第３９卷第１期 ２０１７年２月 Ｌ爿 ａ ｔ Ｌ Ｌ ● 山 东 冶 金 Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ Ｖｏ【－３９ Ｎｏ．１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１７ 《生产技术Ｉ １ １ ｔ ｔ，ｔ，ｔ １ ｔ， 降低冶炼４００系不锈钢氩气消耗的实践 徐光富，赵刚，殷齐敏，刘新波，李江江 （山东泰山钢铁集团有限公司不锈钢炼钢厂，山东莱芜２７１１００） 摘要：为降低ＴＳＲ转炉冶炼４００系不锈钢的氩气消耗，泰钢采取以氮代氩技术，同时采取优化脱碳速度、优化转炉二级过 程参数、稳定人炉原料等措施，４１０Ｓ不锈钢氩气消耗由２５～３０Ｎｍ ／ｔ降低至２０Ｎｍ３／ｔ以下，吨钢成本降低１５元以上。 关键词：ＴＳＲ转炉；不锈钢冶炼；氩气消耗；成本 中图分类号：ＴＦ７６４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００４—４６２０（２０１７）０１—００１８—０２ ｌ前言 泰钢ＴＳＲ转炉是在ＧＯＲ底吹转炉基础上升级 改造的顶底复吹不锈钢精炼炉，现有３座，公称容量 ７０ ｔ，主要采用全铁水冶炼生产４００系不锈钢，年不 锈钢生产能力达到１００万ｔ。目前４００系不锈钢不含 镍或少含镍，成本低，而且随着不锈钢冶炼技术的 进步，其部分性能已经达到或超过含镍不锈钢，４００ 系不锈钢目前已成为主要发展趋势。ＴＳＲ转炉冶炼 不锈钢过程中需要消耗大量氩气，实现“脱碳保 铬”。但氩气作为一种稀有气体，价格昂贵，氩气消 耗对ＴＳＲ转炉冶炼成本影响较大。为此，本研究通 过优化ＴＳＲ转炉冶炼工艺，降低氩气消耗。 ２冶炼的基本反应 ＴＳＲ转炉应用顶底复吹技术向炉内吹入氧气、 氩气和氮气等脱除钢水中多余的ｃ、ｓ等有害物质， 并配加ｃｒ、Ｎｉ等合金元素，冶炼出不锈钢等钢铁产 品。ＴＳＲ转炉冶炼不锈钢时，始终存在ｃ、ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｎ 等的竞争性氧化，在冶炼后期，主要是Ｃ和ｃｒ的竞 争性氧化，反应为： ４［Ｃ］＋（Ｃｒ３０ ）＝３ｌＣｒＪ＋４｛Ｃ０｝（ｇ）； （１） ｎ３ｐ４ ．ｌｇ ＝ｌｇ Ｌ １旦＝一３５ ４１Ｏ／Ｔ＋２３．０５８。 。 。 玎 （２） 由式（２）可知，在ＴＳＲ转炉冶炼不锈钢过程中， 实现利于“去碳保铬”的热力学条件，一般采取如下 措施：１）提高熔池温度，平衡常数Ｋ增大，熔池内平 衡的ａｃ 升高，因此冶炼过程中吹氧迅速提高熔池温 度，利于“去碳保铬”；２）降低气相一氧化碳分压Ｒ。， 熔池内平衡的缸升高，因此冶炼时可采用真空、半 真空下吹氧或利用底吹惰性气体的稀释作用降低 收稿日期：２０１６—１１—０ｌ 作者简介：徐光富，男，１９７５年生，１９９９年毕业于本溪冶金高等专科 学校炼钢及铁合金专业。现为山东泰山钢铁集团不锈钢炼钢厂工 程师，从事不锈钢炼钢研发工作。 ｌ８ Ｒ。，促进“去碳保铬”。ＴＳＲ转炉主要采用非真空底 吹惰性气体（氩气）降低Ｒ。，通过工艺优化降低氩气 消耗可以实现经济的不锈钢冶炼。 ３降低氩气消耗的主要途径 ３＿１应用以氮代氩技术 目前为降低氩气消耗，应用最广泛的技术是以 氮代氩。采用以氮代氩技术的核心控制要点在于 精确控制钢中的氮含量，由于过多的氮含量会引起 钢中气泡、氮化物析出，降低钢的使用性能，甚至造 成废品。４００系铁素体不锈钢对氮含量要求比较严 格，一般含量较低，如４１０Ｓ钢种氮含量要求控制在 ３００×１０ 以下，相对于含氮较高的不锈钢，冶炼４００ 系不锈钢氩气消耗较高。 ＴＳＲ转炉实现以氮代氩技术的关键控制环节在 于吹炼过程中氮氩切换点的控制和氮气的有效脱 除。目前较为成熟的理论是氮的溶解和脱除理论。 ＴＳＲ转炉运用氮气代替氩气进行冶炼过程由两 个步骤组成：１）冶炼前期氧氮混吹时，氮气在不锈 钢中的溶解过程；２）冶炼后期，多余氮原子的脱除 过程，即运用氩气气泡精炼理论脱除一部分氮，使 钢中溶解的氮含量达到钢种要求。 １）氮气的溶解。根据式（３），在一定温度下，钢 液中氮的溶解度取决于气相中的氮分压和钢液中 氮的活度系数。随着气相中氮分压的增加，钢液中 氮的溶解度亦增加。当氮分压一定时，钢液中氮的 溶解度与其活度系数有关。氮的活度系数由钢液 中氮元素之间、氮与其他元素之间的相互作用决 定。因此在ＴＳＲ转炉冶炼相同钢种时，即钢中成分、 温度和熙 明确的条件下，氮的溶解度可控制。通过 生产实践总结，钢中氮含量能较为精确地控制： 等 （３） 式中： 为氮气溶解于钢水的反应平衡常数，ＰＮ 为 Ｎ：在大气中的分压， 为［Ｎ］活度系数。 徐光富等 降低ＴＳＲ转炉冶炼４００系不锈钢氩气消耗实践 ２０１７年第１期 ２）氮气的脱除。ＴＳＲ转炉冶炼不锈钢过程中， 氮气、氧气以不同比例混合吹炼促进Ｃ—Ｏ反应，当 钢中的氮含量达到一定溶解度后，改为氩气进行精 质，提高脱碳速度；通过优化半钢条件改善ＴＳＲ转炉 的热平衡，优化顶枪枪位促进ＣＯ的充分燃烧、控制 合金辅料加入时机等，控制熔池反应温度，改善Ｃ—Ｏ 反应的热力学条件，促进脱碳速度。 ３．４优化ＴＳＲ转炉二级过程参数 炼，根据气泡精炼理论，应用式（４）…，脱除一部分氮 元素，达到产品要求的氮元素范围值。 ｌＮ Ｊ＝ｌ／（ｆｘ Ｒ／８ Ｘ Ｋ’Ｘ ＋１／ｌＮ ＪＢ）， （４） 在ＴＳＲ转炉的人炉原料标准和内控成分等输入 参数控制范围一定的条件下，根据ＴＳＲ转炉输入、输 出数据，通过数据分析可确定最佳的配气、温度控 制方案和辅料加入制度，当条件发生变化后根据方 案及时调整完善。对关键参数如顶枪停吹时间点、 式中： 为吨钢消耗氩气量，Ｋ’为氮的脱除反应平 衡常数，［Ｎ］为最终产品的氮含量，［Ｎ］ 为氮在该钢 种中一定温度下的溶解度值，，为不锈钢中存在的 氧硫元素含量对脱氮速度的影响系数。 通过该理论，可以在实践中确定氮气吹人量， 选择较为合适的氮气／氩气吹入的切换点，达到以氮 氮氩切换点和还原时间点等不断优化完善，提高成 分、温度的命中率，减少ＴＳＲ转炉倒炉次数、返吹、延 长非冶炼时间等，以降低氩气消耗。 ３．５稳定入炉原料 代氩，降低氩气消耗的目的。泰钢通过实践摸索总 结出一套满足４００系不锈钢氮含量控制的以氮代氩 冶炼工艺，氮含量达标率由８３．０４％提高至９４．７６％。 ３．２控制合理氧、氩（氮）比 入炉原料，如半钢条件、辅料、合金品位和粒度 等参数的波动，都会对ＴＳＲ转炉二级控制程序中的 关键参数平稳控制造成干扰，进而影响一系列过程 由式（２）可知，在铬活度ａｃ 一定的条件下，含碳 量和温度不同，Ｐｃ。随之变化。因此在ＴＳＲ转炉冶炼 过程中，冶炼每个反应时间节点，都会有一个最佳 操作，导致物料消耗增加，吹炼时间延长等。例如， 在一般情况下，原料硅含量增加Ｏ．１％熔池温度将升 高２０～２５℃；又如，按钢水量的１％配比加入辅料、 合金等冷料至熔池，吹氩２ ｍｉｎ搅拌后，熔池温度将 的碳含量、温度和Ｒ。平衡点，通过理论计算可得出 表１所示的平衡参数。因此，根据平衡点可确定最 佳的氧气和氩气混合比例，以减少氩气消耗。 表１ ［Ｃ］与［Ｃｒ］的氧化平衡温度和Ｐｃ。 会产生一定的温度波动，高碳铬铁造成的温降值约 为１８℃，石灰、金属返回料温降值约２０℃。因此必 须进行严格管控ＴＳＲ转炉的入炉原料，保证过程平 稳控制，降低氩气消耗。 ４实施效果 通过采用以氮代氩技术，同时采取优化脱碳速 度、优化转炉二级过程参数、稳定入炉原料等措施， 泰钢ＴＳＲ转炉冶炼４００系不锈钢氩气消耗不断降 低。４３０不锈钢控制实际氮含量（３５０～４００）×１０ ３．３优化脱碳速度 ［目标（３００—５００）Ｘ １０ ］，氩气消耗≤１８．０ Ｎｍ ／ｔ； ４１０Ｓ不锈钢控制实际氮含量（２００～３００）Ｘ １０ （目 标￣＜３００ Ｘ １０ ），氩气消耗由２５～３０ Ｎｍ ／ｔ降低至２０ Ｎｍ ／ｔ以下，吨钢成本降低ｌ５元以上。 参考文献： ［１］曾庆祥．ＡＯＤ中以氮代氩的研究——ＮＯＤ初探［Ｄ］．沈阳：东 北大学，２００７：１３，５５． 优化脱碳速度，可缩短冶炼周期、降低热量损 失、提高氧氩气利用率、降低还原阶段还原剂消 耗。在不锈钢冶炼过程中，实施顶底复吹、适当提 高供氧强度增加钢水搅拌、优化辅料加入批次和数 量控制炉渣的透气性、提高反应气体的排除等，可 改善ＴＳＲ转炉的动力学条件，促进钢水中Ｃ、Ｏ传 Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ Ｒｅｄｕｃｉｎｇ Ａｒｇｏｎ Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｍｅｌｔｉｎｇ ４００ Ｓｅｒｉｅｓ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ ｘｕ Ｇｕａｎｇｆｕ，ＺＨＡＯ Ｇａｎｇ，ＹＩＮ Ｑｉｍｉｎ，ＬＩＵ Ｘｉｎｂｏ，ＬＩ Ｊｉａｎｇｊｉａｎｇ （Ｔｈｅ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ＳｔｅｅｌｍａｋｉｎｇＰｌａｎｔ ｏｆＳｈａｎｄｏｎｇＴａｉｓｈａｎＩｒｏｎ ａｎｄ ＳｔｅｅｌＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌａｉｗｕ ２７１１００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ａｒｇｏｎ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｓｍｅｌｔｉｎｇ ４００ ｓｅｒｉｅｓ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｉｎ ＴＳＲ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔａｋｉｎｇ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｉｎｓｔｅａｄ ｏｆ ａｒｇｏｎ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ Ｔａｉｓｈａｎ Ｓｔｅｅ１．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｓｏｍｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｄｅｅａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｗｏ ｓｔａｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｆｕｍａｃｅ ｗｅｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ．Ｔｈｅ ａｒｇｏｎ ＣＯ．ＳＯｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｓｍｅｌｔｉｎｇ ４１０Ｓ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｗａｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｏ ２０ Ｎｍ ｆｒｏｍ ２５—３０ ＮｍＳ／ｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｏｆｐｅｒ ｔｏｎ ｓｔｅｅｌ ｗａｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ １５ Ｙｕａｎ． Ｋｅｙ ＷＯｌｄＳ：ＴＳＲ ｆｕｒｎａｃｅ；ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｓｍｅｌｔｉｎｇ；ａｒｇｏｎ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ １９