梅钢250 t转炉碳氧积变化规律研究

夏兆东，王多刚

(1.上海梅山钢铁股份有限公司炼钢厂，江苏南京210039；2.宝钢股份有限公司研究院梅钢技术中心，江苏南京210039；3.中国钢研科技集团有限公司低温冶金与资源高效利用中心，北京100081)

顶底复吹转炉的底吹效果直接影响转炉的冶炼指标，底吹强度可选择的范围很大，其会影响熔池的混匀时间，进而影响熔池内化学反应[1]。目前我国顶底复吹转炉的底吹强度与国外差别较大，Kishimoto等[2]统计了日本51 座顶底复吹转炉，平均底吹强度为0.18 m3/(t·min)，底吹强度≤0.10 m3/(t·min)的转炉座数仅为9 座。我国绝多数顶底复吹转炉的底吹采用弱搅工艺，底吹强度为0.03～0.08 m3/(t·min)[3]，低于日本钢铁企业。实际冶炼过程中，随着炉龄的增加，弱搅工艺难以保证底吹风口的完全裸露，使底吹效果变差，熔池混匀时间延长，碳氧积增加[4-7]，进而使脱氧产生的氧化物夹杂增加，影响产品性能的稳定。武钢转炉炉龄在4 000炉以前，碳氧积为21×10-4～25×10-4，平均w(O)=0.050 5%；4 000炉之后，碳氧积平均为32×10-4，平均w(O)上升至0.064 1%[8]。马钢300 t 转炉随着炉龄增加，碳氧积逐步增加，炉龄为7 200 炉时，碳氧积达31×10-4[9]。鞍钢使用底枪更换技术实现了260 t转炉底枪裸露，采用2支底枪底吹时，复吹的炉数达到4 000炉，碳氧积在27×10-4以下[10]。上海梅山钢铁股份有限公司(简称梅钢)转炉主要冶炼低碳及超低碳钢、汽车结构钢、管线钢等，炉龄为7 500～9 500 炉，底吹采用德国蒂森公司的TBM(Thyssen Blassen metallurgical process)技术，底吹工艺为弱搅工艺，底吹强度为0.03～0.10 m3/(t·min)，底吹气体为Ar和N2。为保证与提升梅钢复吹转炉弱搅拌工艺的转炉终点控制效果，统计分析梅钢转炉炉役期碳氧积的控制现状，研究弱搅工艺下碳氧积的主要影响因素。

1 梅钢转炉冶炼参数及控制现状

统计分析梅钢二炼钢(冶炼参数见表1)两座容量为250 t 的顶底复吹转炉(4#和5#转炉)碳氧积，选取2018—2019 年4#和5#转炉的各一炉役数据。其中，4#转炉炉龄8 859炉，5#转炉炉龄7 974炉。

将4#和5#转炉炉役期数据按每500 炉取一平均值，分析转炉终点温度、氧、碳和碳氧积的变化情况，分别如图1～4。

图1 炉役终点温度变化Fig.1 Change of end-point temperatureduring the campaign

表1 二炼钢冶炼参数Tab.1 Smelting parameters of No.2 Steelmaking Plant

图2 炉役终点氧含量变化Fig.2 Change of end-point oxygen content during the campaign

图3 炉役终点碳含量变化Fig.3 Change of end-point carbon content during the campaign

图4 炉役终点碳氧积变化Fig.4 Change of end-point carbon oxygen equili rium during the campaign

由图1可知：4#炉炉役初期(约1 500炉)转炉终点平均温度≥1 660 ℃，之后由于梅钢采用了钢包全程加盖技术，转炉终点温度下降约15 ℃，这与钢包加盖对转炉出钢温度影响的报道一致[11-13]，后续分析时剔除该部分数据；4#和5#转炉炉役平均温度分别为1 644，1 643 ℃，转炉终点温度基本在1 640～1 650 ℃，转炉温度控制较稳定。由图2可知，4#和5#转炉炉役氧含量(质量分数，下同)稳定在0.056%～0.062%，平均分别为0.058 8%和0.057 7%，4#炉的终点氧含量控制波动较小。由图3可知，4#和5#转炉炉役碳含量(质量分数，下同)稳定在0.038%～0.046%，平均分别为0.040 4%和0.043 4%，5#转炉的终点碳含量高于4#炉。由图4可知：4#和5#转炉炉役碳氧积稳定在21×10-4～26×10-4，平均分别为23.1×10-4和24.0×10-4；两座转炉均未出现随着炉龄的增加碳氧积逐渐升高的情况。由此表明，梅钢4#和5#转炉底吹控制良好，基本解决了底吹效果随炉龄增加而逐步恶化的问题。

2 碳氧积的影响因素

顶底复吹转炉冶炼过程中，碳氧反应化学方程式如式(1)。从热力学角度看，碳氧积主要受温度和CO分压pCO的影响，实际冶炼过程中通常取pCO为1.01×105Pa，因而碳氧积的主要热力学影响因素为温度；从动力学角度来看，碳氧积主要受熔池搅拌的影响，具体受顶部氧枪气流冲击功、底部气体搅拌功以及碳氧反应搅拌功的影响，梅钢转炉以冶炼低碳钢为主，转炉终点w(C)≤0.1%。转炉吹炼临近终点时，碳氧反应已不剧烈，可忽略CO气体的搅拌作用。故认为转炉吹炼终点时，熔池混匀状况主要受顶部氧枪气流冲击功和底部气体搅拌功的影响。

式中：ΔGΘ为标准吉布斯自由能；T为钢水温度，K；pCO为CO 分压，Pa；α[C]和α[O]分别表示钢水中碳和氧的活度，mol/L。

2.1 温度对碳氧积的影响

对梅钢4#和5#转炉不同终点温度下平均氧含量和碳氧积进行统计，对每个温度对应的氧含量和碳含量取平均值，并将统计结果与通过式(1)理论计算的结果进行比较，理论计算时取pCO为1.01×105Pa，f[C]=f[O]=1（f[C]和f[O]分别表示钢水中碳和氧的活度系数），结果如图5，6。从图5可看出：不同终点温度下，4#和5#转炉终点氧含量相差不大，变化趋势基本一致；4#和5#转炉氧含量统计值和理论值均呈逐渐增加的趋势，温度每升高10 ℃，实际氧质量分数平均增加约0.002%，温度较高时，氧含量的增幅较大；但4#和5#转炉实际氧含量均高于理论值，并且随着终点温度的升高，实际氧含量与理论值的差值逐渐增加。

图5 转炉终点温度对氧含量的影响Fig.5 Effect of converter end point temperature on oxygen content

从图6 可看出：碳氧积随温度的升高而逐步增加，每升高10 ℃，碳氧积理论值增加0.18×10-4，4#和5#炉碳氧积实际值增加0.6×10-4～0.8×10-4，温度高于1 660 ℃时，碳氧积趋于稳定，约为25×10-4；实际碳氧积低于理论值，且随着终点温度的升高，实际碳氧积与理论值的差值逐渐缩小。这是由于转炉冶炼终点C 含量低，碳氧反应已不剧烈，而底吹为弱搅拌，使得炉渣中的氧和钢水中的氧未达到平衡，炉渣的氧化性强于钢水的氧化性。转炉吹炼结束至副枪测量期间(1～2 min)，炉渣中的氧向渣金界面扩散，并与渣金界面钢水中的碳发生反应，使钢水中的碳向渣金界面扩散，从而降低钢水中的C含量，进而使碳氧积低于理论值。随着温度的升高，转炉终点容易拉低碳，使C含量进一步降低，钢中的碳向渣金界面扩散逐步成为限制性环节，C含量的降低变得缓慢，使碳氧积实际值随温度的升高而逐步增加，并逐步减小与理论值之间的差距。

图6 转炉终点温度对碳氧积的影响Fig.6 Effect of converter end point temperature on carbon oxygen equilibrium

2.2 底吹气体搅拌对碳氧积的影响

底吹气体的强度影响熔池的混匀时间，进而影响熔池内碳氧反应过程，底吹惰性气体对熔池的搅拌可通过下式进行计算[14]

式中：εB为底吹搅拌能量，kW/t；QB为底吹气体量，m3/min；m为钢水质量，t；Z为钢水深度，cm；H相当于pCO为1.01×105Pa时的钢水深度，为148 cm。

当转炉终点温度为1 643 ℃、钢水量为250 t、熔池深度为163 cm时，根据式(2)计算不同底吹孔数对应的搅拌能，结果如表2。从表2 可看出，当底吹气体总流量为18 m3/min，每堵塞1个底吹孔，底吹搅拌能量降低约0.1 kW/t。为进一步研究底吹强度变化对碳氧积的影响，统计梅钢4#，5#转炉炉役期不同底吹孔堵塞数对应的碳氧积变化情况，结果如图7。从图7可看出：随着底吹孔堵塞数的增加，碳氧积逐步升高，当底吹孔堵塞数≥6 个时，随底吹孔堵塞数的增加，碳氧积增加剧烈，每增加堵塞2 个底吹孔，碳氧积增加3.5×10-4～5.0×10-4；当底吹孔堵塞数≤4 个时，随底吹孔堵塞数的增加，碳氧积变化平缓，这是由于从转炉氧枪停止吹炼至副枪测量需1～2 min；当底吹孔吹通数为8 个及以上时，基本保证了熔池混合均匀，能保持碳氧积维持在较低水平，为21×10-4～22×10-4。可见，转炉底吹孔数的变化对熔池内化学反应动力学有显著影响，从动力学角度看，碳氧积主要受熔池中[C]与[O]向反应界面扩散、界面碳氧反应及反应产物上浮去除3 个因素的影响，在底吹孔数量较少时，其限制性环节为熔池中[C]与[O]向反应界面扩散。因此，为保证全炉役的底吹效果，需防止底吹孔堵塞数超过4个以上。实际生产中需采取以下措施：对底吹砖进行改进，延长底吹砖初始长度至1.05 m，保证炉底在整个炉役的厚度；控制渣中MgO 含量，转炉终点渣中MgO 质量分数为7.0%～8.0%，一方面防止渣中MgO含量高，发生炉底上涨，堵塞底吹孔，另一方面防止渣中MgO含量低，炉底侵蚀快的问题；底吹单个支管具备流量调节功能，针对不同炉底变化趋势，调节底吹支管流量，可有效控制底吹个数。

表2 底吹孔数对搅拌强度的影响Tab.2 Effect of number of bottom blowing hole on stirring intensity

图7 底吹孔堵塞数对碳氧积的影响Fig.7 Effect of plugging number of bottom blowing hole on carbon oxygen equilibrium

2.3 顶吹气体搅拌对碳氧积的影响

顶底复吹转炉的顶吹氧气强度及氧枪枪位会对碳氧积产生影响，顶吹转炉熔池搅拌混匀时间与搅拌比功率之间的关系式如下[15]

式中：εT为顶吹气流搅拌能量，W/t；QT为顶吹气体流量，m3/min；D为顶枪出口内径，m；u为气体在喷枪出口速度，m/s；θ为顶枪喷嘴倾角，°；x为顶枪高度，m。

当顶吹气体流量为49 000 m3/h、顶枪出口内径为54.7 cm、顶枪喷嘴倾角为16.5°、氧气在顶枪的出口速度为500 m/s 时，根据式(3)计算不同氧枪枪位对应的搅拌能，结果如表3。4#，5#转炉冶炼低枪位为1.7 m，基准枪位为1.9 m，高枪位为2.1 m。由表3可知，枪位每升高20 cm，搅拌能量降低约0.1 kW/t，相当于堵塞1个底吹孔的搅拌能量。当底吹孔堵塞数≤4个时，拉碳枪位对碳氧积的影响不大，顶吹和底吹的共同作用使熔池搅拌充分；而当底吹孔堵塞数＞4个时，底吹对熔池的搅拌变弱，需要通过降低拉碳枪位来提高熔池搅拌效果；且当底吹孔堵塞数＞4个时，拉碳枪位由1.9 m 降低至1.7 m，时间≥40 s，碳氧积可降低1.5×10-4～2.5×10-4，渣中Fe 的质量分数可降低1.2%～1.6%。

表3 氧枪枪位对搅拌强度的影响Tab.3 Influence of lance position on stirring intensity

3 结 论

对梅钢两座250 t转炉冶炼温度、碳、氧和碳氧积数据进行统计，分析影响转炉碳氧积的主要因素，得出如下主要结论：

1)两座250 t转炉冶炼终点温度分别为1 644 ℃和1 643 ℃，碳的质量分数分别为0.040 4%和0.043 4%，氧的质量分数分别为0.058 8%和0.057 7%，碳氧积分别为23.1×10-4和24.0×10-4，转炉底吹控制良好，解决了底吹效果随炉龄增加而逐步恶化的问题；

2)随转炉终点温度的升高，碳氧积呈先增加后保持不变的趋势，温度每升高10 ℃，碳氧积增加0.6×10-4～0.8×10-4，温度高于1 660 ℃时，碳氧积趋于稳定，约为25×10-4；

3)底吹孔每堵塞1个搅拌能降低0.1 kW/t，底吹孔堵塞数≤4个时，随底吹孔堵塞数的增加碳氧积变化平缓，为21×10-4～22×10-4；底吹孔堵塞数＞4个时，每堵塞2个底吹孔碳氧积增加3.5×10-4～5.0×10-4；

4)转炉拉碳枪位每降低20 cm，可提高熔池搅拌能0.1 kW/t，当底吹孔堵塞数＞4个时，拉碳枪位由1.9 m降低至1.7 m，时间≥40 s，碳氧积可降低1.5×10-4～2.5×10-4，渣中Fe的质量分数可降低1.2%～1.6%。