左 歡

（天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院，天津 300400）

針對鋼鐵行業(yè)激烈的市場競爭和原材料價(jià)格上漲，鋼鐵企業(yè)面臨的成本控制壓力不斷增大，為了占據(jù)更大的市場份額，必須在成本控制上搶得先機(jī)。因此，本文針對這一問題，在鐵水無脫硫預(yù)處理的條件下，在保證冶煉轉(zhuǎn)爐充分脫磷且脫硫的狀態(tài)基礎(chǔ)上，對中高錳鐵水轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)殘錳量的影響因素進(jìn)行分析，以降低鋼水錳合金化成本為目的，找出提高殘錳量的方法，為轉(zhuǎn)爐冶煉提高終點(diǎn)殘錳含量提供理論依據(jù)。

1 轉(zhuǎn)爐吹煉過程中錳的反應(yīng)機(jī)理

開吹點(diǎn)火后，鐵液中的錳元素先于碳元素被氧氣直接氧化，生成MnO進(jìn)入爐渣中，并放出熱量，低溫有利于該反應(yīng)（1）的進(jìn)行，生成的MnO能促進(jìn)前期化渣。

吹煉中期，碳氧反應(yīng)速率逐漸加快，爐渣中FeO減少，熔池溫度升高，反應(yīng)（2）朝著正方向進(jìn)行，前期進(jìn)入爐渣的MnO部分被還原重新返回鋼液。

吹煉后期，鋼水碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，鋼水氧化性和爐渣中的FeO因消耗減慢而增加。鋼水中的錳被重新氧化進(jìn)入爐渣中，反應(yīng)如（3）、和式（4）。

由以上反應(yīng)可知，鋼水終點(diǎn)的殘錳量取決于反應(yīng)式（2）、式（3）和式（4）[1]，理論上與鋼水氧化性、溫度、碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、爐渣中FeO含量、爐渣中MnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素有關(guān)[2]。

2 提高中高錳鐵水轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)殘錳方法設(shè)計(jì)

冶煉終點(diǎn)鋼水中錳含量的高低與鐵水中的原始錳含量有一定的關(guān)系，但是吹煉過程對冶煉工藝的控制措施是決定終點(diǎn)鋼水錳含量的重要因素。氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼的吹煉時(shí)間僅僅是十幾分鐘，在這短短的時(shí)間內(nèi)要完成造渣、脫碳、脫磷、脫硫、去氣、去除非金屬夾雜物及升溫等基本任務(wù)，還要保證終點(diǎn)鋼水的碳含量和錳含量。從以上工藝流程可以看出，煉鋼的工藝生產(chǎn)十分復(fù)雜，每一個(gè)環(huán)節(jié)對鋼水最終的質(zhì)量都有著十分重要的影響，而在工藝環(huán)節(jié)中的“終點(diǎn)鋼水含錳量”指的是中高錳鐵水轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)中的殘錳。殘錳含量的多少對鋼的質(zhì)量有著更加重要的影響，因此本文通過對上述工藝流程進(jìn)行分析，從多個(gè)不同的環(huán)節(jié)的控制，找出提高殘錳量的主要方法分為六步，分別為降低鋼水氧化性、提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度、降低轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、降低爐渣中FeO總質(zhì)量分?jǐn)?shù)、采用頂?shù)讖?fù)吹工藝、降低轉(zhuǎn)爐噸鋼爐渣量，下面對著六個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)的說明。

2.1 降低鋼水氧化性

在冶煉工藝過程中，隨著鋼水的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低，鋼水中的氧元素會(huì)呈持續(xù)增加的狀態(tài)。由反應(yīng)式（3）可知，鋼水的氧化性越高，越有利于錳的氧化，所以應(yīng)降低終點(diǎn)鋼水的氧化性以抑制錳元素的氧化。通過實(shí)踐總結(jié)得出，當(dāng)終點(diǎn)鋼水中氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)每降低6ppm～8ppm，終點(diǎn)殘錳量將增加0.01%，同時(shí)降低鋼水的氧化性能也能顯著提高鋼水的純凈度和增加金屬收得率。

2.2 提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度

反應(yīng)式（3）和式（4）從熱力學(xué)角度中分析可知，兩反應(yīng)均為吸熱反應(yīng)，當(dāng)溫度升高時(shí)，有利于反應(yīng)向逆向進(jìn)行，從而有效的提高中高錳鐵水轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)的殘錳量。為了準(zhǔn)確找提高中高錳鐵水轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)殘錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的具體溫度控制范圍，選擇三個(gè)不同溫度控制范圍的環(huán)境對殘錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行研究。

表1 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度控制范圍及終點(diǎn)錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

通過對表1冶煉終點(diǎn)的溫度控制范圍與終點(diǎn)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系可以得出，當(dāng)終點(diǎn)溫度處于較低狀態(tài)時(shí)，提升溫度有利于氧化錳的還原反應(yīng)，從而提高終點(diǎn)殘錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；而當(dāng)溫度超出了一定范圍后，反而不利于氧化錳的還原，殘錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不會(huì)隨之提高。主要原因在于，在冶煉鋼的過程中，環(huán)境條件基本保持不變的狀態(tài)下，過高的冶煉終點(diǎn)溫度會(huì)造成轉(zhuǎn)爐中爐渣和鐵水的氧化性增強(qiáng)，因而影響氧化錳的還原反應(yīng)。

2.3 降低轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

在進(jìn)行轉(zhuǎn)爐吹煉的后期階段，隨著碳元素不斷被氧化，鋼水中的錳元素會(huì)產(chǎn)生還原反應(yīng)。由氧化反應(yīng)式（3）和式（4）可以看出，當(dāng)鋼水以及轉(zhuǎn)爐中的爐渣氧化性增強(qiáng)時(shí)，會(huì)使錳的氧化反應(yīng)逐漸增強(qiáng)，最終冶煉終點(diǎn)的殘錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)受到兩種氧化反應(yīng)的平衡狀態(tài)影響[3]。

當(dāng)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，鋼水以及爐渣的氧化性會(huì)降低，從而促進(jìn)錳元素的還原反應(yīng)，進(jìn)而抑制錳元素的氧化反應(yīng)進(jìn)行，使得冶煉終點(diǎn)的殘錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增高；反之當(dāng)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，鋼水以及爐渣的氧化性會(huì)升高，從而抑制錳元素的還原反應(yīng)，進(jìn)而促進(jìn)錳元素的氧化反應(yīng)進(jìn)行，使得冶煉終點(diǎn)的殘錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。

2.4 降低爐渣中FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)

在鋼的冶煉工藝中，在碳含量相對固定的前提下，鋼水氧化性越強(qiáng)，轉(zhuǎn)爐中的爐渣氧化性越強(qiáng)。而鋼水中殘錳的提高正是通過控制鋼水氧化性從而控制爐渣的氧化性實(shí)現(xiàn)的。因此，當(dāng)金屬熔液中元素消耗氧逐漸減慢時(shí)，則表示爐渣的氧化性在逐漸增強(qiáng)，而金屬熔液中氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與鋼中含有的錳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間又有著密切的聯(lián)系。在轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，隨著熔池溫度的上升，碳的氧化進(jìn)入劇烈反應(yīng)期，爐渣中的FeO被大量消耗，鋼水的氧化性降低，有利于錳還原反應(yīng)的進(jìn)行。由轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水對爐渣中的氧化鐵的影響可以得出，當(dāng)轉(zhuǎn)爐中的爐渣氧化性能越差，則轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的鋼水含錳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高。通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出，當(dāng)轉(zhuǎn)爐爐渣中的氧化鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到原來的60%～80%時(shí)，可以將終點(diǎn)殘錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高0.3%～0.2%。

2.5 采用頂?shù)讖?fù)吹工藝

由反應(yīng)（4）可知，爐渣氧化性越強(qiáng)，越有利于錳元素的氧化，而頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐渣中（FeO）含量低于純頂吹轉(zhuǎn)爐，即鋼水中的[Mn]取決于爐渣的氧化性。

復(fù)吹轉(zhuǎn)爐的底吹工藝可以有效的提升熔池中的攪拌能力，增大氣、液、渣的反應(yīng)界面，加快反應(yīng)速率，從而促進(jìn)冶煉反應(yīng)的平衡，降低碳氧積。通過進(jìn)一步的探究得出，在相同的溫度、碳元素質(zhì)量的情況下，有轉(zhuǎn)爐底吹工藝的鋼水和爐渣的氧化性較低；而沒有轉(zhuǎn)爐底吹工藝的鋼水和爐渣更容易發(fā)生過氧化。因此，從理論的角度分析可以得出，復(fù)吹轉(zhuǎn)爐底吹工藝可以有效提高中高錳鐵水轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)殘錳。

當(dāng)鐵水條件、冶煉鋼種、終點(diǎn)控制以及操作方法均相同的狀態(tài)下，有底吹工藝的平均終點(diǎn)的殘錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于無底吹工序的平均終點(diǎn)殘錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且增長率約為0.2%～0.4%。因此，采用頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐工藝可以有效的提高中高錳鐵水轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)殘錳。頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐爐渣堿度高，自由氧化物（MnO）的活度大，鋼水殘錳增加，從而降低了Fe-Mn消耗。

2.6 降低轉(zhuǎn)爐噸鋼爐渣量

在轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，錳元素的氧化產(chǎn)物一部分要進(jìn)入爐渣中，一部分留在鋼液內(nèi)，所以要想使錳在渣鋼之間的分配比變小，減少渣量是可行的方法之一。由錳元素的還原反應(yīng)(MnO)+[C]=[Mn]+CO及上文分析可知，當(dāng)提高轉(zhuǎn)爐中爐渣的氧化錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)有利于反應(yīng)的進(jìn)行。而轉(zhuǎn)爐爐渣中氧化錳是來自于中高錳鐵水中的錳元素氧化。在各冶煉廠中，中高錳鐵水中錳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為相對穩(wěn)定的，因此要想提高轉(zhuǎn)爐爐渣中的氧化錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以通過降低轉(zhuǎn)爐噸鋼爐的渣量的方式實(shí)現(xiàn)。通過對每爐平均噸鋼的渣量與平均殘錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，降低轉(zhuǎn)爐噸鋼爐渣量能夠有效的降低轉(zhuǎn)爐爐渣中氧化錳的總量，從而降低錳在渣鋼間的分配比，有利于提高中高錳鐵水轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)殘錳。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

通過本文上述研究，得出了針對提高中高錳鐵水轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)殘錳的方法，為了使本文方法研究更加嚴(yán)謹(jǐn)，將用本文方法冶煉爐次的殘錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了采樣，采樣要求：終點(diǎn)氧含量控制在300ppm～600ppm之間，終點(diǎn)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制到0.06%～0.15%，終點(diǎn)溫度控制在1620℃～1670℃之間，終渣氧化鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)降控制到15%左右，白灰加入量30Kg/t左右，白云石加入量25Kg/t左右，并在復(fù)吹轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行生產(chǎn)。與傳統(tǒng)工藝下相同鐵水成分、鋼種、終點(diǎn)碳含量和操作方法等條件的的殘錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行對比試驗(yàn)。根據(jù)兩種方法的數(shù)據(jù)記錄結(jié)果繪制如圖1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比圖。

圖1 本文方法與傳統(tǒng)工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

從圖1中可以看出，利用本文方法可以有效提高中高錳鐵水轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)殘錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。與傳統(tǒng)冶煉工藝相比，殘錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了0.25%，具有更高的應(yīng)用價(jià)值。因此通過實(shí)驗(yàn)證明，本文方法通過降低鋼水氧化性、提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度、降低轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、采用復(fù)吹轉(zhuǎn)爐工藝、降低轉(zhuǎn)爐噸鋼爐渣量對提高殘錳量具有更好的作用。

4 結(jié)語

本文針對提高中高錳鐵水轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)殘錳方法進(jìn)行研究，通過對工藝流程中的具體工序進(jìn)行分析，找出一種從六個(gè)方面對其進(jìn)行提升的方法，并通過對比實(shí)驗(yàn)證明了該方法的有效性和可行性，對與冶煉企業(yè)而言，該方法具有更高的應(yīng)用價(jià)值。但對于中高錳鐵水轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)殘錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與鐵水原始錳含量的內(nèi)在聯(lián)系的研究本文沒有過多涉及，因此在后續(xù)的研究中還將對這一方面的問題進(jìn)行更加深入的研究。