劉永軍

(河鋼集團宣鋼公司二鋼軋廠，河北宣化075100)

摘  要: 轉(zhuǎn)爐冶煉中的氧是產(chǎn)生鋼中夾雜物的根源，對鋼的潔凈度有著不利的影響。為了加強轉(zhuǎn)爐氧含量的控制，提高產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量，通過對宣鋼轉(zhuǎn)爐冶煉特殊鋼現(xiàn)場試驗研究，分析了轉(zhuǎn)爐氧含量的分布狀態(tài)，研究了氧活度、氧電勢、爐渣厚度等因素對氧含量的影響規(guī)律，并提出了降低轉(zhuǎn)爐氧含量的措施。

關(guān)鍵詞: 轉(zhuǎn)爐； 氧活度；氧電勢；爐渣厚度

0 引言

大型轉(zhuǎn)爐過程精確控氧技術(shù)主要討論的內(nèi)容:建立鋼水氧活度評價表，評價鋼水過吹程度; 回歸出終熔渣氧電勢與熔渣氧活度的計算公式，建立終渣氧活度評價表，評價轉(zhuǎn)爐冶煉終點爐渣是否做黏，以及爐渣帶鐵量的多少; 建立終渣渣層厚度評價表，評價吹煉終點槍位是否合適、調(diào)料是否過晚及批量是否太大等重要指標(biāo)。通過對吹煉終點的鋼水氧活度、終渣氧活度與渣層厚度進行定性定量的分析，最終建立吹煉終點評判模型。

1 工藝裝備簡介

宣鋼150 t 轉(zhuǎn)爐煉鋼連鑄工程內(nèi)容包括: 8 套鐵水罐傾翻裝置、2 座150 t 轉(zhuǎn)爐、2 座吹氬站、2 座KR鐵水脫硫站、2 座LF 鋼包精煉爐、1 座RH 真空精煉爐、2 臺12 機12 流小方坯連鑄機及配套水泵站、水處理、空壓機等公輔設(shè)施。其副槍系統(tǒng)設(shè)備由武漢華楓傳感器件有限責(zé)任公司總裝。

2 基于副槍測定系統(tǒng)的大型轉(zhuǎn)爐過程精確控氧技術(shù)方案

煉鋼終點控制的標(biāo)準(zhǔn): 磷、硫合格，碳溫協(xié)調(diào)，終渣做黏。煉鋼過程控制都是圍繞著這一標(biāo)準(zhǔn)展開工作的。磷、硫合格這一標(biāo)準(zhǔn)不難實現(xiàn)，只要根據(jù)鐵水成分配好爐渣堿度、化好過程渣即可實現(xiàn)。因此煉鋼過程控制的核心目標(biāo)就是碳溫協(xié)調(diào)和終渣做黏。若要對一個事件進行定性、定量評價，首先需要找到一個測量工具對該事件進行測量; 然后對測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整理分析; 再根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果確定優(yōu)秀、合格、較差的標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)該事件的評價過程。

根據(jù)上述工作原理，若要對煉鋼過程控制進行定性、定量評價，首先需要一個測量工具。宣鋼150 t 轉(zhuǎn)爐于2010 年11 月11 日投產(chǎn)，該系統(tǒng)采用了國內(nèi)先進的副槍煉鋼技術(shù)，可實現(xiàn)在不倒?fàn)t的情況下對爐內(nèi)的熔體進行定碳、定氧、測溫、取樣操作。

由于TSO 探頭定氧測定過程的連續(xù)性，可以提供從測量最低位置和提升過程中的連續(xù)測量結(jié)果，為評價吹煉終點的鋼液和爐渣提供了有利的測量工具。鋼水中的氧分為總氧和活度氧^［1］，目前可以有兩種方法得到鋼水中的氧活度值，一種是通過理論計算，得到經(jīng)驗公式; 另外一種方法是通過TSO 定氧探頭測量鋼水中的氧活度。當(dāng)然通過定氧探頭測量的更直觀、更準(zhǔn)確一些。

當(dāng)把氧化物固體電解質(zhì)置于不同氧分壓之間，并連接金屬電極時，在電解質(zhì)的電極界面處將發(fā)生電極反應(yīng)，并分別建立起不同的平衡電極電位^［2］，具體測定原理如圖1 所示。

電極/PO_2ref / /電解質(zhì)/ / PO_2steel /電極Mo /Cr + Cr₂O₃ / /ZrO₂ － MgO / /［O］Fe /Fe

根據(jù)Nernst 定律得出電位差E 為:

式中，E———電極電勢，V；R———氣體常數(shù)，8.314 3 J /( k·mol)；

T———絕對溫度，K；

4———得失電子數(shù)；

F———法拉第常數(shù)，NA × 96 500 C；

PO_2steel———鋼水中的氧分壓，kPa；

PO_2ref———固體電解質(zhì)中的氧分壓，kPa。

通過測定鋼水的溫度及氧電勢及固定的參比氧含量，得到氧活度。

轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，吹煉結(jié)束氧槍提出轉(zhuǎn)爐時，下副槍進行TSO 探頭測定。測定曲線如圖2 所示。

在本課題中，煉鋼吹煉過程性評價主要考查以下3 個指標(biāo)。

(1) 鋼水氧活度水平： 指冶煉低碳鋼時，實時鋼水氧活度高于與終點碳相平衡的鋼水氧活度的程度。

(2) 爐渣氧活度： 即吹煉結(jié)束后，即時的爐渣氧活度水平。

(3) 爐渣渣層厚度： 也就是在吹煉剛一結(jié)束，氧槍提起時的即時爐渣渣層厚度。

鋼水氧活度水平一直以來被用作評價鋼水潔凈程度的重要指標(biāo)，實際生產(chǎn)過程中還是決定煉鋼工序成本的決定性因素。因此，降低轉(zhuǎn)爐冶煉終點鋼水中的氧活度就成為煉鋼過程評價的首選指標(biāo)。

一般情況下，轉(zhuǎn)爐終點的碳氧積是一個常數(shù)，也就是說，轉(zhuǎn)爐終點的氧含量乘以鋼水中的碳含量即碳氧積，如果爐況不發(fā)生大的變化，該數(shù)值一般比較穩(wěn)定^［3］。可是在實際生產(chǎn)過程中由于臨近冶煉終點的不恰當(dāng)操作，特別是在冶煉低碳鋼時，經(jīng)常發(fā)生實時鋼水氧活度高于與終點碳相平衡的鋼水氧活度的情況。因此降低低碳鋼冶煉終點的氧活度水平也是目前煉鋼工作的核心任務(wù)之一。實際操作過程中一般通過冶煉終點實時測定的鋼水氧活度值與取樣進行化學(xué)分析的碳含量相平衡的鋼水氧活度值進行比較后評判。與終點碳相平衡的鋼水氧活度值計算公式如式( 2) 所示：

式中，T———溫度，℃；

a₀———氧活度，10 － 4%。

爐渣氧活度是評價轉(zhuǎn)爐冶煉終點爐渣是否做黏的一項指標(biāo)，同時也被間接用作評價爐渣帶鐵量的一個重要相關(guān)性指標(biāo)。根據(jù)鋼水氧活度公式，推導(dǎo)出的爐渣氧活度公式如式( 3) 所示：

式中，T———溫度，K；

E———爐渣氧電勢，mv。

副槍TSO 氧電勢測定曲線中，爐渣氧電勢數(shù)據(jù)區(qū)域的確定非常關(guān)鍵。TSO 探頭測量了鋼水的溫度、氧含量后，探頭繼續(xù)提升，在經(jīng)過鋼渣界面時氧電勢數(shù)據(jù)會提供一個開關(guān)量，此時即是爐渣氧電勢數(shù)據(jù)區(qū)域的起點; 同理，探頭繼續(xù)提升，在經(jīng)過爐渣與空氣界面時測溫數(shù)據(jù)會提供一個開關(guān)量，對應(yīng)到副槍氧電勢測定曲線上就可確定此時為爐渣氧電勢數(shù)據(jù)區(qū)域的終點，如圖3 所示。

爐渣渣層厚度即在吹煉剛一結(jié)束，氧槍提起時的即時爐渣渣層厚度，可作為評價吹煉終點槍位是否合適、調(diào)料是否過晚及批量是否太大的重要指標(biāo)^［4］。根據(jù)測定的數(shù)據(jù)顯示，有時吹煉結(jié)束時的即時爐渣渣層厚度可以達到3 m 以上。

轉(zhuǎn)爐吹煉到終點，停止供氧操作，下副槍使用TSO 探頭進行測溫、取樣、定氧、定碳操作。副槍從設(shè)定最低點上升到離開爐渣液面過程中可設(shè)定運行速度為20 cm /s，以保證測定數(shù)據(jù)的精確。TSO 探頭測量了鋼水的溫度、氧含量后，探頭繼續(xù)提升，在經(jīng)過鋼渣界面時氧電勢數(shù)據(jù)會提供一個開關(guān)量，對應(yīng)到副槍槍位曲線上就可確定鋼渣界面的絕對高度值; 同理，探頭繼續(xù)提升，在經(jīng)過爐渣與空氣界面時測溫數(shù)據(jù)會提供一個開關(guān)量，對應(yīng)到副槍槍位曲線上就可確定爐渣與空氣界面的絕對高度值，兩者之差即為爐渣渣層厚度值。取值方法如圖4 所示。

3 煉鋼過程具體分析

3． 1 低碳鋼冶煉終點鋼水氧活度超標(biāo)爐次分析

該爐次517348，終點定氧906.47 ppm，熔池溫度1 685.57 ℃，如圖5 所示。

化驗室光譜分析為［C］： 0.045%。由公式( 2)可求得與該終點碳平衡的活度氧值為：

氧活度高出平衡值偏離量為906.47 － 645.29= 261.18 ( ppm) ，屬于嚴(yán)重過氧化的爐次。根據(jù)生產(chǎn)實踐爐次所整理出的鋼水氧活度評價表，如表1所示。

3． 2 冶煉終點爐渣氧活度超標(biāo)爐次分析

該爐次5211409，終點定氧316.52 ppm，熔池溫度1 924 K?？墒侨墼麰 值為312 mV，如圖6 所示，由公式( 3) 可求得熔渣的氧活度為:

該爐次屬于特殊異常爐次，考察后確定： 該爐次TSO 測定時［C］= 0． 40%，溫度1 650 ℃，為保證終點碳溫協(xié)調(diào)調(diào)料單如表2 所示。

由于終點加入大量冷卻劑燒結(jié)礦，因此造成終點熔渣中氧活度異常活躍。根據(jù)生產(chǎn)實踐爐次，統(tǒng)計整理出的熔渣氧活度評價表，如表3 所示。

3． 3 爐渣渣層厚度理想爐次分析

爐次5241229，冶煉過程控制一次命中，終點不用進行溫度調(diào)整，一槍拉下來后［C］= 0.067%、溫度1 678.5 ℃，按上述轉(zhuǎn)爐在線測量爐渣厚度的原理進行測量后得出1.3 m 熔渣厚度，如圖7 所示。

結(jié)論：該爐次吹煉過程控制良好。

根據(jù)生產(chǎn)實踐爐次，統(tǒng)計整理出的熔渣渣層厚度評價如表4 所示。

4 結(jié)論

大型轉(zhuǎn)爐氧控技術(shù)投入運行以來，轉(zhuǎn)爐吹煉過程控制得到了明顯改善，轉(zhuǎn)爐吹煉終點氧位下降明顯。普碳鋼終點氧位較該技術(shù)應(yīng)用前降低了約70 ppm。

大型轉(zhuǎn)爐精確氧控技術(shù)，通過對鋼水氧活度、爐渣氧活度以及渣層厚度的計算，結(jié)合生產(chǎn)實踐統(tǒng)計整理出評價表，建立了轉(zhuǎn)爐吹煉過程控制的評價體系。本項目提供的創(chuàng)新技術(shù)解決了轉(zhuǎn)爐煉鋼過程控制的量化評價問題，并為量化評價提供了測量方法、指標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)，在煉鋼行業(yè)操作中具有示范意義。本項目工藝操作簡單、合理、更準(zhǔn)確，也更直觀。項目中的技術(shù)方法為首次提出，對于應(yīng)用副槍煉鋼的大型轉(zhuǎn)爐鋼廠具有一定的推廣價值。

參考文獻

［1］蔡開科． 轉(zhuǎn)爐－ 精煉－ 連鑄過程鋼中氧的控制［J］． 鋼鐵，2004，( 8) : 49 ～ 57．

［2］謝光遠，陳潛，高玉． 鋼水定氧半電池電極粉的預(yù)處理工藝研究［J］． 武漢科技大學(xué)學(xué)報，2012，( 1) : 5 ～ 7．

［3］段喜海，孫福振，梁新維． 承鋼120 t 半鋼煉鋼轉(zhuǎn)爐底吹工藝優(yōu)化［J］． 河北冶金，2015，( 10) : 41 ～ 43．

［4］劉曙光，楊曉江，張大勇． 轉(zhuǎn)爐煉鋼噴濺原因及預(yù)防措施［J］． 河北冶金，2012，( 9) : 56 ～ 59．