120t轉(zhuǎn)爐冶煉中CO濃度變化指導(dǎo)作用的探討

趙廣諳

（新疆八一鋼鐵股份有限公司）

1 前言

某煉鋼廠120t轉(zhuǎn)爐原工藝設(shè)計(jì)為恒槍變壓操作，供氧強(qiáng)度范圍在2.8～3.2 m3/（t·min），冶煉時(shí)間控制在800s以內(nèi)。生產(chǎn)鋼種包括管線鋼、壓力容器鋼、汽車板用鋼等。在冶煉過程中煉鋼工憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，如對(duì)于火焰的判斷依舊以顏色、形狀以及特定的時(shí)間為依據(jù)，并以此確定轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)冶煉狀態(tài)。經(jīng)驗(yàn)煉鋼易受很多客觀因素的影響，如原材料、供氧設(shè)備、爐型，甚至還有個(gè)人的精神狀態(tài)等，經(jīng)驗(yàn)煉鋼穩(wěn)定性差且波動(dòng)大，對(duì)生產(chǎn)的順行、作業(yè)活動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)化有不利的影響。煉鋼工的培養(yǎng)需要很長的時(shí)間，沒有標(biāo)準(zhǔn)化的操作參數(shù)，只能在實(shí)踐中依靠師傅的引導(dǎo)以及個(gè)人的悟性去學(xué)習(xí)，因此優(yōu)秀的煉鋼工一直很缺乏。轉(zhuǎn)爐煉鋼工對(duì)于冶煉過程憑經(jīng)驗(yàn)控制，其所感知的內(nèi)容都是轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)反應(yīng)的結(jié)果。分析認(rèn)為轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)冶煉過程發(fā)生了碳氧反應(yīng)，CO濃度的變化就是爐內(nèi)碳氧反應(yīng)的具體表征，文章探索通過CO濃度的變化指導(dǎo)煉鋼工操作，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的穩(wěn)定控制。

2 轉(zhuǎn)爐工藝特點(diǎn)

轉(zhuǎn)爐公稱容量120t。

供氧條件：氧氣射流速度2.0馬赫；供氧強(qiáng)度2.8～3.2 m3/（t·min）。

頂吹氣體的介質(zhì)：氧氣純度99.99%。

除塵方式：濕法除塵、RD喉口/環(huán)縫調(diào)節(jié)。

CO濃度監(jiān)測(cè)采用激光實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐內(nèi)存在著直接傳氧與間接傳氧兩種途徑[1]。直接傳氧是氧氣被鋼液直接吸收，其反應(yīng)過程是：

間接傳氧是氧氣通過熔渣傳人金屬液中，氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐傳氧以間接傳氧為主。其反應(yīng)式為：(FeO)=[FeO]、[FeO]=[Fe]十[O]；

氧化物分解壓越小，元素越易氧化。在煉鋼溫度下，常見氧化物的分解壓排列順序：

從以上氧化物分解的順序可以看出，轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)分為前期硅錳氧化期、中期碳氧反應(yīng)期、后期脫碳去夾雜期[2]。通過煉鋼工經(jīng)驗(yàn)控制氧槍槍位、供氧強(qiáng)度以及渣料量的加入時(shí)機(jī)逐步進(jìn)行冶煉過程。因?yàn)檗D(zhuǎn)爐內(nèi)是多相反應(yīng)，因此鐵水中元素的氧化順序還與其濃度有關(guān)，所以吹煉開始元素氧化順序?yàn)镕e、Si、Mn、P、C等。

轉(zhuǎn)爐冶煉過程槍位的控制是促使?fàn)t內(nèi)反應(yīng)的重要手段[3]。當(dāng)采用硬吹時(shí)，氧氣流股對(duì)熔池的沖擊力大，形成的沖擊深度較深，沖擊面積相對(duì)較小，因而產(chǎn)生的金屬液滴和氧氣泡的數(shù)量也多，氣—熔渣—金屬乳化充分，爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)由于硬吹加快爐內(nèi)溫度升高促使反應(yīng)速度快，特別是脫碳速度加快，大量的CO氣泡排出，熔池?cái)噭?dòng)強(qiáng)烈，并且伴有大量煙塵產(chǎn)出。

在軟吹時(shí)，氧氣流股對(duì)熔池的沖擊力減小，沖擊深度變淺，沖擊面積加大，反射流股的數(shù)量增多，對(duì)于熔池液面攪動(dòng)有所增強(qiáng)，爐內(nèi)升溫均勻，脫碳速度緩慢，因而對(duì)熔池內(nèi)部的攪動(dòng)相應(yīng)減弱，爐內(nèi)煙塵量降低[4]。

3 CO濃度變化的實(shí)際應(yīng)用

轉(zhuǎn)爐煉鋼工對(duì)冶煉過程操作都是依據(jù)感官所能感知到的內(nèi)容來調(diào)整，感知的內(nèi)容都是爐內(nèi)反應(yīng)的結(jié)果。這種感知因人而異，現(xiàn)場(chǎng)多種因素疊加，造成轉(zhuǎn)爐煉鋼工對(duì)于冶煉控制不穩(wěn)定。轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)冶煉過程伴隨著碳氧反應(yīng)的過程，CO濃度的變化就是爐內(nèi)碳氧反應(yīng)的具體表征。

圖1 冶煉過程中爐內(nèi)CO濃度曲線跟蹤畫面

由圖1可以看出“CO濃度”是隨著冶煉過程時(shí)間的推移而變化的，變化的原因是轉(zhuǎn)爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)在進(jìn)行。通過“CO濃度”的變化指導(dǎo)煉鋼工冶煉過程操作，將真實(shí)的反應(yīng)出冶煉過程爐內(nèi)反應(yīng)狀況，根據(jù)反應(yīng)狀況，結(jié)合多年積累的經(jīng)驗(yàn)，通過調(diào)整供氧強(qiáng)度、氧槍槍位進(jìn)行冶煉作業(yè)。煉鋼工可以通過CO濃度的變化及時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)爐冶煉操作，進(jìn)一步提升冶煉操作水平。

3.1 冶煉過程爐渣“返干”的判斷

在轉(zhuǎn)爐吹煉中，造成爐渣“返干”現(xiàn)象的主要原因是供氧量小于碳氧反應(yīng)所耗氧量，由于冶煉過程槍位及供氧強(qiáng)度的變化造成爐渣大量結(jié)坨，鋼水表面部分裸露在氧槍流股范圍內(nèi)，使得“CO濃度”急劇上升。首先爐渣“返干”在冶煉過程中經(jīng)常發(fā)生，爐渣“返干”不但造成冶煉化渣困難，去除有害雜質(zhì)能力大幅度下降，還會(huì)造成氧槍結(jié)冷鋼，嚴(yán)重時(shí)造成惡性生產(chǎn)事故；其次長時(shí)間“返干”會(huì)造成轉(zhuǎn)爐大噴濺、燒搶等安全事故[5]。目前轉(zhuǎn)爐操作中爐渣“返干”都是通過火焰形狀、亮度、聲音等判斷，不但判斷不準(zhǔn)確而且延遲效應(yīng)嚴(yán)重[5]。CO濃度趨勢(shì)反饋見圖2。

圖2 爐渣“返干”時(shí)爐內(nèi)CO濃度變化曲線

通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，由于爐渣“返干”造成爐渣結(jié)坨部分鋼水直接暴露在氧槍流股范圍內(nèi)，氧氣流股直接與鋼水中的碳發(fā)生反應(yīng)，CO濃度急劇上升[6]。此時(shí)煉鋼工發(fā)現(xiàn)曲線異常后只需要提高槍位，加入化渣材料即可迅速解決爐渣“返干”問題，從CO濃度曲線觀測(cè)在達(dá)到峰值后提高槍位緩解了爐渣“返干”。

3.2 開吹槍位的確定

轉(zhuǎn)爐冶煉開始前需進(jìn)行量槍作業(yè)，目的是確定轉(zhuǎn)爐氧槍在爐內(nèi)有合適的槍位，槍位一旦確定后對(duì)于轉(zhuǎn)爐冶煉過程操作有極大的幫助，合適的化渣時(shí)間、碳氧反應(yīng)對(duì)于冶煉過程都有極大幫助，見圖3。

通過前期“CO濃度”產(chǎn)生速度判斷開吹槍位是否合適。轉(zhuǎn)爐冶煉前期為硅錳氧化期，硅錳氧化期伴隨著溫度的升高逐步進(jìn)入碳氧反應(yīng)期，因此通過判斷碳氧反應(yīng)期的開始時(shí)間確定開吹槍位高或低[6]。開吹槍位低碳氧反應(yīng)提前，開吹槍位高碳氧反應(yīng)開始滯后。根據(jù)跟蹤數(shù)據(jù)150～180s的碳氧反應(yīng)發(fā)生時(shí)間滿足工藝需要。合適的碳氧反應(yīng)發(fā)生時(shí)間能幫助冶煉過程化渣、中期爐渣化透不產(chǎn)生噴濺、后期終渣做粘確保終點(diǎn)穩(wěn)定。

圖3 冶煉周期內(nèi)爐內(nèi)CO濃度變化曲線

3.3 冶煉周期的確定

轉(zhuǎn)爐冶煉過程是個(gè)化學(xué)反應(yīng)的過程，通過碳氧反應(yīng)的進(jìn)行不斷產(chǎn)生CO氣泡，并伴隨著去除鐵水中的有害雜質(zhì)，冶煉過程需要時(shí)間，合適的冶煉時(shí)間不但對(duì)于生產(chǎn)組織有很大幫助，而且對(duì)于冶煉過程鋼水終點(diǎn)控制的穩(wěn)定有極大助力。

冶煉過程的平穩(wěn)需要通過對(duì)供氧強(qiáng)度及氧槍槍位的控制，達(dá)到爐內(nèi)反應(yīng)平穩(wěn)，且脫碳速度有節(jié)奏、有序，平均脫碳速率0.30～0.32%/min，CO濃度曲線平滑。冶煉較為平穩(wěn)狀態(tài)下CO濃度變化見圖4。

圖4 冶煉較為平穩(wěn)情況下爐內(nèi)CO濃度變化曲線

3.4 半自動(dòng)曲線模型

轉(zhuǎn)爐冶煉過程以往通過火焰判斷爐內(nèi)狀況的冶煉方式，完全由煉鋼工通過碳氧反應(yīng)觀察的，由于感官認(rèn)知的能力不盡相同，使得每位關(guān)鍵崗位人員通過經(jīng)驗(yàn)判斷爐內(nèi)狀況的能力有高低，造成轉(zhuǎn)爐冶煉作業(yè)無標(biāo)準(zhǔn)參考。為此通過長時(shí)間的觀測(cè)“CO濃度”曲線變化規(guī)律，并解讀經(jīng)驗(yàn)煉鋼“可意會(huì)不可言傳”的技能，幫助煉鋼過程平穩(wěn)。

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化操作，前期收集優(yōu)秀的“CO濃度”曲線變化樣本，并建立數(shù)據(jù)庫，對(duì)于相同類型或相近類型的爐次進(jìn)行曲線參考冶煉，越趨于優(yōu)秀樣本冶煉過程便越平穩(wěn)，并根據(jù)實(shí)際情況每周對(duì)優(yōu)秀樣本的選擇進(jìn)行調(diào)整，確保“CO濃度”曲線是最佳操作參考曲線（見圖5），優(yōu)秀樣本采集標(biāo)準(zhǔn)見表1。

4 結(jié)束語

采用“CO濃度”曲線實(shí)時(shí)監(jiān)控轉(zhuǎn)爐冶煉過程化學(xué)反應(yīng)，并對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼工操作提供參考，不但使得冶煉過程平穩(wěn)，轉(zhuǎn)爐噴濺降低而且轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)命中率顯著提高達(dá)15%。由于終點(diǎn)命中率提高轉(zhuǎn)爐吹損降低1%，鋼鐵料消耗降低2kg/t，預(yù)計(jì)全年可降低成本一千萬以上。

[1]黃希祜.鋼鐵冶金原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2006,371.

[2]魏壽昆.冶金過程熱力學(xué)[M].上海：上海科技出版社,1980,37～40.

[3]李文超.冶金熱力學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1985,28～37.

[4]梁連科.冶金熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)[M].沈陽：東北大學(xué)出版社,1996,42～58.

[5]陳家祥.鋼鐵冶金學(xué)（煉鋼部分）[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1990.

[6]王莜留.鋼鐵冶金學(xué)（煉鋼部分）[M]..北京：冶金工業(yè)出版社,1991.