唐钢转炉冶炼中碳钢碳氧积的控制研究

2019-04-04 02:15
冶金与材料 2019年1期
关键词:熔池钢铁流量

张 垚

(河北钢铁集团 唐钢公司 第二钢轧厂,河北 唐钢 063000)

转炉终点氧位是转炉冶炼的重要指标,对于洁净钢冶炼、合金料消耗、冶炼成本等影响较大。本文从碳氧积入手,探讨唐钢转炉冶炼中碳钢过程的氧位控制情况。唐钢第二钢轧厂现有2座公称容量65t转炉,炉容比为0.93,采用顶底复吹技术,采用4孔氧枪,喉口直径26 mm,喷孔夹角10.5°,设计氧气流量17000Nm3/h,供氧强度3.57Nm3/tmin。底吹透气元件为4支环缝式底吹枪。

1 平衡碳氧积

冶炼终点钢中氧含量的多少直接受到终点碳氧积高低的影响,当反应达到平衡时,在一定的温度下,碳氧浓度的乘积趋近于一个常数。稳定的较低水平的终点碳氧积直接反应出终点的控制水平,碳氧积低,则终点氧含量低,可有效的降低钢铁料消耗和合金消耗,提高终点碳含量,减少钢中夹杂物,提高钢水质量。

转炉熔池中脱碳反应为:[C]+[O]=CO(g),ΔGφ=-20482-38.94T

其中,Pθ为大气压力;H钢、H渣为CO气泡以上钢液、熔渣的高度;ρ钢、ρ渣为钢液、熔渣的密度;σ为金属液表面张力;rCO为CO气泡半径。

碳氧积的主要影响因素为温度,这是由于碳氧反应是放热反应,温度升高,则平衡常数K升高,碳氧积值也就升高。这就要求我们根据不同的钢种和不同的冶炼工艺,制定不同的出钢温度,在保证中包过热度的情况下,尽力的去降低出钢温度。同时由于顶底复合吹炼的影响,强化了熔池的搅拌作用,促进熔池内的反应,使碳氧反应更趋近与平衡,可有效的降低碳氧积。

2 温度对钢水终点碳氧积的影响

由前文碳氧积的计算可知,温度是碳氧积的主要因素,降低出钢温度,则平衡常数K降低,碳氧积也就降低。因此如何有效的降低出钢温度是降低碳氧积的首要考虑因素。图1为唐钢生产过程中碳钢氧位随着温度的变化的趋势。

图1 不同出钢温度下的氧位

对终点氧位与温度进行数据透视分析可知:出钢温度在1610~1660℃,氧位与温度存在比较明显的线性关系。随着终点温度的升高,氧位逐渐增加。温度低于1610℃或高于1660℃时氧位开始出现震荡,不排除炼钢工在过低温度和过高温度出钢控制上的经验不足,因操作原因导致。

从纯净钢的角度出发,出钢温度应控制在较低水平,从根本上控制钢中夹杂物的生成。但矛盾的是通常纯净钢的冶炼需要二次精炼处理,其过程需要一定的温降值,要求较高的出钢温度。为此可采用钢包加盖、加覆盖剂和加快周转时间等方法减少钢水过程温降,从而达到降低转炉出钢温度的目的。

3 底吹对钢水终点碳氧积的影响

有效的顶底复合吹炼,能达到强化熔池搅拌,促进钢—渣界面反应的作用,使钢中碳氧反应更趋近与平衡,是降低碳氧积的另一有效途径 。

目前唐钢第二钢轧厂转炉底吹流量从200~560 m3/h,4支底吹枪每支的流量为0.003~0.008 m3/(t·min),图2(a)为正常流量下碳氧积和氧位的情况,此时底吹总流量为480 m3/h,其中紫色线为理论碳氧积,绿色线为实际碳氧积曲线;图2(b)为炉役后期由于1只底吹枪堵塞,流量只有300 m3/h,同样紫色线为理论碳氧积,红色线为实际碳氧积曲线。

图2 不同底吹对碳氧积的影响

图2可知当流量为300 m3/h时,实际碳氧积更大,偏离理论曲线更远,同时氧位更为分散。可知在唐钢转炉底吹范围内,底吹流量越大对氧位控制越有利。故在实际生产中,应 保证有效的底吹蘑菇头的形成,并通过合理的溅渣护炉手段,保证底吹元件的寿命,使底吹能达到最大的利用化。

4 炉龄对钢水终点碳氧积的影响

以1000炉作为一个炉役阶段,分析了每个阶段碳氧积的调整均值,如图3炉龄对碳氧积的影响。

图3 炉龄对碳氧积的影响

图3可知,炉龄对碳氧积的影响十分明显。在不同的炉役阶段,碳氧积存在明显的差距,整体趋势为不断缓慢的增大。如图3所示为炉龄在5500炉以内的碳氧积的变化情况,碳氧积不断增大,在3000炉以内升高幅度较小,3000炉以后上涨幅度较大。炉龄在2000炉以内,碳氧积均值在0.00265以内,当炉龄大于3000炉后,碳氧积开始偏离理论平衡值,特别是大于5000炉后,严重偏离理论平衡值,达0.0029。这主要的由于随着炉龄的增加,炉膛内型变化较大,在相同的条件下,碳氧反应不能达到有效平衡。同时,由于炉龄的增加,底吹元件受损或者受堵现象严重,导致底吹效果变差,降低了熔池的搅拌作用,碳氧积极速增加。

为了保证一个合适的炉膛内型,这就要求操作人员根据炉龄情况,采用合适的补炉手段,使得炉膛内型随着炉龄的增加,能均匀的侵蚀,保证炉膛内型在一个合理范围内变化。同时加强对底吹元件的维护和管理,保证底吹元件能长寿命的高校应用。

5 碳氧积对钢铁料消耗的影响

钢铁料消耗是影响转炉成本的主要指标之一,低氧位控制有利于减少钢铁料的吹损,同时也减少转炉炉后合金加入量,降低冶炼成本。但为控制较低的氧位需要低温出钢、高拉碳等操作,由于唐钢转炉没有副枪,转炉终点测温取样需要倒炉进行,由于炉渣温度偏低,炉渣粘度大,渣中(FeO)和铁珠含量会升高,倒炉过程倒渣会增加钢铁料的损失。为此从降低钢铁料消耗,减少成本的角度不能一味降低终点氧位,图4为冶炼中碳钢终点氧位和钢铁料及冶炼总成本的关系。

图4 转炉终点氧位和钢铁料消耗及冶炼总成本的关系

按照唐钢转炉目前情况转炉终点氧位控制在350~400 ppm,钢铁料及总成本最低,根据以上研究结果,目前唐钢转炉终点氧位已经控制在此范围内。

6 结 语

(1)对理论平衡碳氧积进行了分析,从热力学角度,在转炉气氛内温度是影响碳氧积的主要因素。

(2)根据唐钢实际生产中碳钢过程温度和氧位的关系研究,可知出钢温度在1610~1660℃,应尽量低温出钢,降低终点氧位。

(3)从动力学角度,底吹对氧位影响较大,以唐钢目前底吹流量情况,应充分发挥底吹作用,保持底吹枪通畅,有利于稳定的降低终点氧位。炉龄对氧位的影响可以理解为底吹效果对氧位的影响,唐钢应提倡经济炉龄,不必一再追求高炉龄。

(4)结果表明,唐钢目前转炉工艺条件下350ppm左右的氧位时钢铁料消耗和冶炼总成本最低,实际生产过程应按照此目标控制。

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