潘 軍1，趙 濱1，劉 威1，沈思寶1
（1．馬鞍山鋼鐵股份有限公司長材事業部，安徽 馬鞍山 243000）
摘 要：針對馬鋼65t轉爐出鋼后到站鋼水鋼包透氣磚氣量小或無底吹，無法保證鋼水成分和溫度均勻性，以及出鋼后到站鋼水溫度低于工藝要求目標范圍下限，無法滿足鑄機正常澆注對鋼水溫度要求的問題，通過向鋼包頂吹氬氣攪拌，實現均勻鋼水成分和溫度的目的，通過向鋼包頂吹氧氣，同時加入 SiFe和SiMn合金，利用氧氣與發熱元素Si和 Mn反應放熱，實現低溫鋼水在線快速提升溫度的目的。生產實踐表明：采用硅鐵合金（含硅72.5％）和硅錳合金（含硅18.64％、含錳66.6％）作為發熱劑，氧氣壓力為1.2 MPa，流量為1200Nm3／h，吹氧時間為5min時，平均升溫速率為3.55℃／min，鋼中發熱元素 Si和Mn的平均燒損率分別為0.014％／min和0.022％／min。鋼包頂吹工藝為轉爐平穩高效冶煉提供重要保障，取得了良好的使用效果。
關鍵詞：鋼包；頂吹氬；頂吹氧；化學升溫
隨著終端用戶對鋼材質量的要求越發苛刻，單從技術層面來說，鋼材質量優良主要體現在其純凈度高，各相異性小，成分偏差小等方面，鋼包吹氬攪拌是獲得高純凈度、高均勻 性、高精度鋼材，保證均衡生產的關鍵環節［1］。鋼包吹氬的形式主要有頂吹、側吹以及底吹，尤其是鋼包底吹氬，因其氬氣利用率高，攪拌效果好，并且安全性強等優點，因而得到了廣泛的應用［2－4］。
馬鞍山鋼鐵股份有限公司長材事業部（以下簡稱“馬鋼長材事業部”），在實際生產過程中，鋼包透氣磚由于受到透氣磚縫隙滲鋼、透氣磚表面粘渣以及透氣磚縫隙變小等因素影響［5］，使得進站鋼包透氣磚氣量小或無底吹，無法保證鋼水成分和溫度的均勻性。另外，由于受到鋼包熱狀態差、生產設備故障、生產組織不當等因素的影響，使得進站鋼水溫度低于工藝要求目標范圍下限，致使連澆鋼水因中包溫度低無法澆完，有時甚至會發生溫低斷澆生產事故。針對上述異常生產狀態，馬鋼長材事業部開展鋼包頂吹工藝有關研究，并提出了具體的解決措施，以期為同類型鋼鐵企業轉爐高效冶煉提供參考。
１ 工況條件
馬鋼長材事業部主要裝備有：2座70t鐵水 倒罐站、2座70t單噴石灰粉脫硫站、4座65t頂底復吹轉爐、４座吹氬合金微調站、2座70tLF鋼包精煉爐、2臺六機六流全弧形150mm×150mm 方坯連鑄機和2臺異型坯連鑄機。冶煉鋼種主要以普通碳素鋼、螺紋鋼以及低合金結構用鋼為主，其工藝流程為：轉爐冶煉→吹氬合金微調站→方坯／異型坯連鑄機。鋼包頂吹裝置結構示意圖見圖1。
針對異常生產狀況并結合冶煉工藝要求，馬鋼長材事業部在原有吹氬平臺基礎上進行技術改造，增設具有氬氧可選擇的頂吹功能裝置，可以實現鋼水頂吹氬攪拌或鋼水化學升溫。通過向鋼包頂吹氬氣，對進站鋼包透氣磚氣量小或無底吹的鋼水進行攪拌，以均勻鋼水成分 和溫度；通過向鋼包頂吹氧氣，根據冶煉鋼種所需溫度補償的要求，同時加入SiFe和SiMn合金，利用氧氣與發熱元素 Si和Mn反應放熱，對進站溫度低于工藝要求下限的鋼水進行快速升溫。
2 鋼包頂吹工藝原理
2.1 鋼包頂吹氬氣攪拌
鋼包頂吹氬氣攪拌的工藝原理是，吹入鋼中的氬氣在噴槍出口處呈囊狀，氣體上浮過程中分裂成氣泡群，在粘性摩擦作用下，氣泡群帶動鋼水由上往下作循環運動，通過傳質和傳熱達到均勻鋼水成分和溫度的目的。
2.2 鋼包頂吹氧升溫
采用硅鐵合金和硅錳合金作發熱劑，通過向鋼包頂吹氧氣，利用氧氣與發熱元素 Si和 Mn反應放熱，提升鋼水溫度，有關反應方程式如下［6，7］：
硅、錳氧化產生的化學熱對鋼水、爐渣和鋼包爐襯同時升溫。通常，爐渣與被加熱部分 爐襯均為鋼 水量的10％［8］。馬鋼長材事業部鋼包容積為70t， 平均出鋼量為65t，硅鐵合金（含硅72.5％）和硅錳合金（含硅18.64％、含錳66.6％）中硅和錳收得率分別為９０％和９５％。以硅鐵和硅錳合金發熱效率和氧氣利用率均為100％為計算依據，分別計算 要使65t鋼水溫度每升高1℃需要加入的硅鐵合金和硅錳合金的量，相關熱力學數據［9］，見表１。
由熱平衡計算公式［10］，
式（3）中：△T為升溫幅度，℃；Cp鋼水為鋼水比熱容，kj·（℃·kg）－１；Cp 爐渣 、Ｃp 包襯分別為爐渣和包襯的比熱容，kj·（℃·kg）-1；m 鋼水 、m爐渣和m包襯分別為鋼水量、爐渣量和被加熱部分包襯量，t；△ Hi 為發熱劑熱效應，kj·kg－1；qi和Yi分別為發熱劑中發熱元素含量和收得率，％。
將相關數據代入式（3）計算得到，采用硅鐵合金（含硅72.5％）和硅錳合金（含硅18.64％、含錳66.6％）作為發熱劑時，65t鋼水溫度每升高1℃需 要加入的硅鐵合金和硅錳合金的量分別為0.044kg和0.233kg。
３ 具體實施步驟
馬鋼長材事業部根據現場生產異常狀況，并結合具體鋼種冶煉工藝要求，可以靈活選擇頂吹氬攪拌或頂吹氧升溫模式，可以實現鋼水頂吹氬攪拌或鋼水化學升溫的目的。
3.1 鋼包頂吹氬攪拌
3.1.1 鋼包頂吹氬適用條件
鋼種要求：直上不微調鋼種；亮面大小：鋼水亮面直徑 D＜200mm 或無亮面。
3.1.2 鋼包頂吹氬操作
（1）頂吹氣體選擇吹氬模式，設定氬氣壓力1.4MPa，氬氣流量1600Nm3／h，將氬氧棒插入鋼水1300～1500mm深度，進行吹氬攪拌，并對鋼水進行測溫。
（2）按照普通碳素鋼系列吹氬時間4min，低合金結構鋼系列吹氬時間6min控制。
（3）吹氬結束后，再次進行測溫取樣，鋼水成分溫度符合工藝要求后，鋼包加蓋，出站連澆。
3.2 鋼包頂吹氧升溫
3.2.1 升溫條件
鋼種要 求：普通碳素鋼系列、低合金結構鋼系列；升溫幅度：低于目標范圍下限10～30 ℃；采用硅鐵（含硅72.5％）和硅錳（含硅18.64％、含錳66.6％）作為發熱劑，利用發熱元素硅、錳與氧氣反應放熱，提升鋼水溫度；頂吹氣體切換成吹氧模式，設定氧氣壓力為1.2MPa，流量為1200Nm3／h。
3.2.2 升溫幅度確定
根據到站低溫鋼水實測溫度，并根據吹氬過程鋼水溫降、補加合金熔化吸熱造成的鋼水 溫降以及出站鋼水工藝要求的目標溫度，確定升溫幅度△T ，可由下列計算公式確定：
式（4）中：△T為升溫幅度，℃；T出站為出站鋼水工藝要求目標溫度，℃；t吹氬為吹氬時間，min；v吹氬吹氬過程鋼水溫降速率，取值范圍為2～4 ℃／min；m硅鐵 、m硅錳分別為補加的硅鐵和錳鐵合金的量，kg；ａ為每補加100kg合金造成的鋼水溫降系數，取值范圍為0.02～0.04℃／kg；Ｔ進站為到站低溫鋼水溫度，℃。
3.2.3 吹氧操作
設定氧氣壓力為1.2MPa，氧氣流量為1200Nm3／h，將氬氧棒插入鋼液1300～1500mm深度向鋼水吹氧，并根據升溫幅度 △T，確定吹氧時間t升溫 ，可由下列計算公式確定。
式（5）中，t升溫為升溫時間，min；△T為升溫幅度，℃；v升溫為升溫速度，取值范圍為3.25～4.75℃／min。
3.2.4 喂絲脫氧
吹氬結束后，將氬氧棒提出鋼水，采用定氧儀對吹氧結束后鋼水定氧，根據實測鋼水氧含量、出站鋼水目標氧含量的要求，進行喂鋁絲脫氧。喂鋁絲量由下列計算公式確定：
式（６）中，L為喂鋁絲長度，m；w1［Ｏ］，w2［Ｏ］分別為鋼水出站目標氧含量和升溫后鋼水氧含量，ppm；m為鋼水量，t；b為每米鋁絲重量，取值范圍為0.15～0.25kg／m。
3.2.5 補加合金
對定氧后鋼水進行取樣，根據實測升溫后鋼水硅、錳成分以及鋼水出站目標硅、錳成分 的要求，分別補加硅鐵和硅錳合金，補加量分別由下列計算公式確定：
式（7）、式（8）中，m錳鐵 、m硅鐵分別為補加錳鐵和硅鐵合金的量，kg；w1［Mn］、w2［Mn］分別為升溫后鋼水錳含量和鋼水出站目標錳含量，％；w1［Si］、w2［Si］分別為升溫后鋼水硅含量和鋼水出站目標硅含量，％；ｍ 鋼 水 量 為鋼水量，t；66.6％為硅錳合金錳含量；95％為 錳的收得率；18.64％為硅錳合金硅含量；90％為硅的收得率；72.5％為硅鐵合金硅含量。
3.2.6 吹氬攪拌
合金補加完畢后，進行吹氬操作，吹氬時間按照普通碳素鋼系列4min，低合金結構鋼系列6min控制。
3.2.7 測溫、取樣
吹氬末期進行測溫取樣操作，確保出站鋼水成分和溫度合格。
3.2.8 鋼水出站
鋼水成分、溫度以及氧含量符合工藝要求后，鋼包加蓋，出站連澆。
4 應用效果分析
4.1 化學成分分析
以HR400B 鋼種為例，當氧氣壓力為1.2MPa，吹氧流量為1200Nm3／h時，化學升溫前后鋼水成分、溫度以及發熱元素燒損率情況統計，結果如表2所示。
由表2可以看出，采用鋼包頂吹氧化學升溫，其平均升溫速率為3.55℃／min，鋼中發熱元素Si和Mn的燒損率平均為0.014％／min和0.022％／min。
4.2 生產成本分析
以鋼水量65t，化學升溫和LF爐加熱時間分別為5min，Si和Mn的燒損率平均為0.014％／min和0.022％／min為計算依據，兩者噸鋼成本統計，結果如表3所示。由表３可以看出，采用化學升溫方法和LF爐加熱鋼水相同時間時，升溫幅度基本相當，但化學升溫噸鋼 成 本僅為LF 爐的53.8％。因此，在對低溫鋼水進行升溫處理時，化學升溫技術手段優勢明顯。
5 結論
（1）熱力學計算表明，采用硅鐵（含硅72.5％）和錳鐵（含硅18.64％、含錳66.6％）作為發熱劑，以出鋼量65t為計算依據，噸鋼鋼水每升溫1℃，需要加入的硅鐵合金和錳鐵合金的重量分別為0.044kg和0.233kg。
（2）當氧氣壓力為1.2MPa，吹氧流量為1200Nm3／h，吹氧時間為5min時，實際平均升溫速度為3.55℃／min，鋼中發熱元素Si和 Mn的平均燒損率分別為0.014％／min和0.022％／min。
（3）鋼包頂吹工藝作為一種異常生產狀態下補救手段，能有效起到均勻鋼水成分和溫度，以及對低溫鋼水化學升溫的作用，有利于轉爐高效冶煉和生產穩定順行，在同類型鋼鐵企業具有良好的推廣應用前景。
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