提高260 t 转炉终点一拉率工艺研究与应用

陈晨，李超，尚德义，刘博，刘延信，冉茂铎

（鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司，辽宁 营口 115007）

转炉终点一拉率是指转炉冶炼终点未进行补吹，一次拉碳直接出钢的炉数占总冶炼炉数的比例。实际生产中，减少转炉终点补吹次数能降低钢水氧化性，使渣粘稠，减少下渣量，同时，缩短冶炼时间，减缓炉衬侵蚀。 因此，提高转炉终点一拉率对于提高钢水收得率、 提高钢水质量、稳定生产节奏、维护转炉炉体等均具有重要意义。

为提高转炉终点一拉率，韶钢采用的措施是高炉铁水全部入混铁炉，实行稳定装入量制度，出铁后必须测温取样等[1]；淮钢100 t 转炉采取的措施是优化氧枪喷头、枪位、造渣料加入制度及底吹模式等，都不同程度地提高了终点命中率，其中淮钢终点温度命中率提高39.87%[2]。 鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司 （以下简称“鲅鱼圈”）2019 年转炉平均终点一拉率仅为91.38%，低于国内先进企业水平。 本文采用Minitab 软件分析现场生产数据，利用排列图、回归分析等质量工具，确定影响转炉终点一拉率的原因，制定并采取相应措施后，提高了转炉终点一拉率。

1 工艺装备

鲅鱼圈目前有3 座260 t 大型转炉，喷枪主要采用五孔椎体氧枪。 转炉炉体和氧枪喷头的主要技术参数如表1、表2 所示。

表2 氧枪喷头的主要技术参数Table 2 Main Technical Parameters of Oxygen Lance Nozzles

2 转炉终点一拉率控制水平

利用Minitab 软件得出2019 年转炉终点一拉率时间序列图见图1。由图1 可以看出，2019年，只有6月份3 座转炉终点一拉率达到了95.77%，全年平均一拉率约为91.38%，低于国内先进水平（93%），一拉率的控制水平较低。

图1 2019 年转炉终点一拉率时间序列图Fig. 1 Time Series Diagram for Success Rates of First Decarbonization at End Point in Converter in 2019

3 影响转炉终点一拉率的原因

将2019 年12 月影响转炉终点一拉率的因素做成排列图见图2。 由图2 可以看出，影响转炉一拉率的主要因素包括终点温度低、终点磷高、终点碳高三个方面，其中起主要作用的是终点温度低和终点磷高，共占比94.5%。

图2 影响转炉终点一拉率的因素排列图Fig. 2 Arrangement Diagram for Factors Af fecting Success Rates of the First Decarbonization at End Point in Converter

3.1 转炉终点温度低

转炉冶炼条件下，终点温度低的主要影响因素有转炉枪龄、废钢加入量、拉碳枪位、拉碳时间等，首先对枪龄与升温速度的关系进行分析，见图3。

图3 枪龄与升温速度的关系Fig. 3 Relationship between Service Life of Oxygen Lance and Heating Rate

由图3 可以看出，氧枪枪龄<30 次和>100 次两种情况下，钢水升温速度没有显著差别，可以排除其影响。 对终点温度与拉碳枪位、拉碳时间、废钢加入量的关系进行回归分析，见图4。 由图4 可以看出，拉碳时间对终点温度影响显著；拉碳枪位、 废钢加入量对终点温度影响不显著；拉碳枪位、 拉碳时间交互作用显著，对终点温度影响较大，贡献率达78.12%。

图4 终点温度与拉碳枪位、拉碳时间、废钢加入量的回归分析结果Fig. 4 Regression Analysis Results of End Point Temperature with Oxygen Lance Position for Catching Carbon, Catching Carbon Time and Scrap Addition

3.2 转炉终点磷含量高

3.2.1 终点温度对终点磷的影响

首先进行脱磷反应机理研究，脱磷反应是界面反应，由下列反应组成：

综合（1）～（3）得：

式中，K 为脱磷反应的化学平衡常数；T 为钢水温度；△H°为反应热量差值，以上反应是强放热的。

由式（5）计算的K 值见表3。 由表3 可见，随着温度的升高，K 值显著减小。 由此可知，低温对脱磷有利（前文的温度是指达到转炉目标出钢温度要求的转炉终点温度，此处是指较低的出钢温度对脱磷有利，联系上文与此处的分析认为，较低的转炉目标出钢温度是有利的）[3]。

表3 脱磷反应的化学平衡常数Table 3 Chemical Equilibrium Constant for Dephosphorization Reaction

3.2.2 其它因素对终点磷含量的影响

对碱度、终点氧含量、废钢加入量等影响终点磷含量的因素进行多变量回归分析，结果见图5。

图5 终点磷含量与碱度、终点氧含量、废钢加入量的回归分析结果Fig. 5 Regression Analysis Results of Phosphorus Content at End Point with Alkalinity, Oxygen Content at End Point and Scrap Addition

由图5 看出，碱度、终点氧含量、废钢加入量对终点磷含量影响显著，碱度、终点氧含量交互作用显著，对终点磷含量影响较大，贡献率48.64%。

4 采取的措施

4.1 控制终点温度

4.1.1 控制拉碳时间、拉碳枪位

提取262 炉SPHC 钢种的终点温度与拉碳枪位、拉碳时间数据，利用Minitab 软件做等值线图如图6 所示。由图6 可以看出，若想将终点温度控制在与目标温度偏差0～20 ℃，拉碳枪位应控制在205～215 cm，拉碳时间控制在20 s 以上。

图6 终点温度与拉碳枪位、拉碳时间的等值线图Fig. 6 Isopleth Map for End Point Temperature,Oxygen Lance Position for Catching Carbon and Catching Carbon Time

为了进一步优化控制终点温度，采用响应优化器分析了终点温度与拉碳枪位、 拉碳时间的关系，结果见图7。

图7 终点温度与拉碳枪位、拉碳时间的优化响应分析Fig. 7 Optimized Response Analysis on End Point Temperature,Oxygen Lance Position for Catching Carbon and Catching Carbon Time

由图7 可以看出，响应优化器的因子优化结果是拉碳枪位控制在195～205 cm，拉碳时间控制在25～37 s，可将终点温度与目标温度偏差控制在10 ℃，达到最优出钢的温度要求。

4.1.2 提高静态计算精度

将静态计算应用到转炉二级控制系统，建立转炉终点静态模型，进一步提高终点控制水平。鲅鱼圈转炉静态模型是以物料平衡和热平衡计算为基础建立的数学模型，采用理论计算与经验数据、参数回归分析于一体的代数增量法，根据转炉吹炼前的入炉条件（铁水成分及铁水量、废钢成分及重量、铁水温度、转炉停炉时间等）和目标控制要求（吹炼钢种目标碳含量、目标温度、磷含量控制上限等），计算副原料加入数量（造渣材料数量、冷却剂数量、总吹氧量、副枪测量时机等）及其它控制参数（吹氧量、吹氧时间、吹炼枪位等），并根据副原料的实时加入数量进行实时计算，对物料种类及数量进行修正。 传统的静态模型在吹炼过程中不再进行任何修正，而该静态模型能够根据生产实际情况不断修正计算参数，提高模型的准确程度。 静态模型计算公式为：

式中，Y 为静态模型计算输出结果；Yj为参考炉次数据；X 为本炉次模型控制输入条件；Xj为参考炉次模型控制输入条件。

转炉冶炼过程中，加入1 t 物料所消耗的热量是该物料的冷却效应。 物料吸收的热量包括物料提高温度所消耗的物理热和参加化学反应消耗的化学热两部分。 鲅鱼圈结合大量的生产实践统计分析了不同物料的冷却效应，应用到静态模型计算中，以提高温度控制精度。不同物料的冷却效应见表4。

表4 不同物料的冷却效应Table 4 Cooling Effects of Different Materials

4.2 控制终点磷含量

4.2.1 降低转炉终点温度

提取262 炉SPHC 钢种的终点磷含量与终点温度数据，利用Minitab 软件做回归分析，结果如图8 所示，公式为

图8 终点磷含量与终点温度的回归分析图Fig. 8 Regression Analysis Diagram for Phosphorus Content and Temperature at End Point

从图8 可以看出,温度对脱磷的影响有两个拐点，为1 640 ℃和1 690 ℃。 当转炉终点温度低于1 640 ℃时，转炉终点磷含量明显降低；当转炉终点温度高于1 690 ℃时，磷含量急剧升高，这是因为转炉冶炼过程的脱磷反应是强放热反应，因而当炉温过高时，反应向逆向进行，钢中的磷含量不仅不降低，反而会产生回磷。

因此，优化LF 工艺路线，使管线、核电、桥梁等钢种的目标出钢温度由1 660 ℃降至1 620 ℃，实现转炉终点钢水磷含量0.010%以下的控制目标；使超低碳钢目标出钢温度由1 695 ℃降至1 685 ℃，实现该类钢种转炉终点钢水磷含量0.013%以下的控制目标。

4.2.2 控制终渣碱度与终点氧含量

提取262 炉SPHC 钢种的终点磷含量与终点氧含量及终渣碱度数据，利用Minitab 软件做三者的等值线图，见图9，废钢量固定在40 t。

图9 终点磷含量与终点氧含量及终渣碱度的等值线图Fig. 9 Isopleth Map for Phosphorus Content at End Point,Oxygen Content at End Point and Alkalinity of Final Slag

由图9 可以看出，终点氧含量控制在0.04%～0.08%，碱度控制在2.3～4.3 时，可将终点磷含量控制在15×10-6～25×10-6的范围之内。 采用响应优化器进一步分析终点磷含量与终点氧含量、 终渣碱度及废钢量加入量的关系，如图10。

图10 终点磷含量与终点氧含量、终渣碱度及废钢量加入量的优化响应分析Fig. 10 Optimized Response Analysis of Phosphorus Content at End Point with Oxygen Content at End Point, Alkalinity of Final Slag and Scrap Addition

鲅鱼圈目前产量最多的钢种包括低硅铝镇静钢（SPHC）、焊丝钢（AYHS5）、高碳钢（AGMJ45）等，总占比达到60%以上，此类钢种成品磷含量大于0.020%。根据响应优化器的分析结果，将废钢量固定为40.1 t，终点氧含量控制在0.041 8%～0.078 9%，终渣碱度控制在2.76～3.18，可将终点磷含量控制约为0.017%，达到了大部分钢种的出钢要求。

5 取得的效果

采用上述措施后，鲅鱼圈260 t 转炉终点一拉率由91.38%提高到94.17%，年节省成本约116 万元。 优化前后转炉终点一拉率对比箱线图如图11 所示。

图11 优化前后转炉终点一拉率对比Fig. 11 Comparison of Success Rates of First Decarbonization at End Point in Converter before and after Optimization

6 结论

（1）采用Minitab 软件分析认为，鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司260 t 转炉终点温度低、终点磷含量高是造成终点一拉率低的主要原因。

（2）温度对脱磷的影响有两个拐点，1 640 ℃和1 690 ℃。 降低超低磷钢种的目标出钢温度，由1 660 ℃降低到1 620 ℃；降低超低碳钢种的目标出钢温度，由1 695 ℃降低到1 685 ℃，降低脱磷压力。 将拉碳枪位控制在195～205 cm，拉碳时间控制在25～37 s，可将终点温度与目标温度偏差控制在10 ℃，达到最优出钢温度的要求。

（3）废钢量控制在40.1 t，终点氧含量控制在0.041 8%～0.078 9%，终渣碱度控制在2.76～3.18，可将终点磷含量平均控制在0.017%，达到出钢要求。

（4）动态维护转炉二级计算系统，建立转炉终点静态计算模型，为生产操作提供参考，进一步提高了终点控制水平。

（5）采取上述措施后，转炉终点一拉率由91.38%提高到94.17%，年节省成本约116 万元。