转炉高拉碳技术在45-L钢开发中的应用

尹建妙

（天津天铁冶金集团有限公司炼钢厂，河北涉县056404）

转炉高拉碳技术在45-L钢开发中的应用

尹建妙

（天津天铁冶金集团有限公司炼钢厂，河北涉县056404）

将高拉碳技术应用于45-L钢的新品种开发中，对转炉造渣制度、供氧制度、出钢挡渣工艺、终点控制工艺等进行了一系列优化，并进行降低系统温降技术研究，提高了各环节对磷的控制水平，使钢的洁净度水平明显提高，终点碳含量全部达到≥0.10%的控制标准，吨钢合金消耗成本降低了32余元，为更高端产品的开发提供了有利的技术支持。

转炉；高拉碳；中碳钢；碳含量

1 引言

为适应市场发展形势，促进天铁棒线厂产品结构调整，创造效益增长点，公司决定开发45#硬线盘条产品。该钢种要求钢水纯净度高、非金属夹杂物含量低、铸坯全氧含量低，对生产工艺控制要求较高。炼钢厂根据自身的生产条件，对转炉造渣制度、供氧制度、出钢挡渣工艺、终点控制工艺等进行了一系列优化，并开展降低系统温降技术攻关，提高了各环节对磷的控制水平，为实现转炉高拉碳操作奠定了基础。2014年7月，高拉碳技术在45-L中碳钢生产上应用，终点碳含量全部达到≥0．10%的控制标准，钢的洁净度水平明显提高，高拉碳法冶炼为开发更高端产品提供了有利的技术支持。

2 高拉碳脱磷理论分析

在转炉炼钢工艺中，出于对钢水洁净度、金属收得率、转炉炉衬及钢种要求的考虑，应尽可能地提高吹炼终点钢水的碳含量。但现有炼钢工艺条件下，因转炉吹炼脱碳和脱磷任务相互矛盾，提高终点钢水碳含量就意味着要承担磷含量升高甚至出格的风险。转炉终点钢水碳含量的控制主要受脱磷效果的制约，要提高终点钢水碳含量就必须要进一步提高吹炼全程的脱磷效果；又因转炉出钢过程均存在不同程度的下渣而产生回磷现象，也需采取措施控制下渣量以减少回磷；脱磷反应是强烈的放热反应，因而若吹炼终点炉温过高，反应则向逆反应方向进行，钢中磷含量不仅不能降低，反而会产生回磷。

在转炉炼钢环境中，磷的氧化由以下环节组成：

在钢渣界面上反应为：

在与渣相相邻的金属相一侧内反应为：

在与金属相相邻的渣相一侧内反应为：

总反应可描述为：

因脱磷为强烈的放热反应，因而低炉温有利于反应的正向进行，但从动力学角度看，低硅、低温又不利于化渣，若化渣不利反而阻碍磷的脱除。由此得出脱磷的条件是：高碱度、高氧化铁含量、良好的炉渣流动性；充分的熔池搅拌；适当的温度和大渣量。

从脱磷反应来看，凡是有利于逆向反应的条件都会造成钢的回磷。如炉渣的碱度或氧化铁含量降低，或石灰渣化不好炉渣黏，或炉温过高等，均会引起回磷现象；出钢过程中由于脱氧合金加入不当，或出钢下渣，或合金中磷含量较高等因素，也会导致成品钢中P含量高于终点[P]含量。由于脱氧、熔渣碱度、FeO含量降低，钢包内有回磷现象。

3 转炉冶炼条件

单一氧气顶吹转炉，吹炼终点钢水[C]、[O]约为0.002 8。

铁水比：92%～96%；铁水温度：1 260～1 300℃；入炉铁水成分见表1。

表1 入炉铁水成分/%

造渣工艺：留渣＋单渣法；造渣料：石灰、轻烧白云石、烧结矿、氧化铁皮、回收渣钢等。石灰质量见表2。

表2 石灰质量

供氧强度：3．4～3．8 m3/t·min；供氧时间：11～13 min/炉；喷头主要设计参数：四孔、喷孔夹角12°、喉口直径27 mm、出口直径35 mm。

出钢口出钢时间：1′20″～3′20″；挡渣帽＋挡渣球双挡渣出钢。

4 技术措施

4．1 优化转炉供氧吹炼工艺

4．1．1 优化造渣制度

因天铁炼钢厂转炉装入废钢比较低，供氧吹炼3 min后炉温即可升至1 420℃以上，导致最佳脱磷温度持续时间较短。为此将转炉吹炼前期烧结矿、氧化铁皮等冷却剂加入量由200～400 kg增加到了700～1 000 kg，并试验了兑铁前先向炉内加入适量石灰和烧结矿预造渣的新工艺。通过大幅增加冷却剂用量和改变辅料加入工艺，前期熔池温度进一步降低，炉渣低温泡沫化程度进一步提高，从而使前期脱磷热力学条件得到有效改善。

使用无氟化渣剂助熔。无氟化渣剂主要成分为Al2O3、Fe2O3和SiO2，吨钢加入量小于5 kg，在吹炼前期和遇炉渣“返干”时加入。吹炼前期配合烧结矿、氧化铁皮等含铁物料使用，可使起渣时间缩短10～20 s；因无氟化渣剂具有良好的自熔性和和持久的助熔效果，不仅可有效缩短炉渣“返干”时间，还可保持终渣的均匀稳定。通过使用无氟化渣剂助熔，转炉吹炼各期炉渣流动性均有了一定改善，为提高吹炼脱磷效果进一步创造了条件。

4．1．2 优化供氧制度

吹炼前期低枪位操作。供氧开吹1 min左右，待炉渣初步渣化后，及时降低枪位至拉碳枪位＋100～200 mm处，并保持3．8 m3/t·min高的供氧强度，增加氧射流对熔池的冲击深度和冲击动能，加速铁水中的磷元素向渣-钢界面的扩散，提高其与渣中（FeO）的反应速率，改善脱磷动力学条件。

吹炼全程采用“高→中→高”的供氧强度和“高→低→高→低”的枪位控制模式。吹炼中期供氧强度控制在3．4～3．6 m3/t·min，可保持脱碳反应的平稳进行；吹炼终点拉碳前适当提高枪位操作，进一步提高渣中（FeO）含量和炉渣的流动性，以改善高拉碳条件下终渣的流动性。

4．1．3 终点高拉补吹技术应用

生产实践中，在生产磷含量小于0．020%以下的钢种时，即使采用了留渣加双渣的冶炼工艺，转炉吹炼终点钢水磷含量也有相当一部分炉次难以在一次倒炉的条件下达到0．012%以下的控制要求。针对此问题，应用了吹炼终点高拉补吹操作的工艺。在碳高停吹状态下，钢水中的碳将与渣中的氧化亚铁发生激烈反应，所产生的CO气体将搅动整个液渣层，甚者可使炉渣涌出炉口，从而使钢-渣界面反应动力学条件得到改善；补吹操作时，氧射流冲击炉渣使其进一步渣化，渣中氧化亚铁含量进一步升高，钢水脱磷反应继续进行。

高拉补吹脱磷效果随补吹时间的延长而提高，为此实施了依据装入量定点拉碳的操作，要求吹炼至600～630 s即提枪停吹，使第一次倒炉钢水碳含量达到0．30%以上；补吹时再综合考虑倒炉钢水碳含量、温度和炉渣流动性后加入适量冷却剂或助熔剂，以实现对终点钢水成分、温度和炉渣等良好的整体控制。生产实践表明，高拉补吹后钢水磷含量可降低0．002%～0．004%，即总体脱磷率提高了2%～4%。

4.2 回磷控制

4．2．1 出钢挡渣工艺优化

使用挡渣塞代替挡渣帽挡渣出钢，使出钢见流位置接近于与钢包垂直，有效减少了出钢前期下渣量；出钢后期使用挡渣标代替挡渣球挡渣，挡渣成功率由原不足85%提高到了95%以上，加之挡渣标有较长时间的悬浮排渣作用，出钢过程下渣量也相应降低了20%左右。出钢挡渣工艺优化后，钢水回磷质量分数由原（30～40）×10-6降低到了（10～20）×10-6。

4．2．2 出钢口及出钢操作

转炉出钢过程的下渣量约占总下渣量的50%以上，出钢口出钢时间短或出钢跟炉操作不及时则更易卷渣。为此制定了以下规范：将出钢口出钢时间下限由原80 s调整到100 s，低于此值需立即进行套砖操作；在冶炼磷含量小于0．025%以下的钢种时，则要求出钢时间达到2 min以上，再严格的钢种则需新套出钢口后方可冶炼；出钢时设专人盯炉口并指挥跟炉。

4．2．3 下渣炉次处理

出钢挡渣失败的炉次，钢水回磷量可达0．008%左右，过LF炉精炼钢种可高达0．015%以上。遇大量下渣的炉次，采取了增加精炼石灰加入量100～150 kg的措施，通过增加顶渣碱度可有效抑制回磷，使回磷量可控制在0．008%以下的可控范围；另外，在条件允许的情况下，采取折包处理也可较大程度减轻回磷量。

4.3 降低系统温降

为实现高拉碳操作和防止精炼电耗提高，开展了降低系统温降的攻关活动，以确保连铸中包黑液面浇注和努力实现单座铸机三个大包在线周转（非精炼钢），非精炼钢、精炼钢钢水浇注过程大、中包温降由原高于65℃和50℃降低到了45℃和35℃以下，使得转炉出钢温度有效满足了高拉碳条件下控磷所需的技术条件。

5 试制效果

2014年7月，高拉碳技术在45-L新品种开发时得到整体试用，试用效果如下。

5.1 终点成分、成品成分控制情况

终点碳、磷含量及成品磷含量见表3。

表3 终点碳、磷含量及成品磷含量/%

在采用单渣法、入炉铁水磷含量最低0．120%、石灰加入量1 200～1 500 kg/炉的条件下，转炉吹炼终点钢水C含量平均为0．17%，P含量平均为0．014%，且均达到C≥0．10%、P≤0．016%的出钢控制标准；成品P含量平均为0．020%，且均达到≤0．025%的控制标准。

5.2 钢中全氧及气体控制情况

钢中全氧含量及氮、氢气体含量见表4。

45-L钢全铝含量要求控制在0．005%以下，转炉出钢脱氧合金化时需采用无铝脱氧剂并严格控制其它合金的铝含量。要在此条件下控制钢中全氧在40×10-6以下，就需将LF炉到站钢水中的自由氧含量控制在25×10-6以下。通过转炉终点高拉碳操作，终点钢水自由氧含量可控制在120×10-6～280×10-6，较以往至少降低了300×10-6，从而确保了其后各工序的有效控制。

表4 钢中全氧含量及氮、氢气体含量/×10-6

5.3 钢中夹杂对照

金相200倍夹杂分析显示，高拉碳炉次基本无B类夹杂，且D类夹杂物等级在0．5级以下，钢的洁净度较高（见图1）；而终点碳0．05%的炉次，B类夹杂在2．0级以上，钢的洁净度较低（见图2）。

图1 夹杂200x（终点碳0.16%）

5.4 消耗对照

实施前终点碳平均为0．05%，吨钢水增0．01%碳需消耗碳粉0．12 kg，则增碳剂消耗降低：（0．17-0．05）×0．12=1．44 kg/t钢。

MnSi合金回收率提高4%～5%，按4%计入，则MnSi合金消耗降低0．45kg/t钢。

图2 夹杂200x（终点碳0.05%）

终点碳0．05%时钢水自由氧含量约为560× 10-6，而终点碳0．17%时钢水自由氧含量约为160× 10-6。每脱除100×10-6氧需消耗CaBaSi脱氧剂30 kg，则脱氧剂消耗降低：（560-160）÷100×30÷42= 2．86kg/t钢。

碳粉、MnSi合金、CaBaSi脱氧剂价格分别按照2 700元/t、6 000元/t、9 000元/t计入，则吨钢合金成本综合降低：（1．44×2．7）+（0．45×6）+（2．86×9）≈32．33元。

6 结束语

应对铁水磷含量高对转炉终点碳控制所带来的不利影响，对转炉造渣制度、供氧制度、出钢挡渣工艺、终点控制工艺等进行了一系列优化，并展开降低系统温降技术攻关，进一步提高了各环节对磷的控制水平，为实现转炉高拉碳操作奠定了基础。2014年7月，高拉碳技术在45-L等新品种开发时得到初步试用，钢的洁净度水平明显提高，吨钢合金消耗成本也降低了32余元，为开发更高端产品提供了有利的技术支持。

[1]陈家祥.炼钢学原理[M].北京：冶金工业出版社，1999．

[2]纪瑞东.转炉高拉碳法冶炼中高碳钢技术 [J].世界钢铁，2013（2）：23-26.

[3]张臣，曹志众.转炉冶炼中碳钢高拉碳工艺的生产实践[J].本钢技术，2010（6）：16-19.

Application of Converter Catch Carbon Technology in 45-L Steel Development

YIN Jian-miao
(Steel-making Plant,Tianjin Tiantie Metallurgical Group Co．,Ltd．,She County, Hebei Province 056404,China)

Catch carbon technology was applied to the development of 45-L steel,a new grade．A series of optimization were carried out on converter slag building system,oxygen supply system,tapping slag retaining process and endpoint control process．Study was made on system temperature reduction technology．Consequently,the control level at all processes over phosphorous was improved and the level of steel cleanliness increased prominently．Endpoint carbon contents all reached a control standard of≥0．10%．The cost of alloy consumption was reduced by more than 32 RMB for each ton of steel．Favorable technical support was provided for the development of higher grade product．

converter;catch carbon;medium carbon steel;carbon content

10．3969/j．issn．1006-110X．2015．03．001

2015-01-08

2015-02-03

尹建妙（1971—），女，工程师，主要从事转炉炼钢技术管理工作。