鄧勇 ¹， 霍俊 ¹， 潘曉亮 ¹， 楊利彬 ²

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000; 2. 鋼鐵研究總院，北京 100081）

摘 要：馬鋼四鋼軋 300 t 轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)改造后，在爐役的前 1 000 爐冶煉超低碳鋼轉(zhuǎn)爐終點碳氧積均值達到了 0.001 3。 為了驗證碳氧積的真實性，通過對此爐役同期生產(chǎn)的 67 爐超低碳鋼轉(zhuǎn)爐終點鋼水及不脫氧出鋼后鋼包內(nèi)鋼水的碳、氧進行取樣驗證、轉(zhuǎn)爐吹煉至平衡時煙氣中 CO 濃度（體積含量）進行分析并通過理論計算，從理論上分析了在底吹惰性氣體強度為0.12~0.20 m³/（min·t）時可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐終點碳氧積為 0.001 3。 同時發(fā)現(xiàn)強底吹條件下生產(chǎn)超低碳鋼，轉(zhuǎn)爐出鋼過程存在著降碳增氧的現(xiàn)象，且由于出鋼過程的鋼水溫度下降，鋼包鋼水碳氧積均低于轉(zhuǎn)爐終點碳氧積。

關(guān)鍵詞：超低碳鋼；轉(zhuǎn)爐；鋼包鋼水；碳氧積

轉(zhuǎn)爐終點碳氧積是轉(zhuǎn)爐冶煉的重要技術(shù)經(jīng)濟指標，降低轉(zhuǎn)爐終點碳氧積^[1-4]意味著相同終點碳含量時， 鋼水終點活度氧會降低， 活度氧降低可以改善鋼水潔凈度、 提高合金收得率、 降低生產(chǎn)成本^[5]。 某鋼廠 300 t 轉(zhuǎn)爐在完成強底吹系統(tǒng)改造后^[6]（底吹強度大于 0.10 m³/（min·t）），在爐役前期（1 000 爐以內(nèi)）冶煉超低碳鋼時， 轉(zhuǎn)爐終點碳氧積均值為 0.001 3，指標優(yōu)于萊鋼 4# 轉(zhuǎn)爐的 0.002 3^[7]、遷鋼 2# 轉(zhuǎn)爐的 0.001 9^[8]、首鋼全爐役的 0.002 0^[5，9]、武鋼三煉鋼廠轉(zhuǎn)爐的 0.001 5~0.001 8[10]。 本文通過對67 爐超低碳鋼轉(zhuǎn)爐終點鋼水取樣研究， 并結(jié)合理論計算，以驗證轉(zhuǎn)爐終點鋼水碳氧積為真實值。

1 試驗方案

1.1 設備配置

試驗在 300 t 頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐冶煉超低碳鋼上進行，轉(zhuǎn)爐爐齡在 1 000 爐次以內(nèi)，頂吹采用變流量變槍位操作，底吹元件為外圈 8 個、內(nèi)圈 8 個共 16 個底槍。

1.2 試驗工藝

在頂吹供氧量達到總量的 70%時， 開始加大底吹惰性氣體流量，輔吹（剩余 30%的供氧量）結(jié)束后，后攪 1 min 啟動副槍 TSO 探頭測溫、定氧和取樣。 出鋼時添加小石灰，并全程底吹氬氣，出鋼結(jié)束后關(guān)閉鋼包底吹，并對鋼包內(nèi)鋼水進行測溫、定氧和取樣。吹煉后期底吹強度設定及鋼水溫度控制如表 1 所列。

1.3 檢測方法

轉(zhuǎn)爐終點碳含量采用直讀光譜法分析 TSO 鋼樣測定，終點活度氧、溫度由賀利氏的 TSO 探頭直接測定；鋼包鋼水的碳含量采用直讀光譜法分析鋼樣測定，活度氧、溫度由賀利氏的定氧探頭直接測定，通過復吹轉(zhuǎn)爐上安裝的煙氣分析儀測得轉(zhuǎn)爐內(nèi)反應產(chǎn)生煙氣 CO 體積百分含量。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 轉(zhuǎn)爐終點及鋼包鋼水

試驗爐次轉(zhuǎn)爐終點及鋼包鋼水碳、活度氧及碳氧積分布、含量如圖 1 所示，圖 1 中數(shù)據(jù)為平均值。

由圖 1 可知， 轉(zhuǎn)爐終點碳的范圍是 0.017%~0.055%，均值為 0.032%，所有試驗爐次出鋼過程中都存在著降碳的現(xiàn)象， 范圍是 0.002%~0.024%，均值為 0.009%。轉(zhuǎn)爐終點活度氧的范圍是 3.01×10^-4~8.19×10^-4，均值為 4.21×10^-4；95.5%（（64/67）×100% =95.5%） 的爐次出鋼過程增氧， 范圍是 1×10^-6~ 3.61×10^-4，均值為 1.01×10^-4，大部分爐次出鋼過程氧含量增加。 轉(zhuǎn)爐終點碳氧積的范圍是 0.000 75~ 0.001 90，均值為 0.001 31，鋼包鋼水碳氧積的范圍是 0.000 49~0.001 90，均值為 0.001 16；當轉(zhuǎn)爐終點鋼水 [C]＜0.030%時， 轉(zhuǎn)爐終點碳氧積的均值為0.001 10；當轉(zhuǎn)爐終點鋼水[C]≥0.030%時，轉(zhuǎn)爐終點碳氧積的均值為 0.001 50，可知隨著轉(zhuǎn)爐終點碳含量降低，轉(zhuǎn)爐終點碳氧積隨之降低。

2.2 煙氣中 CO 體積分數(shù)

在 底 吹 強 度 為 0.05 m³/（min·t） （ 模 式 1） 及0.12 m³/（min·t）（模式 2）下，根據(jù)煙氣分析儀測得的鋼水吹煉過程中煙氣中 CO 含量，其變化情況如圖 2 所示。

由圖 2 可知，轉(zhuǎn)爐吹煉平臺期，隨著底吹強度由 0.05 m³/（min·t）提升至 0.12 m³/（min·t）后，轉(zhuǎn)爐爐氣中的 CO 體積分數(shù)由 0 升高至 60%， 對應的CO 分壓也就相應由 81.06 kPa 降低至 48.64 kPa。

2.3 熱力學計算

轉(zhuǎn)爐終點碳氧平衡時，反應式為：

[C] +[O]=CO（g）

lg K=1168/T+2.07 （1）

K=p（CO)/（w（C）·w（O）） （2）

式（1）、式（2）中：K 為平衡常數(shù)；T 為溫度，K；p（CO）為 CO 分壓與標準大氣壓的比值；w（C）·w（O）為熔池中的碳和氧的質(zhì)量濃度，%。

1）當轉(zhuǎn)爐終點 T₁=1 943 K 時，K₁=467.74，綜合轉(zhuǎn)爐終點碳氧積為 0.001 3、 K₁ 值及式（2）， 可得p（CO）1=0.61；

2）當鋼包鋼水溫度為 T2=1 893 K 時，K2=489.78，綜合鋼包鋼水碳氧積為 0.001 1、K2 值及式 （2），可得 p（CO）2=0.59。

從轉(zhuǎn)爐吹煉至終點到鋼水出鋼結(jié)束，隨著出鋼過程鋼水溫度降低，平衡常數(shù) K 逐漸降低，無論按轉(zhuǎn)爐終點碳氧積還是鋼包鋼水碳氧積計算，都可得出當時的 p（CO）約為 46.64 kPa。

當爐內(nèi)鋼水反應平衡時，可將此時的環(huán)境看成理想的敞開容器，爐內(nèi)氣體總壓為 101.325 kPa，根據(jù) CO 體積含量占煙氣總量及道爾頓分壓定律，混合氣體的分壓與各氣體的體積含量比例成正比，可知當 CO 體積含量占爐內(nèi)總氣體量的 60%左右時，即 p （CO）=0.60 左右， 可實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐終點碳氧積為0.001 3。 而圖 2 煙氣分析儀測得吹煉平衡時 CO 體積含量也驗證了以上推斷的正確性。

2.4 底吹強度對 p（CO）的影響

脫碳反應屬于一級反應，各時刻的碳含量與時間呈指數(shù)關(guān)系，即

d_c/d_t=-k×t, C=C₀exp（-k×t） （3）

式（3）中：k 為表觀脫碳常數(shù) min^-1；d_c 為初始脫碳速率 ， %/min；d_t 為 t 時脫碳速率，%/min；t 為時間，min；C 為某時刻碳含量，%；C0 為初始碳含量，%。根據(jù)式（3）求得在底吹強度為 0.12 m³/（min·t）輔吹時脫碳速率和表觀脫碳常數(shù)，見表 2。

頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐熔池內(nèi)底吹氣體和脫碳形成的CO 氣體混合氣體中的 CO 分壓為^[11]：

式（4）中：Q（CO），Q（Ar）分別為 Ar 及 CO 氣體的流量（標態(tài)），m3 /s；p 為總壓，101.325 kPa。

由 熔 池 內(nèi) 碳 氧 反 應 求 得 CO 氣 體 的 流量 Q （CO）為：

式 （5） 中：Vm 為鋼液的體積，m³；ρm 為鋼液的密度，kg/m³；M（C）為碳的摩爾質(zhì)量，kg/mol；t 為反應時間，min；w（C）為熔池碳含量，%。聯(lián)立式（4）和式（5），將表 3 中的脫碳速率和 Vm、ρm 數(shù)值代入式（4），可知底吹強度為 0.12 m³/（min·t） 的 p （CO）/p₀ 為 0.59， p₀ 為標準大氣壓，101.325 kPa，如表 3 所列。

鋼水混勻所需時間減少，碳氧反應更接近平衡狀態(tài)， 鋼水在更低的碳含量下才處于過氧化狀態(tài)；鋼水在停止供氧后，繼續(xù)保持一定的底吹強度，p（CO）及鋼水活度氧會進一步降低。

3 結(jié) 論

1） 某鋼廠 300 t 轉(zhuǎn)爐爐役前期（1 000 爐）冶煉超低碳鋼在底吹強度為 0.12 m³/（min·t）時，可實現(xiàn) 轉(zhuǎn)爐終點碳氧積均值為 0.001 31，鋼包鋼水碳氧積的均值為 0.001 16； 在出鋼的過程中存在著降碳、增氧的現(xiàn)象。

2） 根據(jù)理論計算及煙氣分析系統(tǒng)測得的轉(zhuǎn)爐吹煉至平衡時 CO 的體積含量為 60%、即 CO 分壓為 0.60，轉(zhuǎn)爐終點溫度為 1 943 K 時，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐終點碳氧積為 0.001 3。

3） 隨著底吹強度的提高， 碳氧反應更接近平衡狀態(tài)， 鋼水在更低的碳含量下才處于過氧化狀態(tài)，且鋼水在停止供氧后，繼續(xù)保持一定的底吹強度，CO 分壓有進一步降低的趨勢。

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