低碳提釩半鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝生產(chǎn)分析

樊文育，李計文

（河鋼集團邯鋼公司三煉鋼廠，河北 邯鄲 056015）

在半鋼煉鋼生產(chǎn)實踐中，低碳提釩半鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼已經(jīng)成為具有特色的煉鋼生產(chǎn)工藝。以往經(jīng)常采用高拉補吹、高堿度爐渣等生產(chǎn)方式，以此完成脫磷、脫硫等任務(wù)。隨著時代的發(fā)展，對半鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼提出了更高的要求，有必要對工藝生產(chǎn)技術(shù)進行優(yōu)化與改進，以此實現(xiàn)一次拉碳的終點控制制度技術(shù)，為今后煉鋼企業(yè)工藝生產(chǎn)的發(fā)展與進步奠定堅實基礎(chǔ)。

1 低碳提釩半鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝特性

低碳提釩半鋼與鐵水相比，硅、錳等元素的含量較少，會在一定程度上影響煉鋼初期渣的形成，進而影響煉鋼后期粘度、爐渣熔點等條件難以與冶煉連鑄鋼水的工藝生產(chǎn)要求相符，最終造成半鋼煉鋼質(zhì)量與水平低下。根據(jù)目前我國鋼鐵行業(yè)半鋼煉鋼生產(chǎn)實踐，低碳提釩半鋼具有以下各特點：一，化渣慢。外加的造渣材料是半鋼煉鋼造渣組組元中SO2、MnO2的主要來源，這些外加的造渣材料若想全部熔化，需要耗費較多的吸熱時間，但是初渣中（FeOx）的成分又相對較少，所以半鋼煉鋼形成爐渣的速度慢。二，碳氧化迅速。碳氧化速度會在煉鋼初期達到最大值，隨著初渣成分的控制以及爐渣的形成，冶煉后期爐渣中的（FeOx）成分又會顯著提升，進而對脫磷效果產(chǎn)生一定影響。三，大渣量操作。通過大渣量操作才能達到預(yù)期的脫磷、脫硫效果，進而滿足工藝生產(chǎn)要求。四，熔體溫度需補償。由于冶煉中會加入吸熱較多的造渣材料，并且缺乏發(fā)熱元素，所以需要熱補償技術(shù)來保證鋼水冶煉溫度。

2 工藝流程及生產(chǎn)試驗

2.1 低碳提釩半鋼質(zhì)量及造渣材料成分

釩渣的主要成分有FeO、SiO2、V2O3、MgO、TiO2、MnO以及金屬鐵，物相包括尖晶石相、碳酸鹽相、金屬鐵以及游離石英相。根據(jù)相關(guān)文獻資料可知，攀鋼釩渣熔點為1312-1335℃，并且釩渣粘度會隨著溫度、FeO含量的升高而降低，又會隨著V2O3含量的增加而升高。試驗使用到的造渣材料成分如下表所示。

表1 造渣材料成分表（%）

2.2 具體試驗步驟

結(jié)合我國目前低碳提釩轉(zhuǎn)爐煉鋼的工藝生產(chǎn)實踐，以及鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)實際需求，選擇30t的轉(zhuǎn)爐進行工藝生產(chǎn)實踐，煉鋼系統(tǒng)基本設(shè)備包括提釩轉(zhuǎn)爐、煉鋼轉(zhuǎn)爐，以此為頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)運行提供有力保障。此外還應(yīng)配備方坯鑄機，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)的鋼鐵型號作為試驗研究的主要對象[1]。轉(zhuǎn)爐冶煉鋼鐵的最終目的就是溫度不斷提高的熔池，盡最大可能去除鋼液中磷、硫等有害元素以及一系列非金屬雜物，以此達到降低碳含量的目的，進而保證生產(chǎn)出的合格鋼水適合澆筑，從根本上提升鋼鐵生產(chǎn)質(zhì)量與水平。在整個工藝生產(chǎn)流程中，需要合理控制裝入制度、造渣制度、氧槍制度以及終點工藝，重點依據(jù)半鋼入爐是的硫、碳含量采取有效的調(diào)整控制手段，注意吊吹、深吹時間不宜過長。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 渣料及提溫劑消耗

通過一系列試驗研究可知，造渣料、提溫劑均得到一定消耗，其中“石灰+白云石”的消耗最多，并且轉(zhuǎn)爐全鐵水煉鋼的“石灰+白云石”與試驗研究中的加入量相當。此外，在轉(zhuǎn)爐條件相同時，每噸鋼消耗復(fù)合渣的數(shù)量與消耗攀鋼半鋼煉鋼的豎向十分相似。因此，可以根據(jù)試驗條件，對研究的低碳提釩半鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝生產(chǎn)結(jié)果進行分析，進而為制度制定提供有力的技術(shù)支持。

3.2 終點控制

主要是根據(jù)轉(zhuǎn)爐口火焰狀況，明確終點供應(yīng)氧氣的時間，然后結(jié)合氧氣消耗量判斷半鋼煉鋼終點。一般采用高拉補吹法進行終點控制。同時，通過測量鋼水溫度來判斷爐渣的流動性，通過取樣化驗結(jié)果明確鋼水中各元素含量，以此精確判斷能否出鋼。

3.2.1 終點鋼水成分及溫度

當鋼水中磷元素、硫元素含量與碳元素含量有著直接關(guān)系，磷元素、硫元素含量分別為0.016%、0.029%，此時出鋼溫度為1695℃，出鋼溫度已經(jīng)滿足連鑄鋼水溫度控制與成分控制要求。若鋼水中碳元素含量低于0.027%，證明提溫劑能夠發(fā)揮出自身作用，進而達到合格鋼水適合澆筑的目的

3.2.2 拉碳及終點鋼水溫度

根據(jù)試驗結(jié)果可知，將拉碳以及終點鋼水溫度控制在1620℃～1710℃之間，會獲得大部分爐次，一旦拉碳溫度低于1620℃，獲得爐次相對較少。由于玩家造渣材料的加入，轉(zhuǎn)爐煉鋼部分爐次拉碳以及鋼水溫度處于相對較低的水平，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于半鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，會有一段停歇時間，在這段時間之內(nèi)，半鋼煉鋼成分以及溫度會發(fā)生十分顯著的變化，致使1620℃～1710℃ 之間鋼水溫度的降低會獲得較多的爐次，拉碳及終點鋼水溫度這種分布情況的產(chǎn)生，證明半鋼煉鋼工藝能夠良好符合連鑄鋼水的制造溫度要求

3.2.3 終點鋼水碳含量控制

連鑄鋼水中的碳含量與鋼渣成分、鋼水氧活度具有十分密切的聯(lián)系，并且半鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼中碳元素與全鐵元素的變化呈現(xiàn)非線性關(guān)系，隨著鋼水中碳含量的下降，全鐵含量會逐漸升高，當鋼水碳含量在0.03%以下時，鋼渣中全鐵的含量就會高于20%。因此，為減少鋼渣中全鐵含量，應(yīng)根據(jù)鋼鐵生產(chǎn)需求，將半鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼中的碳元素控制在合理范圍之內(nèi)，以此達到有效控制終點鋼水碳含量的目的，進而實現(xiàn)工藝生產(chǎn)金屬收得率提升，對提高鋼坯質(zhì)量具有十分重要的現(xiàn)實意義。

3.2.4 連鑄鋼水溫度的保證

根據(jù)低碳提釩半鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝生產(chǎn)對連鑄鋼水溫度以及成分的要求，轉(zhuǎn)爐出鋼溫度應(yīng)嚴格控制在1680℃～1710℃范圍之內(nèi)，針對這一要求，可以采用碳化硅、類石墨結(jié)合現(xiàn)代制鋼手段對工藝生產(chǎn)過程進行熱補償，從而避免熱吹降低連鑄鋼水質(zhì)量以及最終的生產(chǎn)效果[2]。與此同時，結(jié)合提溫劑本身的提溫效率以及提溫劑自身的質(zhì)量，對轉(zhuǎn)爐煉鋼相關(guān)工藝條件進行有效的控制，以此達到提高鋼水溫度的目的。在此過程中，加入提溫劑的數(shù)量與半鋼入爐條件以及鋼種的出鋼溫度有著十分密切的聯(lián)系，并且最終出鋼質(zhì)量取決于鋼水成分。當連鑄鋼水上限控制在1680℃～1710℃之間時，終點出鋼中碳元素含量在0.04%～0.10%之間波動，由于半鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼自身供熱源存在較大的不足，在恰當?shù)臅r間點加入一定量的提溫劑，能夠從根本上滿足連鑄鋼水對溫度的要求。

3.3 轉(zhuǎn)爐終渣成分分析

根據(jù)每噸攀鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼對應(yīng)點的留渣量，應(yīng)根據(jù)爐渣終點氧化性以及留渣量的多少，加入適當?shù)逆V球，并要根據(jù)每開幾次新爐之前，需要結(jié)合實際情況進行一次濺渣，濺渣操作中的氮氣工作壓力應(yīng)控制在合理的范圍之內(nèi)，一般大于三分鐘。在完成濺渣之后，需要倒干凈爐渣，若此時爐終渣的氧化性處于相對較高的水平，則應(yīng)對煉鐵水進行下一步處理，以此保證轉(zhuǎn)爐終渣成分與相關(guān)要求相符，從根本上避免對鋼鐵生產(chǎn)質(zhì)量造成較大的影響。

（1）轉(zhuǎn)爐終渣成分及堿度。根據(jù)試驗結(jié)果可知，半鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼的終渣中全鐵成分為21.22%，而終渣堿度受到氧化鈣與二氧化硫的影響較大，并二者質(zhì)量分數(shù)處于較高的水平，有必要對半鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼的全鐵水煉鋼終渣成分以及堿度進行下一步控制工作，進而保證工藝生產(chǎn)質(zhì)量與水平，對提升半鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼造渣制度的制定與實行具有十分重要的現(xiàn)實意義。

（2）轉(zhuǎn)爐終渣的巖相結(jié)構(gòu)。通過對半鋼轉(zhuǎn)爐終渣巖相層結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果可知，鋼渣中含有較多的氧化鈣，并且鐵酸鹽的成分高于氧化鈣含量。由于鐵酸鹽是低熔點相，會在一定程度上降低鋼渣的熔化溫度，并且會加快爐襯的腐蝕速度。此外，鋼渣中的礦物相含量與氧化鈣、鐵酸鹽含量相比，處于較低的水平，所以鋼渣黏性不強。礦物相的熔點介于低熔點以及高熔點鐵酸鹽之間，是連接低熔點鐵酸鹽與高熔點鐵酸鹽的過渡相。因此，為提升鋼渣黏粘性，必須采取有效的手段提升礦物相的含量，并能夠減輕對爐襯的侵蝕作用，對提升半鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝生產(chǎn)水平具有十分重要的現(xiàn)實意義。

（3）堿度與鋼渣中CaO的關(guān)系。鋼渣中氧化鈣含量可用來衡量半鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼中的石灰石熔化程度。通常情況下，爐渣中氧化鈣含量低于10%時，鋼渣中的全鐵以及堿度是影響鋼渣中氧化鈣的主要因素。一旦鋼渣堿度相同，應(yīng)按照相關(guān)標準以及科學(xué)公式計算出鋼渣中氧化鈣的含量。若鋼渣中全鐵含量相同，則證明在鋼渣堿度不斷增加的情況下，鋼渣中的氧化鈣含量也隨之增加，致使增加的速率存在一定差異。通過進一步試驗以及生產(chǎn)工藝流程研究可知，在半鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼合理條件下，可將鋼渣堿度控制在4.0～5.0之間，只有這樣才能保證煉鋼最后脫硫以及脫磷的效果，并且還能為相關(guān)研究學(xué)者提供判斷煉鋼中化渣程度的科學(xué)依據(jù)，為完善終點控制制度以及造渣制度打下良好基礎(chǔ)。

4 半鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷效果研究

為研究低碳提釩半鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝生產(chǎn)脫磷效果，使用焦炭作為試驗用還原劑，粒度控制在190目～200目之間，并向煉鋼過程中加入1.2個當量，以此研究溫度、監(jiān)督以及氮氣流量對脫磷效果的影響[3]。

4.1 溫度對脫磷率的影響

分別選取不同溫度段但是堿度相同的試驗試樣，表明脫磷率會隨著溫度的升高而逐漸升高。使用熱力學(xué)理論分析，碳作為還原劑，能夠促進磷還原這一吸熱反應(yīng)正向進行，并且溫度的升高會提高脫硫率。使用動力學(xué)理論，爐渣粘度受到不斷升高溫度的影響，會逐漸符合牛頓黏滯液體定律，并且?guī)в姓沉骰罨艿馁|(zhì)點數(shù)量會隨著溫度的升高而增加。當質(zhì)點在熱振動加強的情況下，分解出來的若干個流動單元會分散反應(yīng)物，所以會造成鋼鐵料以及合金料的消耗增加。因此，需要合理控制出鋼溫度，避免影響整個工藝生產(chǎn)。

4.2 堿度對脫磷率的影響

通過對堿度變化區(qū)間變化情況分析，明確脫磷率一般會在一定范圍內(nèi)波動，并且爐渣的脫磷率會隨著爐渣堿度的升高而有所下降。此外，氧化鈣會隨著堿度的增加被添加到爐渣中，與二氧化硅反應(yīng)后生成熔點較高的絡(luò)合物。但是當爐渣堿度超過一定值之后，又會在渣中形成一種較為復(fù)雜的化合物，進而降低渣中自由氧化鐵的含量。因此，針對這種現(xiàn)象，在工藝生產(chǎn)中，應(yīng)適當降低堿度，避免二甲鐵離子與氧氣發(fā)生反應(yīng)，進而保證工藝生產(chǎn)的脫磷效果。

4.3 氮氣流量對脫磷率的影響

在考察氮氣流量對脫磷效果的影響時，主要是采用持續(xù)吹入的方式，帶走爐內(nèi)煉鋼產(chǎn)生的磷蒸汽。經(jīng)過試驗證明，脫硫效果會隨著氮氣流量的增加而不斷增加。從熱力學(xué)角度分析，使用氮氣將爐內(nèi)磷蒸汽帶走之后，會在很大程度上降低爐內(nèi)氣壓，促使煉鋼涉及到的各種反應(yīng)正向進行，所以會增強煉鋼的脫磷效果[4]。因此，適當采取通氮氣的方法，可有效提高爐渣處理工作水平，對降低鋼液中磷、硫發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，可有效解決煉鋼初期渣難形成、煉鋼后期粘度以及爐渣熔點不符合連鑄鋼水工藝生產(chǎn)要求的問題，對低碳提釩半鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼質(zhì)量與水平具有重要的推動意義。

5 結(jié)論

綜上所述，通過低碳提釩半鋼轉(zhuǎn)煉鋼工藝特性以及工藝生產(chǎn)試驗條件、流程的分析，進一步完善了高磷半鋼煉鋼造渣工藝制度以及工藝生產(chǎn)終點控制制度，明確優(yōu)化后工藝中，鋼渣堿度對脫磷、脫硫效果的影響，進而為控制終點鋼水成分、溫度提供可行的依據(jù)，促進我國鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)精細化作業(yè)，為相關(guān)工藝生產(chǎn)實踐提供寶貴的技術(shù)支持。