潘 軍1，趙 濱1，劉 威1，沈思寶1
（1．馬鞍山鋼鐵股份有限公司長材事業(yè)部，安徽 馬鞍山 243000）
摘 要：針對馬鋼65t轉(zhuǎn)爐出鋼后到站鋼水鋼包透氣磚氣量小或無底吹，無法保證鋼水成分和溫度均勻性，以及出鋼后到站鋼水溫度低于工藝要求目標范圍下限，無法滿足鑄機正常澆注對鋼水溫度要求的問題，通過向鋼包頂吹氬氣攪拌，實現(xiàn)均勻鋼水成分和溫度的目的，通過向鋼包頂吹氧氣，同時加入 SiFe和SiMn合金，利用氧氣與發(fā)熱元素Si和 Mn反應(yīng)放熱，實現(xiàn)低溫鋼水在線快速提升溫度的目的。生產(chǎn)實踐表明：采用硅鐵合金（含硅72.5％）和硅錳合金（含硅18.64％、含錳66.6％）作為發(fā)熱劑，氧氣壓力為1.2 MPa，流量為1200Nm3／h，吹氧時間為5min時，平均升溫速率為3.55℃／min，鋼中發(fā)熱元素 Si和Mn的平均燒損率分別為0.014％／min和0.022％／min。鋼包頂吹工藝為轉(zhuǎn)爐平穩(wěn)高效冶煉提供重要保障，取得了良好的使用效果。
關(guān)鍵詞：鋼包；頂吹氬；頂吹氧；化學升溫
隨著終端用戶對鋼材質(zhì)量的要求越發(fā)苛刻，單從技術(shù)層面來說，鋼材質(zhì)量優(yōu)良主要體現(xiàn)在其純凈度高，各相異性小，成分偏差小等方面，鋼包吹氬攪拌是獲得高純凈度、高均勻 性、高精度鋼材，保證均衡生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［1］。鋼包吹氬的形式主要有頂吹、側(cè)吹以及底吹，尤其是鋼包底吹氬，因其氬氣利用率高，攪拌效果好，并且安全性強等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應(yīng)用［2－4］。
馬鞍山鋼鐵股份有限公司長材事業(yè)部（以下簡稱“馬鋼長材事業(yè)部”），在實際生產(chǎn)過程中，鋼包透氣磚由于受到透氣磚縫隙滲鋼、透氣磚表面粘渣以及透氣磚縫隙變小等因素影響［5］，使得進站鋼包透氣磚氣量小或無底吹，無法保證鋼水成分和溫度的均勻性。另外，由于受到鋼包熱狀態(tài)差、生產(chǎn)設(shè)備故障、生產(chǎn)組織不當?shù)纫蛩氐挠绊?，使得進站鋼水溫度低于工藝要求目標范圍下限，致使連澆鋼水因中包溫度低無法澆完，有時甚至會發(fā)生溫低斷澆生產(chǎn)事故。針對上述異常生產(chǎn)狀態(tài)，馬鋼長材事業(yè)部開展鋼包頂吹工藝有關(guān)研究，并提出了具體的解決措施，以期為同類型鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐高效冶煉提供參考。
１ 工況條件
馬鋼長材事業(yè)部主要裝備有：2座70t鐵水 倒罐站、2座70t單噴石灰粉脫硫站、4座65t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐、４座吹氬合金微調(diào)站、2座70tLF鋼包精煉爐、2臺六機六流全弧形150mm×150mm 方坯連鑄機和2臺異型坯連鑄機。冶煉鋼種主要以普通碳素鋼、螺紋鋼以及低合金結(jié)構(gòu)用鋼為主，其工藝流程為：轉(zhuǎn)爐冶煉→吹氬合金微調(diào)站→方坯／異型坯連鑄機。鋼包頂吹裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。
針對異常生產(chǎn)狀況并結(jié)合冶煉工藝要求，馬鋼長材事業(yè)部在原有吹氬平臺基礎(chǔ)上進行技術(shù)改造，增設(shè)具有氬氧可選擇的頂吹功能裝置，可以實現(xiàn)鋼水頂吹氬攪拌或鋼水化學升溫。通過向鋼包頂吹氬氣，對進站鋼包透氣磚氣量小或無底吹的鋼水進行攪拌，以均勻鋼水成分 和溫度；通過向鋼包頂吹氧氣，根據(jù)冶煉鋼種所需溫度補償?shù)囊螅瑫r加入SiFe和SiMn合金，利用氧氣與發(fā)熱元素 Si和Mn反應(yīng)放熱，對進站溫度低于工藝要求下限的鋼水進行快速升溫。
2 鋼包頂吹工藝原理
2.1 鋼包頂吹氬氣攪拌
鋼包頂吹氬氣攪拌的工藝原理是，吹入鋼中的氬氣在噴槍出口處呈囊狀，氣體上浮過程中分裂成氣泡群，在粘性摩擦作用下，氣泡群帶動鋼水由上往下作循環(huán)運動，通過傳質(zhì)和傳熱達到均勻鋼水成分和溫度的目的。
2.2 鋼包頂吹氧升溫
采用硅鐵合金和硅錳合金作發(fā)熱劑，通過向鋼包頂吹氧氣，利用氧氣與發(fā)熱元素 Si和 Mn反應(yīng)放熱，提升鋼水溫度，有關(guān)反應(yīng)方程式如下［6，7］：
硅、錳氧化產(chǎn)生的化學熱對鋼水、爐渣和鋼包爐襯同時升溫。通常，爐渣與被加熱部分 爐襯均為鋼 水量的10％［8］。馬鋼長材事業(yè)部鋼包容積為70t， 平均出鋼量為65t，硅鐵合金（含硅72.5％）和硅錳合金（含硅18.64％、含錳66.6％）中硅和錳收得率分別為９０％和９５％。以硅鐵和硅錳合金發(fā)熱效率和氧氣利用率均為100％為計算依據(jù)，分別計算 要使65t鋼水溫度每升高1℃需要加入的硅鐵合金和硅錳合金的量，相關(guān)熱力學數(shù)據(jù)［9］，見表１。
由熱平衡計算公式［10］，
式（3）中：△T為升溫幅度，℃；Cp鋼水為鋼水比熱容，kj·（℃·kg）－１；Cp 爐渣 、Ｃp 包襯分別為爐渣和包襯的比熱容，kj·（℃·kg）-1；m 鋼水 、m爐渣和m包襯分別為鋼水量、爐渣量和被加熱部分包襯量，t；△ Hi 為發(fā)熱劑熱效應(yīng)，kj·kg－1；qi和Yi分別為發(fā)熱劑中發(fā)熱元素含量和收得率，％。
將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3）計算得到，采用硅鐵合金（含硅72.5％）和硅錳合金（含硅18.64％、含錳66.6％）作為發(fā)熱劑時，65t鋼水溫度每升高1℃需 要加入的硅鐵合金和硅錳合金的量分別為0.044kg和0.233kg。
３ 具體實施步驟
馬鋼長材事業(yè)部根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)異常狀況，并結(jié)合具體鋼種冶煉工藝要求，可以靈活選擇頂吹氬攪拌或頂吹氧升溫模式，可以實現(xiàn)鋼水頂吹氬攪拌或鋼水化學升溫的目的。
3.1 鋼包頂吹氬攪拌
3.1.1 鋼包頂吹氬適用條件
鋼種要求：直上不微調(diào)鋼種；亮面大?。轰撍撩嬷睆?D＜200mm 或無亮面。
3.1.2 鋼包頂吹氬操作
（1）頂吹氣體選擇吹氬模式，設(shè)定氬氣壓力1.4MPa，氬氣流量1600Nm3／h，將氬氧棒插入鋼水1300～1500mm深度，進行吹氬攪拌，并對鋼水進行測溫。
（2）按照普通碳素鋼系列吹氬時間4min，低合金結(jié)構(gòu)鋼系列吹氬時間6min控制。
（3）吹氬結(jié)束后，再次進行測溫取樣，鋼水成分溫度符合工藝要求后，鋼包加蓋，出站連澆。
3.2 鋼包頂吹氧升溫
3.2.1 升溫條件
鋼種要 求：普通碳素鋼系列、低合金結(jié)構(gòu)鋼系列；升溫幅度：低于目標范圍下限10～30 ℃；采用硅鐵（含硅72.5％）和硅錳（含硅18.64％、含錳66.6％）作為發(fā)熱劑，利用發(fā)熱元素硅、錳與氧氣反應(yīng)放熱，提升鋼水溫度；頂吹氣體切換成吹氧模式，設(shè)定氧氣壓力為1.2MPa，流量為1200Nm3／h。
3.2.2 升溫幅度確定
根據(jù)到站低溫鋼水實測溫度，并根據(jù)吹氬過程鋼水溫降、補加合金熔化吸熱造成的鋼水 溫降以及出站鋼水工藝要求的目標溫度，確定升溫幅度△T ，可由下列計算公式確定：
式（4）中：△T為升溫幅度，℃；T出站為出站鋼水工藝要求目標溫度，℃；t吹氬為吹氬時間，min；v吹氬吹氬過程鋼水溫降速率，取值范圍為2～4 ℃／min；m硅鐵 、m硅錳分別為補加的硅鐵和錳鐵合金的量，kg；ａ為每補加100kg合金造成的鋼水溫降系數(shù)，取值范圍為0.02～0.04℃／kg；Ｔ進站為到站低溫鋼水溫度，℃。
3.2.3 吹氧操作
設(shè)定氧氣壓力為1.2MPa，氧氣流量為1200Nm3／h，將氬氧棒插入鋼液1300～1500mm深度向鋼水吹氧，并根據(jù)升溫幅度 △T，確定吹氧時間t升溫 ，可由下列計算公式確定。
式（5）中，t升溫為升溫時間，min；△T為升溫幅度，℃；v升溫為升溫速度，取值范圍為3.25～4.75℃／min。
3.2.4 喂絲脫氧
吹氬結(jié)束后，將氬氧棒提出鋼水，采用定氧儀對吹氧結(jié)束后鋼水定氧，根據(jù)實測鋼水氧含量、出站鋼水目標氧含量的要求，進行喂鋁絲脫氧。喂鋁絲量由下列計算公式確定：
式（６）中，L為喂鋁絲長度，m；w1［Ｏ］，w2［Ｏ］分別為鋼水出站目標氧含量和升溫后鋼水氧含量，ppm；m為鋼水量，t；b為每米鋁絲重量，取值范圍為0.15～0.25kg／m。
3.2.5 補加合金
對定氧后鋼水進行取樣，根據(jù)實測升溫后鋼水硅、錳成分以及鋼水出站目標硅、錳成分 的要求，分別補加硅鐵和硅錳合金，補加量分別由下列計算公式確定：
式（7）、式（8）中，m錳鐵 、m硅鐵分別為補加錳鐵和硅鐵合金的量，kg；w1［Mn］、w2［Mn］分別為升溫后鋼水錳含量和鋼水出站目標錳含量，％；w1［Si］、w2［Si］分別為升溫后鋼水硅含量和鋼水出站目標硅含量，％；ｍ 鋼 水 量 為鋼水量，t；66.6％為硅錳合金錳含量；95％為 錳的收得率；18.64％為硅錳合金硅含量；90％為硅的收得率；72.5％為硅鐵合金硅含量。
3.2.6 吹氬攪拌
合金補加完畢后，進行吹氬操作，吹氬時間按照普通碳素鋼系列4min，低合金結(jié)構(gòu)鋼系列6min控制。
3.2.7 測溫、取樣
吹氬末期進行測溫取樣操作，確保出站鋼水成分和溫度合格。
3.2.8 鋼水出站
鋼水成分、溫度以及氧含量符合工藝要求后，鋼包加蓋，出站連澆。
4 應(yīng)用效果分析
4.1 化學成分分析
以HR400B 鋼種為例，當氧氣壓力為1.2MPa，吹氧流量為1200Nm3／h時，化學升溫前后鋼水成分、溫度以及發(fā)熱元素燒損率情況統(tǒng)計，結(jié)果如表2所示。
由表2可以看出，采用鋼包頂吹氧化學升溫，其平均升溫速率為3.55℃／min，鋼中發(fā)熱元素Si和Mn的燒損率平均為0.014％／min和0.022％／min。
4.2 生產(chǎn)成本分析
以鋼水量65t，化學升溫和LF爐加熱時間分別為5min，Si和Mn的燒損率平均為0.014％／min和0.022％／min為計算依據(jù)，兩者噸鋼成本統(tǒng)計，結(jié)果如表3所示。由表３可以看出，采用化學升溫方法和LF爐加熱鋼水相同時間時，升溫幅度基本相當，但化學升溫噸鋼 成 本僅為LF 爐的53.8％。因此，在對低溫鋼水進行升溫處理時，化學升溫技術(shù)手段優(yōu)勢明顯。
5 結(jié)論
（1）熱力學計算表明，采用硅鐵（含硅72.5％）和錳鐵（含硅18.64％、含錳66.6％）作為發(fā)熱劑，以出鋼量65t為計算依據(jù)，噸鋼鋼水每升溫1℃，需要加入的硅鐵合金和錳鐵合金的重量分別為0.044kg和0.233kg。
（2）當氧氣壓力為1.2MPa，吹氧流量為1200Nm3／h，吹氧時間為5min時，實際平均升溫速度為3.55℃／min，鋼中發(fā)熱元素Si和 Mn的平均燒損率分別為0.014％／min和0.022％／min。
（3）鋼包頂吹工藝作為一種異常生產(chǎn)狀態(tài)下補救手段，能有效起到均勻鋼水成分和溫度，以及對低溫鋼水化學升溫的作用，有利于轉(zhuǎn)爐高效冶煉和生產(chǎn)穩(wěn)定順行，在同類型鋼鐵企業(yè)具有良好的推廣應(yīng)用前景。
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