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音平控渣技术在冶炼高铬高锰铁水的应用
孙海军1，陈嘉颖1，佟溥翘2，蔡伟2
(1.河北津西钢铁集团股份有限公司炼钢二厂，河北 迁西064302;2.钢铁研究总院工艺所，北京100081)
摘 要：津西二炼钢厂100t顶底复吹转炉应用音平控渣技术改善了转炉冶炼化渣，有效地控制了喷溅、返干。转炉一次倒炉率从79.22%提高到81.16%，平均班生产炉数从14.7炉提高到15.4炉。转炉炉衬得到了良好的维护，降低了渣料和钢铁料消耗，大大提高了操作工的技术水平，实现了分级量化管理。采用这一技术后，每年可节约炼钢成本约729.05万元。
关 键 词：炼钢;转炉;音平控渣技术;
目前国内外应用于转炉吹炼过程的动态控制技术主要有副枪动态控制技术、炉气分析动态控制技术和音平控渣技术等[1-5]。转炉音平控渣技术采用先进的计算机应用技术，通过现场音平信号采集设备、仪控、电控等组成一个完整的控制系统[6-8]，可实现对转炉吹炼过程化渣状况的连续监测。该技术通过计算机全程监控、存储生产数据，并显示指导操作，为全面生产管理和自动控制创造了条件。
河北津西钢铁厂100t转炉冶炼用铁水中含铬、锰水平较高，转炉冶炼过程中易发生喷溅和返干。采用音平化渣控制技术后，有效控制了转炉吹炼过程的喷溅、返干的发生，改善了转炉冶炼过程的化渣效果，使脱磷、脱硫效率得到提高，降低了钢铁料消耗，提高了一次拉碳率，缩短了转炉冶炼周期，使转炉经济技术指标得到显著改善。
1 音平控渣技术基本原理
音平控渣技术是通过安装在转炉挡火墙上的集音管，拾取转炉吹炼过程中从炉口传出的噪声信号，以及溢出炉口的高温炉渣光辐射信号。信号经音平检测仪处理后成为0～5V 直流电压信号，0～5V直流电压信号由 A/D 卡转换为数字量给计算机进行分析和处理，最后在显示屏上以曲线图像的形式表达转炉吹炼过程中的渣况变化。转炉操作工通过观察“音平曲线”的变化趋势，可以了解炉内的化渣过程和变化情况，提前对炉内反应做出正确判断，帮助操作工提高转炉操作控制水平[3-5]。音平控渣设备运行流程原理如图1所示[9-10]。
2基本设备条件
河北津西钢铁厂生产工艺流程为：炼铁—混铁炉—预处理—转炉—LF炉—异型连铸(大方坯、小方坯)。炼钢区间共有2座100t顶底复吹转炉，转炉炉龄平均为13500炉。每座转炉均装备有副枪，氧枪喷头是四孔拉瓦尔型，外径245mm，喷头出口马赫数1.98，夹角为12°，供氧强度为3.3～3.5m3/(t·min)。
津西钢铁厂转炉以冶炼普碳钢为主，一般钢水要求出钢w[C]：0.06%～0.10%，w[P]<0.025%，w[Cr]>0.25%，出钢温度：(1630±10)℃。转炉入炉铁水条件及温度见表1。
3 音平控渣技术对化渣路线的指导
3.1 音平控渣图像实例
图1(a)中，图像最上部的喷溅标记表明，在吹炼7～13min期间发生了溢渣或喷溅。图1(b)中，音平曲线在4～8min期间，在返干报警线以下运行，表示这段时间发生了炉渣返干现象。图1(c)中，在吹炼3～5min时，音平曲线出现突然上行趋势，表示炉内泡沫渣发展很快，渣面向炉口接近。图1(d)中，曲线突然下行可能是加入渣料批次量较大或部分炉渣中含水，使泡沫渣渣面突然下降暴露了氧气流股所致。
3.2 对高铬、含锰冶炼化渣路线的指导
河北津西钢铁厂受当前市场影响，原材料变化比较频繁，铁水成分波动较大，且铁水中 w[Mn]和w[Cr]均较高。铁水 w[Cr]达到0.8%～0.9%。在吹炼高铬铁水时，铬在吹炼前期的低温条件将大量氧化：
4[Cr]+6(FeO)=2Cr2O3+6[Fe]
ΔfGθm(B)=-342140+86.28×T
大量高熔点固相 Cr2O3进入渣中，出现了吹炼前期炉渣返干的现象(高熔点的析出物，炉渣黏稠)。
从上式中可以看出，铬的氧化是个强放热反应。通过计算，在熔池温度1500℃、铬质量分数被氧化至0.3%左右、炉渣 FeO 活度在0.65左右时，上式反应能达到平衡。随着熔池脱碳的进行，熔池温度不断升高，铬的氧化反应会朝逆向进行，铬会逐渐从渣中还原出来，同时生成大量氧化铁引起喷溅。所以入炉铁水铬质量分数超过一定范围，转炉冶炼前期炉渣返干及喷溅均是不可避免的。只有到了吹炼中、后期，在固相Cr2O3还原和 FeO 大量生成的双重作用下，炉渣返干及喷溅程度会逐步缓解。
图1(a)和图1(b)都是吹炼铬含量较高的铁水时，冶炼前期当出现炉渣返干的音平化渣图像。根据音平化渣曲线的指导作用，此时采取的措施应是合理调控枪位、尽快升高熔池温度而非增加前期氧化铁皮或矿石加入量来缩短返干时间，保证合适的炉渣FeO质量分数，从而缓解炉渣返干。
河北津西钢铁厂目前铁水w[Mn]达到0.5%～0.9%，在冶炼前期锰氧化生成 MnO，它是低熔点氧化物，跟 FeO 一样既增加液相渣量，又促进高熔点物质(石灰、白云石、硅酸二钙等)的熔化。当铁水中w[Mn]较高时，炉渣液相量大，吹炼中后期容易发生炉渣喷溅。
如果铁水w[Cr]高，一般会导致转炉冶炼前期枪位偏 高、吹 炼 中 后 期 Cr2O3固 相 物 减 少、渣 中FeO和 MnO积累，转炉就容易发生喷溅。图1(a)中6min时和图1(b)中8min时音平曲线直线上升就是这个原因;其中图1(a)降枪幅度不够，也不及时，造成了6.5min至8.5min时的持续喷溅，图1(b)可能降枪及时而没有发生喷溅。图1(a)中12min以后的喷溅明显是温度偏高加铁皮引起的。
结合以上分析，利用音平控渣图像经过一段时间的人机磨合，以及加强原材料管理、降低铁水铬质量分数等，操作工基本上能够适应当前的铁水条件。根据音平控渣图像的指导，及时地调整枪位及加料，减少了喷溅和返干的发生频率和持续时间，同时提高操作技术水平，可以取得良好的炼钢效果。
4 音平控渣技术的应用效果
津西钢铁厂从2011年4月以后采用了音平控渣技术，通过采用音平控渣技术指导炉前操作，转炉炼钢操作水平得到较大提高。采用音平检测设备前后的操作指标对比，见表2。
音平曲线的发展趋势有效地指导了炉前操作，提供了很好判断炉渣动态状况的依据，使其能在吹炼操作过程中，及时地参照音平曲线来调整枪位和炉渣加入量，做到及时又平稳，从而显著提高了转炉吹炼的控制水平，有效地减少了喷溅和返干的发生。
应用音平控渣技术后，使转炉操作者技术水平不断提高，改善了转炉冶炼过程的化渣效果，满足了脱磷、脱硫的要求，使一次倒炉率从79.22%提高到了81.16%。喷溅率从10.27%大大降低到5.45%，减少了50%。平均班生产炉数从14.7炉/班，提高到15.4炉/班。使用音平技术前、后，转炉冶炼石灰消耗从62.75kg/t降低为58.71kg/t，钢铁料消耗从1078.9kg/t降低为1077.3kg/t，转炉出钢量从105.98kg/t增加到108.06kg/t。使用音平控渣技术后，减少了转炉冶炼喷溅，有利于炉况的维护(炉龄8000炉没有波动，炉体始终保持初始状态)，每座转炉班产达到16炉，平均出钢量达到108t。同时积极开发品种，在市场上占有了一席之地，缩小了与大中型企业之间的差距，推动了中小民营钢铁企业自动化炼钢控制技术向国有大中型标准企业迈进的对接。
音平控渣技术对技术管理带来很大方便。以前对工人的操作无法进行评估、指导，现在可以通过对音平控渣图像现场监控，对操作进行科学指导。还可以将储存数据调出进行现场教学和评估。借助音平控渣技术，进一步加强了炼钢车间管理，为提高操作工的技术水平，对新上岗的工人进行培训，为突破冶炼技术领域的难关奠定了基础。
5音平控渣技术效益估算
津西钢铁厂采用音平控渣技术，获得了明显的经济效益。采用这一技术后，钢铁料耗降低1.6kg/t(钢)，石灰耗降低4.04kg/t(钢)，每炉多出钢2.08t。津西钢铁厂钢铁料单价约为3 000元/t，白灰单价约318元/t，粗钢吨钢利润100元/t，转炉炼钢年产量约为90.6万t(8547炉)。通过如下方法可以计算出采用音平控渣技术后，炼钢成本钢铁料消耗、石灰消耗及转炉出钢量变化带来的效益：
钢铁料耗降低节约：(1078.9-1077.3)×90.6×3000=434.88万元
石灰耗降低节约：(62.75-58.71)×90.6×318=116.39万元
多产钢效益：(108.06-105.98)×8547×100=177.78万元通过计算，津西钢铁厂使用音平控渣技术每年可获效益729.05万元。
6 结论
1)音平控渣技术适合当前钢铁市场低迷，追求低成本的战略时机，适合炼钢用石灰不稳定且原料成分波动频繁的条件。设备简单，维护费用较低，应积极普及。
2)音平技术使用可以减少吹炼过程中炉渣喷溅、返干的发生频率和持续时间，一倒率从79.22%提高到了81.16%，平均班生产炉数从14.7炉提高到15.4炉。炉体和相关设备得到了良好的维护，降低了渣料消耗及钢铁料消耗，有效地降低了炼钢成本。
3)促使炼钢厂实现分级量化管理，利用音平控渣技术进行现场监控，对转炉冶炼操作进行科学指导与分析提供数据化的帮助。
参 考 文 献：
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