顶吹转炉炼钢法冶炼历程

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

Analysis on Steel-making Process In Top Blowing Converter

Zhuo Wei-wei Xu Yu-song Zhang Rongliang Ji Kai

(Metallurgy and Material College,JiangSu University of Science and Technolog,ZhangJiaGang SuZhou ,215600,China)

Abstract: Through the analysis on oxidation rule of various elements in the process of elting in converter, to find out a technological condition which can reduce the phosphorus and sulphur that are harmful to molten steel and offer a theoretical foundation to actual production.

Key words:conert process of elt oxidation rule.

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（2FeOSiO2）,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（2CaOSiO2）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（MnOSiO2）.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,高氧操作氧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,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.