洪陸闊，艾立群，孫彩嬌

（河北聯(lián)合大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山063009）

當(dāng)今世界越來越多的鋼鐵企業(yè)投入大量的時間和金錢，用來培養(yǎng)生產(chǎn)經(jīng)驗幾乎為零的大學(xué)生，而且大部分的高校、研究院的培養(yǎng)方式過于單一，不能使學(xué)習(xí)者很好的將理論與實踐相結(jié)合，為了解決鋼鐵行業(yè)人才培養(yǎng)和再教育資源的問題，盡量降低人才培養(yǎng)的成本，國際鋼鐵大學(xué)開發(fā)出一套互聯(lián)網(wǎng)模擬煉鋼系統(tǒng)——鋼鐵大學(xué)網(wǎng)站（http：／／www.steeluniversity.org）［1］。

國際鋼鐵協(xié)會希望通過這個平臺激發(fā)學(xué)習(xí)者對生產(chǎn)實踐更多的認(rèn)識和想法，同時使傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)得到有益的補充，為學(xué)習(xí)者展現(xiàn)生產(chǎn)的工藝過程，使理論與時間更好的結(jié)合，打破傳統(tǒng)教學(xué)的單一化。

鋼鐵大學(xué)網(wǎng)站將鋼的加工處理過程分為6個模塊：高爐煉鐵、電爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼、爐外精煉、連鑄、熱軋。其中轉(zhuǎn)爐煉鋼模塊包括了許多不同的鋼種，可以模擬不同鋼種的冶煉過程：普通建筑用鋼、超低碳鋼、管線鋼、工程用鋼［2］。

轉(zhuǎn)爐煉鋼在我國鋼鐵生產(chǎn)中占有重要的地位，而伴隨著石油、天然氣工業(yè)的飛速發(fā)展，管線鋼的需求量日益增加，轉(zhuǎn)爐模擬冶煉管線鋼逐漸受到了人們的關(guān)注。

在模擬中，學(xué)習(xí)者將作為負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)爐操作的冶金專家，決定入爐鐵水、廢鋼、渣料的重量，通過控制氧槍槍位、供氧強度、渣料加入量和加入時間等參數(shù)進(jìn)行冶煉操作，使之達(dá)到合適的出鋼溫度和出鋼成分。

1 原料條件及冶煉出鋼要求

鋼鐵大學(xué)網(wǎng)站對于管線鋼冶煉的鐵水條件和要求的出鋼成分參數(shù)如表1。

表1 管線鋼出鋼成分要求及鐵水條件參數(shù)

冶煉所需各原料成分及成本如表2。

從表1中可以看出鐵水條件較好，S含量已處于較低水平，脫S任務(wù)可以放到精煉爐中進(jìn)行，在轉(zhuǎn)爐冶煉中主要進(jìn)行脫碳、脫磷、提高溫度等冶煉任務(wù)。

從表2中可以看出廢鋼中P含量較低，轉(zhuǎn)爐公稱容量一定，在保證冶煉終點溫度合格的情況下可以通過加入廢鋼使熔池中鋼液中的碳、硫、磷等含量降低，節(jié)約冶煉成本，減輕冶煉任務(wù)。重型廢鋼與輕型廢鋼成分相同，而重型廢鋼價格更為便宜，選擇原料時應(yīng)更多的選擇重型廢鋼。

表2 原料成分及成本

2 裝料制度

裝入量是指轉(zhuǎn)爐冶煉中每爐次裝入的金屬料總重量，它主要包括鐵水和廢鋼量。鋼鐵大學(xué)網(wǎng)站規(guī)定轉(zhuǎn)爐煉鋼鐵水和廢鋼裝入量約250噸。

2.1 鐵水廢鋼裝入比

從理論上講鐵水、廢鋼裝入比，應(yīng)根據(jù)熱平衡計算確定。但在模擬冶煉條件下，一些必須參數(shù)只能定量估計，不能準(zhǔn)確獲得數(shù)值，所以只能根據(jù)鐵水成分、溫度、廢鋼成分等參數(shù)和模擬冶煉經(jīng)驗確定鐵水配入的下限和廢鋼配入的上限值。根據(jù)大多數(shù)模擬經(jīng)驗鐵水配入比一般波動在90%～96%之間。

2.2 原料輸入界面

進(jìn)入轉(zhuǎn)爐煉鋼界面，選擇所煉目標(biāo)鋼種后進(jìn)入原料輸入界面，如圖1。

圖1 原料輸入界面

在原料輸入界面，可以選擇所需原料，并顯示其成本和輸入所有原料的總成本、所冶煉的目標(biāo)鋼種和出鋼條件、入爐鐵水溫度和底吹攪拌氣體流量。由于選擇最大供氧強度，熔池已有足夠攪拌強度，底吹氣體流量可調(diào)至最低。

在原料界面輸入完所需參數(shù)后，下一步進(jìn)入自動兌入鐵水動畫，之后進(jìn)入模擬冶煉界面，一旦模擬開始，通過屏幕左下角的相關(guān)鍵可以進(jìn)行：加料、查看即時鋼液成分、事件記錄、查看碳含量路徑圖（即碳含量、溫度和時間的結(jié)構(gòu)圖）、取樣分析、查看即時渣成分。模擬速度可以在1至32倍之間選擇，在模擬過程中的任意時刻都可以改變。但是，當(dāng)有重要事故發(fā)生時（例如爐口溢渣）模擬速度會自動調(diào)節(jié)到1。

3 冶煉工藝分析

冶煉操作基本參數(shù)如表3所示：

表3 基本操作參數(shù)

3.1 供氧制度

供氧制度是在供氧噴頭結(jié)構(gòu)一定的條件下使氧氣射流最合理的供給熔池，創(chuàng)造爐內(nèi)良好的物理化學(xué)條件。制定合理的供氧制度可以保證迅速的化渣、去除雜質(zhì)、使熔池迅速的升溫、避免噴濺、控制終點達(dá)到成分溫度雙命中。供氧制度需要考慮噴頭結(jié)構(gòu)、供氧壓力、供氧強度和氧槍槍位等因素，模擬中噴頭結(jié)構(gòu)和供氧壓力都是一定的，只需考慮供氧強度和氧槍槍位兩個因素。

供氧強度指單位時間熔池內(nèi)每噸金屬的供氧量，供氧強度大小主要受爐內(nèi)噴濺影響，通常在不造成噴濺情況下可盡量使用較大的供氧強度，達(dá)到迅速脫碳升溫目的。模擬中最大供氧強度為3m3／min˙t［3］。

目前氧槍操作有兩種類型，恒壓變槍操作和恒槍變壓操作，由于模擬中氧壓是給定不變的，所以采用恒壓變槍操作［4］。

當(dāng)供氧壓力一定時，槍位越低，氧氣射流對熔池的沖擊動能就越大，熔池攪拌越強，氧氣利用率就越高，越有利于加速爐內(nèi)脫硅、脫碳等反映。又由于脫碳速度加快使得縮短了反應(yīng)時間，熱損失相對減少，有利于降低冶煉成本。但槍位過低，不利于快速成渣，槍位過高，會導(dǎo)致氧氣射流對熔池的攪拌能力減弱，造成表面鐵的氧化，使?fàn)t渣中（FeO）含量增加，導(dǎo)致爐渣嚴(yán)重泡沫化引起噴濺或爐口溢渣。由此可知，只有合適槍位才能獲得理想的吹煉效果。

模擬中，鐵水條件：C 4.5%，Si 0.4%，Mn 0.5%，P 0.08%，S 0.02%。根據(jù)鐵水成分，冶煉中主要任務(wù)是脫碳去磷，又由于鐵水溫度較高、渣料在吹煉前期加入，開吹時采用高槍位化渣，促進(jìn)石灰熔化，盡快形成高堿度爐渣，增大前期脫磷效率。在爐渣化好后降槍脫碳，為避免碳氧反應(yīng)劇烈時期爐渣返干，適時提高搶位，保持爐渣中（FeO）含量在10%左右，防止出現(xiàn)回磷現(xiàn)象。到吹煉末期，適當(dāng)降低槍位加強熔池攪拌，繼續(xù)脫碳同時均勻熔池成分和溫度，避免終渣（FeO）含量過高。

采用高—高—低—高—低多段式氧槍操作，其槍位變化如圖2：

圖2 槍位變化

3.2 造渣制度

造渣制度就是根據(jù)原材料和冶煉鋼種要求確定造渣方法、渣料加入數(shù)量和加入時間。在模擬吹煉過程中不倒渣，即采用單渣法操作。

3.2.1 白云石造渣

白云石應(yīng)在開吹時就加入爐內(nèi)，以增加初期渣中MgO含量，可在CaO－SiO2－FeO渣系中形成一些低熔點含Mg礦物質(zhì)，降低爐渣熔化溫度和粘度，有利于快速成渣。初期渣中含有MgO，可以有效減緩石灰表面形成高熔點的2CaO˙SiO2外殼層，有利于加快石灰的溶解。

3.2.2 渣料加入量計算［5］

冶煉所需渣料主要為石灰和白云石。

石灰加入量主要根據(jù)鐵水的Si、P含量以及爐渣的堿度來確定。由于鐵水含P、S量較低，爐渣堿度可控制在2.5～3.0。

鐵水中P（0.08%）含量較低，確定石灰用量只需考慮Si含量，可用以下公式計算：

式中：B—堿度，CaO／SiO2；

%CaO有效—石灰中有效CaO含量，%CaO有效＝%CaO石灰－B%SiO2石灰；

2.14—SiO／Si的分子量之比。

白云石加入量應(yīng)根據(jù)爐渣中所要求的MgO含量來確定，一般爐渣中MgO含量控制在6～8%即可。爐渣中的MgO含量主要由白云石帶入，由于爐渣中MgO控制的含量比較少，故還應(yīng)考慮石灰中帶入的MgO的影響。

白云石理論加入量W白（kg／t）

式中：%MgO白—白云石中MgO含量。

白云石實際加入量（W＇白）應(yīng)減去石灰中帶入的MgO量這算成白云石的數(shù)量（W石）。W＇白＝W白－W石

式中：59.5%—白云石中CaO的含量；

94.9%—石灰中CaO的含量。

3.2.3 渣料加入時間

渣料的加入時間對化渣速度有著直接的影響，模擬中渣料可分兩批加入，第一批渣料在原料選擇界面加入，加入量約為總渣量的1／2～2／3，為增加初期渣中MgO含量，利于早化渣，將白云石全部加入。當(dāng)Si、Mn氧化基本結(jié)束，第一批渣料基本化好后，將剩下的渣料全部加入。

3.3 溫度制度

溫度制度指過程溫度和終點溫度的控制。控制好過程溫度，有利于快速化渣和脫磷，也有利于控制終點溫度。任何鋼種對出鋼溫度都有著嚴(yán)格的要求，在模擬中要求出鋼溫度在1655～1685℃之間，出鋼過程中

式中：W—石灰加入量；

1.8%—石灰中MgO含量；

38.5%—白云石中Mg O含量。

同理，實際石灰加入量W＇：石灰加入量W減去實際白云石帶入渣中CaO拆算石灰的數(shù)量。大概有9℃的溫吹降，所以至少要保證鋼水達(dá)到1664℃再進(jìn)行提槍倒?fàn)t出鋼。如果出鋼溫度過低，會造成鋼包粘鋼，澆注時水口結(jié)瘤甚至造成回爐事故。出鋼溫度過高，不僅會增加鐵的燒損，浪費熱量，增加冶煉成本，還會增加鋼中夾雜物和氣體的含量，影響鋼材的質(zhì)量。因此，溫度控制是轉(zhuǎn)爐冶煉的重要環(huán)節(jié)之一。

3.3.1 熱量來源

氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的熱量來源主要是鐵水的物理熱和化學(xué)熱。物理熱是指鐵水帶入的熱量，它與鐵水的溫度有直接的關(guān)系，鐵水溫度在1200～1400℃之間可以選擇，為節(jié)約冶煉成本入爐鐵水溫度選擇最大?；瘜W(xué)熱是鐵水中各元素氧化后放出的熱量，它與鐵水化學(xué)成分直接的關(guān)系。

3.3.2 鐵礦石的冷卻效應(yīng)

冷卻效應(yīng)指加熱冷卻劑到熔池溫度所消耗的物理熱和冷卻劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所消耗的化學(xué)熱之和，即

Q物與冷卻劑的物理性質(zhì)和熔池溫度有關(guān)，計算公式如下：

式中：CL、Cs—分別為液態(tài)和固態(tài)的熱容，kJ／kg˙K；

T、Tf—分別熔池溫度和為冷卻劑的熔點，K；Qf—為冷卻劑的熔化潛熱，kJ／kg。

取鐵礦石的CL、Cs為1.05 kJ／kg˙K，熔化潛熱Qf為209.34 kJ／kg，可得到其物理吸熱：

Q化與冷卻劑的化學(xué)成分和性質(zhì)有關(guān)。鐵礦石中的氧化物主要是FeO，忽略鐵礦石中其他氧化物的影響，取FeO的化學(xué)熱為36.93kJ／kg，則：Q化＝36.93FeO%

可得到鐵礦石的冷卻效應(yīng)為：Q礦＝36.93FeO%＋20.34＋1.05T

3.3.3 熔池溫度的變化

轉(zhuǎn)爐吹煉過程中熔池溫度的變化與發(fā)熱元素的氧化放熱和渣料和冷卻劑的加入量有關(guān)，為合理的控制冶煉溫度，準(zhǔn)確的達(dá)到出鋼溫度，需要考慮以下幾點：

I、在沒有攪拌沒有吹氧的情況下，鋼水平均每分鐘大約降低1～2℃。

II、對大部分渣料來說，每添加1噸會給鋼水帶來5℃左右的溫降。

III、磷和硅的氧化反映是強放熱反應(yīng)，平均每噸鐵水每含0.1%的磷或硅元素就會使一噸鋼液產(chǎn)生26 MJ的熱量，相當(dāng)于每噸鋼液升溫3℃。

IV、由于碳的氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，每0.1%的碳會使噸鋼產(chǎn)生大約13 MJ的熱量，相當(dāng)于每噸鋼液升高1.4℃。

V、確定哪些元素是轉(zhuǎn)爐煉鋼的主要熱源，不僅要看其熱效應(yīng)的大小，還要看其氧化總量的多少。VI、增加鐵水或鋼水溫度，每噸分別需要9.0或9.4 MJ的熱量。

VII、吹煉后期熔池溫度過高會限制脫磷反應(yīng)的進(jìn)行，此時應(yīng)嚴(yán)格控制終點出鋼溫度。

3.3.4 碳含量與溫度、時間結(jié)構(gòu)曲線

根據(jù)碳含量與溫度、時間的結(jié)構(gòu)曲線，可以找到溫度上升的規(guī)律，其中每兩點間的時間間隔是一分鐘。

圖3 碳含量、溫度、時間關(guān)系

將圖3中每分鐘溫度變化匯集到表格中，如表4。

表4 模擬冶煉時間溫度表

由圖3中可以看出，熔池溫度上升大致可以分為三個階段，吹煉第一個階段熔池升溫速度很快，平均速度達(dá)25℃／min，這主要是因為鐵水中的硅、錳、磷等元素大量氧化放熱，使熔池迅速升溫。到吹煉第二個階段熔池升溫較為緩慢，平均速度僅為9.4℃／min，因為此階段加入第二批渣料和冷卻劑（鐵礦石）消耗一部分熔池?zé)崃?，雖然此階段熔池中碳大量氧化放熱，但產(chǎn)生大量的煙氣帶走大量的熱量，使熔池升溫較慢。第三階段碳氧反映接近后期，部分鐵氧化，渣中FeO上升，產(chǎn)生的煙氣量大量減少，冷卻劑已基本熔化，升溫速度比第二階段略高，其平均升溫速度為12.8℃／min。

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)統(tǒng)計，可以得到每個階段的溫度變化回歸方程：

在模擬中，由于不同的操作人員操作習(xí)慣不盡相同，得到的回歸方程也略有不同，吹煉第二階段升溫速度較為平緩，可在此階段末期找個便于判斷溫度是否不足的標(biāo)志點，判斷升溫速度是否合理，例如：第二階段末期當(dāng)熔池中碳含量在1.0%時，熔池溫度最好不低于1600℃，若不足應(yīng)立刻降槍強吹，使溫度變化方程在第三階段恢復(fù)正常。

4 高供氧強度下脫碳速度

在其他操作參數(shù)均相同，供氧強度分別為3.0m3／min˙t和2.73m3／min˙t下的模擬結(jié)果，如圖4、圖5。

由圖4可知在供氧強度為3.0m3／min˙t下，吹煉開始5 min內(nèi)，由于硅、錳等元素氧化消耗了一部分的氧氣，平均脫碳速度為0.2%C／min。隨著硅、錳等元素的降低，吹煉5 min后碳開始大量氧化，此時熔池內(nèi)以碳氧反應(yīng)為主，脫碳速度主要取決于供氧強度，模擬中采取高供氧強度，直到吹煉末期脫碳速度較快，平均脫碳速度為0.24%C／min。

在供氧強度為2.7m3／min／t下，吹煉開始6 min內(nèi)，平均脫碳速度為0.18%C／min。吹煉6min后，平均脫碳速度為0.2%C／min。

在高供氧強度下，脫碳速度較快，供氧強度明顯縮短，通過對比供氧強度為3.0m3／min／t的供氧時間低于17 min，比供氧強度為2.7m3／min／t的供氧時間近少近2 min，縮短了冶煉周期。

5 吹煉過程中P含量變化規(guī)律

吹煉開始金屬液中P開始大量氧化，至5 min，熔池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)主要以脫碳為主，熔池中磷、硅已基本氧化完全，熔池溫度上升到1525℃，此時渣料已基本化好，爐渣堿度高達(dá)3.0，且爐渣具有良好的流動性，雖然爐渣中（TFe）降低至不到10%，但爐渣仍具有較好的脫磷能力，此階段平均脫磷速度為0.0018%P／min，前5min脫磷率達(dá)87.5%，此時熔池內(nèi)金屬溶液中P含量已降低至0.001%。

圖4 供氧強度為3.0m3／min／t

6 結(jié)束語

通過模擬冶煉管線鋼，使學(xué)習(xí)者能夠認(rèn)識到管線鋼在鋼鐵行業(yè)中的用途和重要性，能了解管線鋼的屬性和成分，生產(chǎn)的工藝流程，使學(xué)習(xí)者真正的體驗到現(xiàn)實中的鋼鐵生產(chǎn)過程，在模擬中，學(xué)習(xí)者會更好理解轉(zhuǎn)爐的操作過程，同時更生動詳細(xì)的告訴學(xué)習(xí)者轉(zhuǎn)爐是怎樣將鐵水吹煉成鋼水的。

圖5 供氧強度為2.7m3／min／t

［1］ 袁宇峰，柯華飛.值得關(guān)注的鋼鐵大學(xué)網(wǎng)站［J］.武鋼技術(shù)，2008（02）：46－48.

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