劉永軍

(河鋼集團宣鋼公司二鋼軋廠，河北宣化075100)

摘  要: 轉爐冶煉中的氧是產生鋼中夾雜物的根源，對鋼的潔凈度有著不利的影響。為了加強轉爐氧含量的控制，提高產品的內在質量，通過對宣鋼轉爐冶煉特殊鋼現場試驗研究，分析了轉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，并提出了降低轉爐氧含量的措施。

關鍵詞: 轉爐； 氧活度；氧電勢；爐渣厚度

0 引言

大型轉爐過程精確控氧技術主要討論的內容: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、調料是否過晚及批量是否太大等重要指標。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 轉爐煉鋼連鑄工程內容包括: 8 套鐵水罐傾翻裝置、2 座150 t 轉爐、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、空壓機等公輔設施。其副槍系統(tǒng)設備由武漢華楓傳感器件有限責任公司總裝。

2 基于副槍測定系統(tǒng)的大型轉爐過程精確控氧技術方案

煉鋼終點控制的標準: 磷、硫合格，碳溫協(xié)調，終渣做黏。煉鋼過程控制都是圍繞著這一標準展開工作的。磷、硫合格這一標準不難實現，只要根據鐵水成分配好爐渣堿度、化好過程渣即可實現。因此煉鋼過程控制的核心目標就是碳溫協(xié)調和終渣做黏。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; 然后對測量數據進行統(tǒng)計整理分析; 再根據統(tǒng)計結果確定優(yōu)秀、合格、較差的標準，實現該事件的評價過程。

根據上述工作原理，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 轉爐于2010 年11 月11 日投產，該系統(tǒng)采用了國內先進的副槍煉鋼技術，可實現在不倒爐的情況下對爐內的熔體進行定碳、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。當然通過定氧探頭測量的更直觀、更準確一些。

當把氧化物固體電解質置于不同氧分壓之間，并連接金屬電極時，在電解質的電極界面處將發(fā)生電極反應，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/ / PO_2steel /電極Mo /Cr + Cr₂O₃ / /ZrO₂ － MgO / /［O］Fe /Fe

根據Nernst 定律得出電位差E 為:

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

T———絕對溫度，K；

4———得失電子數；

F———法拉第常數，NA × 96 500 C；

PO_2steel———鋼水中的氧分壓，kPa；

PO_2ref———固體電解質中的氧分壓，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。

轉爐煉鋼過程中，吹煉結束氧槍提出轉爐時，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。

(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，實際生產過程中還是決定煉鋼工序成本的決定性因素。因此，降低轉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。

一般情況下，轉爐終點的碳氧積是一個常數，也就是說，轉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，該數值一般比較穩(wěn)定^［3］。可是在實際生產過程中由于臨近冶煉終點的不恰當操作，特別是在冶煉低碳鋼時，經常發(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爐冶煉終點爐渣是否做黏的一項指標，同時也被間接用作評價爐渣帶鐵量的一個重要相關性指標。根據鋼水氧活度公式，推導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，爐渣氧電勢數據區(qū)域的確定非常關鍵。TSO 探頭測量了鋼水的溫度、氧含量后，探頭繼續(xù)提升，在經過鋼渣界面時氧電勢數據會提供一個開關量，此時即是爐渣氧電勢數據區(qū)域的起點; 同理，探頭繼續(xù)提升，在經過爐渣與空氣界面時測溫數據會提供一個開關量，對應到副槍氧電勢測定曲線上就可確定此時為爐渣氧電勢數據區(qū)域的終點，如圖3 所示。

爐渣渣層厚度即在吹煉剛一結束，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、調料是否過晚及批量是否太大的重要指標^［4］。根據測定的數據顯示，有時吹煉結束時的即時爐渣渣層厚度可以達到3 m 以上。

轉爐吹煉到終點，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。副槍從設定最低點上升到離開爐渣液面過程中可設定運行速度為20 cm /s，以保證測定數據的精確。TSO 探頭測量了鋼水的溫度、氧含量后，探頭繼續(xù)提升，在經過鋼渣界面時氧電勢數據會提供一個開關量，對應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，在經過爐渣與空氣界面時測溫數據會提供一個開關量，對應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) ，屬于嚴重過氧化的爐次。根據生產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爐次分析

該爐次5211409，終點定氧316.52 ppm，熔池溫度1 924 K。可是熔渣E 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)調調料單如表2 所示。

由于終點加入大量冷卻劑燒結礦，因此造成終點熔渣中氧活度異常活躍。根據生產實踐爐次，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整，一槍拉下來后［C］= 0.067%、溫度1 678.5 ℃，按上述轉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。

結論：該爐次吹煉過程控制良好。

根據生產實踐爐次，統(tǒng)計整理出的熔渣渣層厚度評價如表4 所示。

4 結論

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

大型轉爐精確氧控技術，通過對鋼水氧活度、爐渣氧活度以及渣層厚度的計算，結合生產實踐統(tǒng)計整理出評價表，建立了轉爐吹煉過程控制的評價體系。本項目提供的創(chuàng)新技術解決了轉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、指標和評價標準，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、更準確，也更直觀。項目中的技術方法為首次提出，對于應用副槍煉鋼的大型轉爐鋼廠具有一定的推廣價值。

參考文獻

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