转炉冶炼低碳钢脱氧工艺的改进

1 转炉冶炼低碳钢脱氧工艺的改进转炉冶炼低碳钢脱氧工艺的改进 张洪刚 通化钢铁股份公司技术中心 摘摘 要 要 转炉在冶炼低碳钢种 SPHC SPHD 等系列 时 采用传统的转炉吹炼 出钢脱氧方法 要求转炉吹炼终点的碳含量较低 0 05 对转炉炉衬的侵蚀 较严重 同时 钢中氧含量较高 脱氧合金消耗量较大 合金元素的收得率偏低 改进后的转炉吹炼 出钢脱氧方法 转炉终点碳含量按生产普碳钢控制 转炉出 钢过程中不加任何合金 在吹氩站加入脱氧合金 在 LF 炉进行合金化操作 生产 低碳钢后 可以适当放宽转炉终点碳含量的要求 降低钢中氧含量 延长转炉寿 命的同时 降低脱氧合金消耗量 提高合金元素的收得率 关键词 关键词 低碳钢 工艺改进 铝消耗 炉衬寿命 收得率 ProcessProcess ImprovementImprovement ofof LowLow CarbonCarbon SteelSteel GradeGrade forfor ConvertorConvertor Zhang Honggang Technology Center of Tonghua Iron Steel Co LTD AbstractAbstract Production of low carbon steel grade SPHC SPHD series etc adopts the traditional process that requires very low content of carbon 0 05 at end point of blowing so the lining of convertor is eroded seriously the oxygen content in liquid steel is high the consumption of deoxidation alloy is high and the alloy yield is low The improved process includes that enhancing the content of carbon in liquid steel at end point of blowing no alloy is added during steel tapping deoxidation alloy is added at argon blowing station and the alloying is done at LF The improved process relaxes the restrictions for content of carbon in liquid steel reduces the oxygen content in liquid steel prolongs the life time of convertor lining reduce the consumption of deoxidation alloy and enhance the alloy yield KeyKey wordswords low carbon steel grade processing improvement aluminum alloy consumption yield 1 1 前言前言 通化钢铁股份公司炼轧厂有 120 吨顶底复吹转炉两座 在冶炼 SPHC SPHD 等系列低碳钢时 对转炉的终点碳含量要求较低 0 05 原因是转炉所对应 2 的两台薄板坯连铸机 意大利达涅利公司的 FTSC 型 对钢水的质量要求较严格 考虑精炼处理过程中的增碳及尽量避开钢种成份的包晶区需要成品钢水的碳含 量 0 06 这使转炉终点的氧含量偏高 尤其是在转炉炉役的后期 转炉的复 吹效果变差 终点的碳氧浓度积较高 一般情况下转炉终点的氧含量要达到 800PPm 以上 对转炉炉衬的侵蚀较严重 而且脱氧及合金化所消耗的合金成本 较高 我厂的此类钢种产量比例约占薄板坯产量的 30 左右 每月约 5 万吨 因此 需要对现有的冶炼及脱氧合金化工艺进行优化 以降低生产成本 2 2 工艺改进工艺改进 2 12 1 工艺改进前情况工艺改进前情况 通化钢铁股份公司炼轧厂生产 SPHC SPHD 等系列低碳钢时的碳 锰含量控 制要求见表 1 表表 1 1 SPHCSPHC SPHDSPHD 等系列低碳钢种的碳 锰含量控制要求等系列低碳钢种的碳 锰含量控制要求 钢种范围 转炉终点碳含 量 薄板坯连铸工序要求 碳含量 成品钢中锰含 量 脱氧 合金化及 LF 处理 增碳量 SPHC SPHD 等系 列低碳钢 0 05 0 06 0 13 0 200 007 0 01 据此成份要求 原生产工艺为在转炉终点将碳含量拉到 0 05 在转炉出 钢过程中加入脱氧合金及合金化用合金 最后在 LF 炉进行温度 成份的精调整 采用这种传统的吹炼及脱氧 合金化操作时 转炉终点的氧含量偏高 对炉衬 的侵蚀较严重 且脱氧合金的消耗较高 也影响合金化合金的收得率 2 22 2 工艺改进理论分析工艺改进理论分析 2 2 12 2 1 氧在钢液中的溶解度氧在钢液中的溶解度 在转炉冶炼炼过程中 氧在钢中的饱和溶解度与渣中 FeO 的分解反应相关 FeO Fe O G 121000 52 38T 2 1 lgK lg O 8372 T 2 738 2 2 式中 G FeO 的分解反应在标态时产物与反应物的吉布斯自由能之 差 kJ mol T 热力学开式温度 K K 反应的平衡常数 mol l O O 浓度 mol l 此反应为吸热过程 因此 氧在钢中的饱和溶解度随温度的升高而升高 1 3 2 2 22 2 2 熔池中的脱碳反应熔池中的脱碳反应 熔池中的脱碳反应主要如下 C O CO 2 3 lgK 1160 T 2 003 2 4 K PCO a C a O PCO C O fCfO 2 5 式中 K 反应的平衡常数 mol l T 热力学开式温度 K PCO CO 分压 kPa a C C 活度 mol l a O O 活度 mol l C C 浓度 mol l O O 浓度 mol l fC C 活度系数 fO O 活度系数 当炼钢过程接近终点时 钢中 C O 浓度很低时 可认为 fC fO 1 即在 PCO 1 01 325kPa 时 C O 1 K m m 为碳氧浓度积 由式 2 4 及碳氧 浓度积的定义公式可知 钢水中的碳氧浓度积随温度的升高而上升 2 2 2 32 2 3 吹炼终点的碳氧平衡吹炼终点的碳氧平衡 在转炉吹炼末期 钢中元素 钢水温度都已基本调整到了合适的范围 但 是在钢液中却溶解了过多的氧 此时 钢中的实际氧含量高于碳氧平衡值 产 生了过剩的氧 且终点 C 含量越低 钢中过剩的 O 含量越高 图 2 1 所示的 曲线为转炉吹炼终点实际 C 和 O 的关系图 2 图 2 1 转炉吹炼终点钢中 C 和 O 的关系图 由图 2 1 中可见 当转炉终点碳含量 0 05 时 相应的钢中实际氧含量将 达到 700PPm 以上 这种情况下 对转炉炉衬的侵蚀以及脱氧合金的消耗必然较 4 大 2 32 3 工艺改进措施工艺改进措施 从理论分析的情况看 如果能够适当提高转炉终点碳含量 达到 0 06 则终点氧含量会有较大幅度的降低 600PPm 为此 保证成品碳含量 0 06 的 任务 可以通过在转炉出钢过程中不加入脱氧合金 进而利用出钢钢流搅拌及 钢包底吹氩搅拌的动力学条件和式 2 1 2 3 的热力学化学平衡原理将钢中的碳 氧含量降低 然后在吹氩站喂入铝线对钢水进行脱氧操作 这样在保证钢中碳 含量满足要求的条件下 由于钢中的氧含量降低而节省了脱氧合金的消耗 最 后的合金化操作由于此类钢种 SPHC SPHD 等系列低碳钢 的合金化任务较轻 仅需将钢中 Mn 调整到 0 13 0 20 即可 完全可以在 LF 炉工序完成 而 不会影响生产节奏 改进前后的主要工艺要点见表 2 表表 2 2 操作工艺改进前后的方案比较操作工艺改进前后的方案比较 钢种范围主要措施改进前改进后 转炉终点碳 含量 0 05 0 06 0 08 脱氧操作转炉出钢过程中加入脱氧合金脱氧 转炉出钢过程中不加入任何合 金 在吹氩站喂入铝线脱氧 SPHC SPHD 等系 列低碳钢 合金化操作 转炉出钢过程中加入脱氧合金脱氧 后加入合金化合金 在 LF 炉进行成 份微调 转炉出钢过程中不加入任何合 金 在 LF 炉进行全部合金化操 作 2 42 4 工艺改进效果工艺改进效果 2 4 12 4 1 工艺改进前后的转炉终点及氩站的碳 氧含量对比工艺改进前后的转炉终点及氩站的碳 氧含量对比 通过上述工艺控制方案的改进得到了如下表所示的控制结果 表表 3 3 工艺改进前后的转炉终点及氩站的碳 氧含量对比工艺改进前后的转炉终点及氩站的碳 氧含量对比 钢种主要项目改进前改进后 转炉终点碳含量 0 03 0 05 0 06 0 08 转炉终点氧含量 PPm700 1000300 600 吹氩站碳含量 0 03 0 050 03 0 05 SPHC SPHD 等系列 低碳钢 吹氩站氧含量 PPm4 15200 400 喂铝线前 从上表中可看出 工艺方案改进后 在吹氩站获得同样合格的钢中碳含量 时 转炉终点碳含量可控制得较高些 基本上可按照普碳钢的模式操作 因此 终点氧含量较低 有利于转炉炉衬寿命的延长 同时 脱氧合金所需脱除的钢 中氧含量大大降低了 2 4 22 4 2 工艺改进前后的转炉终点渣成份对比工艺改进前后的转炉终点渣成份对比 工艺方案改进前后转炉终点渣中全铁含量的对比如下表 表表 4 4 工艺改进前后转炉终点渣中全铁含量对比工艺改进前后转炉终点渣中全铁含量对比 钢种项目改进前改进后 SPHC SPHD 等系列低 碳钢 转炉终点渣中全铁含量 15 19 13 16 5 从表中可见 采用改进后的操作模式 转炉终渣全铁含量显著降低 说明 渣中 FeO 等铁氧化物较低 既减轻了炉渣对炉衬的侵蚀程度 也减少了铁液的 过度吹损 提高了金属收得率 2 4 32 4 3 工艺改进前后对转炉炉衬侵蚀厚度对比工艺改进前后对转炉炉衬侵蚀厚度对比 工艺改进前后对炉衬厚度的测量结果如下 表表 5 5 工艺改进前后对转炉炉衬厚度侵蚀状况对比工艺改进前后对转炉炉衬厚度侵蚀状况对比 钢种项目改进前改进后备注 炉衬初始工作层厚度 mm 682670 冶炼 10 炉后炉衬工作层厚度 mm 669659 SPHC SPHD 等系 列低碳钢 冶炼 10 炉后的工作层侵蚀厚 度 mm 1311 冶炼测试的 10 炉内均未进 行溅渣护炉操作 各炉衬厚 度均为所选的同一区域内 25 个测量点的平均厚度数据 从对炉衬的侵蚀状况看 由于终点氧含量及渣中铁氧化物的降低 改进后 的方案确实对炉衬的侵蚀程度较轻 2 4 42 4 4 工艺改进前后的综合脱氧用合金工艺改进前后的综合脱氧用合金 铝合金铝合金 消耗对比消耗对比 工艺方案改进前后的综合脱氧用合金 铝合金 消耗统计结果见下表 表表 6 6 工艺改进前后脱氧合金消耗情况对比工艺改进前后脱氧合金消耗情况对比 钢种项目改进前改进后 脱氧用铝合金消耗 折算为纯铝 kg t 1 631 21 SPHC SPHD 等系列低碳钢 改进后降低 kg t 0 42 由此可见 工艺改进后采用转炉终点留碳低氧出钢 并利用在出钢过程中 的动力学条件及化学反应平衡原理使钢中的碳 氧浓度进一步降低 然后在吹 氩站进行脱氧的操作模式较在转炉拉低碳高氧后的出钢过程中进行脱氧操作能 节省约 20 的铝消耗 直接原因从表 3 的数据中可以看出 工艺方案改进后脱 氧合金所需脱除的钢中氧含量降低了很多 而且 经过生产实践 改进后的工 艺方案所生产的钢水在对钢水质量要求很严格的薄板坯连铸机上浇铸过程顺畅 成品带卷质量良好 3 3 结语结语 通过对 SPHC SPHD 等系列低碳钢实际生产工艺的分析 总结了一套更为适 用的生产方案即在转炉终点留碳低氧出钢 在出钢过程中不进行加合金操作 而采用在吹氩站进行脱氧 在 LF 炉进行合金化的生产模式替代了原来的转炉拉 低碳高氧出钢 出钢时进行脱氧及合金化操作 在 LF 炉进行成份调整的传统工 艺方案 取得了如下效果 6 1 降低了转炉终点氧含量 减少了对转炉炉衬的侵蚀 延长了炉衬的寿命 2 减少了转炉终点的过度吹损 金属收得率得到了提高 3 降低了脱氧合金的消耗 降低约 20 使生产成本显著降低 4 用于合金化的合金收得率也相应得以提高 5 工艺改进后的钢水在薄板坯连铸机上浇铸正常 最终成品带卷质量良好 参考文献参考文献 1 陈家祥 钢铁冶金学