顶吹转炉炼钢法冶炼历程分析

顶吹转炉炼钢法冶炼历程分析摘要：通过对转炉冶炼历程各种元素的氧化规律进行分析，探索出一条能够充分降低钢液中磷、硫两大有害元素含量的工艺制度，为实际生产提供理论依据。关键词：转炉冶炼历程氧化规律一、冶炼过程概述从装料到出钢，倒渣，转炉冶炼一炉钢的冶炼过程包括装料、吹炼、脱氧出钢、溅渣护炉和倒渣几个阶段。一炉钢的吹氧时间通常为12~18min，冶炼周期为30min左右。转炉出钢完后，倒净炉渣，堵住出钢口，兑铁水和加废钢，降枪供氧，开始吹炼。在送氧开吹的同时，加入第一批渣料，加入量相当于全炉总渣量的三分之二，开吹4~6分钟后，第一批渣料化好，再加入第二批渣料。如果炉内化渣不好，则加入第三批萤石渣料。当吹炼到所炼钢种要求的终点碳范围时，即停吹，倒炉取样，测定钢水温度，取样快速分析[C]、[S]、[P]的含量，当温度和成分符合要求时就出钢。当钢水流出总量的四分之一时，向钢包中加脱氧剂，进行脱氧和合金化，由此一炉钢冶炼完毕。二、熔池内各元素氧化规律分析1.Si的氧化规律在吹炼初期，铁水中的[Si]和氧的亲和力大，而且[Si]氧化反应为放热反应，低温下有利于此反应的进行，因此[Si]在吹炼初期就大量被氧化为（SiO2），（SiO2）先是与（FeO）反应生成（2FeO・SiO2），随着吹炼的进行，石灰逐渐溶解，由于钙镁橄榄石中的FeO和MnO与SiO2的亲合力比CaO低、，故被CaO置换，生成（2CaO・SiO2）稳定化合物[1]。在吹炼中期，碳氧化反应剧烈的情况下，该化合物也不会被还原。图2.1转炉冶炼各试验炉次钢水硅含量[Si]随冶炼时间的统计平均变化图2.1表明，随着吹炼的进行，钢水硅含量逐渐降低；在钢水硅含量逐渐接近目标硅时，这种逐渐降低的速度越来越缓慢。这一规律可由随着吹炼的进行，钢水硅含量逐渐降低，炉温逐渐升高，碳-氧反应逐渐为主，硅-氧反应速率逐渐降低而得到解释。２.Mn的氧化规律吹炼初期，[Mn]也迅速氧化，但不如[Si]氧化得快。[Mn]被氧化为（MnO）同（SiO2）反应生成（MnO・SiO2）。随着吹炼进行，温度升高加速石灰溶解，渣中（CaO）增加将（MnO）置换出来，（MnO）被C还原成[Mn]重新进入钢液中，吹炼后期炉温持续升高，部分[Mn]重新被氧化成（MnO）回到炉渣中，吹炼终了时，钢中的锰含量也称余锰或残锰。图2.2转炉冶炼各试验炉次钢水锰含量[Mn]随冶炼时间的统计平均变化图2.2表明，吹炼中期（5min~10min）随着吹炼的进行，钢水锰含量逐渐升高，而吹炼后期（10min~15min）则逐渐降低。这是因为吹炼前期炉温较低，锰同氧的亲和力比碳同氧的亲和力大，锰大量被氧化生成氧化锰；中期由于温度的升高，脱碳反应剧烈，并有氧化锰被碳还原成锰重新进入钢液，所以中期锰含量有明显升高；后期随着吹炼的进行，碳的氧化反应逐渐趋于平缓，锰重新被大量氧化，所以钢水中锰含量逐渐降低。3.C的氧化规律影响碳氧化速度变化规律的主要因素有：熔池温度、熔池金属成分、熔渣中（FeO）含量和炉内搅拌强度。在吹炼的前、中、后期，这些因素在不断发生变化，从而体现出吹炼各期不同的碳氧化速度。图2.3转炉冶炼试验炉次钢水碳含量[C]随冶炼时间的统计平均变化图2.3表明，随着吹炼的进行，钢水碳含量逐渐降低；在钢水碳含量逐渐接近目标碳时，这种逐渐降低的速度越来越缓慢。这一规律可由随着吹炼的进行，钢水碳含量逐渐降低，碳-氧反应速率逐渐降低而得到解释。吹炼前期（0min-5min）：熔池平均温度低于1400~1500℃，[Si]、[Mn]含量高且与[O]的亲和力均大于[C]同[O]的亲和力，虽然（FeO）较高，但化渣、脱碳消耗的（FeO）较少，而且熔池搅拌不强烈，碳的氧化速度不如中期高。吹炼中期（5min-10min）：熔池温度高于1500℃，[Si]、[Mn]含量降低，[P]-[O]亲和力小于[C]-[O]亲和力，熔池搅拌强烈，反应区乳化效果好，结果此期碳氧化速度高。吹炼后期（10min-15min）：熔池温度很高，超过1600℃，[C]含量较低，搅拌也不如中期，碳氧化速度比中期低。4.P的氧化规律转炉脱磷的有利条件为：低温、高碱、高氧化性及较好的炉渣流动性。图2.4转炉冶炼各试验炉次炉渣去磷能力随冶炼时间的统计平均变化图2.4表明，随着吹炼的进行，磷在炉渣和钢水中的分配比还是逐步降低，即炉渣的脱磷能力逐步减小。前期不利于脱磷的因素是炉渣碱度偏低，因此，及早形成碱度较高的炉渣，是前期脱磷的关键。转炉冶炼前期采用高氧枪操作，可以加强熔池表面的搅拌作用，促进石灰的溶解，有助于提高炉渣碱度，高氧枪操作氧枪射流主要作用在熔池表面，同时也提高了熔渣中（FeO）含量，而且前期温度比较低，这些条件都有利于脱磷的进行。到了冶炼中期，碳氧反应激烈，熔池温度升高加速了石灰的溶解，炉渣碱度持续上升，炉渣流动性也得到了较好的提高，炉渣高碱度及较好的流动性有助于脱磷反应。到了后期，过高的熔池温度限制了脱磷反应的进行，因此后期不利于脱磷反应。综上所述，脱磷主要集中在前期-中期。5.S的氧化规律转炉脱硫的有利条件为：高温、高碱、低氧化性及较好的炉渣流动性。图2.5转炉冶炼各试验炉次炉渣去硫能力随冶炼时间的统计平均变化图2.5表明，随着吹炼的进行，硫在炉渣和钢水中的分配比还是逐步升高，即炉渣的脱硫能力逐步升高。在吹炼前期，由于温度和碱度较低，（FeO）较高，渣的流动性差，各个条件均不利脱硫反应的进行，因此脱硫能力较低，脱硫速度较慢；吹炼中期，脱碳反应强烈，释放出大量的热量，熔池温度逐渐升高，同时由于碳氧化反应消耗了炉渣中大量（FeO），（FeO）比前期有所降低，且随着温度升高，大量石灰熔化碱度增大，熔池的乳化比较好，高温、高碱、低氧化性炉渣有利于脱硫反应进行，因此中期是脱硫的较好时期；到了吹炼后期，熔池温度已经升至出钢温度，碱度持续升高，脱硫速度持续上升。综上所述，脱硫主要集中在中期-后期。三、建议及小结炼钢过程中，除了保证正常脱碳外，如何降低钢液中的P、S两大危害元素的含量是我们考虑的重点。综上所述，脱P主要集中在前期-中期，为了提高脱P的效果，建议前期采用高氧枪操作，除了可以加强熔池表面搅拌，促进石灰熔解，在最短的时间内提高熔渣碱度外，高氧枪操作还可以提高熔渣的富氧量，前期高碱、高氧化性、低温的熔渣生成将大大提高脱P的效果；中期主要问题是在保证较好的脱P条件下，如何防止返干，为了避免返干，可以适当降低氧枪，避免碳氧反应过于激烈消耗过多（FeO），同时可以向熔池表面加入适量氧化铁皮或铁矿石，并加强熔池表面搅拌促进其熔解，保证熔渣中一定的（FeO）从而避免返干。脱S主要集中在中期-后期，由于脱S需要在低氧化性气氛下进行，通常氧气转炉单渣操作的脱S效率只有30%~40%[2]。我国炼钢技术规程要求入炉铁水的硫含量不超过0.05%，因此如果入炉铁水硫含量较高情况下，建议入炉前进行铁水预处理。除此之外，为了达到较好的控制钢液中的硫含量，可以在以下的几个方面有所改进：1.尽可能选用低含硫量的金属原料；2.配制适合成分及流动性好的炉渣，以创造能得到高硫分配比的条件；3.从有利于脱硫考虑采用较大的渣量；4.冶炼过程中正确认识及运用去硫“三高一低”原则。参考文献：[1]祝真祥．本钢180t转炉造渣工艺研．本钢技术．2008年3期.[2]朱苗勇．现代冶金学[M]．北京：冶金工业出版社，2008.