強(qiáng)底吹轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)超低碳氧積真實(shí)性研究

霍 俊 舒宏富 楊克枝

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司）

0 引言

轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積是轉(zhuǎn)爐冶煉的重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，降低轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積[1]意味著在相同終點(diǎn)碳含量時(shí)，鋼水終點(diǎn)活度氧會降低，可以改善鋼水潔凈度、提高合金收得率、降低生產(chǎn)成本[2]，如萊鋼4#轉(zhuǎn)爐的0.002 3[3]，遷鋼2#轉(zhuǎn)爐的0.001 9[4]，首鋼全爐役的0.002 0[5]，武鋼三煉鋼廠轉(zhuǎn)爐的0.001 5～0.001 8[6]。某鋼廠300 t 轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)改造后，爐役前期1 000 爐內(nèi)在0.12 Nm3·min-1·t-1底吹強(qiáng)度下平均碳氧積為0.001 3。筆者試圖通過對采用強(qiáng)底吹工藝的300 t 轉(zhuǎn)爐爐役前期生產(chǎn)的超低碳鋼轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水及不脫氧出鋼后鋼包內(nèi)鋼水的碳氧積進(jìn)行取樣研究并通過理論計(jì)算，以驗(yàn)證轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水碳氧積為真實(shí)值。研究結(jié)果表明，提高底吹強(qiáng)度可以降低爐內(nèi)的CO 分壓，強(qiáng)化熔池?cái)嚢?，使轉(zhuǎn)爐脫碳反應(yīng)更接近平衡狀態(tài)，在轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)保證低碳出鋼的同時(shí)，使鋼水活度氧保持較低的水平。

1 試驗(yàn)方案

（1）試驗(yàn)在300 t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐進(jìn)行，吹煉鋼種為超低碳鋼，轉(zhuǎn)爐爐齡在1 000 爐次以內(nèi)。

（2）頂吹采用變流量變槍位操作，底吹元件為外圈8 個(gè)、內(nèi)圈8 個(gè)，共16 個(gè)底槍，為了考察不同底吹強(qiáng)度對轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧平衡的影響，試驗(yàn)采取了2 種底吹模式，具體見表1。

表1 吹煉過程頂?shù)状祻?qiáng)度

（3）在頂吹供氧量達(dá)到總量的70%時(shí)開始加大底吹惰性氣體流量，輔吹（剩余30%的供氧量）結(jié)束后，底吹繼續(xù)進(jìn)行1 min 啟動(dòng)副槍TSO 探頭測溫、定氧和取樣。

（4）轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的碳含量采用直讀光譜法分析，鋼水活度氧、溫度用賀利氏探頭直接測定；通過復(fù)吹轉(zhuǎn)爐上安裝的煙氣分析儀測得爐內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)生煙氣CO 的體積百分含量。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 鋼水碳、氧含量及溫度

鋼水碳、氧含量及溫度控制見表2，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積隨碳元素的變化分布（模式2）如圖1所示。

表2 鋼水碳、氧含量及溫度控制

從表2 和圖1 可以看出，隨著底吹強(qiáng)度的增大，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳、氧含量及碳氧積都有所降低；在模式2 中，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積隨著轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量的降低而降低。由此可見，在保證一定的底吹強(qiáng)度下，熔池鋼水得以充分?jǐn)嚢韬螅┤脘撍难跄芾^續(xù)脫碳而不會使鋼水的活度氧增加。

圖1 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積隨碳元素變化分布（模式2）

為進(jìn)一步證明鋼水碳、氧含量的準(zhǔn)確性，對模式2 的部分爐次轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量又進(jìn)行了碳硫檢測，與光譜檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，如圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量光譜、碳硫檢驗(yàn)結(jié)果對比

從圖2 可以看出，光譜與碳硫檢驗(yàn)碳含量結(jié)果一致性較高，進(jìn)而可以證明轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量為真實(shí)值。

轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)TSO 賀利氏探頭定氧原理：采用氧化物固體電解質(zhì)測量鋼水中的氧含量，當(dāng)探頭插入鋼水后，在電解質(zhì)的電極界面將發(fā)生電極反應(yīng)，并分別建立起不同的平衡電極電位，從而產(chǎn)生電位差。通過測量鋼水溫度T 和氧電位差，就能計(jì)算出鋼水中的氧活度。其定氧公式為：

2.2 轉(zhuǎn)爐煙氣中CO 體積含量

在兩種底吹模式下，煙氣分析儀測得的鋼水吹煉過程中煙氣中CO 的體積含量的變化情況如圖3所示。

圖3 不同底吹強(qiáng)度CO 體積含量

從圖3 可以看出，轉(zhuǎn)爐吹煉至平衡時(shí)，底吹按模式1 控制時(shí)，CO 體積含量波動(dòng)范圍是70%～80%；底吹按模式2 控制時(shí)，CO 體積含量波動(dòng)范圍是55%～65%，可見煙氣中的CO 體積含量與底吹強(qiáng)度成反比的關(guān)系。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 理論CO 分壓計(jì)算

轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧平衡時(shí)，

式中：K——平衡常數(shù)；PCO——CO 分壓。

由式（2）和式（3）可以計(jì)算出轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度為1 941 K，碳氧積為0.001 3 時(shí)的PCO為0.61。

轉(zhuǎn)爐可看成理想的敞開容器，根據(jù)CO 體積含量占煙氣體積總量的比值及道爾頓分壓定律，混合氣體各氣體組分的分壓與各氣體的體積含量比例成正比[7]。由圖3 可知，當(dāng)?shù)状祻?qiáng)度設(shè)置為0.12 Nm3·min-1·t-1時(shí)，煙氣中的CO 體積含量約占爐內(nèi)總氣體量的60%，相當(dāng)于CO 分壓為0.60，與理論計(jì)算值吻合，由此證明轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的碳氧積為0.001 3 是真實(shí)的。

3.2 底吹強(qiáng)度對PCO的影響

頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐熔池內(nèi)底吹氣體和脫碳形成的CO 氣體混合氣體中的 CO 分壓為：

式 中：Qco——CO 氣 體 的 流 量（標(biāo) 態(tài)），m3/s；QAr——Ar氣體的流量（標(biāo)態(tài)），m3/s；p——總壓，1 atm。

由熔池內(nèi)碳氧反應(yīng)求得CO 氣體的流量Qco：

式中：Vm——鋼液的體積，m3；ρm——鋼液的密度，kg/m3；MC——碳的摩爾質(zhì)量，kg/mol。

聯(lián)立式（4）和式（5），可知底吹強(qiáng)度為0.05 Nm3·min-1·t-1和0.12 Nm3·min-1·t-1時(shí)，PCO分別為0.75、0.59。轉(zhuǎn)爐冶煉平衡時(shí)鋼水PCO見表3。

表3 轉(zhuǎn)爐冶煉平衡時(shí)鋼水Pco

3.3 底吹強(qiáng)度與冶金特性CROI 指數(shù)

對于底吹氣體的攪拌能ε 可表示為[8]：

式中：QB——底吹氣體流量，(Nm3·min-1)；T——熔池的絕對溫度，K；W——熔池液體重量，t；h——熔池深度，cm。

混勻時(shí)間與攪拌能的關(guān)系可表示為：

日本學(xué)者岸本等人用CROI 指數(shù)[8]反映轉(zhuǎn)爐冶金特性:

式中:W——鋼液重量，t；VO2——頂吹供氧速度，m3/min；Vb——底吹A(chǔ)r 供給速度，m3/min；τ為混勻時(shí)間，s。

CROI 指數(shù)既考慮了熔池碳含量和氣體分壓等熱力學(xué)因素，也考慮了混合氣體攪拌能、循環(huán)流量等動(dòng)力學(xué)因素，可以更好地表征碳氧反應(yīng)平衡關(guān)系。CROI 指數(shù)越小，說明反應(yīng)越接近平衡。式（8）表示爐內(nèi)CO 分壓，它越小脫碳反應(yīng)就越能優(yōu)先進(jìn)行；表示供給熔池的氧量與表觀鋼液循環(huán)流量和碳含量的比，它越小則表示熔池未處于過氧化狀態(tài)。

由式（8）可以計(jì)算出試驗(yàn)方案下的CROI 指數(shù)，結(jié)果見表4。

表4 不同底吹強(qiáng)度下的轉(zhuǎn)爐冶金性能

從表4 可以看出，隨著底吹強(qiáng)度的提高，CROI 指數(shù)明顯降低，鋼水混勻所需時(shí)間減少，碳氧反應(yīng)更接近平衡狀態(tài)，鋼水在更低的碳含量下才處于過氧化狀態(tài)；鋼水在停止供氧后，繼續(xù)保持一定的底吹強(qiáng)度，PCO及鋼水活度氧會進(jìn)一步降低。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)理論計(jì)算及煙氣分析系統(tǒng)測得的轉(zhuǎn)爐吹煉至平衡時(shí)CO 的體積含量為60%，即CO 分壓為0.60，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度為1 941 K 時(shí)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)平均碳氧積為0.001 3。

（2）在保證一定的底吹強(qiáng)度下，熔池鋼水得以充分?jǐn)嚢韬?，供入鋼水的氧能繼續(xù)脫碳而不會使鋼水的活度氧增加。

（3）隨著底吹強(qiáng)度的提高，碳氧反應(yīng)更接近平衡狀態(tài)，鋼水在更低的碳含量下才處于過氧化狀態(tài)，且鋼水在停止供氧后，繼續(xù)保持一定的底吹強(qiáng)度，CO 分壓有進(jìn)一步降低的趨勢。