高爐—轉(zhuǎn)爐—精煉流程流體溫度變化分析

朱曉雷，陳付振，李曉偉，劉祥，廖相巍

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院遼寧鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司遼寧營(yíng)口115007）

高爐—轉(zhuǎn)爐—精煉流程流體溫度變化分析

朱曉雷1，陳付振2，李曉偉1，劉祥1，廖相巍1

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院遼寧鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司遼寧營(yíng)口115007）

通過對(duì)高爐—轉(zhuǎn)爐—精煉工藝流程的流體溫度變化進(jìn)行理論分析，得出各工序溫降、升溫的理論值，即折罐時(shí)鐵水罐溫降平均為2.24℃/min，魚雷罐溫降為0.78℃/min，轉(zhuǎn)爐流體升溫300～400℃，并提出具體措施，保證各工序的溫度合格率。

高爐；轉(zhuǎn)爐；精煉；溫度變化

溫度參數(shù)是煉鋼生產(chǎn)中的重要工藝參數(shù)，各流程穩(wěn)定的鋼水溫度合格率、溫降和中包溫度是保證鑄坯順利生產(chǎn)的基本前提，也是獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的關(guān)鍵。鋼水溫度過高會(huì)加快爐襯的侵蝕、降低出鋼口壽命以及增加鋼鐵料的燒損等；鋼水溫度低會(huì)使鑄流“凍結(jié)”，造成澆注困難，也會(huì)增加精煉的生產(chǎn)成本。所以制定合理的溫度制度是衡量鋼廠管理水平和技術(shù)水平的重要參數(shù)。

溫度的控制是全流程的工作，核心是連鑄時(shí)的中包溫度。當(dāng)中包溫度適當(dāng)、過熱度適中時(shí)，鑄坯的等軸晶區(qū)擴(kuò)大、組織結(jié)構(gòu)致密，會(huì)降低鑄坯的中心偏析和疏松，對(duì)改善鑄坯的質(zhì)量有重要的意義。文獻(xiàn)表明，為了降低出鋼溫度，從“系統(tǒng)溫度”的觀點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)煉鋼-連鑄生產(chǎn)過程中的鋼水溫度控制的實(shí)際情況，通過減少工序溫降、加強(qiáng)鋼包周轉(zhuǎn)、連鑄保溫等改進(jìn)工作，優(yōu)化了各點(diǎn)溫度的控制，并取得了降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度、穩(wěn)定中包澆注溫度的效果［1-2］。本文針對(duì)鞍鋼煉鐵—煉鋼過程溫度點(diǎn)測(cè)試結(jié)果并結(jié)合理論計(jì)算，提出系統(tǒng)溫度的控制措施。

1 煉鐵廠—煉鋼廠傳輸過程溫度點(diǎn)的測(cè)試

從煉鐵廠出鐵到煉鋼廠鑄機(jī)澆注，各環(huán)節(jié)液態(tài)鐵水（鋼水）的主要溫度點(diǎn)如下：出鐵溫度、鐵水罐溫度、鐵水預(yù)處理溫度、鐵水入轉(zhuǎn)爐溫度、轉(zhuǎn)爐

出鋼溫度、轉(zhuǎn)爐出鋼后罐內(nèi)溫度、精煉到站溫度、精煉出站溫度、連鑄到達(dá)溫度以及連鑄中間包溫度。

煉鐵高爐的出鐵溫度一般在1 450℃以上，但是鐵水在運(yùn)輸和待裝過程中散失的熱量多，鐵水罐運(yùn)輸鐵水至煉鋼廠的到達(dá)溫度一般在1 300℃左右，魚雷罐的溫降更低，到達(dá)煉鋼廠的鐵水一般能達(dá)到1 330～1 340℃。分析鐵水過程溫降，按4座高爐，4個(gè)煉鋼分廠為對(duì)象設(shè)計(jì)測(cè)試線路如下：

（1）甲高爐→煉鋼一分廠；

（2）乙高爐→煉鋼三分廠；

（3）乙高爐→煉鋼二分廠；

（4）丙高爐→煉鋼三分廠；

（5）丁高爐→煉鋼四分廠。

鐵水在高爐工序的溫降集中在出鐵過程以及在高爐下的等待，鐵水罐到達(dá)煉鋼廠后可能的處理方式有四種：①直接兌入轉(zhuǎn)爐；②脫硫、扒渣后再兌入轉(zhuǎn)爐；③折罐（或進(jìn)混鐵爐）后再兌入轉(zhuǎn)爐；④折罐（或進(jìn)混鐵爐）后進(jìn)行脫硫、扒渣，再兌入轉(zhuǎn)爐。鐵水處理流程見圖1，鐵水裝運(yùn)過程溫降見表1。

圖1 鐵水處理流程圖

表1 鐵水裝運(yùn)過程的溫降

經(jīng)測(cè)試，各高爐的出鐵溫度相差較大，最高近1 500℃，最低只有1 422℃。同一高爐同一鐵次出鐵過程中鐵水溫度也是變化的。通常，出鐵前期即第一罐溫度低，出鐵前期、后期溫差最大達(dá)到46℃。一般來講，出鐵溫度越高，溫降速率越大。在折罐過程中，會(huì)發(fā)生鐵水與空氣的對(duì)流、輻射傳熱以及鐵水與罐壁的傳熱，因此鐵水溫降較大。測(cè)試表明，折罐時(shí)鐵水罐運(yùn)輸?shù)蔫F水溫降平均達(dá)到2.24℃/min，而魚雷罐折鐵時(shí)，接鐵空罐溫度較高，溫降只有0.78℃/min。

2 煉鋼過程溫度控制

以Q235B為例，該鋼液相線溫度為1 517℃，按過熱度25℃澆注計(jì)算，即中包溫度1 542℃。鐵水溫度一般為1 250～1 400℃，因此煉鋼過程需要升高的溫度為142～292℃，同時(shí)滿足成分要求。轉(zhuǎn)爐吹煉是升溫的過程，轉(zhuǎn)爐脫硅、脫碳都是放熱過程，而造渣、熱輻射等過程伴隨著熱量的損失，使鋼水溫度降低。轉(zhuǎn)爐吹煉過程爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)如下：

渣-金界面成渣反應(yīng)的晗為：ΔH（SiO2）= -97 133 J/mol（SiO2），ΔH（P2O5）=-97 133 J/mol（P2O5）。在1 873 K時(shí)，鐵的比熱為450 J/（kg·℃），因此，使1 t鋼水升溫1℃需要吸收熱量450 kJ。對(duì)于100 t鐵水來說，每氧化0.1%的硅，會(huì)使溫度升高20℃，按鐵水硅含量0.2%～0.5%計(jì)算，脫硅升溫40～100℃。而每氧化0.1%的碳（假設(shè)全部生成CO），會(huì)使鐵水溫度升高8℃，按轉(zhuǎn)爐內(nèi)氧化的碳含量為3.9%～4.2%計(jì)算，脫碳升溫312～336℃。按轉(zhuǎn)爐終渣量15 t計(jì)算，渣中（FeO）每增加1%，鋼水升溫18℃。按轉(zhuǎn)爐終渣（FeO）=20%計(jì)算，鐵氧化升溫360℃。所以綜合考慮脫碳、脫硅和鐵氧化的總體升溫值在700～800℃。

在爐內(nèi)的熱量支出方面，底吹氣體和轉(zhuǎn)爐爐氣帶走的熱量、渣料及廢鋼的吸熱和熔池、爐殼的熱輻射占主要部分。其中渣料的熔化吸熱可由CaO-SiO2-FeO三元相圖進(jìn)行計(jì)算，而熔池液面向爐內(nèi)的熱輻射和通過爐殼向大氣散熱的總熱量損失可由式（9）計(jì)算，而由此產(chǎn)生的溫降則由式（10）計(jì)算［3］。

式中，Q為鋼液輻射散熱速度，J/（m2·s）；T1為鋼液溫度，K；T2為介質(zhì)溫度，K;C為鋼液熱容，kJ/（K·kg）；Wm為鋼液質(zhì)量，kg。

在介質(zhì)溫度一定的條件下，輻射散熱本質(zhì)上是輻射面積的函數(shù)，因而也是爐子尺寸和爐子狀態(tài)的函數(shù)。如果按輻射到大氣溫度25℃計(jì)算，對(duì)于100 t鋼水，則輻射散熱速度為0.5℃/（m2·min）。如果輻射給爐壁，爐壁溫度按照實(shí)測(cè)450℃計(jì)算，則輻射散熱速度為0.48℃/（m2·min）。整個(gè)吹煉過程由于鋼水散熱會(huì)降低溫度300～350℃。

在出鋼溫降方面，有文章稱出鋼碳含量為0.05%～0.06%的鋁鎮(zhèn)靜鋼平均出鋼溫降10℃/min［4］。出鋼過程的脫氧升溫方面，每脫除占鋼水量0.01%的溶解氧，如果選擇用硅脫氧，則鋼水升溫1℃；如果選擇用鋁脫氧，則鋼水升溫4～5℃。合金化溶解過程中的溫降則由元素本身的性質(zhì)決定。

出鋼等待時(shí)間的影響可以歸結(jié)為罐口散熱的影響。罐口鋼液散熱主要包括對(duì)流散熱和輻射散熱。文獻(xiàn)表明［5］：罐口鋼液的散熱主要以輻射散熱為主，對(duì)流散熱所占的比例很小；裸露部分鋼液的溫降速度比未裸露部分鋼液的溫降速度大一倍左右。一般熔渣溫度比鋼液溫度低300～400℃，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，取鋼液溫度為1 923 K，熔渣溫度為1 623 K，大氣溫度為303 K，將式（1）計(jì)算得到的Q值帶入公式（2），可得裸露鋼水和未裸露鋼水由于輻射帶來的溫降分別為0.368 8℃/（m2·min）和0.182 3℃/（m2·min）。如果鋼包罐口直徑為3.14 m，不裸露鋼水的溫降速度為4.6℃/min。裸露20%面積的鋼水溫降速度為5.5℃/min。根據(jù)轉(zhuǎn)爐與鋼包尺寸的對(duì)比，粗略估計(jì)由于出鋼等待造成的鋼水溫降速度為5℃/min。

鋼水運(yùn)輸過程的散熱包括包襯蓄熱、包壁傳熱和表面散熱，而包襯蓄熱是鋼水散熱的主要原因。出鋼時(shí)將鋼包烘烤溫度由600℃提高到1 200℃可使鋼水溫降減少7℃。運(yùn)輸過程鋼水表面加覆蓋劑，減少鋼水溫度損失。鋼水表面覆蓋有80 mm厚液渣和40 mm厚碳化稻殼時(shí)，60 t鋼水5 min內(nèi)溫度降低僅2.3℃［6］。

3 精煉過程的溫度控制

煉鋼精煉設(shè)備有LF爐、RH爐、ANS-OB爐以及VD爐等，這些設(shè)備的主要功能是脫硫、升溫、深脫碳、去氣等，這里主要討論升溫。VD爐相對(duì)簡(jiǎn)單，不具備升溫的功能，但能以低成本滿足去氣和去夾雜的鋼種要求，例如重軌、石油管線類以及板坯探傷等品種均采用VD爐。VD爐的進(jìn)站溫度只能靠前期的LF爐處理過程進(jìn)行升溫調(diào)節(jié)。在升溫上，最主要的精煉手段是電極升溫的LF爐。電極升溫的好處是對(duì)鋼水純凈度無明顯影響，并且在實(shí)驗(yàn)鋼的生產(chǎn)中，在大罐罐況較好的前提下可以大幅升溫，但是電極升溫的成本最高。而RH和ANS-OB的升溫方式是依靠鋁氧升溫，RH在深脫碳過程中，還有CO的二次燃燒升溫，此反應(yīng)在真空室內(nèi)發(fā)生，烘烤真空室，但是此反應(yīng)對(duì)鋼水的升溫有限。二者升溫模式如下：

RH精煉升溫模式：

Analysis on Temperature Variation in Fluid Made in Blast Furnace-Converter-Refining Process Flow

Zhu Xiaolei1，Chen Fuzhen2，Li Xiaowei1，Liu Xiang1，Liao Xiangwei1
（1.Iron&Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation,Anshan 114009,Liaoning,China; 2.Bayuquan Iron&Steel Subsidiary Company of Angang Steel Co.,Ltd.,Yingkou 115007,Liaoning，China）

Based on the theoretical analysis of the temperature variation in fluid made in the blast furnace-converter-refining process flow,the theoretical values of temperature dropping and temperature rising for all the production processes were obtained.The results show that the average value of temperature dropping in hot metal ladle was 2.24℃/min after pouring hot metal from one ladle to another,the value for torpedo was 0.78℃/min and the value limit of temperature rising of the fluid in converter was from 300℃to 400℃.So some concrete measures were proposed in order to guarantee the qualified values of the temperatures for all the production processes.

blast furnace;converter;refining;temperature variation

TF729

A

1006-4613（2016）06-0028-03

朱曉雷，碩士，工程師，2011年畢業(yè)于遼寧科技大學(xué)鋼鐵冶金專。E-mail:zxlzxl2005@126.com