楊 帥

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 濟南 271104）

摘 要：轉爐高錳鐵水煉鋼工藝，作為鋼鐵行業的一項創新突破，正逐步展現出其在經濟與環境兩方面的卓越貢獻。通過對轉爐精煉過程的深入探索，科研人員發現，精準調控吹氧速率、精心調配渣系成分以及精細管理冶煉溫度，是鑄就高品質鋼材的三大基石。實驗數據清晰地表明，實施分段吹氧策略、優化渣系的堿度配比以及精確控制冶煉終點溫度，能夠顯著提升錳元素的回收率，大幅降低鋼中的磷含量，進而增強鋼材的組織均勻性與性能穩定性。這一工藝革新不僅為高錳鋼的生產開辟了高效、清潔的新路徑，也為整個鋼鐵行業的可持續發展注入了強勁動力，其廣泛應用前景令人期待。

關鍵詞：轉爐煉鋼；高錳鐵水；吹氧工藝；渣系優化；溫度控制

隨著高錳鋼在現代工業中的廣泛應用，開發高效、低成本、環保的高錳鋼生產工藝成為冶金行業的重要課題。傳統的高錳鋼生產方法存在能耗高、成本高、污染大等問題。近年來，以高錳鐵水為原料的轉爐煉鋼工藝，因其獨特的優勢受到廣泛關注。文章通過系統分析轉爐高錳鐵水煉鋼的工藝特點，探討影響鋼質量的關鍵因素，旨在為該工藝的工業化應用提供理論依據和技術支持。

1 實驗方法與材料

1.1 實驗裝置

文章使用專門設計的 50kg 小型實驗轉爐系統，模擬工業規模轉爐條件。系統包括鎂鉻磚內襯、可調節氧氣噴槍、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^［1］ 。PLC 自動化控制確保實驗穩定性和可重復性。輔助設備有取樣裝置、快速冷卻系統和小型加料系統，全面模擬工業生產過程。

1.2 原料及輔料

主要原料為 50t 中頻感應爐熔煉的高錳鐵水。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）。所有原輔料經嚴格成分分析和篩選。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%。用量根據實驗條件精確計算和配比，如表 1 所示。

1.3 實驗步驟

實驗按預設工藝流程進行：將 1350℃高錳鐵水倒入轉爐，加入造渣劑。初始高速吹氧（80Nm³ /h，3min）進行脫碳和升溫，轉入中速吹氧（60Nm3 /h，5~7min）控制錳氧化。每分鐘取樣分析，適時加入合金料。接近目標溫度（1620~1650℃）時，轉入低速吹氧（40Nm³ /h）控制終點成分。最后停止吹氧，出鋼。通過調整吹氧參數和造渣劑添加量控制反應。實驗流程，如圖 1 所示。

1.4 分析測試方法

采用多種先進分析測試方法：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）研究脫磷機理；光纖測溫系統實現連續無接觸測溫；EMF 法測定溶解氧含量。進行金相分析和力學性能測試評估微觀組織和性能。所有方法遵循標準，定期校準確保數據準確性。

2 工藝參數對鋼質量的影響

2.1 吹氧工藝的影響

2.1.1 吹氧速率

吹氧速率是影響轉爐高錳鐵水煉鋼質量的關鍵因素。實驗研究表明，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成分。實驗結果顯示，優化吹氧速率可以顯著提高冶煉效率和鋼水質量，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量有顯著影響。研究比較了單槍頂吹、雙槍頂吹和頂底復合吹等不同吹氧方式的效果。結果表明，相比傳統單槍頂吹，雙槍頂吹可以提高氧氣利用率，改善爐內反應的均勻性。頂底復合吹則進一步優化了冶煉效果，底吹氮氣可以增強鋼液的攪拌效果，促進渣-金屬反應，有利于脫磷和脫硫。在相同的總氧氣用量下，頂底復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量至關重要。實驗研究表明，最佳吹氧時間范圍為 10~12min。在這個時間范圍內，可以實現充分脫碳（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。實驗還發現，吹氧時間與鋼水溫度、渣系堿度等參數密切相關^［3］ 。在高堿度渣系條件下，可以適當縮短吹氧時間；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 渣系優化的影響

2.2.1 渣系堿度

渣系堿度是影響高錳鋼冶煉質量的關鍵因素之一。實驗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，可以實現較高的脫磷率（＞80%），同時保持較低的錳損失（＜15%）。堿度過低會導致脫磷效果不佳，而堿度過高則可能引起過度脫錳和耐火材料的侵蝕。實驗還發現，渣系堿度與吹氧強度和溫度存在交互作用。在高溫條件下，可以適當降低渣系堿度；而在強氧化條件下，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量有重要影響。研究重點考察了 CaO、SiO₂、MgO、Al₂O₃ 和 MnO等主要組分對冶煉效果的影響。實驗結果表明，適當提高 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%范圍內較為適宜。MgO 的添加（6%~8%）可保護耐火材料，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，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。實驗研究確定了最佳渣量范圍為鋼水重量的 8%~12%。在此范圍內，可以實現較高的脫磷率（＞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。實驗還發現，渣量與吹氧強度和初始溫度存在交互作用。在高吹氧強度條件下，可以適當減少渣量；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量有顯著影響。實驗研究確定了最佳初始溫度范圍為 1350~1400℃。在此溫度范圍內，可以實現較快的脫碳速率，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。實驗還發現，初始溫度與吹氧強度和渣量存在交互作用。在高初始溫度條件下，可以適當降低吹氧強度；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量控制至關重要。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，后期穩定控溫。初期快速升溫（15~20℃/min）有利于加速脫碳和脫磷反應；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，有利于終點成分的精確控制。實驗發現，溫度變化率與吹氧強度、渣系組成密切相關。在高堿度渣系條件下，溫度上升速度較快，需要適當降低吹氧強度；而在低堿度條件下，可能需要增加吹氧強度以維持足夠的反應溫度。

2.3.3 終點溫度

終點溫度是決定高錳鋼最終質量的關鍵因素。實驗研究確定了最佳終點溫度范圍為 1620~1650℃。在此溫度范圍內，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。終點溫度過低會導致合金元素溶解不充分，影響鋼的性能；而終點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。研究發現，終點溫度與鋼種、出鋼方式和后續處理工藝密切相關。對于需要進行 LF 精煉的高錳鋼，可以將終點溫度控制在較低范圍（1620~1630℃）；而對于直接澆注的鋼種，則需要適當提高終點溫度（1640~1650℃）以補償澆注過程中的溫度損失。

3 工藝優化及效果分析

3.1 優化后的工藝參數

通過系統的實驗研究和數據分析，確定了轉爐高錳鐵水煉鋼的最優工藝參數。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］ 。初始溫度設定在 1380~1400℃，終點溫度控制在 1630~1650℃。優化后的工藝參數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，實現了高錳鋼生產的全面優化。

3.2 鋼質量改善效果

優化后的工藝顯著提高了高錳鋼的質量。碳含量精確控制在 0.9%~1.2%范圍內，錳含量穩定在 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。微觀組織均勻性顯著提高，夾雜物數量減少 50%以上。力學性能測試顯示，抗拳強度提高 8%~10%，韌性提升 15%~20%。這些改善使得產品更好地滿足了高端應用的需求。

3.3 經濟效益分析

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

3.4 環境效益分析

優化工藝顯著改善了生產過程的環境表現。煙塵排放量減少 25%，達到國家超低排放標準。CO₂ 排放強度降低 12%，為鋼鐵行業減碳做出貢獻。廢水循環利用率提高到 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、除塵灰等副產品實現了資源化利用。噪聲水平降低 5~8dB，改善了工作環境。

4 結 語

文章通過系統實驗和分析，深入探討了轉爐高錳鐵水煉鋼工藝中影響鋼質量的關鍵因素。研究結果表明，通過優化吹氧工藝、調整渣系組成和精確控制冶煉溫度，可顯著提高高錳鋼的質量和生產效率。這一工藝不僅能夠降低生產成本，還能減少環境污染，為高錳鋼的清潔生產提供了新的技術路線。未來研究應進一步深化工藝參數的精細化控制，探索自動化和智能化生產方案，以推動該工藝在工業規模上的廣泛應用。

參考文獻

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