转炉炼钢过程中钢包温度控制研究

2022-11-22齐凯

中国金属通报 2022年10期

齐凯

技术人员通过反复试验发现，钢包的温降速度与红包出钢率、钢包的空置时间以及钢包的周转速度有着密切关系，因此，钢铁企业应当结合钢包的这一特点，制订一套科学系统的钢包控温措施，在推进炼钢生产进度的同时，为钢产品质量的提升提供强大的技术支撑。

1 钢包种类与炼钢温降阶段

1.1 钢包种类

钢包作为钢水的转运容器，其运行状况直接关系到炼钢质量，而在实际生产过程中，为了便于区分每一种钢包的不同特性，通常将钢包划分为异常包与无异常包两大种类，其中，无异常包以周转包为主，而异常包则包括新包、小修包、烤包、超时包、粘钢包、凉包。新包是在大修与中修后经过烘烤的前五次包龄的钢水包，小修包是经过小修后烘烤前三次包龄的钢水包，烤包是指周转包在热修超时、包数减少的情况下停止使用，而在烘烤器中经过烘烤完成的钢水包，超时包是空置时间大于等于50min，小于等于80min 的周转包，粘钢包是指钢包底部存在粘钢，粘钢重量小于等于8t 的周转包，而凉包则是指空置时间达到80min 以上，或者卧包后包口温度小于200℃、包壳温度小于80℃的钢水包。如果在炼钢生产中，出现上述异常包，现场操作人员应当严格执行上述的标准名称，以免影响炼钢进度与质量。

1.2 炼钢温降阶段

转炉炼钢温度下降主要集中在三个阶段，即：钢包运输钢水阶段、出钢阶段以及浇铸阶段。钢包的主要功能和作用是用来盛装钢水，在转炉出钢一直到钢水浇铸，这一系列生产工序均在钢包内完成，因此，钢包的状态参数与炼钢温度降低有着密不可分关系。尤其在钢包运输钢水过程中，由于包裹钢包的外衬极易产生热损失，进而使钢包内部温度快速下降，为了有效抑制温度下降速度，技术人员通常采用减少钢包空等周期，或者延长钢包在线烘烤时间等方法。在出钢阶段，钢水本身自带热辐射，而且也会产生对流散热，在这种情况下，钢水温度也将快速下降，另外，由于整个出钢过程将极易出现脱氧合金化现象，这对钢水温度也会产生一定的影响。目前，在应对出钢阶段温度下降的问题时，技术人员多采用提高出钢前钢包温度以及烘烤合金的方法，来降低出钢温度。在浇铸阶段，钢水温降不稳定的因素主要包括浇铸时间、中包温度状态以及保护浇铸等。在应对浇铸阶段温降时，通常采取增加中间包保温层的方法，来减缓热量散失速度，选用的钢包保温层材料一般以微孔绝热纳米板为主，该材料的导热系数≤0.06W/m·k（300℃）、而中间包保温层材料的导热系数≤0.08W/m·m（600℃）。或者采用熔点为1250℃，导热系数为0.62W/（m·K），铺展性良好并且不结过壳的中包覆盖剂，应用这种方法能够大幅减少中间包的热损失。

2 浇注温度与出钢温度的确定方法

2.1 确定浇注温度

浇注温度实际是中间包内部的钢水温度，一部分是钢水本身的凝固温度，也称为液相线温度，另一部分是钢水的过热度，即超过凝固温度的温度值。浇注温度的数学计算式为：Tc=TL+ΔT，其中Tc 表示钢水的浇注温度，TL 表示钢水的液相线温度，ΔT 则表示钢水的过热度。影响液相线温度的因素主要是钢水当中各种元素的含量多少与性质。在计算液相线温度时，一般采用下面这一计算式：

TL=1537-[88C%+8Si%+5Mn%+30P%+25S%+5Ca%+4Ni%+2Mo%+2V%+1.5Cr%]，以q235 合金化后的钢包内钢水成分为例，其中：C 的含量0.15%、Si 的含量0.25%、Mn 的含量0.45%、P 的含量0.025%、S 的含量0.02%，如果将这些已知条件代入到上面的计算式中，能够计算出钢水的液相线温度为1518℃，这一温度也是液态钢与固态钢的临界温度。而钢水过热度主要由浇注的钢种、铸坯断面以及实际生产条件决定，取值范围通常介于5℃～40℃之间，在钢水性能优越、温降小、铸坯断面大的情况下，一般取下限值，反之，则取上限值。比如对于中厚板材来说，为了避免出现内部裂纹或者偏析现象，过热度取值以接近下限值为宜，一般在10℃～15℃之间。

2.2 确定出钢温度

在确保正常浇注、正常出铸坯与出钢锭的前提下，出钢温度的数学计算式为：T 出=TL+Δtl+Δt2，在计算式中，TL 代表浇注钢种的液相线温度，Δtl 代表浇注过程中钢水的温降，Δt2 代表从出钢、钢水精炼到钢水浇注时的钢水温降。其中，钢种的液相线温度与钢液的组成成分有关，钢种不同，液相线温度也存在明显差异。Δtl 是钢水浇注工序开始以后，需要保持一定的过热温度，这与生产条件以及浇注质量有着密切关系。对于模柱来说，钢水过热度介于50℃～100℃之间，而对于连铸工序来说，钢水的过热度一般在5℃～30℃之间。实验数据表明，钢水过热度偏低，产品的内部质量较好，钢水过热度偏高，产品的表面质量较好。而Δt2 的数值变化则与出钢时间、钢包容积、钢水流动状态、钢包内衬温度以及加入铁合金的多少有关，一般情况下，取值范围在30℃～80℃之间，而在连铸生产中，受到中间包热损失的影响，模铸温度往往比钢水温度低20℃～50℃。

2.3 钢水温度对炼钢工艺产生的不良影响

钢水温度一般是指平均浇铸温度，即在炼钢生产过程中，需要对钢水的浇铸温度测量三次，然后再取三次的平均值，第一次测量在浇铸开始以后的5min 进行，第二次在浇铸中期进行，第三次则在浇铸结束前5min 进行。如果三次测量的平均值过度，那么对炼钢工艺将产生以下不良影响：即出结晶器坯壳薄，易漏钢；耐火材料侵蚀速度加快，易导致铸流失控，降低浇铸安全性；增加非金属夹杂，影响板坯内在质量；铸坯柱状晶发达；中心偏析加重，易产生中心线裂纹。如果三次测量的平均值过低，则容易对炼钢工艺产生以下不良影响：即容易发生水口堵塞，浇铸中断；连铸表面容易产生结疱、夹渣、裂纹等缺陷；非金属夹杂不易上浮，影响铸坯内在质量。由此可以看出，在转炉炼钢过程中，合理控制钢水温度，对改善产品质量、优化炼钢工艺流程均将起到积极的促进作用。

在转炉炼钢过程中，控制钢水温度过高的方法主要包括搅拌法以及搅拌+冷废钢的方法。搅拌法主要是利用氩枪从钢包顶部或底部吹入氩气，对钢水进行搅拌，通过这种方法，能够均衡钢包内上下部钢水的温度。搅拌+冷废钢的方法主要是在吹气搅拌过程中，向钢水当中加入一些轻型的清洁废钢，然后通过废钢的吸热过程来达到降低钢水温度的目的。而控制钢温度过低的方法主要包括电弧加热法、感应加热法以及等离子加热法，其中，电弧加热法主要是利用电墨电极产生出的高温电弧对钢水进行加热，电弧的加热温度可以达到4000℃以上，采用这种升温方法时，钢包容量越大，加热效率则越高。比如20t 钢包的加热效率约为30%，而250t 的钢包的加热效率将达到75%以上。感应加热法主要是利用线圈产生的交流磁场在钢水当中产生感应电势对钢水进行加热处理，这种方法的加热效率能够达到70%以上，升温速度可以达到每分钟2.5℃。而等离子加热法则是对氩、氮等气体进行加热，使其转变成为等离子状态，然后利用高温等离子体对钢水进行加热处理，这种加热方法的升温速度能够达到每分钟5℃以上，加热效率最高可以达到80%。

3 钢包温度的有效控制措施

3.1 砌筑绝热层

钢包运行的优化涉及到钢包运转整个过程所牵扯的各个环节：钢包的维修、转炉冶炼和连铸浇钢，特别是天车的作业等，需要用整体的观念对钢包运行实施系统的协调和优化。对钢包传搁过程中无效占用天车时间较长的环节，如满包从转炉到精炼站，从精炼站到连铸机，空包从连铸机到钢包维修站以及修毕钢包从维修站至转炉炉后钢包车等，均应优化作业，提高天车的作业效率。砌筑钢包绝热层是有效控制钢包温度的一种简单易行的方法，过去，绝热层材料一般以硅酸铝纤维为主，但是，这种材料的绝热效果相对较差。因此，近年来，随着纳米技术的迅猛发展，一些利用纳米材料研制开发出来的新型绝热材料与绝热机构，被普遍应用于钢包绝热层当中，并且收到了较为理想的绝热效果。下面以国内某钢厂盛满120t 钢水的钢包为例，其中1#、3#、5#钢包未砌筑绝热层，2#、4#、6#钢包砌筑了绝热层，然后对包壳温度、浇注中后期温降、浇注中后期平均温降等参数进行比对。

从对比数据可以看出，未砌筑微孔绝热纳米板的1#、3#、5#钢包，比砌筑微孔绝热纳米板的2#、4#、6#钢包的包壳温度要高出50℃～70℃，而浇注中后期的温降值相差2℃左右，平均温降则相差3℃左右，由此可以得出结论，在钢包表面砌筑微孔绝热纳米板能够有起到保温作用，进而使温降速度得到有效缓解。

3.2 提高红包出钢率

所谓红包出钢主要是指出钢之前将钢包内衬烤至发红，使内衬温度达到800℃～1000℃，如果提升红包出钢率，那么在钢包处于空置状态时，内衬的温度损失将大幅减少。比如钢包的温降速率为4.11℃/min，那么在钢包空置时间保持在50min 时，钢包内衬的温度依然在900℃以上，如果钢包的空置时间达到70℃以上时，在钢包内衬未经烘烤的情况下，则无法实现红包出钢。而在转炉炼钢过程中，一般会出现超时时间超过20min 的超时包，这种类型的钢包对各个阶段的温度影响较大，因此，钢厂应当根据现场实际，合理制订生产计划，以加快推进各道工序的生产进度，这样可以有效避免超时包的出现。以300t 的钢水包为例，如果该钢包的内衬经过烘烤，并且达到了红包出钢的条件，那么出钢的平均温降值能够保持在15℃左右，在这种情况下，生产出的成品钢其外观质量与内部质量均能够满足用户需求。另外，为了保证红包出钢，技术人员应当掌握与合理控制钢包上线之前的烘烤时间。

温度变化的临界点发生在烘烤7h 的时间节点上面，因此，在钢包上线之前，应当保证烘烤时间达到7h 以上，这样才能确保红包出钢。

3.3 启动在线烘烤模式

钢包的周转速度给钢包温度造成直接影响，而周转速度出现不均衡的原因主要与转炉补炉、钢口更换、挡渣滑板更换、临时性检修、连铸机故障等因素有关，如果钢包周转速度不均，那么极易出现内衬变黑现象，这将给产品质量造成严重影响。为了避免这种情况的出现，在出钢之前，技术人员可以启动在线烘烤模式，即利用转炉的在线烘烧器，对钢包进行烘烤，使钢包内衬始终保持“红亮”状态。具体操作流程如下：从钢包停浇至钢包更换水口，再到投放引流砂这一系列工序所占有时间应当保证在25min 以内，当这些工序完成以后，应将钢包坐上转炉在线钢包车，将其直接开至在线烤包器下，对钢包进行在线烘烤。以300t 的钢包为例，如果利用在线烘烤的模式，烘烤时间15min，钢包内衬的温度能够达到850℃以上，经过在线烘烤处理的钢包，温降速度也由原来的60℃～80℃下降至40℃～60℃，这就使钢包内部的钢水能够时刻处于一种良好的保温状态，进而能够大幅提升炼钢质量。

3.4 提升钢包周转速度

排除生产过程中钢包运转受一些不确定因素的影响和必要的等待时间，在生产工序作业水平保持不变的前提下仅着眼于钢包传搁过程的系统调控，将钢包运行周期由200min 缩短至180min ～190min，即将现有的13 个周转钢包数量减至12 个。若炼钢或连铸等主要生产工序的作业水平进一步提高，使得钢包运行过程时间继续缩短，钢包运转的个数还可进一步优化至10 个～11 个，即钢包运行周期缩短至160min ～170min。钢包使用个数的减少，可优化生产流程中钢包的配置和运行，从根本上杜绝各工序随意占用钢包的现象。如果钢包空置时间过长，钢包内衬的温降速度也将明显加快，因此，为了缩短钢包的空置时间，技术人员可以采取以下两种方法来加快钢包的周转速度，以最大限度的减少钢包空置时间。第一，优化运行工序，加快钢包周转，每一道工序的衔接尽量缩短时间间隔，进而来缩短钢包的空置时间。第二，对生产工序进行优化和改进，在保证出钢质量的前提下，应当尽量缩短每一道工序所花费的时间，这样，既可以加快生产进度，同时，钢包的空置时间也得到大幅缩减。比如以3 台连铸机的浇钢生产为例，如果钢包的周转数量从14 个降到12 个或者13 个，那么出钢温度也将降低10℃～15℃，可以看出，钢包的周转数量越少，出钢温降幅度则越小。以国内某炼钢厂为例，该钢厂通过对在线钢包数量的优化，采取紧凑式的生产组织模式，在采用3 炉3 机正常的生产情况下，使用7 个钢包进行周转，其周转率提高到7.71 次/班左右，周转平均周期由71.11min 缩短为62.22min，这不仅使钢包在线时间得到提升，同时还降低了能量消耗，进而给企业创造了更加丰厚的经济效益。

3.5 添加钢包覆盖剂

钢包覆盖剂是一种以绝热保温为主要性能的覆盖剂，对于钢包覆盖剂来说，通常具备三个基本功能，第一，在液态渣层上保持一层保温、绝热的粉状物层，阻止钢水向空气传送或辐射热量，保温绝热性能是钢包覆盖剂最重要的技术指标，一方面能够有效降低出钢温度，节省能量消耗，另一方面可以提高钢产量。第二，能够隔绝钢水与周围空气的接触，并且不会侵蚀包衬，浇铸工序结束后，不会发生结壳现象。钢包覆盖剂主要包括两大类，一类是含碳钢包覆盖剂，另一类是无碳钢包覆盖剂。

其中，含碳钢包覆盖剂与无碳钢包覆盖剂的堆比重介于0.6t/m3～0.8t/m3之间，熔点为1300℃±30℃，1mm ～5mm的粒度含量达到90%以上。添加钢包覆盖剂的主要作用是保证钢包表面渣面不结壳、铺展性能好，而且能够保证温降≤0.5℃/min。经过实验验证得出结论，当精炼工序结束以后，如果在钢水液面添加覆盖剂，那么钢包表面的结壳率将大幅下降，同时，钢水的温降值也下降5℃～8℃。

3.6 采用钢包加盖工艺

钢包加盖是一种新型的钢包温度控制工艺，其工艺原理是：当钢包处于直立状态时，技术人员可以采取加盖的方法，将钢包盖与钢包连为一体，这样，既方便摘取，而且在排渣之后，包盖可以和钢包靠连接爪自行锁紧。在对钢包进行加盖处理后，钢包内上部与下部的钢水温差将大大缩小，而且中间包的钢水温度波动幅度也大幅降低，在这种情况下，铸坯的表面质量将得到有效改善。该工艺的操作流程如下：首先，技术人员需要将钢包烘烤至800℃，并利用专业工具将钢包盖与钢体相连，在出钢之前，借助于钢包自动插齿的作用将钢包盖揭开，当完成出钢工序以后，钢包盖自行盖紧。然后将钢包运至精炼炉，利用旋转揭盖装置开启钢包盖，当精炼工序结束后，再将钢包盖盖紧，需要注意的是，从烘烤钢包工序开始一直到浇钢作业完毕，钢包全程都处于加盖状态。通过加盖处理后，钢包内衬热量散失将减少25%以上，这就相当于钢水温降减少7℃以上，并且当钢包处于空置状态时，包壁的温度也将提升30℃以上，这就满足了红包出钢的条件，同时，也能够减少钢包覆盖剂的添加量，进而为钢厂节省了大量的生产成本。