钢温度。为此可采用钢包加盖、加覆盖剂和加快周转时间等方法减少钢水过程温降，从而达到降低转炉出钢温度的目的。

3 底吹对钢水终点碳氧积的影响

有效的顶底复合吹炼，能达到强化熔池搅拌，促进钢—渣界面反应的作用，使钢中碳氧反应更趋近与平衡，是降低碳氧积的另一有效途径 。

目前唐钢第二钢轧厂转炉底吹流量从200～560 m3/h，4支底吹枪每支的流量为0.003～0.008 m3/（t·min），图2（a）为正常流量下碳氧积和氧位的情况，此时底吹总流量为480 m3/h，其中紫色线为理论碳氧积，绿色线为实际碳氧积曲线；图2（b）为炉役后期由于1只底吹枪堵塞，流量只有300 m3/h，同样紫色线为理论碳氧积，红色线为实际碳氧积曲线。

图2 不同底吹对碳氧积的影响

图2可知当流量为300 m3/h时，实际碳氧积更大，偏离理论曲线更远，同时氧位更为分散。可知在唐钢转炉底吹范围内，底吹流量越大对氧位控制越有利。故在实际生产中，应 保证有效的底吹蘑菇头的形成，并通过合理的溅渣护炉手段，保证底吹元件的寿命，使底吹能达到最大的利用化。

4 炉龄对钢水终点碳氧积的影响

以1000炉作为一个炉役阶段，分析了每个阶段碳氧积的调整均值，如图3炉龄对碳氧积的影响。

图3 炉龄对碳氧积的影响

图3可知，炉龄对碳氧积的影响十分明显。在不同的炉役阶段，碳氧积存在明显的差距，整体趋势为不断缓慢的增大。如图3所示为炉龄在5500炉以内的碳氧积的变化情况，碳氧积不断增大，在3000炉以内升高幅度较小，3000炉以后上涨幅度较大。炉龄在2000炉以内，碳氧积均值在0.00265以内，当炉龄大于3000炉后，碳氧积开始偏离理论平衡值，特别是大于5000炉后，严重偏离理论平衡值，达0.0029。这主要的由于随着炉龄的增加，炉膛内型变化较大，在相同的条件下，碳氧反应不能达到有效平衡。同时，由于炉龄的增加，底吹元件受损或者受堵现象严重，导致底吹效果变差，降低了熔池的搅拌作用，碳氧积极速增加。

为了保证一个合适的炉膛内型，这就要求操作人员根据炉龄情况，采用合适的补炉手段，使得炉膛内型随着炉龄的增加，能均匀的侵蚀，保证炉膛内型在一个合理范围内变化。同时加强对底吹元件的维护和管理，保证底吹元件能长寿命的高校应用。

5 碳氧积对钢铁料消耗的影响

钢铁料消耗是影响转炉成本的主要指标之一，低氧位控制有利于减少钢铁料的吹损，同时也减少转炉炉后合金加入量，降低冶炼成本。但为控制较低的氧位需要低温出钢、高拉碳等操作，由于唐钢转炉没有副枪，转炉终点测温取样需要倒炉进行，由于炉渣温度偏低，炉渣粘度大，渣中（FeO）和铁珠含量会升高，倒炉过程倒渣会增加钢铁料的损失。为此从降低钢铁料消耗，减少成本的角度不能一味降低终点氧位，图4为冶炼中碳钢终点氧位和钢铁料及冶炼总成本的关系。

图4 转炉终点氧位和钢铁料消耗及冶炼总成本的关系

按照唐钢转炉目前情况转炉终点氧位控制在350~400 ppm，钢铁料及总成本最低，根据以上研究结果，目前唐钢转炉终点氧位已经控制在此范围内。

6 结 语

（1）对理论平衡碳氧积进行了分析，从热力学角度，在转炉气氛内温度是影响碳氧积的主要因素。

（2）根据唐钢实际生产中碳钢过程温度和氧位的关系研究，可知出钢温度在1610~1660℃，应尽量低温出钢，降低终点氧位。

（3）从动力学角度，底吹对氧位影响较大，以唐钢目前底吹流量情况，应充分发挥底吹作用，保持底吹枪通畅，有利于稳定的降低终点氧位。炉龄对氧位的影响可以理解为底吹效果对氧位的影响，唐钢应提倡经济炉龄，不必一再追求高炉龄。

（4）结果表明，唐钢目前转炉工艺条件下350ppm左右的氧位时钢铁料消耗和冶炼总成本最低，实际生产过程应按照此目标控制。