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转炉副枪模型取样与倒炉取样碳含量偏差大的原因分析及改进

王宝华，郑文清，刘玉伟，韩 宇，降福荣

( 河北钢铁集团 承钢公司 提钒钢轧二厂，河北 承德 067002)

摘 要: 针对承钢 150 t 转炉副枪自动炼钢出现的终点 TSO 取样碳含量与倒炉及吹氩站取样碳含量存在偏差较大的问题展开分析。通过对炉内 TSO 定氧量，钢水液位，渣厚，底吹效果等数据的收集整理，分析了钢液碳含量偏差较大的原因。采取改变机烧矿加入方式和时机、合理调整底吹流量及稳定兑钢量措施后，结合造渣量的多少、出钢钢流的观察，TSO 结晶温度和氧电势的变化范围等操作经验，使 TSO取样碳含量更具代表性。杜绝了实际生产中“假拉碳”现象，降低了炉衬腐蚀，为延长炉龄奠定了基础。

关 键 词: 转炉; 副枪; TSO; 脱碳系数

1 前言

承钢 150 t 转炉采用副枪自动炼钢技术。吹炼至终点，操枪工提升氧枪后，副枪连接 TSO 弹头插入液面 700 mm 深处进行定氧取样操作，根据弹头内氧势变化，测定钢水含氧量，通过副枪模型的分析( 按照碳氧积理论计算) ，计算钢水终点碳含量。计算完成后投下TSO弹头，取出TSO样进行光谱化验分析。

2 存在的问题

在生产中，较多炉次出现出钢后吹氩站取样分析碳含量低于目标碳含量的现象。而在出钢过程中，添加增碳剂准确性及吹氩均匀情况均良好，于是对 TSO 计算碳，TSO 化验碳，倒炉取样碳，吹氩站取样碳的数据进行收集，碳含量对比如表 1 所示。

分析表 1 发现，TSO 取样的碳含量和倒炉取样的碳含量偏差较大，吹氩站取样值与倒炉取样值偏差很小。TSO 取样与倒炉取样碳含量偏差平均值为 0． 029 6%。所以 TSO 取样不能代表终点炉内的碳含量，从而导致实际生产中吹氩站取样分析碳含量低于目标碳含量，终点出现“假拉碳”现象，恶化炉衬。

3 原因分析

3． 1 TSO 定氧数据的准确性分析

副枪投入 TSO 弹头的插入深度设定为 700mm，插入位置距离炉体中心 200 mm 处，只对某一点进行测定。而通过对碳氧反应的理论研究可知，脱碳反应 CO 气泡的生成要经过异相形核阶段，所以碳的氧化是在钢液 － 炉底耐火材料界面上发生的。由熔渣向钢液供给的氧要经过钢液层，向炉底方向扩散，与熔渣平衡的钢液层的氧浓度最高，炉底上碳氧反应区氧的浓度接近于平衡值。因此整个金属熔池内有高过平衡氧浓度的过剩氧量。终点炉中的碳氧反应是不平衡的，氧的分布是不均匀的。可以得出结论: 副枪 TSO 定氧结果是不准确的，只能代表被测点的氧活度，不能代表整炉钢的氧含量，副枪插入位置及深度的定氧结果只有参考性。只是根据副枪 TSO 定氧结果间接地确定整炉钢的氧含量。

为充分说明以上论述，抽取 10 炉 Q235B 钢液的脱氧数据进行试验。见表 2( 1，1 － 等表示对比炉次) 。

选取终点 TSO 氧活度相近的炉次观察，倒炉取样与 TSO 取样相比较，钢液碳含量更低，脱氧剂的使用量更多，才能达到预期的氩站氧活度。

3． 2 吹炼终点冷料加入量

承钢是提钒 － 炼钢双联工艺，入炉半钢温度波动较大，吹炼过程加入的冷料、造渣料结构复杂，当实际供氧量达到计算氧量的 85%，副枪投入 TSC 弹头测定钢液温度，根据测定温度计算要达到终点温度时，所加入的冷却剂或补热剂。在起枪拉碳的时间内，需要加入0 ～4 000 kg 的机烧矿来调温。跟踪收集 20 炉数据，对比 TSO 取样和倒炉取样钢液碳含量的差值，绘制机烧矿加入量对钢液碳含量波动的影响示意图( 见图 1) 。

由图 1 可知，机烧矿加入量越大，TSO 取样碳含量和倒炉取样碳含量相差越大。机烧矿加入将近4 000 kg 时，TSO 碳含量要比倒炉碳含量高 0． 05%～ 0． 06% 。机烧矿加入量能够直接影响碳含量的准确性。为此对机烧矿成分进行分析，结果见表 3。

机烧矿中含有大量的氧化物，后期加入炉内会增加钢液的氧含量，由于加入量大，加入时间较短，机烧矿中的氧在短时间内与碳反应不充分，在 TSO定氧后仍然有残余氧未反应，在出钢时充分反应，造成钢液实际碳含量降低。

3． 3 脱碳系数的影响因素

脱碳系数的物理意义是每千克碳需要多少标立方米氧气，其理论值为 1． 07，承钢 150t 转炉脱碳系数实际值为 0． 9 ～1． 05。如果吹炼后期脱碳系数较大，起枪后炉内 C － O 反应持续进行，TSO 取样实际碳含量势必比出钢前碳含量高。随着过程脱碳系数的增大，终点实际碳含量与 TSO 取样碳含量偏差越大。造成脱碳系数增大的原因有以下几点。

3． 3． 1 底吹流量变化

底吹转炉的使用，加快了熔池内钢液流动速率，C － O 反应的动力学条件较顶吹转炉更加充分。通过收集 20 炉次数据得出脱碳系数变化随底吹流量变化曲线，如图 2 所示。

由图 2 可知，底吹流量越大，脱碳系数越大，造成终点钢液碳含量与 TSO 碳含量的偏差越大。

3． 3． 2 液位高度变化

由于承钢 150 t 转炉液位一般设定在 945 mm，且终点起枪前枪位定为 1． 5 m 进行压枪操作( 均匀温度及成分) ，所以兑铁量的波动及铁酸钙渣系对炉衬的侵蚀造成实际值与设定值偏差。相对来讲，液位的偏差实际就是枪位的变化，枪位的高低可近似地认为产生硬吹和软吹( 相对来讲) ，所以脱碳的速率发生变化不一，脱碳系数受影响。实际数据收集如图 3 所示。

由图 3 可知，液位越高，脱碳系数越大，造成终点钢液碳含量与 TSO 碳含量的偏差越大。

3． 3． 3 造渣量

在正常吹炼的情况下，选取 20 炉造渣量不同的炉次进行跟踪对比，如图 4 所示。渣料的增加，渣层厚度增加，氧通过炉渣传质到钢液的距离越大，降低了氧气的利用系数，脱碳系数随着渣量的增加而降低。同样会造成终点碳含量与 TSO 碳含量的偏差较大。

在实际生产中，发现脱碳系数与以上 3 方面有关外，同整个炉次的吹炼过程控制，渣系的组成等也有较大关系。当吹炼过程渣状偏干，脱碳系数较大;渣状较稀或者出现返干时，脱碳系数较低，脱碳速度较慢，都会对终点碳含量的真实性造成影响。

4 改进措施

通过试验能分析出造成终点碳含量与 TSO 碳含量的偏差大的原因。转炉工段采取以下措施，提高副枪 TSO 取样的命中率。

4． 1 控制机烧矿的加入量及加入时机

在吹炼供氧将近 85% 左右，TSC 弹头测温，经过模型的静态计算，得出机烧矿的加入量，通过加入量的多少，判断加入时机。加入量 1 t 以上，尽量靠前期加入，加入时对炉内渣状提前预判断，防止发生喷溅。

4． 2 调整合适稳定的底吹流量

结合当天实际生产时吹炼终点拉碳的情况，调整合适的底吹开度。底吹流量尽可能开到最大，保证炉内 C － O 反应充分，炉内氧活度相对稳定，同时提高金属收得率。针对底吹透气砖堵塞的情况及时判断流量开度值，保证终点拉碳的稳定率。

4． 3 半钢装入量的稳定

保证入炉半钢与废钢加入量的总和控制在 180～ 185 t。( 兑铁量每增加 1 t，液面高度增加 80 mm)接班前两炉测量枪位，保证枪位控制的准确性。

4． 4 造渣量的提前预判断

半钢入炉前取半钢样，根据入炉硫、磷含量，通过副枪模型静态计算造渣料的加入量。结合吹炼过程火焰的观察，判断渣状。渣量大的炉次存在终点吹不透的情况，岗位工及时判断拉碳时机，考虑终点可能碳高的情况。

4． 5 出钢经验判断

出钢时对钢流进行判断，终点钢液碳含量在0． 07% 以上，钢流边缘出现小火苗。碳含量越高的炉次，火苗越明显，火焰越长。结合实际经验，酌情添加增碳剂。遇到难以判断的炉次，等待化验室成分分析后再添加增碳剂，以免发生碳含量超标。

4． 6 根据结晶温度及氧电势进行判断

吹炼终点提枪后，随即投入 TSO 弹头。但此时炉内 C － O 反应存在不平衡，不同液位点存在氧式的偏差。但如果等待炉内反应相对稳定后再定氧，会与冶炼周期的完成发生矛盾。通过试验对比，一方面可以用碳的结晶温度，反算钢水的碳含量。另一方面可以根据所测点的氧电势波动，来判断钢水含碳量测定的准确性。( 可以通过实际生产，总结氧电势每炉之间的电势范围变化。)

5 实施效果

改进后，炉次出钢后吹氩站取样碳含量与 TSO碳含量偏差大的现象得到改善，随机抽取 15 炉次进行比较，如图 5 所示。

TSO 取样碳含量基本能代表终点实际碳含量，平均差值在 0． 010 3% 左右。与之前比较偏差减小了 0． 019 3%，取得了良好的效果。

6 结语

( 1) 通过试验分析找到造成副枪 TSO 取样碳含量与氩站取样碳含量偏差较大的原因。通过改变机烧矿的加入方式，合理调整底吹流量及稳定兑铁量3 个方面的调整; 结合造渣量的多少，出钢钢流的观察，TSO 结晶温度和氧电势的变化范围等操作经验判断，使得 TSO 取样碳含量具有代表性，与试验之前比较偏差减小了 0． 019 3%，取得了良好的效果。

( 2) 两者碳含量的差值变小，提高了 TSO 碳含量的准确命中率，杜绝了实际生产中拉碳偏低的“假拉碳”现象，另外还降低了炉衬的侵蚀，为炉龄攻关打下坚实的基础。