马钢第四钢轧总厂300t转炉IF钢生产实践0428.docx
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马钢第四钢轧总厂300t转炉IF钢生产实践0428
马钢第四钢轧总厂300t转炉IF钢生产实践
杨明1，熊磊2，邓勇3
（1.钢铁研究总院，北京10008；2.马鞍山钢铁股份有限公司第四钢轧总厂，马鞍山，243000）
摘要：
本文针对马钢四钢轧总厂（以下简称四钢轧）300吨转炉初期生产IF钢存在的问题，对IF钢的在转炉终点控制的关键参数上进行了优化。
转炉终点碳含量要求控制在300~650ppm；转炉冶炼终点钢水中的氧是产生钢中夹杂物的根源，对钢的洁净度有着不利的影响，为了加强转炉终点氧含量的控制水平，提高产品的内部质量，通过对四钢轧某阶段转炉冶炼IF钢现场试验研究，分析了转炉终点氧含量的分布状态，研究了碳含量、炉龄、终点温度等因素对终点氧含量的影响规律，要求终点活度氧含量控制在500~850ppm。
通过以上措施提高了转炉工序的控制能力，为下道工序提供了冶炼的有利条件，稳定了IF钢的生产，提高了钢水质量。
关键字：
IF钢；转炉；终点碳；终点氧
ProductivePracticeofIFSteelinFourthSteelmakingandSteelRollingGeneralWorksofMasteel
YangMing1,XiongLei2,DengYong3）
（1.CentralIron&StellResearchInstitute,Beijing,10008;2.ManshanIron&SteelCompanyLimited,Maansh,243000）
Abstract:
TheprocessofIFsteelwereoptimizedagainsttheinitialproblemsofproductioninfourthsteelmakingandsteelrollinggeneralworksofMasteel.Thecarboncontentiscontrolledbetween300to650×10-6atconverterend-point.Oxygenactivityatblowingend-pointofBOFsteelmakingisthemainsourceofproducingnonmetallicinclusionsandhasbadinfluenceonsteelcleanliness.Inordertoincreasethecontrolofoxygencontentatblowingend-pointofBOFsteelmakingandimproveproductsinnerquality,experimentsaredoneduringaBOFsteelmakingtoproduceIFsteelinFourthSteelmakingandSteelRollingGeneralWorksofMasteel.Thecontentofcarbonandoxygenatblowingend-pointisanalyzed,theeffectofcontentofcarbon,BOFage,end-pointtemperatureonthecontentofoxygenatblowingandend-pointarestudied,andtheoxygencontentisbetween500×10-6and800%×10-6atconverterend-pointisputforward.TheprocessescontrolabilityofBOFwasimproved,theproductionofIFsteelwasstabilized,andthesteelqualitywasimprovebecauseofthese.
KeyWords：
IFsteel；BOF；end-pointoxygencontent；end-pointcarboncontent
1 前言
80年代以来，随着冶金生产技术的进步和汽车工业的发展，IF钢得到迅速发展。
1997年仅日本IF钢的年产量就超过1000万t。
以IF钢为基础发展起来的深冲热镀锌IF钢板、深冲高强度IF钢板、深冲高强度烘烤硬化（BH）IF钢板等系列，已形成了第三代汽车冲压用钢。
IF钢的生产已经成为一个国家汽车用钢板的标志。
降低生产成本并开发物美价廉的品种是目前IF钢研究和生产的趋势。
我国研制IF钢始于1989年，北京科技大学与宝钢合作，在没有引进外国专利的情况下，用了不到二年的时间基本完成了IF钢的开发，填补了国内空白。
本文针对马钢第四钢轧总厂在IF钢生产初期转炉冶炼终点的碳含量、温度及活度氧控制上存在的问题，进行了IF钢大生产数据的收集和分析，为优化工艺路线提供依据。
（1）
2 马钢第四钢轧总厂概况及钢IF钢生产数据统计与分析
2.1概况
马钢第四钢轧总厂（以下简称四钢轧）于2007年3月建成投产，该厂拥有2座300吨顶底复吹转炉、一座300吨双工位LF炉、1座300吨双工位RH精炼炉、2台双流连铸机，其主要产品为高级别汽车用板、管线钢、家电板及造船用板等。
2.2IF钢生产工艺流程
四钢轧IF钢生产工艺为：
铁水预处理→BOF转炉吹炼→吹氩站→RH真空精炼→连铸→热轧→冷轧。
在IF钢生产初期，各工序工艺控制不稳定，表现为转炉终点活度氧高、钢包温降大、生产时序易打破、RH吹氧升温量大、铝粒用量大、连铸蓄流严重等。
经过四钢轧炼钢区域从转炉终点三命中、钢包热状况的管理、RH真空处理及连铸各工序的工艺优化，提高了各工序的控制能力，稳定了IF钢的生产，提高了钢水质量。
3IF钢冶炼过程中转炉工艺控制
3.1转炉自动化炼钢简介
转炉炼钢自动控制系统控制的工艺范围主要包括
1、废钢从废钢称量开始，直到装入转炉为止。
2、副原料和铁合金从称量开始，到投入转炉为止。
3、转炉冶炼过程控制包括氧枪系统、副枪系统、转炉倾动系统、烟气分析及声纳化渣系统、烟气除尘和回收系统等。
四钢轧一直致力于自动化炼钢的推进工作，即根据KR处理后的铁水温度、处理后的C、Si、Mn、P、S的含量、冶炼炉次的铁水及废钢装入量等，根据所冶炼的钢种，设定终点的目标C含量及目标出钢温度等，由静态模型完成转炉装料计算，说明所需铁水、废钢、辅助原料和吹氧量，并给出副枪下枪时间；转炉动态模型完成如温度、化学成分控制等的第二阶段冶炼控制的计算。
表1铁水条件的概况：
铁水
温度T/℃
铁水
ω[C]/
%
铁水
ω[Si]/
%
铁水
ω[Mn]/
%
铁水
ω[P]/
%
铁水
ω[S]/
%
铁水量/t/
废钢量/t
平均
1317
4.53
0.41
0.27
0.108
0.003
295
31.2
最大
1395
5.06
1.38
0.62
0.133
0.008
330
50.2
最小
1248
3.28
0.14
0.113
0.033
0.001
272
0
从上表数据可以看出，我厂的铁水温度及铁水成分波动范围较大，通过多年的生产实践，将不同的铁水条件（铁水温度及铁水硅含量）进行了一定的归类总结，摸索出一套较为适合我厂IF钢冶炼的枪位控制及加料模式。
图1优化前枪位及流量控制图
图2优化后枪位及流量控制图
图3声纳化渣图
（其中黑色线为过程枪位走势，紫线为化渣效果，紫线越低表明化渣效果越好）
3.2IF钢转炉冶炼终点控制
对于“转炉-RH-连铸”生产IF钢工艺流程而言，转炉终点控制的重点在于控制合理的钢水碳、氧、温度范围，为工序的稳定顺行提供前提保障。
表2四钢轧IF钢转炉终点控制要求：
ω[C]/×10-6
ω[O]/×10-6
ω[P]/%
ω[S]/%
终点T/℃
转炉终点要求
300~650
500～850
≤0.01
≤0.011
1680～1698
统计了2009年7~9月所生产的300炉IF钢转炉终点碳、氧、温度数据，结果如表3。
表3转炉生产IF钢各项指标平均值：
ω[C]/×10-6
ω[O]/×10-6
ω[P]/%
ω[S]/%
终点T/℃
转炉终点控制
520
756
0.013
0.006
1686
3.2.1转炉终点ω[C]
转炉终点ω[C]统计如下表4所示:
终点碳含量≤30×10-6
比例%
终点碳含量30×10-6~40×10-6
比例%
终点碳含量40×10-6~650×10-6
比例%
终点碳含量≥30×10-6
比例%
5.4
10.7
67.8
16.1
四钢轧工艺技术标准要求IF钢终点碳含量为30×10-6~65×10-6，从上表统计的数据可以看出，平均终点碳含量达到520×10-6，IF钢终点碳含量基本可以满足IF钢的生产需求。
BOF终点碳处于[0.04，0.065]的比例为67.8%，可见在转炉终点留C这一点上控制较好，这主要是由于在长期的生产实践中，针对我厂的转炉的工艺控制要求及RH真空槽体的实际状况，在装入制度上做出了调整，即每炉IF钢严格按照铁水300吨，自循环废钢30吨进行装料，保证吹炼过程中的热量富裕。
而终点碳含量小于0.03%的炉次比例仍然占5.4%,据统计转炉终点活度氧高于1000ppm的共有25炉，而钢水碳含量低氧含量高时，RH则需加碳粉脱氧，一方面增加了后道工序的负担，另外这些炉次潜在影响钢水质量。
另外，终点碳含量大于0.065%的比例为16.1%，这导致RH进行吹氧强制脱碳，虽然对钢水质量影响较小但会增加后道工序处理时间。
3.2.2转炉终点ω[C]
随着用户对钢的洁净度要求越来越高，为此必须尽力减少钢中非金属夹杂物数量并减小尺寸，尤其是对高品质IF钢更为重要。
经研究发现转炉冶炼终点钢水的溶解氧是导致铸坯中最终产生内生氧化物夹杂的最终根源，另外转炉终点的氧含量过高还会降低金属的收得率。
因此在转炉冶炼过程中设法控制转炉出钢时的氧含量，对冶炼洁净钢是非常重要的一项工艺。
根据反应平衡的原理，随着钢中碳的降低其氧含量势必会增高，因此在出钢过程中，如何能在保证一定碳含量的同时，尽量降低钢水中的氧含量，对于高品质IF钢的冶炼有着重要意义
（2）
表5转炉冶炼终点不同碳含量时对应的氧含量
ω[C]范围/%
平均ω[C]/%
实际平均ω[O]×106
理论平均ω[O]×106
过氧化ω[O]×106
碳氧积
<0.03
0.029
864
822
42
25.2
0.031~0.04
0.037
725
555
170
27.8
0.041~0.05
0.046
637
455
182
29.4
0.051~0.06
0.055
587
387
200
31.8
>0.06
0.071
533
328
205
33.2
注：
表中过氧化[O]定义为△ω[O]=ω[O]实际-ω[O]理论
分析表5可知，当终点ω[C]<0.03%时，转炉终点氧含量平均高达864×10-6，如此高的氧含量会给后续的RH精炼带来过大的压力，可能导致RH会采用碳粉脱氧等，既影响生产节奏也最终会在铸坯中产生较多的氧化物夹杂。
当终点ω[C]在0.041%~0.06%时，钢水过氧化较为严重，平均达到190×10-6左右。
过氧化过高会严重影响金属的收得率，并且也会造成较多的氧化物夹杂。
当终点ω[C]>0.06%时，虽然此时的平均氧含量较低，但是由于此时碳含量较高，同样会增加RH脱碳负担。
当终点ω[C]在0.031%~0.04%时，随着碳含量的升高，平均氧含量较低，为725×10-6左右，过氧化程度也不高，碳氧积也较为合理，所以该区间我们认为比较适合。
3.2.3转炉终点T
转炉终点T统计直方图如图3所示。
图3转炉终点温度统计直方图
表6终点温度统计直方图及统计结果
T范围
＜1660
[1660，1670）
[1670，1680）
[1680，1690）
[1690，1700）
[1700，1710）
≥
1710
比例，%
0
5.8
24.3
43.2
23.6
3.1
0
由图3可以看出：
目前转炉终点温度控制在1680~1700℃，占总炉数的66.8%，同时还存在温度超过1700℃的炉次，比例达到3.1%,可见目前主要转炉终点温度控制的波动范围为1685±10℃，尽管仍有30.1%的炉次出钢温度低于1680，这也是由于统计时间段内转炉出钢口的流钢时间较短或是钢包热状况较好（红罐）所决定，后经分析仅有15炉由于转炉出钢温度低造成了RH需要吹氧升温，所以该阶段生产的IF钢转炉出钢温度基本能保证RH不吹氧升温，从整体温度体系设定角度看，目前制定的目标出钢温度为1680~1698℃也较为合理。
3.2.3转炉终点碳氧积
。
图4转炉终点碳氧积统计直方图
表7终点碳氧积统计直方图及统计结果
C×[O]
范围
<
0.0015
[0.0015，0.0020）
[0.0020，0.0025）
[0.0025，0.0030）
[0.0030，0.0035）
[0.0035，0.0040）
[0.0040，0.0045）
[0.0045，0.0050）
≥
0.0050
比例，%
4.45
8.50
13.36
24.29
26.32
13.77
6.07
1.62
1.62
由图4可以看出：
转炉终点碳氧积控制在0.0020~0.0030的比例仅为37.61%，大于0.0030的比例为49.39%。
由图5和图6分别为转炉终点C-O关系以及C-O积等值线图。
图5转炉终点碳氧关系（N=247）（其余53炉由于测量原因无结果）
图6终点碳氧积与BOF终点碳、氧之间的等值线图
一般地，计算的理论碳氧积约为0.0025，如图5中蓝线所示。
由图5和图6可以看出：
（1）在同一C含量条件下，相应的活度氧波动范围很大；
（2）在图中黑色虚线与蓝线交界的左下方区域，其碳氧积小于理论值0.0025，所对应的BOF终点[C]≤0.04%；并且，碳氧积小于0.0020的炉次所对应的BOF终点[C]≤0.03%。
（3）49.39%炉次的碳氧积大于0.0030，这可能与补吹引起钢液过氧化严重或底吹效果不良使得C-O反应未能达到平衡有关。
3.2.4转炉终点→氩站过程钢水碳含量的变化
定义衰减C=CBOF-CAr，将转炉终点与衰减碳含量进行比较，绘制成图7。
图7
图8
从图7可以看出，转炉终点C与衰减C成线性关系，通过线性回归得到方程：
y=-0.007464+0.4271X，此方程可以很好的说明：
（1）转炉出钢→氩站过程基本属于降碳过程，并且“△C”随着转炉终点碳含量的增加而增大。
（2）图中有一炉“△C”＜0，该炉转炉终点碳为0.023%，这可能与钢水不均匀有关，转炉熔池表层钢水碳低，在出钢混冲过程均匀以后使碳含量升高或是化验室分析误差。
由图8可以发现，当转炉终点碳处于[0.02,0.03]区域时，氩站钢水的碳含量亦几乎全部位于[0.02,0.03]的区间内；而当转炉终点碳处于（0.04,0.06]区域时，氩站钢水的碳含量却基本位于[0.02,0.045]的区间内，此时平均降C为0.014%，这与线性回归得到方程：
y=-0.007464+0.4271X也基本吻合。
3.2.5转炉终点→氩站过程钢水活度氧的变化
定义衰减O=OBOF-OAr，将转炉终点与衰减活度氧进行比较，绘制成图9。
图9
图10
从图9可以看出，转炉终点O与衰减O成线性关系，通过线性回归得到方程：
y=-109.7+0.3302X，此方程可以很好的说明：
（1）转炉出钢→氩站过程基本属于降氧过程，并且“△O”随着转炉终点氧含量的增加而增大。
（2）原始数据中有些炉次的衰减O的值小于50ppm甚至有的衰减量为负值，这可能是由于吹氩站为手动测温定氧，插入深度变化较大所得数据不具有代表性。
由图10可以发现，当转炉终点碳处于[400,600]区域时，钢水中的衰减氧不明显；而当转炉终点氧处于[800,1000]区域时，氩站钢水的氧含量却基本位于[700,800]的区间内，此时平均降氧量为160ppm，这与线性回归得到方程：
y=-109.7+0.3302X也基本吻合。
3.2.6转炉出钢过程温降的变化
统计了2010年7月至2010年9月所生产的IF钢有效数据共270炉（另30炉由于测量原因无数据），对出钢过程温降进行如下分析：
表8出钢过程温降统计：
流钢时间范围/sec
炉数
比例%
平均温降
300≤时间＜360
48
17.8
50.4
360≤时间＜420
73
27.0
51.8
420≤时间＜480
55
20.4
53
480≤时间＜540
68
25
57.4
540≤时间＜600
23
8.6
61.3
时间≥600
3
13.2
62
图11
从出钢耗时和出钢平均温降角度看，出钢过程的温降速率为7.5℃/min。
用出钢过程温降与流钢时间做回归方程得：
出钢过程温降=46.09-0.00594流钢时间/sec+0.000054流钢时间2/sec，从该公式可以看出，若控制出钢口流钢时间在360秒以内，则整个出钢过程的温降基本可控制在50±3℃左右,且与实际统计的平均温降符合度较好。
出钢温降与转炉终点温度的关系如图12所示。
根据辐射换热原理，转炉终点温度越高，出钢温降越大。
并且由图12可以发现，当转炉终点温度低于1690℃时，就不会出现出钢温降高于80℃的情况。
图12出钢温降与BOF终点温度
4．结论
（1）严格控制转炉[C]、[O]平衡，考虑到单开第一炉RH槽体吸氧，特规定DC04及以上级别IF钢，单开（即第一炉）终点ω[C]控制在0.05～0.06%，终点ω[O]控制在500～600ppm较适合；连浇炉次ω[C]控制在0.031～0.04%，终点ω[O]控制在650～750ppm较适合；而单开炉次温度控制在1688℃～1700℃；连浇炉次温度控制在1683℃～1695℃较适合。
（2）当转炉终点碳处于（0.04,0.06]区域时，氩站钢水的碳含量基本位于[0.02,0.045]的区间内，此时平均降C为0.014%；当转炉终点氧处于[800,1000]区域时，氩站钢水的氧含量基本位于[700,800]的区间内，此时平均降氧量为160ppm。
（3）从出钢耗时和出钢平均温降角度看，出钢过程的温降速率为7.5℃/min。
参考文献
[1].马衍伟，王先进，孔冰玉.宝钢IF钢的生产工艺与改进建议钢铁，1998，第06期
[2].焦兴利，王泉，张虎.300吨RHIF钢生产实践特殊钢，2010-12-01
[3].冯捷，包燕平，岳峰，武珣，唐德池.转炉冶炼IF钢终点氧含量控制分析 钢铁钒钛 2010年第01期
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