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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：低碳钢工艺改进铝消耗炉衬寿命收得率

Process Improvement of Low Carbon Steel Grade for Convertor

Zhang Honggang

Technology Center of Tonghua Iron & Steel Co.,LTD

Abstract：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.

Key words：low carbon steel grade, processing improvement, aluminum alloy,

consumption, yield

1 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

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 工艺改进

2.1 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1 SPHC、SPHD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 0.13～0.20 0.007～0.01 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。

2.2 工艺改进理论分析

2.2.1 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)

lg K = 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]。

2.2.2 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) lg K = 1160/T + 2.003 (2-4)

K = P

CO /a

[C]

[O]

= P CO/[C][O]f C f O (2-5)

式中：

K ：反应的平衡常数，mol/l；

T ：热力学开式温度，K；

：CO分压，kPa；

[C]

：[C]活度，mol/l；

[O]

：[O]活度，mol/l；

[C] ：[C]浓度，mol/l；

[O] ：[O]浓度，mol/l；

：[C]活度系数；

：[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f

C =f

=1，即在

=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]。

2.2.3 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大。

2.3 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2 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

SPHC、SPHD等系列

低碳钢转炉终点碳

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

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

2.4 工艺改进效果

2.4.1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3 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

SPHC、SPHD等系列低碳钢转炉终点碳含量，% 0.03～0.05 0.06-0.08

转炉终点氧含量，PPm 700～1000 300～600

吹氩站碳含量，% 0.03～0.05 0.03～0.05

吹氩站氧含量，PPm 4～15 200～400(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。

2.4.2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4 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 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。

2.4.3工艺改进前后对转炉炉衬侵蚀厚度对比

工艺改进前后对炉衬厚度的测量结果如下：

表5 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

SPHC、SPHD等系列

低碳钢炉衬初始工作层厚度，mm 682 670

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。

冶炼10炉后炉衬工作层厚度，

669 659

冶炼10炉后的工作层侵蚀厚

度，mm

13 11

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。

2.4.4工艺改进前后的综合脱氧用合金(铝合金)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6 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

SPHC、SPHD等系列低碳钢脱氧用铝合金消耗(折算为纯铝)，

kg/t

1.63 1.21 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 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：

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

[1] 陈家祥. 钢铁冶金学(炼钢部分)，北京：冶金工业出版社，1995，75～84.

[2] 杨吉春，罗果萍，董方. 钢铁冶金600问，北京：化学工业出版社，2008，192～206.

作者简介:张洪刚，2000年毕业于包头钢铁学院钢铁冶金系，本科学历，2009年7月获东北大学冶金工程专业工程硕士学位，现任通钢股份公司技术中心冶金技术科炼钢专责工程师，从事炼钢专业技术工作，职称：工程师，手机：138********，座机：0435-*******、E-mail：543363610@https://www.wendangku.net/doc/a211005004.html,，邮编：134003，通讯地址：吉林省通化市二道江区1号门，通化钢铁股份公司技术中心。