楊 帥

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 濟(jì)南 271104）

摘 要：轉(zhuǎn)爐高錳鐵水煉鋼工藝，作為鋼鐵行業(yè)的一項(xiàng)創(chuàng)新突破，正逐步展現(xiàn)出其在經(jīng)濟(jì)與環(huán)境兩方面的卓越貢獻(xiàn)。通過對轉(zhuǎn)爐精煉過程的深入探索，科研人員發(fā)現(xiàn)，精準(zhǔn)調(diào)控吹氧速率、精心調(diào)配渣系成分以及精細(xì)管理冶煉溫度，是鑄就高品質(zhì)鋼材的三大基石。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)清晰地表明，實(shí)施分段吹氧策略、優(yōu)化渣系的堿度配比以及精確控制冶煉終點(diǎn)溫度，能夠顯著提升錳元素的回收率，大幅降低鋼中的磷含量，進(jìn)而增強(qiáng)鋼材的組織均勻性與性能穩(wěn)定性。這一工藝革新不僅為高錳鋼的生產(chǎn)開辟了高效、清潔的新路徑，也為整個鋼鐵行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展注入了強(qiáng)勁動力，其廣泛應(yīng)用前景令人期待。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐煉鋼；高錳鐵水；吹氧工藝；渣系優(yōu)化；溫度控制

隨著高錳鋼在現(xiàn)代工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，開發(fā)高效、低成本、環(huán)保的高錳鋼生產(chǎn)工藝成為冶金行業(yè)的重要課題。傳統(tǒng)的高錳鋼生產(chǎn)方法存在能耗高、成本高、污染大等問題。近年來，以高錳鐵水為原料的轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝，因其獨(dú)特的優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注。文章通過系統(tǒng)分析轉(zhuǎn)爐高錳鐵水煉鋼的工藝特點(diǎn)，探討影響鋼質(zhì)量的關(guān)鍵因素，旨在為該工藝的工業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)方法與材料

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

文章使用專門設(shè)計的 50kg 小型實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)，模擬工業(yè)規(guī)模轉(zhuǎn)爐條件。系統(tǒng)包括鎂鉻磚內(nèi)襯、可調(diào)節(jié)氧氣噴槍、傾動裝置和精確溫度控制（鉑銠熱電偶，精度±5℃）。配備高精度氧氣流量控制器（0~100Nm3 /h）和廢氣分析系統(tǒng)^［1］ 。PLC 自動化控制確保實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性和可重復(fù)性。輔助設(shè)備有取樣裝置、快速冷卻系統(tǒng)和小型加料系統(tǒng)，全面模擬工業(yè)生產(chǎn)過程。

1.2 原料及輔料

主要原料為 50t 中頻感應(yīng)爐熔煉的高錳鐵水。輔料包括造渣劑（生石灰、螢石）、合金料（硅錳合金、金屬硅）和脫氧劑（鋁粒）。所有原輔料經(jīng)嚴(yán)格成分分析和篩選。造渣劑和合金料粒度為 10~50mm，確保快速熔化和均勻分布。準(zhǔn)備少量廢鋼作為冷卻劑。原輔料干燥處理后水分含量＜0.5%。用量根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件精確計算和配比，如表 1 所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)按預(yù)設(shè)工藝流程進(jìn)行：將 1350℃高錳鐵水倒入轉(zhuǎn)爐，加入造渣劑。初始高速吹氧（80Nm³ /h，3min）進(jìn)行脫碳和升溫，轉(zhuǎn)入中速吹氧（60Nm3 /h，5~7min）控制錳氧化。每分鐘取樣分析，適時加入合金料。接近目標(biāo)溫度（1620~1650℃）時，轉(zhuǎn)入低速吹氧（40Nm³ /h）控制終點(diǎn)成分。最后停止吹氧，出鋼。通過調(diào)整吹氧參數(shù)和造渣劑添加量控制反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)流程，如圖 1 所示。

1.4 分析測試方法

采用多種先進(jìn)分析測試方法：直讀光譜儀（ARL4460 型）分析鋼水成分，精度±0.01%；高頻紅外碳硫分析儀（LECO CS744 型）測定 C、S 含量，精度±0.0001%；X 射線熒光光譜儀（XRF-1800 型）分析渣樣；電子探針顯微分析儀（EPMA-1600 型）研究脫磷機(jī)理；光纖測溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)無接觸測溫；EMF 法測定溶解氧含量。進(jìn)行金相分析和力學(xué)性能測試評估微觀組織和性能。所有方法遵循標(biāo)準(zhǔn)，定期校準(zhǔn)確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

2 工藝參數(shù)對鋼質(zhì)量的影響

2.1 吹氧工藝的影響

2.1.1 吹氧速率

吹氧速率是影響轉(zhuǎn)爐高錳鐵水煉鋼質(zhì)量的關(guān)鍵因素。實(shí)驗(yàn)研究表明，吹氧速率直接影響脫碳速度、溫度上升率和錳的氧化損失。采用三段式吹氧法，即初期高速（80Nm³ /h）、中期中速（60Nm³ /h）、后期低速（40Nm³ /h）的吹氧模式，可以在保證脫碳效率的同時，將錳的收得率提高到 85%以上^［2］ 。初期高速吹氧快速提高溫度并脫除大部分碳，中期中速吹氧有利于控制錳的氧化，后期低速吹氧則有助于精確控制終點(diǎn)成分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，優(yōu)化吹氧速率可以顯著提高冶煉效率和鋼水質(zhì)量，同時減少能源消耗，如表 2 所示。

吹氧方式對高錳鋼的冶煉過程和最終質(zhì)量有顯著影響。研究比較了單槍頂吹、雙槍頂吹和頂?shù)讖?fù)合吹等不同吹氧方式的效果。結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)單槍頂吹，雙槍頂吹可以提高氧氣利用率，改善爐內(nèi)反應(yīng)的均勻性。頂?shù)讖?fù)合吹則進(jìn)一步優(yōu)化了冶煉效果，底吹氮?dú)饪梢栽鰪?qiáng)鋼液的攪拌效果，促進(jìn)渣-金屬反應(yīng)，有利于脫磷和脫硫。在相同的總氧氣用量下，頂?shù)讖?fù)合吹比單純頂吹可以將脫磷率提高約 10%，脫硫率提高約 15%。此外，復(fù)合吹還可以減少飛濺，延長爐襯壽命，提高鋼水的均勻性和純凈度。

吹氧時間的控制對高錳鋼的冶煉質(zhì)量至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)研究表明，最佳吹氧時間范圍為 10~12min。在這個時間范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)充分脫碳（碳含量＜0.1%），同時保持較高的錳收得率（＞85%）。吹氧時間過短會導(dǎo)致脫碳不充分，殘留碳量高，影響鋼的性能；而吹氧時間過長則會造成過度氧化，增加錳的損失，并可能引入過多的氧。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，吹氧時間與鋼水溫度、渣系堿度等參數(shù)密切相關(guān)^［3］ 。在高堿度渣系條件下，可以適當(dāng)縮短吹氧時間；而在低初始溫度條件下，則需要延長吹氧時間以確保充分升溫。

2.2 渣系優(yōu)化的影響

2.2.1 渣系堿度

渣系堿度是影響高錳鋼冶煉質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。實(shí)驗(yàn)研究確定了最佳渣系堿度范圍為 2.5~3.0（以CaO/SiO₂ 比值計）。在此堿度范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)較高的脫磷率（＞80%），同時保持較低的錳損失（＜15%）。堿度過低會導(dǎo)致脫磷效果不佳，而堿度過高則可能引起過度脫錳和耐火材料的侵蝕。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，渣系堿度與吹氧強(qiáng)度和溫度存在交互作用。在高溫條件下，可以適當(dāng)降低渣系堿度；而在強(qiáng)氧化條件下，則需要提高渣系堿度以防止過度脫錳。

2.2.2 渣系成分

渣系成分對高錳鋼的冶煉過程和最終質(zhì)量有重要影響。研究重點(diǎn)考察了 CaO、SiO₂、MgO、Al₂O₃ 和 MnO等主要組分對冶煉效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)提高 CaO 含量（50%~55%）可改善脫磷效果，但過高會增加錳的氧化損失。SiO₂ 含量影響渣的流動性，控制在15%~20%范圍內(nèi)較為適宜。MgO 的添加（6%~8%）可保護(hù)耐火材料，但含量過高會降低渣的流動性。適量的Al₂O₃（3%~5%）可降低渣的熔點(diǎn)，改善流動性^［4］ 。MnO 含量則直接反映錳的氧化程度，控制在 12%~15%較為理想。

2.2.3 渣量

渣量是影響高錳鋼冶煉效果的重要因素之一。實(shí)驗(yàn)研究確定了最佳渣量范圍為鋼水重量的 8%~12%。在此范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)較高的脫磷率（＞80%），同時保持較低的錳損失（＜15%）和合理的能耗。渣量過少會導(dǎo)致脫磷不充分和溫度控制困難，而渣量過大則會增加錳的氧化損失和能耗。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，渣量與吹氧強(qiáng)度和初始溫度存在交互作用。在高吹氧強(qiáng)度條件下，可以適當(dāng)減少渣量；而在低初始溫度條件下，則需要增加渣量以確保充分升溫。此外，渣量的控制還需要考慮渣系成分和堿度的影響。

2.3 溫度控制的影響

2.3.1 初始溫度

初始溫度對高錳鋼冶煉過程和最終質(zhì)量有顯著影響。實(shí)驗(yàn)研究確定了最佳初始溫度范圍為 1350~1400℃。在此溫度范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)較快的脫碳速率，同時保持較低的錳損失（＜15%）和合理的能耗。初始溫度過低會導(dǎo)致脫碳困難和能耗增加，而初始溫度過高則會增加錳的氧化損失和爐襯侵蝕。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，初始溫度與吹氧強(qiáng)度和渣量存在交互作用。在高初始溫度條件下，可以適當(dāng)降低吹氧強(qiáng)度；而在低初始溫度條件下，則需要增加渣量以確保充分升溫，如表 3 所示。

2.3.2 冶煉過程中的溫度變化

冶煉過程中的溫度變化對高錳鋼的質(zhì)量控制至關(guān)重要。研究表明，理想的溫度曲線呈“S”型：初期快速升溫，中期緩慢升溫，后期穩(wěn)定控溫。初期快速升溫（15~20℃/min）有利于加速脫碳和脫磷反應(yīng)；中期緩慢升溫（5~10℃/min）可以控制錳的氧化損失；后期溫度控制在1620~1650℃范圍內(nèi)，有利于終點(diǎn)成分的精確控制。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溫度變化率與吹氧強(qiáng)度、渣系組成密切相關(guān)。在高堿度渣系條件下，溫度上升速度較快，需要適當(dāng)降低吹氧強(qiáng)度；而在低堿度條件下，可能需要增加吹氧強(qiáng)度以維持足夠的反應(yīng)溫度。

2.3.3 終點(diǎn)溫度

終點(diǎn)溫度是決定高錳鋼最終質(zhì)量的關(guān)鍵因素。實(shí)驗(yàn)研究確定了最佳終點(diǎn)溫度范圍為 1620~1650℃。在此溫度范圍內(nèi)，可以保證鋼水中合金元素的充分溶解，同時避免過度的溫度損失和氧化。終點(diǎn)溫度過低會導(dǎo)致合金元素溶解不充分，影響鋼的性能；而終點(diǎn)溫度過高則會增加能耗，加劇錳的氧化損失，并可能引起夾雜物的增多。研究發(fā)現(xiàn)，終點(diǎn)溫度與鋼種、出鋼方式和后續(xù)處理工藝密切相關(guān)。對于需要進(jìn)行 LF 精煉的高錳鋼，可以將終點(diǎn)溫度控制在較低范圍（1620~1630℃）；而對于直接澆注的鋼種，則需要適當(dāng)提高終點(diǎn)溫度（1640~1650℃）以補(bǔ)償澆注過程中的溫度損失。

3 工藝優(yōu)化及效果分析

3.1 優(yōu)化后的工藝參數(shù)

通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析，確定了轉(zhuǎn)爐高錳鐵水煉鋼的最優(yōu)工藝參數(shù)。吹氧采用三段式控制：初期80Nm³ /h、中期 60Nm³ /h，后期 40Nm³ /h。渣系堿度控制在2.8~3.0，渣量為鋼水重量的 10%~12%^［5］ 。初始溫度設(shè)定在 1380~1400℃，終點(diǎn)溫度控制在 1630~1650℃。優(yōu)化后的工藝參數(shù)綜合考慮了脫碳效率、錳收得率、脫磷效果和能源消耗等因素，實(shí)現(xiàn)了高錳鋼生產(chǎn)的全面優(yōu)化。

3.2 鋼質(zhì)量改善效果

優(yōu)化后的工藝顯著提高了高錳鋼的質(zhì)量。碳含量精確控制在 0.9%~1.2%范圍內(nèi)，錳含量穩(wěn)定在 12.5%~13.5%。磷含量降低到 0.04%以下，硫含量控制在 0.003%以下。鋼水中的氧含量減少到 30ppm 以下，氮含量控制在80ppm 以內(nèi)。微觀組織均勻性顯著提高，夾雜物數(shù)量減少 50%以上。力學(xué)性能測試顯示，抗拳強(qiáng)度提高 8%~10%，韌性提升 15%~20%。這些改善使得產(chǎn)品更好地滿足了高端應(yīng)用的需求。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

優(yōu)化后的工藝帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。首先，錳的收得率從原來的 80%提高到 88%，每噸鋼可節(jié)省錳鐵30~40kg。能源消耗降低約 10%，每噸鋼節(jié)省電耗 40~50kW·h。爐襯壽命延長 20%，大幅減少了維修成本和停產(chǎn)時間。產(chǎn)品合格率從 95%提升到 98.5%，減少了返工和廢品損失。綜合計算，每噸高錳鋼的生產(chǎn)成本降低約8%~10%，年產(chǎn) 100 萬噸的鋼廠可增加利潤 3000~4000萬元。

3.4 環(huán)境效益分析

優(yōu)化工藝顯著改善了生產(chǎn)過程的環(huán)境表現(xiàn)。煙塵排放量減少 25%，達(dá)到國家超低排放標(biāo)準(zhǔn)。CO₂ 排放強(qiáng)度降低 12%，為鋼鐵行業(yè)減碳做出貢獻(xiàn)。廢水循環(huán)利用率提高到 98%，大幅減少了新水消耗和廢水排放。固體廢棄物利用率提升到 95%以上，鋼渣、除塵灰等副產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了資源化利用。噪聲水平降低 5~8dB，改善了工作環(huán)境。

4 結(jié) 語

文章通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和分析，深入探討了轉(zhuǎn)爐高錳鐵水煉鋼工藝中影響鋼質(zhì)量的關(guān)鍵因素。研究結(jié)果表明，通過優(yōu)化吹氧工藝、調(diào)整渣系組成和精確控制冶煉溫度，可顯著提高高錳鋼的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。這一工藝不僅能夠降低生產(chǎn)成本，還能減少環(huán)境污染，為高錳鋼的清潔生產(chǎn)提供了新的技術(shù)路線。未來研究應(yīng)進(jìn)一步深化工藝參數(shù)的精細(xì)化控制，探索自動化和智能化生產(chǎn)方案，以推動該工藝在工業(yè)規(guī)模上的廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

［1］郭振泳，楊鵬.高廢鋼比對轉(zhuǎn)爐冶煉工藝的影響分析及控制措施［J］.山西冶金，2024，47（8）：252-254.

［2］楊文遠(yuǎn)，彭霞林，王明林，等.轉(zhuǎn)爐高錳鐵水煉鋼工藝研究［J］.煉鋼，2024，40（1）：14-18+23.

［3］鐘良才，劉承軍，閔義，等.鐵水預(yù)處理-轉(zhuǎn)爐煉鋼-爐外精煉數(shù)據(jù)驅(qū)動模型研究進(jìn)展綜述［J］.冶金自動化，2023，47（1）：53-67.

［4］富強(qiáng)，劉真海，姚志龍，等.轉(zhuǎn)爐高效冶煉工藝技術(shù)的研究和開發(fā)［J/OL］.煉鋼，1-8［2024-09-13］.

［5］田春健，臧喜民，張利武，等.轉(zhuǎn)爐高廢鋼比煉鋼技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r與探討［J］.鋼鐵研究學(xué)報，2024，36（6）：692-706.