潘 军1，赵 滨1，刘 威1，沈思宝1
（1．马鞍山钢铁股份有限公司长材事业部，安徽 马鞍山 243000）
摘 要：针对马钢65t转炉出钢后到站钢水钢包透气砖气量小或无底吹，无法保证钢水成分和温度均匀性，以及出钢后到站钢水温度低于工艺要求目标范围下限，无法满足铸机正常浇注对钢水温度要求的问题，通过向钢包顶吹氩气搅拌，实现均匀钢水成分和温度的目的，通过向钢包顶吹氧气，同时加入 SiFe和SiMn合金，利用氧气与发热元素Si和 Mn反应放热，实现低温钢水在线快速提升温度的目的。生产实践表明：采用硅铁合金（含硅72.5％）和硅锰合金（含硅18.64％、含锰66.6％）作为发热剂，氧气压力为1.2 MPa，流量为1200Nm3／h，吹氧时间为5min时，平均升温速率为3.55℃／min，钢中发热元素 Si和Mn的平均烧损率分别为0.014％／min和0.022％／min。钢包顶吹工艺为转炉平稳高效冶炼提供重要保障，取得了良好的使用效果。
关键词：钢包；顶吹氩；顶吹氧；化学升温
随着终端用户对钢材质量的要求越发苛刻，单从技术层面来说，钢材质量优良主要体现在其纯净度高，各相异性小，成分偏差小等方面，钢包吹氩搅拌是获得高纯净度、高均匀 性、高精度钢材，保证均衡生产的关键环节［1］。钢包吹氩的形式主要有顶吹、侧吹以及底吹，尤其是钢包底吹氩，因其氩气利用率高，搅拌效果好，并且安全性强等优点，因而得到了广泛的应用［2－4］。
马鞍山钢铁股份有限公司长材事业部（以下简称“马钢长材事业部”），在实际生产过程中，钢包透气砖由于受到透气砖缝隙渗钢、透气砖表面粘渣以及透气砖缝隙变小等因素影响［5］，使得进站钢包透气砖气量小或无底吹，无法保证钢水成分和温度的均匀性。另外，由于受到钢包热状态差、生产设备故障、生产组织不当等因素的影响，使得进站钢水温度低于工艺要求目标范围下限，致使连浇钢水因中包温度低无法浇完，有时甚至会发生温低断浇生产事故。针对上述异常生产状态，马钢长材事业部开展钢包顶吹工艺有关研究，并提出了具体的解决措施，以期为同类型钢铁企业转炉高效冶炼提供参考。
１ 工况条件
马钢长材事业部主要装备有：2座70t铁水 倒罐站、2座70t单喷石灰粉脱硫站、4座65t顶底复吹转炉、４座吹氩合金微调站、2座70tLF钢包精炼炉、2台六机六流全弧形150mm×150mm 方坯连铸机和2台异型坯连铸机。冶炼钢种主要以普通碳素钢、螺纹钢以及低合金结构用钢为主，其工艺流程为：转炉冶炼→吹氩合金微调站→方坯／异型坯连铸机。钢包顶吹装置结构示意图见图1。
针对异常生产状况并结合冶炼工艺要求，马钢长材事业部在原有吹氩平台基础上进行技术改造，增设具有氩氧可选择的顶吹功能装置，可以实现钢水顶吹氩搅拌或钢水化学升温。通过向钢包顶吹氩气，对进站钢包透气砖气量小或无底吹的钢水进行搅拌，以均匀钢水成分 和温度；通过向钢包顶吹氧气，根据冶炼钢种所需温度补偿的要求，同时加入SiFe和SiMn合金，利用氧气与发热元素 Si和Mn反应放热，对进站温度低于工艺要求下限的钢水进行快速升温。
2 钢包顶吹工艺原理
2.1 钢包顶吹氩气搅拌
钢包顶吹氩气搅拌的工艺原理是，吹入钢中的氩气在喷枪出口处呈囊状，气体上浮过程中分裂成气泡群，在粘性摩擦作用下，气泡群带动钢水由上往下作循环运动，通过传质和传热达到均匀钢水成分和温度的目的。
2.2 钢包顶吹氧升温
采用硅铁合金和硅锰合金作发热剂，通过向钢包顶吹氧气，利用氧气与发热元素 Si和 Mn反应放热，提升钢水温度，有关反应方程式如下［6，7］：
硅、锰氧化产生的化学热对钢水、炉渣和钢包炉衬同时升温。通常，炉渣与被加热部分 炉衬均为钢 水量的10％［8］。马钢长材事业部钢包容积为70t， 平均出钢量为65t，硅铁合金（含硅72.5％）和硅锰合金（含硅18.64％、含锰66.6％）中硅和锰收得率分别为９０％和９５％。以硅铁和硅锰合金发热效率和氧气利用率均为100％为计算依据，分别计算 要使65t钢水温度每升高1℃需要加入的硅铁合金和硅锰合金的量，相关热力学数据［9］，见表１。
由热平衡计算公式［10］，
式（3）中：△T为升温幅度，℃；Cp钢水为钢水比热容，kj·（℃·kg）－１；Cp 炉渣 、Ｃp 包衬分别为炉渣和包衬的比热容，kj·（℃·kg）-1；m 钢水 、m炉渣和m包衬分别为钢水量、炉渣量和被加热部分包衬量，t；△ Hi 为发热剂热效应，kj·kg－1；qi和Yi分别为发热剂中发热元素含量和收得率，％。
将相关数据代入式（3）计算得到，采用硅铁合金（含硅72.5％）和硅锰合金（含硅18.64％、含锰66.6％）作为发热剂时，65t钢水温度每升高1℃需 要加入的硅铁合金和硅锰合金的量分别为0.044kg和0.233kg。
３ 具体实施步骤
马钢长材事业部根据现场生产异常状况，并结合具体钢种冶炼工艺要求，可以灵活选择顶吹氩搅拌或顶吹氧升温模式，可以实现钢水顶吹氩搅拌或钢水化学升温的目的。
3.1 钢包顶吹氩搅拌
3.1.1 钢包顶吹氩适用条件
钢种要求：直上不微调钢种；亮面大小：钢水亮面直径 D＜200mm 或无亮面。
3.1.2 钢包顶吹氩操作
（1）顶吹气体选择吹氩模式，设定氩气压力1.4MPa，氩气流量1600Nm3／h，将氩氧棒插入钢水1300～1500mm深度，进行吹氩搅拌，并对钢水进行测温。
（2）按照普通碳素钢系列吹氩时间4min，低合金结构钢系列吹氩时间6min控制。
（3）吹氩结束后，再次进行测温取样，钢水成分温度符合工艺要求后，钢包加盖，出站连浇。
3.2 钢包顶吹氧升温
3.2.1 升温条件
钢种要 求：普通碳素钢系列、低合金结构钢系列；升温幅度：低于目标范围下限10～30 ℃；采用硅铁（含硅72.5％）和硅锰（含硅18.64％、含锰66.6％）作为发热剂，利用发热元素硅、锰与氧气反应放热，提升钢水温度；顶吹气体切换成吹氧模式，设定氧气压力为1.2MPa，流量为1200Nm3／h。
3.2.2 升温幅度确定
根据到站低温钢水实测温度，并根据吹氩过程钢水温降、补加合金熔化吸热造成的钢水 温降以及出站钢水工艺要求的目标温度，确定升温幅度△T ，可由下列计算公式确定：
式（4）中：△T为升温幅度，℃；T出站为出站钢水工艺要求目标温度，℃；t吹氩为吹氩时间，min；v吹氩吹氩过程钢水温降速率，取值范围为2～4 ℃／min；m硅铁 、m硅锰分别为补加的硅铁和锰铁合金的量，kg；ａ为每补加100kg合金造成的钢水温降系数，取值范围为0.02～0.04℃／kg；Ｔ进站为到站低温钢水温度，℃。
3.2.3 吹氧操作
设定氧气压力为1.2MPa，氧气流量为1200Nm3／h，将氩氧棒插入钢液1300～1500mm深度向钢水吹氧，并根据升温幅度 △T，确定吹氧时间t升温 ，可由下列计算公式确定。
式（5）中，t升温为升温时间，min；△T为升温幅度，℃；v升温为升温速度，取值范围为3.25～4.75℃／min。
3.2.4 喂丝脱氧
吹氩结束后，将氩氧棒提出钢水，采用定氧仪对吹氧结束后钢水定氧，根据实测钢水氧含量、出站钢水目标氧含量的要求，进行喂铝丝脱氧。喂铝丝量由下列计算公式确定：
式（６）中，L为喂铝丝长度，m；w1［Ｏ］，w2［Ｏ］分别为钢水出站目标氧含量和升温后钢水氧含量，ppm；m为钢水量，t；b为每米铝丝重量，取值范围为0.15～0.25kg／m。
3.2.5 补加合金
对定氧后钢水进行取样，根据实测升温后钢水硅、锰成分以及钢水出站目标硅、锰成分 的要求，分别补加硅铁和硅锰合金，补加量分别由下列计算公式确定：
式（7）、式（8）中，m锰铁 、m硅铁分别为补加锰铁和硅铁合金的量，kg；w1［Mn］、w2［Mn］分别为升温后钢水锰含量和钢水出站目标锰含量，％；w1［Si］、w2［Si］分别为升温后钢水硅含量和钢水出站目标硅含量，％；ｍ 钢 水 量 为钢水量，t；66.6％为硅锰合金锰含量；95％为 锰的收得率；18.64％为硅锰合金硅含量；90％为硅的收得率；72.5％为硅铁合金硅含量。
3.2.6 吹氩搅拌
合金补加完毕后，进行吹氩操作，吹氩时间按照普通碳素钢系列4min，低合金结构钢系列6min控制。
3.2.7 测温、取样
吹氩末期进行测温取样操作，确保出站钢水成分和温度合格。
3.2.8 钢水出站
钢水成分、温度以及氧含量符合工艺要求后，钢包加盖，出站连浇。
4 应用效果分析
4.1 化学成分分析
以HR400B 钢种为例，当氧气压力为1.2MPa，吹氧流量为1200Nm3／h时，化学升温前后钢水成分、温度以及发热元素烧损率情况统计，结果如表2所示。
由表2可以看出，采用钢包顶吹氧化学升温，其平均升温速率为3.55℃／min，钢中发热元素Si和Mn的烧损率平均为0.014％／min和0.022％／min。
4.2 生产成本分析
以钢水量65t，化学升温和LF炉加热时间分别为5min，Si和Mn的烧损率平均为0.014％／min和0.022％／min为计算依据，两者吨钢成本统计，结果如表3所示。由表３可以看出，采用化学升温方法和LF炉加热钢水相同时间时，升温幅度基本相当，但化学升温吨钢 成 本仅为LF 炉的53.8％。因此，在对低温钢水进行升温处理时，化学升温技术手段优势明显。
5 结论
（1）热力学计算表明，采用硅铁（含硅72.5％）和锰铁（含硅18.64％、含锰66.6％）作为发热剂，以出钢量65t为计算依据，吨钢钢水每升温1℃，需要加入的硅铁合金和锰铁合金的重量分别为0.044kg和0.233kg。
（2）当氧气压力为1.2MPa，吹氧流量为1200Nm3／h，吹氧时间为5min时，实际平均升温速度为3.55℃／min，钢中发热元素Si和 Mn的平均烧损率分别为0.014％／min和0.022％／min。
（3）钢包顶吹工艺作为一种异常生产状态下补救手段，能有效起到均匀钢水成分和温度，以及对低温钢水化学升温的作用，有利于转炉高效冶炼和生产稳定顺行，在同类型钢铁企业具有良好的推广应用前景。
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