于亮涛 杨普庆
山钢莱芜分公司炼钢厂老区此前难以生产高附加值钢材，主要存在以下几方面的问题：一是转炉终点碳温双命中率低，补吹炉次增加，造成钢水夹杂物含量增加；二是LF精炼渣系组分波动大，去除夹杂物能力差；三是铸坯表面、内部质量较差，轧制易产生裂边、重皮等问题，不能满足用户使用要求，给产品的开发和质量的提升带来不利影响。该厂需要研究一种低碳洁净钢生产技术，提高钢水的洁净度及连铸坯质量，进而为炼钢厂生产高附加值钢材提供有力的技术保障。
本研究通过系统分析研究整个工序生产工艺流程，找出制约产品提升的关键环节，通过智能烟气分析系统成熟应用、精炼渣系窄成分控制及连铸定径浇注模拟拉速二次冷却控制等技术，形成了一套稳定高效的低碳洁净钢生产技术，助力山钢实现精品强企战略。
新技术开发应用条件
生产线主要概况
主要流程：喷镁脱硫——顶底复吹转炉——LF炉——矩形坯连铸机。
存在的主要问题或差距
智能烟气分析系统静态控制模型不稳定，点吹炉次较多，导致钢水氧化性较强，炉衬侵蚀较为严重，增加耐材消耗和钢水夹杂物含量。
炉渣熔点高、黏度大，造成炉渣吸附夹杂物能力较差。
铸坯存在内弧夹杂、角部裂纹、中间裂纹、中心裂纹等质量缺陷。
技术开发方案
智能烟气分析控制技术
智能烟气分析控制技术工作原理
转炉智能烟气分析控制技术是在转炉静态控制技术的基础上，利用激光气体分析仪检测转炉吹炼过程中产生的烟气成分，并根据同步检测的转炉信息建立动态模型，计算熔池碳含量变化和升温速度，动态确定熔池碳含量以及熔池温度，提高终点命中率，实现转炉炼钢智能控制。
智能烟气分析静态控制模型优化
通过对转炉冶炼过程中烟气成分CO和CO2浓度的曲线变化情况与转炉冶炼操作相关性研究，在转炉冶炼的不同阶段，受炉内反应的不同情况，烟气信息中CO和CO2浓度曲线变化呈现出不同的状态。通过实践积累，根据烟气中CO和CO2浓度曲线变化情况，能够准确地判断炉内反应，可以有效地预防过程返干和喷溅，对于改善操作具有重要的指导意义。在转炉冶炼过程中，炉气成分中的CO和CO2呈现有规律的变化，这些变化间接反映了炉内反应情况，结合烟气分析系统中CO浓度变化，从布料、枪位和氧压上进行优化，提高冶炼过程和终点控制能力。
优化终点控制模式
由炼钢原理可知，吹炼后期，钢水中碳的浓度很低，特别是碳含量降到临界碳以后，脱碳速度受碳的传质影响。
经过反复的实践，并积累了丰富的数据，加强冶炼后期熔池的搅拌强度，有利于熔池中碳的传质，使脱碳速度更均匀。终点提枪拉碳模式调整为预测碳温在设定碳温范围内提枪关氧。
洁净钢精炼渣系的研究
目标渣系确立机理
钢包精炼的基本渣系为CaO—SiO2—Al2O3。精炼渣要具有适当高的碱度和还原性，以实现脱氧、脱硫的目的；要求渣钢之间有较大的界面张力，渣与夹杂物之间的界面张力要小，以具有较强吸附夹杂物能力，特别是吸收Al2O3的能力；低的熔点和良好的发泡性能，以实现快速成渣埋弧加热、减少热损失、保护钢包包衬的目的。
——炉渣硫容量。从脱硫角度及钢包耐材侵蚀速度综合考虑选择CaO-Al2O3-SiO2渣系，当渣组分为CaO占比50%~60%、Al2O3占比10%~15%、SiO2＜20%时，渣系具有较高的硫容量。
——炉渣黏度。CaO-Al2O3-SiO2渣系的黏度主要受碱度和Al2O3含量影响。温度为1400℃~1500℃，当组成为10％的Al2O3、48％~58%的CaO时，熔渣具有最小的黏度值。随着CaO含量的增加，熔渣黏度增加很快，当SiO2含量增加或不变及CaO含量降低时，黏度线分布变疏，黏度降低；Al2O3对该渣系黏度的影响没有碱度明显，但在一定碱度下，Al2O3含量超过一定范围时，由于熔渣的熔化温度升高，渣的黏度显著提高。当熔渣组成中CaO在50％~60％、Al2O3在10％~30％、SiO2≤40％时，该熔渣具有较低的黏度。由于CaF2能降低渣的熔化温度并使复杂阴离子解体，所以适当加入CaF2，可以降低CaO-Al2O3-SiO2渣系的黏度。
——熔化温度。熔渣的熔化温度与熔渣的组成成分有关。渣系CaO-Al2O3-SiO2中处于1300℃的较低熔点区共有3个。具有较高含量的SiO2 (>40％)不能用于钢包渣的改性处理和钢水的精炼，因此不能采用在此范围内的渣系。拥有较高硫容量的渣组成集中在50％~60％的CaO，5%~15％的Al2O3，<20%的SiO2（质量分数)，此时CaO接近饱和，炉渣脱S能力（Ls）为200~300，熔渣成分符合钢包渣改性工艺的硫容量、黏度要求。
为了使精炼渣有较好的脱硫效果和有利于对上浮Al2O3等脱氧产物的同化和吸收，常将精炼终渣成分选定在CaO-Al2O3-SiO2相图的12CaO·7Al2O3区域，Al2O3含量为20％左右，存在Ls较高的区域，并且在该区域精炼渣熔点较低，有利于与夹杂的结合；更重要的是在这种渣系条件下，由SiO2引起的钢水中的[Al]的再氧化趋势能得到抑制。为了减小精炼渣对钢包渣线耐火材料的侵蚀，渣中添加5％~10％MgO。
——目标渣系的确立。工艺实施前的低碳铝镇静钢渣系组分实际控制范围为：CaO占比58.35%，SiO2占比15.22%，Al2O3占比25%，碱度为3.8。
——低碳钢种特点。低碳铝镇静钢对铝含量有一定要求，低碳钢全部钢芯铝脱氧，金属锰合金化，渣中SiO2相对偏低，渣中Al2O3较高，要求顶渣具有较高碱度、良好的脱硫效果、流动性及夹杂物吸附能力，同时兼顾夹杂物变性形成12CaO·7Al2O3。
——低碳钢渣系的确立。低碳钢冶炼时表现为炉渣较稀，吸附夹杂能力较弱，特别是精炼后期顶渣稀，有时出现“玻璃渣”。虽然碱度较高，但由于转炉全部采用钢芯铝脱氧，渣中Al2O3含量较高；调整了炉渣熔点，表现为顶渣较稀，SiO2含量主要是受转炉下渣影响，波动较大，不稳定。
为了加强顶渣的吸附能力，可以适当稳定CaO含量在55%~60%范围内，以更好地促进泡沫渣的形成。SiO2含量不宜过高，可适当降低SiO2的含量，稳定在10%~15%范围内，以便更好地稳定炉渣流动性和碱度。为了适当降低并稳定精炼渣中的Al2O3含量，可以适当减少部分异常情况及顶渣处理时加入的铝粒含量，使渣中的Al2O3稳定在18%~23%。继续做好精炼脱氧，保持好炉渣的还原性，使TFe+MnO<1%。
连铸定径浇注模拟拉速二次冷却控制技术
拉速波动的危害
4号连铸机结晶器液面、拉速控制不稳定，结晶器液面波动一般在±5mm以上，个别达到12mm以上；拉速波动一般在0.3m/min以上，个别达到0.5m/min以上，结晶器液面、拉速波动大，结晶器易卷渣，造成铸坯内部夹渣，恶化铸坯质量，同时容易发生漏钢生产事故。
二次冷却配水模型
目前，4号机连铸常用的二次冷却模型为：Q=A×V+B，其中Q为水量，A、B为系数，V为工作拉速。二冷段一般分为足辊、一段、二段、三段等。4号连铸机生产低铝镇静钢时采用定径中间包浇铸。结晶器液面控制采用铯137方式，中间包定径滑块的钢水下流通道直径固定，钢水流量因中间包液面波动变化大，导致拉速波动大。根据二次冷却模型，较大的拉速波动导致二次冷却水量的波动，二次冷却水量波动大、不均匀，恶化连铸坯外形质量，造成连铸坯易脱方。
开发模拟拉速二次冷却控制技术
开发一种基于连铸定径浇注模拟拉速二次冷却控制技术，设计一种二次冷却配水模型，可以通过对实际拉速进行模拟得到一种模拟拉速，根据模拟拉速进行二次冷却配水，减少二次冷却水量波动，有效地控制连铸机铸坯脱方的二次冷却。该技术解决了连铸铸坯实际工作拉速波动大导致的二次冷却水量波动大问题，大大改善了铸坯二次冷却均匀性，提高了连铸坯外形质量，适用于各类型的连铸机二次冷却。
应用效果
提高转炉终点碳温双命中率
在大量数据积累的基础上，通过不断对模型进行优化和完善，静态模型预测准确度大大提升，转炉终点碳温双命中率较以往大大提高，一次拉碳合格率为92.5%以上，减少了补吹炉次，降低了钢水氧化性，合金收得率及金属收得率分别提升了2%和1%。
精炼渣系吸附夹杂物能力提升
通过对LF炉精炼窄成分渣系工艺的研究与实施，使得品种钢夹杂物总级别≤1.5级的合格率≥95%，提高了产品质量，稳定了轧材性能。
连铸坯质量得到有效提升
该项改造杜绝了轧材质量缺陷，提升并稳定了轧材性能，减少了性能不合格判废量，提高了轧材合格率。由于铸坯表面质量得到提升，表面裂纹数量大幅降低，铸坯一次精整率减少50.7%。
结 语
山钢股份莱芜分公司炼钢厂通过智能烟气分析系统成熟应用、洁净钢精炼渣系窄成分控制及连铸定径浇注模拟拉速二次冷却控制技术等工艺的应用，转炉终点控制水平大幅提升，碳温双命中合格率在92.5%以上；精炼渣系吸附夹杂物能力大幅提高；铸坯质量明显提升，一次精整率大幅降低，提升了品种钢产品质量，为山钢生产高附加值钢材、创建质量品牌奠定了坚实基础，且多项经济技术指标显著进步，达到了预期目标，取得了较好的效果。
