網(wǎng)絡(luò)模擬轉(zhuǎn)爐冶煉管線(xiàn)鋼工藝

洪陸闊，艾立群，孫彩嬌

（河北聯(lián)合大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山063009）

當(dāng)今世界越來(lái)越多的鋼鐵企業(yè)投入大量的時(shí)間和金錢(qián)，用來(lái)培養(yǎng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)幾乎為零的大學(xué)生，而且大部分的高校、研究院的培養(yǎng)方式過(guò)于單一，不能使學(xué)習(xí)者很好的將理論與實(shí)踐相結(jié)合，為了解決鋼鐵行業(yè)人才培養(yǎng)和再教育資源的問(wèn)題，盡量降低人才培養(yǎng)的成本，國(guó)際鋼鐵大學(xué)開(kāi)發(fā)出一套互聯(lián)網(wǎng)模擬煉鋼系統(tǒng)——鋼鐵大學(xué)網(wǎng)站（http：／／www.steeluniversity.org）［1］。

國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)希望通過(guò)這個(gè)平臺(tái)激發(fā)學(xué)習(xí)者對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐更多的認(rèn)識(shí)和想法，同時(shí)使傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)得到有益的補(bǔ)充，為學(xué)習(xí)者展現(xiàn)生產(chǎn)的工藝過(guò)程，使理論與時(shí)間更好的結(jié)合，打破傳統(tǒng)教學(xué)的單一化。

鋼鐵大學(xué)網(wǎng)站將鋼的加工處理過(guò)程分為6個(gè)模塊：高爐煉鐵、電爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼、爐外精煉、連鑄、熱軋。其中轉(zhuǎn)爐煉鋼模塊包括了許多不同的鋼種，可以模擬不同鋼種的冶煉過(guò)程：普通建筑用鋼、超低碳鋼、管線(xiàn)鋼、工程用鋼［2］。

轉(zhuǎn)爐煉鋼在我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)中占有重要的地位，而伴隨著石油、天然氣工業(yè)的飛速發(fā)展，管線(xiàn)鋼的需求量日益增加，轉(zhuǎn)爐模擬冶煉管線(xiàn)鋼逐漸受到了人們的關(guān)注。

在模擬中，學(xué)習(xí)者將作為負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)爐操作的冶金專(zhuān)家，決定入爐鐵水、廢鋼、渣料的重量，通過(guò)控制氧槍槍位、供氧強(qiáng)度、渣料加入量和加入時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行冶煉操作，使之達(dá)到合適的出鋼溫度和出鋼成分。

1 原料條件及冶煉出鋼要求

鋼鐵大學(xué)網(wǎng)站對(duì)于管線(xiàn)鋼冶煉的鐵水條件和要求的出鋼成分參數(shù)如表1。

表1 管線(xiàn)鋼出鋼成分要求及鐵水條件參數(shù)

冶煉所需各原料成分及成本如表2。

從表1中可以看出鐵水條件較好，S含量已處于較低水平，脫S任務(wù)可以放到精煉爐中進(jìn)行，在轉(zhuǎn)爐冶煉中主要進(jìn)行脫碳、脫磷、提高溫度等冶煉任務(wù)。

從表2中可以看出廢鋼中P含量較低，轉(zhuǎn)爐公稱(chēng)容量一定，在保證冶煉終點(diǎn)溫度合格的情況下可以通過(guò)加入廢鋼使熔池中鋼液中的碳、硫、磷等含量降低，節(jié)約冶煉成本，減輕冶煉任務(wù)。重型廢鋼與輕型廢鋼成分相同，而重型廢鋼價(jià)格更為便宜，選擇原料時(shí)應(yīng)更多的選擇重型廢鋼。

表2 原料成分及成本

2 裝料制度

裝入量是指轉(zhuǎn)爐冶煉中每爐次裝入的金屬料總重量，它主要包括鐵水和廢鋼量。鋼鐵大學(xué)網(wǎng)站規(guī)定轉(zhuǎn)爐煉鋼鐵水和廢鋼裝入量約250噸。

2.1 鐵水廢鋼裝入比

從理論上講鐵水、廢鋼裝入比，應(yīng)根據(jù)熱平衡計(jì)算確定。但在模擬冶煉條件下，一些必須參數(shù)只能定量估計(jì)，不能準(zhǔn)確獲得數(shù)值，所以只能根據(jù)鐵水成分、溫度、廢鋼成分等參數(shù)和模擬冶煉經(jīng)驗(yàn)確定鐵水配入的下限和廢鋼配入的上限值。根據(jù)大多數(shù)模擬經(jīng)驗(yàn)鐵水配入比一般波動(dòng)在90%～96%之間。

2.2 原料輸入界面

進(jìn)入轉(zhuǎn)爐煉鋼界面，選擇所煉目標(biāo)鋼種后進(jìn)入原料輸入界面，如圖1。

圖1 原料輸入界面

在原料輸入界面，可以選擇所需原料，并顯示其成本和輸入所有原料的總成本、所冶煉的目標(biāo)鋼種和出鋼條件、入爐鐵水溫度和底吹攪拌氣體流量。由于選擇最大供氧強(qiáng)度，熔池已有足夠攪拌強(qiáng)度，底吹氣體流量可調(diào)至最低。

在原料界面輸入完所需參數(shù)后，下一步進(jìn)入自動(dòng)兌入鐵水動(dòng)畫(huà)，之后進(jìn)入模擬冶煉界面，一旦模擬開(kāi)始，通過(guò)屏幕左下角的相關(guān)鍵可以進(jìn)行：加料、查看即時(shí)鋼液成分、事件記錄、查看碳含量路徑圖（即碳含量、溫度和時(shí)間的結(jié)構(gòu)圖）、取樣分析、查看即時(shí)渣成分。模擬速度可以在1至32倍之間選擇，在模擬過(guò)程中的任意時(shí)刻都可以改變。但是，當(dāng)有重要事故發(fā)生時(shí)（例如爐口溢渣）模擬速度會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)到1。

3 冶煉工藝分析

冶煉操作基本參數(shù)如表3所示：

表3 基本操作參數(shù)

3.1 供氧制度

供氧制度是在供氧噴頭結(jié)構(gòu)一定的條件下使氧氣射流最合理的供給熔池，創(chuàng)造爐內(nèi)良好的物理化學(xué)條件。制定合理的供氧制度可以保證迅速的化渣、去除雜質(zhì)、使熔池迅速的升溫、避免噴濺、控制終點(diǎn)達(dá)到成分溫度雙命中。供氧制度需要考慮噴頭結(jié)構(gòu)、供氧壓力、供氧強(qiáng)度和氧槍槍位等因素，模擬中噴頭結(jié)構(gòu)和供氧壓力都是一定的，只需考慮供氧強(qiáng)度和氧槍槍位兩個(gè)因素。

供氧強(qiáng)度指單位時(shí)間熔池內(nèi)每噸金屬的供氧量，供氧強(qiáng)度大小主要受爐內(nèi)噴濺影響，通常在不造成噴濺情況下可盡量使用較大的供氧強(qiáng)度，達(dá)到迅速脫碳升溫目的。模擬中最大供氧強(qiáng)度為3m3／min˙t［3］。

目前氧槍操作有兩種類(lèi)型，恒壓變槍操作和恒槍變壓操作，由于模擬中氧壓是給定不變的，所以采用恒壓變槍操作［4］。

當(dāng)供氧壓力一定時(shí)，槍位越低，氧氣射流對(duì)熔池的沖擊動(dòng)能就越大，熔池?cái)嚢柙綇?qiáng)，氧氣利用率就越高，越有利于加速爐內(nèi)脫硅、脫碳等反映。又由于脫碳速度加快使得縮短了反應(yīng)時(shí)間，熱損失相對(duì)減少，有利于降低冶煉成本。但槍位過(guò)低，不利于快速成渣，槍位過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致氧氣射流對(duì)熔池的攪拌能力減弱，造成表面鐵的氧化，使?fàn)t渣中（FeO）含量增加，導(dǎo)致?tīng)t渣嚴(yán)重泡沫化引起噴濺或爐口溢渣。由此可知，只有合適槍位才能獲得理想的吹煉效果。

模擬中，鐵水條件：C 4.5%，Si 0.4%，Mn 0.5%，P 0.08%，S 0.02%。根據(jù)鐵水成分，冶煉中主要任務(wù)是脫碳去磷，又由于鐵水溫度較高、渣料在吹煉前期加入，開(kāi)吹時(shí)采用高槍位化渣，促進(jìn)石灰熔化，盡快形成高堿度爐渣，增大前期脫磷效率。在爐渣化好后降槍脫碳，為避免碳氧反應(yīng)劇烈時(shí)期爐渣返干，適時(shí)提高搶位，保持爐渣中（FeO）含量在10%左右，防止出現(xiàn)回磷現(xiàn)象。到吹煉末期，適當(dāng)降低槍位加強(qiáng)熔池?cái)嚢?，繼續(xù)脫碳同時(shí)均勻熔池成分和溫度，避免終渣（FeO）含量過(guò)高。

采用高—高—低—高—低多段式氧槍操作，其槍位變化如圖2：

圖2 槍位變化

3.2 造渣制度

造渣制度就是根據(jù)原材料和冶煉鋼種要求確定造渣方法、渣料加入數(shù)量和加入時(shí)間。在模擬吹煉過(guò)程中不倒渣，即采用單渣法操作。

3.2.1 白云石造渣

白云石應(yīng)在開(kāi)吹時(shí)就加入爐內(nèi)，以增加初期渣中MgO含量，可在CaO－SiO2－FeO渣系中形成一些低熔點(diǎn)含Mg礦物質(zhì)，降低爐渣熔化溫度和粘度，有利于快速成渣。初期渣中含有MgO，可以有效減緩石灰表面形成高熔點(diǎn)的2CaO˙SiO2外殼層，有利于加快石灰的溶解。

3.2.2 渣料加入量計(jì)算［5］

冶煉所需渣料主要為石灰和白云石。

石灰加入量主要根據(jù)鐵水的Si、P含量以及爐渣的堿度來(lái)確定。由于鐵水含P、S量較低，爐渣堿度可控制在2.5～3.0。

鐵水中P（0.08%）含量較低，確定石灰用量只需考慮Si含量，可用以下公式計(jì)算：

式中：B—堿度，CaO／SiO2；

%CaO有效—石灰中有效CaO含量，%CaO有效＝%CaO石灰－B%SiO2石灰；

2.14—SiO／Si的分子量之比。

白云石加入量應(yīng)根據(jù)爐渣中所要求的MgO含量來(lái)確定，一般爐渣中MgO含量控制在6～8%即可。爐渣中的MgO含量主要由白云石帶入，由于爐渣中MgO控制的含量比較少，故還應(yīng)考慮石灰中帶入的MgO的影響。

白云石理論加入量W白（kg／t）

式中：%MgO白—白云石中MgO含量。

白云石實(shí)際加入量（W＇白）應(yīng)減去石灰中帶入的MgO量這算成白云石的數(shù)量（W石）。W＇白＝W白－W石

式中：59.5%—白云石中CaO的含量；

94.9%—石灰中CaO的含量。

3.2.3 渣料加入時(shí)間

渣料的加入時(shí)間對(duì)化渣速度有著直接的影響，模擬中渣料可分兩批加入，第一批渣料在原料選擇界面加入，加入量約為總渣量的1／2～2／3，為增加初期渣中MgO含量，利于早化渣，將白云石全部加入。當(dāng)Si、Mn氧化基本結(jié)束，第一批渣料基本化好后，將剩下的渣料全部加入。

3.3 溫度制度

溫度制度指過(guò)程溫度和終點(diǎn)溫度的控制?？刂坪眠^(guò)程溫度，有利于快速化渣和脫磷，也有利于控制終點(diǎn)溫度。任何鋼種對(duì)出鋼溫度都有著嚴(yán)格的要求，在模擬中要求出鋼溫度在1655～1685℃之間，出鋼過(guò)程中

式中：W—石灰加入量；

1.8%—石灰中MgO含量；

38.5%—白云石中Mg O含量。

同理，實(shí)際石灰加入量W＇：石灰加入量W減去實(shí)際白云石帶入渣中CaO拆算石灰的數(shù)量。大概有9℃的溫吹降，所以至少要保證鋼水達(dá)到1664℃再進(jìn)行提槍倒?fàn)t出鋼。如果出鋼溫度過(guò)低，會(huì)造成鋼包粘鋼，澆注時(shí)水口結(jié)瘤甚至造成回爐事故。出鋼溫度過(guò)高，不僅會(huì)增加鐵的燒損，浪費(fèi)熱量，增加冶煉成本，還會(huì)增加鋼中夾雜物和氣體的含量，影響鋼材的質(zhì)量。因此，溫度控制是轉(zhuǎn)爐冶煉的重要環(huán)節(jié)之一。

3.3.1 熱量來(lái)源

氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的熱量來(lái)源主要是鐵水的物理熱和化學(xué)熱。物理熱是指鐵水帶入的熱量，它與鐵水的溫度有直接的關(guān)系，鐵水溫度在1200～1400℃之間可以選擇，為節(jié)約冶煉成本入爐鐵水溫度選擇最大?；瘜W(xué)熱是鐵水中各元素氧化后放出的熱量，它與鐵水化學(xué)成分直接的關(guān)系。

3.3.2 鐵礦石的冷卻效應(yīng)

冷卻效應(yīng)指加熱冷卻劑到熔池溫度所消耗的物理熱和冷卻劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所消耗的化學(xué)熱之和，即

Q物與冷卻劑的物理性質(zhì)和熔池溫度有關(guān)，計(jì)算公式如下：

式中：CL、Cs—分別為液態(tài)和固態(tài)的熱容，kJ／kg˙K；

T、Tf—分別熔池溫度和為冷卻劑的熔點(diǎn)，K；Qf—為冷卻劑的熔化潛熱，kJ／kg。

取鐵礦石的CL、Cs為1.05 kJ／kg˙K，熔化潛熱Qf為209.34 kJ／kg，可得到其物理吸熱：

Q化與冷卻劑的化學(xué)成分和性質(zhì)有關(guān)。鐵礦石中的氧化物主要是FeO，忽略鐵礦石中其他氧化物的影響，取FeO的化學(xué)熱為36.93kJ／kg，則：Q化＝36.93FeO%

可得到鐵礦石的冷卻效應(yīng)為：Q礦＝36.93FeO%＋20.34＋1.05T

3.3.3 熔池溫度的變化

轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程中熔池溫度的變化與發(fā)熱元素的氧化放熱和渣料和冷卻劑的加入量有關(guān)，為合理的控制冶煉溫度，準(zhǔn)確的達(dá)到出鋼溫度，需要考慮以下幾點(diǎn)：

I、在沒(méi)有攪拌沒(méi)有吹氧的情況下，鋼水平均每分鐘大約降低1～2℃。

II、對(duì)大部分渣料來(lái)說(shuō)，每添加1噸會(huì)給鋼水帶來(lái)5℃左右的溫降。

III、磷和硅的氧化反映是強(qiáng)放熱反應(yīng)，平均每噸鐵水每含0.1%的磷或硅元素就會(huì)使一噸鋼液產(chǎn)生26 MJ的熱量，相當(dāng)于每噸鋼液升溫3℃。

IV、由于碳的氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，每0.1%的碳會(huì)使噸鋼產(chǎn)生大約13 MJ的熱量，相當(dāng)于每噸鋼液升高1.4℃。

V、確定哪些元素是轉(zhuǎn)爐煉鋼的主要熱源，不僅要看其熱效應(yīng)的大小，還要看其氧化總量的多少。VI、增加鐵水或鋼水溫度，每噸分別需要9.0或9.4 MJ的熱量。

VII、吹煉后期熔池溫度過(guò)高會(huì)限制脫磷反應(yīng)的進(jìn)行，此時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制終點(diǎn)出鋼溫度。

3.3.4 碳含量與溫度、時(shí)間結(jié)構(gòu)曲線(xiàn)

根據(jù)碳含量與溫度、時(shí)間的結(jié)構(gòu)曲線(xiàn)，可以找到溫度上升的規(guī)律，其中每?jī)牲c(diǎn)間的時(shí)間間隔是一分鐘。

圖3 碳含量、溫度、時(shí)間關(guān)系

將圖3中每分鐘溫度變化匯集到表格中，如表4。

表4 模擬冶煉時(shí)間溫度表

由圖3中可以看出，熔池溫度上升大致可以分為三個(gè)階段，吹煉第一個(gè)階段熔池升溫速度很快，平均速度達(dá)25℃／min，這主要是因?yàn)殍F水中的硅、錳、磷等元素大量氧化放熱，使熔池迅速升溫。到吹煉第二個(gè)階段熔池升溫較為緩慢，平均速度僅為9.4℃／min，因?yàn)榇穗A段加入第二批渣料和冷卻劑（鐵礦石）消耗一部分熔池?zé)崃?，雖然此階段熔池中碳大量氧化放熱，但產(chǎn)生大量的煙氣帶走大量的熱量，使熔池升溫較慢。第三階段碳氧反映接近后期，部分鐵氧化，渣中FeO上升，產(chǎn)生的煙氣量大量減少，冷卻劑已基本熔化，升溫速度比第二階段略高，其平均升溫速度為12.8℃／min。

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可以得到每個(gè)階段的溫度變化回歸方程：

在模擬中，由于不同的操作人員操作習(xí)慣不盡相同，得到的回歸方程也略有不同，吹煉第二階段升溫速度較為平緩，可在此階段末期找個(gè)便于判斷溫度是否不足的標(biāo)志點(diǎn)，判斷升溫速度是否合理，例如：第二階段末期當(dāng)熔池中碳含量在1.0%時(shí)，熔池溫度最好不低于1600℃，若不足應(yīng)立刻降槍強(qiáng)吹，使溫度變化方程在第三階段恢復(fù)正常。

4 高供氧強(qiáng)度下脫碳速度

在其他操作參數(shù)均相同，供氧強(qiáng)度分別為3.0m3／min˙t和2.73m3／min˙t下的模擬結(jié)果，如圖4、圖5。

由圖4可知在供氧強(qiáng)度為3.0m3／min˙t下，吹煉開(kāi)始5 min內(nèi)，由于硅、錳等元素氧化消耗了一部分的氧氣，平均脫碳速度為0.2%C／min。隨著硅、錳等元素的降低，吹煉5 min后碳開(kāi)始大量氧化，此時(shí)熔池內(nèi)以碳氧反應(yīng)為主，脫碳速度主要取決于供氧強(qiáng)度，模擬中采取高供氧強(qiáng)度，直到吹煉末期脫碳速度較快，平均脫碳速度為0.24%C／min。

在供氧強(qiáng)度為2.7m3／min／t下，吹煉開(kāi)始6 min內(nèi)，平均脫碳速度為0.18%C／min。吹煉6min后，平均脫碳速度為0.2%C／min。

在高供氧強(qiáng)度下，脫碳速度較快，供氧強(qiáng)度明顯縮短，通過(guò)對(duì)比供氧強(qiáng)度為3.0m3／min／t的供氧時(shí)間低于17 min，比供氧強(qiáng)度為2.7m3／min／t的供氧時(shí)間近少近2 min，縮短了冶煉周期。

5 吹煉過(guò)程中P含量變化規(guī)律

吹煉開(kāi)始金屬液中P開(kāi)始大量氧化，至5 min，熔池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)主要以脫碳為主，熔池中磷、硅已基本氧化完全，熔池溫度上升到1525℃，此時(shí)渣料已基本化好，爐渣堿度高達(dá)3.0，且爐渣具有良好的流動(dòng)性，雖然爐渣中（TFe）降低至不到10%，但爐渣仍具有較好的脫磷能力，此階段平均脫磷速度為0.0018%P／min，前5min脫磷率達(dá)87.5%，此時(shí)熔池內(nèi)金屬溶液中P含量已降低至0.001%。

圖4 供氧強(qiáng)度為3.0m3／min／t

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)模擬冶煉管線(xiàn)鋼，使學(xué)習(xí)者能夠認(rèn)識(shí)到管線(xiàn)鋼在鋼鐵行業(yè)中的用途和重要性，能了解管線(xiàn)鋼的屬性和成分，生產(chǎn)的工藝流程，使學(xué)習(xí)者真正的體驗(yàn)到現(xiàn)實(shí)中的鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程，在模擬中，學(xué)習(xí)者會(huì)更好理解轉(zhuǎn)爐的操作過(guò)程，同時(shí)更生動(dòng)詳細(xì)的告訴學(xué)習(xí)者轉(zhuǎn)爐是怎樣將鐵水吹煉成鋼水的。

圖5 供氧強(qiáng)度為2.7m3／min／t

［1］ 袁宇峰，柯華飛.值得關(guān)注的鋼鐵大學(xué)網(wǎng)站［J］.武鋼技術(shù)，2008（02）：46－48.

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