于亮濤 楊普慶
山鋼萊蕪分公司煉鋼廠老區(qū)此前難以生產高附加值鋼材，主要存在以下幾方面的問題：一是轉爐終點碳溫雙命中率低，補吹爐次增加，造成鋼水夾雜物含量增加；二是LF精煉渣系組分波動大，去除夾雜物能力差；三是鑄坯表面、內部質量較差，軋制易產生裂邊、重皮等問題，不能滿足用戶使用要求，給產品的開發(fā)和質量的提升帶來不利影響。該廠需要研究一種低碳潔凈鋼生產技術，提高鋼水的潔凈度及連鑄坯質量，進而為煉鋼廠生產高附加值鋼材提供有力的技術保障。
本研究通過系統(tǒng)分析研究整個工序生產工藝流程，找出制約產品提升的關鍵環(huán)節(jié)，通過智能煙氣分析系統(tǒng)成熟應用、精煉渣系窄成分控制及連鑄定徑澆注模擬拉速二次冷卻控制等技術，形成了一套穩(wěn)定高效的低碳潔凈鋼生產技術，助力山鋼實現(xiàn)精品強企戰(zhàn)略。
新技術開發(fā)應用條件
生產線主要概況
主要流程：噴鎂脫硫——頂底復吹轉爐——LF爐——矩形坯連鑄機。
存在的主要問題或差距
智能煙氣分析系統(tǒng)靜態(tài)控制模型不穩(wěn)定，點吹爐次較多，導致鋼水氧化性較強，爐襯侵蝕較為嚴重，增加耐材消耗和鋼水夾雜物含量。
爐渣熔點高、黏度大，造成爐渣吸附夾雜物能力較差。
鑄坯存在內弧夾雜、角部裂紋、中間裂紋、中心裂紋等質量缺陷。
技術開發(fā)方案
智能煙氣分析控制技術
智能煙氣分析控制技術工作原理
轉爐智能煙氣分析控制技術是在轉爐靜態(tài)控制技術的基礎上，利用激光氣體分析儀檢測轉爐吹煉過程中產生的煙氣成分，并根據同步檢測的轉爐信息建立動態(tài)模型，計算熔池碳含量變化和升溫速度，動態(tài)確定熔池碳含量以及熔池溫度，提高終點命中率，實現(xiàn)轉爐煉鋼智能控制。
智能煙氣分析靜態(tài)控制模型優(yōu)化
通過對轉爐冶煉過程中煙氣成分CO和CO2濃度的曲線變化情況與轉爐冶煉操作相關性研究，在轉爐冶煉的不同階段，受爐內反應的不同情況，煙氣信息中CO和CO2濃度曲線變化呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)。通過實踐積累，根據煙氣中CO和CO2濃度曲線變化情況，能夠準確地判斷爐內反應，可以有效地預防過程返干和噴濺，對于改善操作具有重要的指導意義。在轉爐冶煉過程中，爐氣成分中的CO和CO2呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，這些變化間接反映了爐內反應情況，結合煙氣分析系統(tǒng)中CO濃度變化，從布料、槍位和氧壓上進行優(yōu)化，提高冶煉過程和終點控制能力。
優(yōu)化終點控制模式
由煉鋼原理可知，吹煉后期，鋼水中碳的濃度很低，特別是碳含量降到臨界碳以后，脫碳速度受碳的傳質影響。
經過反復的實踐，并積累了豐富的數據，加強冶煉后期熔池的攪拌強度，有利于熔池中碳的傳質，使脫碳速度更均勻。終點提槍拉碳模式調整為預測碳溫在設定碳溫范圍內提槍關氧。
潔凈鋼精煉渣系的研究
目標渣系確立機理
鋼包精煉的基本渣系為CaO—SiO2—Al2O3。精煉渣要具有適當高的堿度和還原性，以實現(xiàn)脫氧、脫硫的目的；要求渣鋼之間有較大的界面張力，渣與夾雜物之間的界面張力要小，以具有較強吸附夾雜物能力，特別是吸收Al2O3的能力；低的熔點和良好的發(fā)泡性能，以實現(xiàn)快速成渣埋弧加熱、減少熱損失、保護鋼包包襯的目的。
——爐渣硫容量。從脫硫角度及鋼包耐材侵蝕速度綜合考慮選擇CaO-Al2O3-SiO2渣系，當渣組分為CaO占比50%~60%、Al2O3占比10%~15%、SiO2＜20%時，渣系具有較高的硫容量。
——爐渣黏度。CaO-Al2O3-SiO2渣系的黏度主要受堿度和Al2O3含量影響。溫度為1400℃~1500℃，當組成為10％的Al2O3、48％~58%的CaO時，熔渣具有最小的黏度值。隨著CaO含量的增加，熔渣黏度增加很快，當SiO2含量增加或不變及CaO含量降低時，黏度線分布變疏，黏度降低；Al2O3對該渣系黏度的影響沒有堿度明顯，但在一定堿度下，Al2O3含量超過一定范圍時，由于熔渣的熔化溫度升高，渣的黏度顯著提高。當熔渣組成中CaO在50％~60％、Al2O3在10％~30％、SiO2≤40％時，該熔渣具有較低的黏度。由于CaF2能降低渣的熔化溫度并使復雜陰離子解體，所以適當加入CaF2，可以降低CaO-Al2O3-SiO2渣系的黏度。
——熔化溫度。熔渣的熔化溫度與熔渣的組成成分有關。渣系CaO-Al2O3-SiO2中處于1300℃的較低熔點區(qū)共有3個。具有較高含量的SiO2 (>40％)不能用于鋼包渣的改性處理和鋼水的精煉，因此不能采用在此范圍內的渣系。擁有較高硫容量的渣組成集中在50％~60％的CaO，5%~15％的Al2O3，<20%的SiO2（質量分數)，此時CaO接近飽和，爐渣脫S能力（Ls）為200~300，熔渣成分符合鋼包渣改性工藝的硫容量、黏度要求。
為了使精煉渣有較好的脫硫效果和有利于對上浮Al2O3等脫氧產物的同化和吸收，常將精煉終渣成分選定在CaO-Al2O3-SiO2相圖的12CaO·7Al2O3區(qū)域，Al2O3含量為20％左右，存在Ls較高的區(qū)域，并且在該區(qū)域精煉渣熔點較低，有利于與夾雜的結合；更重要的是在這種渣系條件下，由SiO2引起的鋼水中的[Al]的再氧化趨勢能得到抑制。為了減小精煉渣對鋼包渣線耐火材料的侵蝕，渣中添加5％~10％MgO。
——目標渣系的確立。工藝實施前的低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼渣系組分實際控制范圍為：CaO占比58.35%，SiO2占比15.22%，Al2O3占比25%，堿度為3.8。
——低碳鋼種特點。低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼對鋁含量有一定要求，低碳鋼全部鋼芯鋁脫氧，金屬錳合金化，渣中SiO2相對偏低，渣中Al2O3較高，要求頂渣具有較高堿度、良好的脫硫效果、流動性及夾雜物吸附能力，同時兼顧夾雜物變性形成12CaO·7Al2O3。
——低碳鋼渣系的確立。低碳鋼冶煉時表現(xiàn)為爐渣較稀，吸附夾雜能力較弱，特別是精煉后期頂渣稀，有時出現(xiàn)“玻璃渣”。雖然堿度較高，但由于轉爐全部采用鋼芯鋁脫氧，渣中Al2O3含量較高；調整了爐渣熔點，表現(xiàn)為頂渣較稀，SiO2含量主要是受轉爐下渣影響，波動較大，不穩(wěn)定。
為了加強頂渣的吸附能力，可以適當穩(wěn)定CaO含量在55%~60%范圍內，以更好地促進泡沫渣的形成。SiO2含量不宜過高，可適當降低SiO2的含量，穩(wěn)定在10%~15%范圍內，以便更好地穩(wěn)定爐渣流動性和堿度。為了適當降低并穩(wěn)定精煉渣中的Al2O3含量，可以適當減少部分異常情況及頂渣處理時加入的鋁粒含量，使渣中的Al2O3穩(wěn)定在18%~23%。繼續(xù)做好精煉脫氧，保持好爐渣的還原性，使TFe+MnO<1%。
連鑄定徑澆注模擬拉速二次冷卻控制技術
拉速波動的危害
4號連鑄機結晶器液面、拉速控制不穩(wěn)定，結晶器液面波動一般在±5mm以上，個別達到12mm以上；拉速波動一般在0.3m/min以上，個別達到0.5m/min以上，結晶器液面、拉速波動大，結晶器易卷渣，造成鑄坯內部夾渣，惡化鑄坯質量，同時容易發(fā)生漏鋼生產事故。
二次冷卻配水模型
目前，4號機連鑄常用的二次冷卻模型為：Q=A×V+B，其中Q為水量，A、B為系數，V為工作拉速。二冷段一般分為足輥、一段、二段、三段等。4號連鑄機生產低鋁鎮(zhèn)靜鋼時采用定徑中間包澆鑄。結晶器液面控制采用銫137方式，中間包定徑滑塊的鋼水下流通道直徑固定，鋼水流量因中間包液面波動變化大，導致拉速波動大。根據二次冷卻模型，較大的拉速波動導致二次冷卻水量的波動，二次冷卻水量波動大、不均勻，惡化連鑄坯外形質量，造成連鑄坯易脫方。
開發(fā)模擬拉速二次冷卻控制技術
開發(fā)一種基于連鑄定徑澆注模擬拉速二次冷卻控制技術，設計一種二次冷卻配水模型，可以通過對實際拉速進行模擬得到一種模擬拉速，根據模擬拉速進行二次冷卻配水，減少二次冷卻水量波動，有效地控制連鑄機鑄坯脫方的二次冷卻。該技術解決了連鑄鑄坯實際工作拉速波動大導致的二次冷卻水量波動大問題，大大改善了鑄坯二次冷卻均勻性，提高了連鑄坯外形質量，適用于各類型的連鑄機二次冷卻。
應用效果
提高轉爐終點碳溫雙命中率
在大量數據積累的基礎上，通過不斷對模型進行優(yōu)化和完善，靜態(tài)模型預測準確度大大提升，轉爐終點碳溫雙命中率較以往大大提高，一次拉碳合格率為92.5%以上，減少了補吹爐次，降低了鋼水氧化性，合金收得率及金屬收得率分別提升了2%和1%。
精煉渣系吸附夾雜物能力提升
通過對LF爐精煉窄成分渣系工藝的研究與實施，使得品種鋼夾雜物總級別≤1.5級的合格率≥95%，提高了產品質量，穩(wěn)定了軋材性能。
連鑄坯質量得到有效提升
該項改造杜絕了軋材質量缺陷，提升并穩(wěn)定了軋材性能，減少了性能不合格判廢量，提高了軋材合格率。由于鑄坯表面質量得到提升，表面裂紋數量大幅降低，鑄坯一次精整率減少50.7%。
結 語
山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠通過智能煙氣分析系統(tǒng)成熟應用、潔凈鋼精煉渣系窄成分控制及連鑄定徑澆注模擬拉速二次冷卻控制技術等工藝的應用，轉爐終點控制水平大幅提升，碳溫雙命中合格率在92.5%以上；精煉渣系吸附夾雜物能力大幅提高；鑄坯質量明顯提升，一次精整率大幅降低，提升了品種鋼產品質量，為山鋼生產高附加值鋼材、創(chuàng)建質量品牌奠定了堅實基礎，且多項經濟技術指標顯著進步，達到了預期目標，取得了較好的效果。
