CN117418062A - 一种转炉冶炼高锰铁水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于转炉炼钢冶炼技术领域，具体公开了一种转炉冶炼高锰铁水的方法，包括炼铁工艺阶段的铁前工艺调整和炼钢工艺阶段调整氧枪吹炼操作，根据终点碳和终点温度建立终点余锰的数据库，其中，铁前工艺调整中焦比为452.5～470kg/t，调整氧枪吹炼操作包括吹炼工艺控制以及氧枪参数调整，将冶炼终点余锰含量0.4％～0.49％，FeO的含量达到≤11％。通过铁前工艺调整，把铁水温度稳定在合理范围内，使得进入转炉冶炼时的铁水锰含量较低，进而降低终点余锰含量。通过调整氧枪吹炼操作，控制吹炼工艺以改善氧枪吹炼时的操作模式，调整氧枪参数改变氧枪枪头的设计，有效控制渣中FeO和余锰含量的值，从而调整溅渣渣系，提高溅渣层抗侵蚀性，保证更好的溅渣护炉效果。
Description
技术领域
本发明涉及转炉炼钢冶炼技术领域，具体涉及一种转炉冶炼高锰铁水的方法。
背景技术
转炉冶炼工艺是把氧气喷枪从炉顶插入炉内，吹入氧气，使它直接跟高温的铁水发生氧化反应，通过氧化铁水中的铁和硅生成低熔点渣系融化料仓，加入的白灰后除去杂质和有害物质，净化钢水达到符合钢材要求。
在炼钢生产中，锰是必须的合金化元素，对提高钢材质量和改善钢材性能具有重要作用。原料配加有高锰矿的原料，在炼铁工艺阶段的铁水成分发生较大变化，高炉铁水锰含量在0.90～1.50％范围波动，铁水锰含量在范围内波动较大使得终点余锰含量无法稳定得知；转炉冶炼结束后钢水氧含量在200-400ppm，需要通过脱氧合金化工艺，降低钢水中多余的氧以使得钢水氧含量达到60ppm以下，再加入合金满足钢种要求。随着铁水锰的升高，转炉冶炼的终点钢水中余锰的含量为0.20～1.10％，成分波动范围太大，导致脱氧剂和合金的加入偏差大、计算困难，增加脱氧合金化工艺困难。
另外，实际冶炼操作过程中，由于CaO的熔点为2572℃、FeO的熔点为1368℃、SiO的熔点为1723℃，而MnO和SiO生成硅酸锰渣系熔点仅为1285℃，远低于FeO的熔点，转炉冶炼前期铁水锰和硅与氧气反应氧化成MnO和SiO进入炉渣，降低了转炉渣系炉渣熔点，较低的渣系熔点导致炉渣的抗侵蚀能力差，不利于溅渣护炉。
发明内容
本发明的目的在于提供一种转炉冶炼高锰铁水的方法，以解决现有高猛铁水冶炼过程中终点余锰含量高且含量不稳定，导致溅渣护炉效果差以及合金化工艺中合金加入操作困难的问题。
为达到上述目的，本发明提供的基础方案为：一种转炉冶炼高锰铁水的方法，包括炼铁工艺阶段的铁前工艺调整和炼钢工艺阶段调整氧枪吹炼操作，根据终点碳和终点温度建立终点余锰的数据库，其中，铁前工艺调整中焦比为452.5～470kg/t，调整氧枪吹炼操作包括吹炼工艺控制以及氧枪参数调整，冶炼终点余锰含量为0.4％～0.49％，FeO的含量达到≤11％。
本发明的原理和有益效果在于：
(1)通过铁前工艺调整，把铁水温度稳定在合理范围内，使得铁灰冶炼过程的反应速度和进程得到缓解，进而降低铁水锰含量，使得进入转炉冶炼时的铁水锰含量较低，进而降低终点余锰含量。
(2)通过调整氧枪吹炼操作，控制吹炼工艺以改善氧枪吹炼时的操作模式，调整氧枪参数改变氧枪枪头的设计，有效控制渣中FeO和余锰含量的值，从而调整溅渣渣系，增加溅渣层高熔点物质，提高溅渣层抗侵蚀性，保证更好的溅渣护炉效果。
方案二，此为基础方案的优选，所述铁前工艺调整中的铁水温度保持在1465～1500℃；在炼铁工艺过程中合理控制铁水温度，较低的铁水温度下控制铁水锰的含量，从而使得加入转炉的铁水中锰的含量不高，进一步有助于降低终点余锰的含量，以保证炉渣便于溅渣护炉。
方案三，此为基础方案的优选，所述吹炼工艺控制的方法为：根据吹炼前期、吹炼中期和吹炼后期的吹炼状态，调整氧枪操作枪位，其中吹炼前期的枪位≤1.4m，吹炼中期的枪位为1.5～1.6m，吹炼后期的枪位为1.2～1.25m；
通过采用“硬吹”模式进行吹炼操作，适当降低各个吹炼阶段的氧枪枪位，进而增加FeO的消耗量，以保证炉渣的FeO含量较低，有利于溅渣护炉。
方案四，此为基础方案的优选，所述氧枪的枪头孔数设置为4孔；氧枪枪头孔数的减少，能够减小冲击面积，进而降低铁和氧气以及锰和氧气还原反应的速度，有助于炉况稳定，反应速度降低，使得终点炉渣中的MnO含量也有所降低，炉渣中用于溅渣层的低熔点物质减少，使得溅渣护炉用的炉渣抗侵蚀性增强，有助于保证溅渣护炉的效果。
方案五，此为方案三的优选，所述吹炼前期的氧流量＜23000m3/h，吹炼中期的氧流量为24000～26000m3/h，吹炼后期的氧流量≥27000m3/h；
逐渐增大氧流量，以此加快熔池中的反应速率从而增加FeO的消耗量，避免炉渣中的FeO过多导致炉渣过稀且粘度低，从而有助于保证溅渣效果。
方案六，此为基础方案的优选，铁水锰含量为0.80～1.00％时，根据建立的终点余锰的数据库可以获得余锰含量的预估值，当铁水锰含量＞1.00％时，根据如下公式计算余锰含量:余锰含量＝预估值*(铁水锰含量/0.9)；
以冶炼终点温度和冶炼终点碳含量作为用来预估余锰含量的变量因素，通过大量实践和记录，得到在铁水锰含量为0.80～1.00％时的余锰含量预估值，实际冶炼过程中若铁水锰含量大于1.00％时，按照计算公式也可以算出相应情况下的余锰含量预估值，以此有助于确定合金化工艺中需要加入的合金的量。
附图说明
图1是本发明一种转炉冶炼高锰铁水的方法的中五孔氧枪枪头的结构示意图；
图2是本发明一种转炉冶炼高锰铁水的方法的中四孔氧枪枪头的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
一种转炉冶炼高锰铁水的方法，包括氧枪枪头设计、热平衡计算方法的改进、铁前工艺调整、稳定终点残锰、完善脱氧工艺、转炉冶炼控制、转炉加料控制。在转炉冶炼过程中，按照冶炼目标将碱度控制在2.5-3.0、FeO和MnO的总含量≤15％、FeO的含量＜11％以及MgO控制在6-9％；并根据终点炉渣情况进行调渣操作。
高锰铁水冶炼工艺是向转炉内添加生铁和废钢的冶炼过程，其中生铁是前序工艺即炼铁工艺中高炉冶炼得到的铁水，生铁和废钢在转炉内经过脱碳等处理后即成为钢；高锰铁水进行转炉冶炼时其冶炼原料中锰的含量相较于传统冶炼偏高，铁水中较高的锰含量加快了化渣速度，造成炉渣泡沫层加厚，炉气聚集，炉内容易造成爆发性喷溅，铁水中的锰含量高致使终点炉渣中氧化铁FeO和氧化锰MnO的含量也会升高，而氧化锰的含量越高，炉渣的熔点越低，炉渣溅渣层高熔点物质就相应减少。溅渣护炉的时候，低熔点的炉渣附着在初始耐材表面，再次冶炼时低熔点的炉渣抗侵蚀能力差，容易被高温冲刷下来，使得初始的耐材暴露出来，由此可知高含量的锰因熔点低而降低了护炉效果。
由于终点钢水余锰含量是确定含锰合金加入量的重要数据，因此出钢后根据钢水中的余锰含量的值，再根据目标合金参数调整合金的加入量并加入适量的合金；同时，若终点炉渣中锰含量过高，由于锰的熔点较低，所以溅渣护炉效果不佳。从炼铁、炼钢两个阶段的工艺分别对余锰的含量进行调整控制，以此有效改善转炉溅渣护炉的效果以及后续合金化工艺操作的难度。
首先进行铁前工艺调整，在炼铁工艺过程中，铁水物理热可以降低铁水中的Mn，即降低铁水的温度有助于降低Mn含量，倘若铁水的Mn含量有所控制，那么转炉中的进行炼钢的Mn的含量便得到了控制，从而有助于降低余锰含量。
炼钢前的炼铁工艺是一个弱还原的过程，冶炼时温度越高，Mn的还原百分比越高，反之温度越低，Mn的还原百分比越低，铁水中的Mn含量就会降低。若出铁温度有所降低后再进入转炉冶炼，Mn在较低温度的铁水内进行还原的反应程度减弱，因此而还原进入铁水的Mn含量也会有所减少。
从高炉入炉原料入手，根据炼铁冶炼原理，氧化锰随着铁水的物理热升高还原度也相应地提高，也就是降低铁水物理热可以降低铁水的锰含量。降低铁水锰成分的方式之一即为控制好铁水的温度，调整焦比有助于改变铁水温度。
表1不同焦比下铁水Si、Mn含量及铁水温度的对比关系表
| 项目 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 焦比(kg/t) | 452.5 | 455 | 457.5 | 460 | 162.5 | 465 | 467.5 | 470 |
| 铁水温度(℃) | 1465 | 1470 | 1475 | 1480 | 1485 | 1490 | 1495 | 1500 |
| 铁水Si(％) | 0.2 | 0.25 | 0.3 | 0.35 | 0.4 | 0.45 | 0.5 | 0.55 |
| 铁水Mn(％) | 0.75 | 0.8 | 0.85 | 0.9 | 0.95 | 1.00 | 1.05 | 1.10 |
由表1可知，焦比为452.5～470kg/t时的铁水温度为1465～1500℃，其中铁水Si的含量百分比约为0.2～0.55％，铁水Mn的含量百分比约为0.75～1.10％。当焦比为452.5kg/t时铁水温度为1465℃，现场跟踪发现铁水Si和Mn的含量分别为0.2％和0.75％，当焦比为470kg/t时铁水温度为1500℃，铁水Si和Mn的含量分别为0.55％和1.10％。由此可以推断得出，随着焦比的增加，铁水温度相应地升高，因此通过协调降低高炉焦比，能够降低铁水的物理热，将焦比按照452.5kg/t的要求添加炼铁原料，原料铁水Mn含量得到有效控制为0.75％。在炼铁工艺阶段预先进行Mn含量的控制，对炼钢工艺的终点控制余锰含量具有重要作用。
经过高炉冶炼后得到的铁水与废钢一同加入转炉中进行钢水冶炼工艺，入炉料装入制度铁水中Mn在冶炼过程中氧化后，形成能够有效促进石灰溶解的MnO，有助于加快成渣，减少助熔剂的用量和炉衬侵蚀。但是入炉料中锰Mn元素是发热元素，原先入炉料的热平衡控制只以铁元素和硅元为主要考虑元素，根据铁水温度和硅含量计算物理热和化学热，没有考虑发热元素锰对化学热的影响。通过改进热平衡计算方法，将硅和锰含量在转炉冶炼过程中放热量的情况一并进行考虑。在热平衡计算时综合考虑铁水中的锰和硅含量，在装入制度上做适当调整。
表2入炉料对终点温度对比关系表
由表2可知，铁水温度每增加10℃，终点温度提高7～9℃，铁水量每增加1t时，终点温度提高2～3℃；铁水中硅和锰的含量每增加0.1％，终点温度分别提高10～15℃和3～5℃，其余入炉料如焦炭、废钢、石灰、生铁块、生白云石和钢粒子每增加1t时，终点温度依次分别提高15～20℃、7～9℃、12～17℃、4～5℃、30～40℃、30～40℃。适当添加白灰，使得终渣的碱度保持在2.5-3.0，考虑铁水锰对热量的影响，再通过增减废钢加入量来平衡热量的放热和吸热的平衡，能够更准确、可靠地控制冶炼终点温度；从而进一步避免因为热量波动而使得终点余锰的含量不稳定。
转炉冶炼过程中调整氧枪吹炼操作也至关重要，氧枪吹炼操作过程中，主要通过吹炼工艺控制和氧枪参数调整，有助于进一步降低和稳定终点余锰的含量。
吹炼工艺中最核心的操作调整是对吹炼的各个时期，对转炉冶炼时的枪位调整。氧枪枪头距离钢水液面的距离为枪位，枪位的高低直接影响着铁水中Mn、Si分别和铁的反应速度，通过调整氧枪枪位的高低，降低铁水中Mn、Si和铁的反应速度，实现降低渣中的FeO、MnO含量的目的。
依次分别对吹炼前期、吹炼中期和吹炼末期三个阶段对氧枪枪位进行调节。吹炼操作通常有两种操作模式，分别为“硬吹”和“软吹”，所谓“硬吹”是枪位较低或氧压较高，以形成较深的冲击深度的吹炼方式。所谓“软吹”是枪位较高或供氧压力较低，对溶池的冲击力较小，冲击面积较大的一种吹炼方式。
吹炼开始时，吹炼前期的氧流量不超过23000m3/h，枪位降低至≤1.4m，以此减轻前期的还原反应速度，进而降低锰的氧化量。熔池中FeO含量较高时会导致渣系温度较低，炉渣过稀且粘度低，从而导致溅渣效果明显降低。反应过程中，是FeO和碳进行反应生成CO，反应越快，FeO消耗量越高，进而能够降低渣中的FeO，采用“硬吹”模式进行吹炼操作，降低枪位至1.4m以下使得渣中的FeO的含量有所降低。
吹炼中期，适当将氧流量提高至24000～26000m3/h，枪位控制在1.5～1.6m，通过增大氧流量，加快反应速度并增加FeO的消耗量从而控制FeO的含量；相比于吹炼前期，将枪位由1.4m以下提高至1.5-1.6m，避免FeO消耗量过大，从而导致FeO不能完全覆盖熔池中的钢，使得钢裸露出部分并喷溅附着在氧枪上，损坏氧枪。
吹炼后期，进行压枪吹炼操作，氧枪枪位比正常低5～100mm，同时采用大流量操作，氧流量≥27000m3/h，以此进一步降低渣中FeO的含量，并达到冶炼目的，使得FeO≤11％，进而提高溅渣效果。
氧枪参数调整是在“硬吹”模式的基础下进行的，主要涉及氧枪枪头孔数的调整，原先转炉采用枪头孔数为五孔的氧枪，喷孔倾角为11.5°，如图1所示，在此种氧枪吹炼时有助于加快炉内还原反应。现将氧枪更换为孔数为四孔的氧枪，如图2所示。
通过减少氧枪枪头的孔数，能够在通过加大氧流量从而加大氧气射流的穿透能力以及增加钢水冲击的深度的情况下，减小冲击面积，进而降低了铁和氧气以及锰和氧气还原反应的速度，有助于炉况稳定；反应速度降低了，便减少了炉渣中FeO和MnO的含量，MnO含量的降低，炉渣中用于溅渣层的高熔点物质相应增多，使得溅渣护炉用的炉渣抗侵蚀性增强，同时FeO含量有所降低，也有利于稳定炉渣的稀稠度并且保有一定的粘稠度，进而有利于炉渣较稳定地附着在炉内耐材的表面，保证了溅渣护炉的效果。
经过改善氧枪吹炼操作的具体工艺，有效控制了终点余锰的含量，经过大量实践终点钢水取样化验出碳的含量，结合终点温度的记录，得到对应频率比较集中的余锰数据范围，建立以终点碳和终点温度因素为变量，实践并记录余锰含量的预估值的数据库，以此来预估终点余锰的含量。
表3不同的终点温度和终点碳含量情况下的余锰含量预估数据表
根据表3可知，以低于1630℃、1630～1670℃和高于1670℃的范围为终点温度监控范围，并且以低于0.06％、0.06～0.13％和高于0.13％的范围为终点碳监控范围，按照铁水锰含量为0.80～1.00％的条件下，经过大量的冶炼实践，根据不同终点温度和终点碳的情况，得到以上终点余锰含量的预估区间值，可以直观了解终点余锰的预估值为0.20～0.62kg/t，且按照实际记录得到终点余锰含量偏差＜0.10％。
以终点温度为1641～1650℃和终点碳含量为0.09～0.10％为例，此时的终点余锰含量约为0.36～0.41kg/t，实际操作中，若铁水锰的含量超出1.00％，则按照如下计算公式预估余锰的含量范围。
余锰含量＝预估值*(铁水锰含量/0.9)
通过数据库的数据，可以在冶炼终点确定终点温度和终点碳含量的情况下，了解大致的余锰含量。
经过吹炼工艺控制和氧枪参数调整后，在5孔氧枪和4孔氧枪的吹炼下，并借助表3的数据库预估终点余锰的大致含量。
表4 5孔氧枪吹炼时重点残锰含量百分百
| 冶炼序号 | 5孔氧枪余锰含量(％) | 4孔氧枪余锰含量(％) |
| 1 | 0.34 | 0.45 |
| 2 | 0.49 | 0.46 |
| 3 | 0.28 | 0.44 |
| 4 | 0.55 | 0.45 |
| 5 | 0.34 | 0.45 |
| 6 | 1.02 | 0.44 |
| 7 | 0.77 | 0.49 |
| 8 | 0.57 | 0.46 |
| 9 | 1.11 | 0.40 |
| 10 | 0.67 | 0.43 |
| 11 | 0.46 | 0.46 |
| 12 | 0.51 | 0.43 |
| 13 | 0.35 | 0.47 |
| 14 | 0.72 | 0.44 |
| 15 | 0.25 | 0.45 |
由表4可知，当使用5孔氧枪并结合调整后的吹炼工艺进行吹炼操作时，余锰的含量在0.2～1.1％范围内波动，当采用4孔氧枪并结合调整后的吹炼工艺进行吹炼时，余锰的含量在0.4～0.49％范围内波动。余锰的含量总体上由1.1％以下降低至了0.49％以下，并且采用4孔氧枪的工艺，使得不同炉次余锰的含量波动范围稳定在一定较小的区间内，有助于后续合金化工艺中每批次稳定合金的加入量，以及溅渣护炉时通过降低Mn含量改善溅渣护炉效果。
经过铁前工艺调整，铁水温度稳定在了合理范围内，使得铁灰冶炼过程的反应速度和进程得到缓解，高炉冶炼时的铁水锰含量的降低，使得进入转炉冶炼时的铁水锰含量较低，进而降低终点余锰含量。通过调整氧枪吹炼时的操作模式，设定氧枪枪位并调节合适的氧流量，并利用枪头为4孔的氧枪进行吹炼，从而有效控制渣中FeO和余锰的含量，从而调整溅渣渣系，增加溅渣层高熔点物质，提高溅渣层抗侵蚀性，保证更好的溅渣护炉效果。经过上述措施的改进，最终实现FeO的含量＜11％以及FeO和MnO的总含量≤15％的冶炼目标。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (6)
1.一种转炉冶炼高锰铁水的方法，其特征在于，包括炼铁工艺阶段的铁前工艺调整和炼钢工艺阶段调整氧枪吹炼操作，根据终点碳和终点温度建立终点余锰的数据库，其中，铁前工艺调整中焦比为452.5～470kg/t，调整氧枪吹炼操作包括吹炼工艺控制以及氧枪参数调整，冶炼终点余锰含量为0.4％～0.49％，FeO的含量达到≤11％。
2.根据权利要求1所述的一种转炉冶炼高锰铁水的方法，其特征在于，所述铁前工艺调整中的铁水温度保持在1465～1500℃。
3.根据权利要求1所述的一种转炉冶炼高锰铁水的方法，其特征在于，所述吹炼工艺控制的方法为：根据吹炼前期、吹炼中期和吹炼后期的吹炼状态，调整氧枪操作枪位，其中吹炼前期的枪位≤1.4m，吹炼中期的枪位为1.5～1.6m，吹炼后期的枪位为1.2～1.25m。
4.根据权利要求1所述的一种转炉冶炼高锰铁水的方法，其特征在于，所述氧枪的枪头孔数设置为4孔。
5.根据权利要求3所述的一种转炉冶炼高锰铁水的方法，其特征在于，所述吹炼前期的氧流量＜23000m3/h，吹炼中期的氧流量为24000～26000m3/h，吹炼后期的氧流量≥27000m3/h。
6.根据权利要求1所述的一种转炉冶炼高锰铁水的方法，其特征在于，铁水锰含量为0.80～1.00％时，根据建立的终点余锰的数据库可以获得余锰含量的预估值，当铁水锰含量＞1.00％时，根据如下公式计算余锰含量:余锰含量＝预估值*(铁水锰含量/0.9)。
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