分享：基于CO数值的造前期渣控制方法研究与应用

转炉冶炼是钢铁生产中的一项关键技术，其中双渣法在造前期渣控制中扮演着重要角色，该方法尤其适合处理含有较高硅、磷元素的铁水，以及生产优质钢和中高碳钢时的吹炼过程。但是传统的双渣操作存在一定的局限性，尤其是铁元素损失过大以及钢铁料消耗较高。鉴于此，探寻一种方法来优化双渣操作，减少损失并提升效率，对于提高转炉冶炼工艺的整体性能具有重要意义。 

1.   传统双渣法操作

在转炉炼钢的双渣操作中，传统方法是在吹炼开始后先加入一半渣料，且这部分渣料分批次加入，随后根据炉口火焰和化渣情况判断提枪倒渣时机，倒掉部分炉渣后再次加入渣料，以完成造渣过程。此方法存在的关键缺陷如下： 

（1）在造前期渣阶段，FeO质量分数约为20%，且含有约9%的铁珠，导致铁损较大。 

（2）有效的脱磷温度为1400~1500 ℃，吹氧时间过短，会因温度不足无法形成初期渣，进而影响脱磷效率；而吹炼时间过长、温度过高，则易发生炉渣回磷现象，降低脱磷率，因此确定适宜的倒渣时间至关重要。 

（3）传统做法主要依据炉口火焰外观及喷出物判定起渣情况，这种判断方式易因倒渣时机不当影响前期渣的效果。 

2.   原理

在转炉炼钢的双渣操作中，张芳[1]研究表明，前期渣的形成主要依赖于C–O反应与FeO含量，即碳氧反应会产生大量的热量，使熔池温度迅速升高，同时产生大量的CO气体。因此，CO的产生量和速度直接反映C–O反应强度，也是评估炉内渣层厚度的重要依据，进而影响前期渣的形成。王新华[2]研究得出以下几点结论：（1）CO的产生量可作为判断倒渣时机的重要依据。当CO的产生量达到一定值时，说明C–O反应已经进行到一定程度，此时倒渣可以优化炉渣的泡沫化程度，减少铁珠生成和FeO含量，从而最大限度去除磷元素及其他有害物质。倒渣过早可能导致未充分反应的炉料被倒出，影响脱磷效果；倒渣过晚则可能导致炉渣过熔，增加后续处理难度。（2）CO的产生速度可作为调整枪位和加料量的重要参考。如果CO的产生速度过快，说明C–O反应过于激烈，可能导致炉温过高、FeO消耗过快且炉渣流动性差，影响炉渣的稳定性，此时应适当提高枪位以减缓反应速度；如果CO的产生速度过慢，说明C–O反应不足，可能导致炉温过低、FeO聚集渣层过厚，应适当降低枪位以加快反应速度。（3）CO的产生量和速度可作为评估炼钢效率和环保性的重要指标。若2个指标值适中，说明C–O反应充分且稳定，不仅可以提高炼钢效率，还可以减少有害气体的排放，提高环保性。 

因此，通过实时监测CO数值的趋势变化，可以精确控制倒渣时机，优化枪位和加料量，从而显著提高炼钢的效率和环保性。 

3.   操作过程

铁耗控制在每吨钢800 kg的炉次，造前期渣阶段基于CO数值动态监控的优化操作过程如下。如图1所示，开吹点火后吹炼140 s，观察到CO质量分数迅速上升，此时采取2项操作：一是将枪位提高200 mm，二是加入300 kg石灰以促进炉渣发泡，通过软吹减缓C–O反应，从而保证炉渣达到合适的泡沫化程度。若此过程中CO质量分数下降或上升缓慢（维持在30%以下），则将供氧流量提高至1000 m3/h或将枪位降低100 mm进行硬吹，以确保CO质量分数平稳上升。在开吹点火后持续吹氧4.5~5.5 min，CO质量分数上升放缓（达到40%~50%），表明碳氧反应即将进入激烈期，此时应采取提枪倒渣的操作，以有效控制前期渣[2]。 

图  1  吨钢铁耗800 kg时CO质量分数及氧枪位置随吹氧时间变化曲线

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铁耗控制在吨钢880 kg时，造前期渣阶段基于CO数值动态监控的优化操作过程如下。如图2所示，开吹点火后，通过监控CO质量分数的变化，动态调整枪位。吹炼120 s时，观察到CO数值持续上升，表明炉内脱碳速度加快，此时应将枪位提高200 mm以减缓反应速率，均衡脱碳反应，防止温度过快上升，同时确保熔池中化学反应更加均匀、平稳。吹炼至160 s时，观察到CO质量分数下降或上升缓慢，表明炉内脱碳速率不足，应降低枪位以提高反应速率，通过加剧放热反应，促进熔池温度升高，吹炼180 s时，CO数值持续上升，说明炉内脱碳速度加快，故提高抢位200 mm。通过这种调整方式，可以实现CO质量分数的整体平稳上升，将倒渣时间有效控制在开吹点火后4.5~5.5 min，从而降低渣中FeO含量，并最大限度去除磷元素[3]。 

图  2  吨钢铁耗880 kg时CO质量分数及氧枪位置随吹氧时间变化曲线

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4.   实施效果

4.1   脱磷效果分析

在2#转炉的21113820炉次中，造前期渣的吹氧时间为302 s，提枪倒渣后测温显示温度为1395 ℃。在炼钢过程中，硅的氧化反应迅速，主要生成二氧化硅（SiO2），尤其在吹炼初期温度约为1300 ℃时，由于此时石灰尚未完全熔化，初渣的氧化性较高但碱度较低，硅比碳和磷更易与氧结合并优先氧化，故脱磷能力受限。秦绪华等[4]的研究表明，1350~1400 ℃时脱磷效率最佳，平均脱磷率可达63.11%，因此该温度区间被视为转炉脱磷的最佳温度。适当控制吹氧时间不仅可以提高脱磷效率，还能延长碳氧反应时间，从而还原渣中的FeO，提升铁元素的收得率。在21113820炉次的取样分析中，熔池金属的前期脱磷率达到56%，具体的金属渣样情况见表1。 

表  1  渣样部分化学元素质量分数 %

供氧时间/s	C	Si	Mn	P	S
0	3.950	0.580	0.250	0.150	0.020
302	2.850	0.008	0.157	0.066	0.015

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在2#转炉的21113832和21113836炉次中，前期渣的吹氧时间分别为520和505 s，提枪倒渣后测温显示温度分别为1480和1475 ℃，具体的金属渣样情况见表2。观察发现，随着吹氧时间的延长，温度上升，发生返磷现象。经取样分析，熔池金属的前期脱磷率分别为36.4%和41.7%。 

表  2  倒炉取样部分化学元素质量分数 %

名称	供氧时间/s	质量分数/%
		C	Si	Mn	P	S
铁水样	0	4.080	0.620	0.280	0.151	0.021
21113832炉次	520	1.550	0.008	0.140	0.096	0.016
21113836炉次	505	1.650	0.006	0.150	0.088	0.015

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杨文远等[5]研究表明，当炉渣中FeO质量分数为13%~18%，CaO质量分数为40%~45%，且前期温度控制在1350~1400 ℃时，可创建最佳的脱磷热力学条件。在转炉炼钢过程中，当吹氧时间控制在4.5~5.5 min时脱磷效率最高，此时炉渣中P2O5含量接近饱和，如图3所示。随着吹氧时间的延长，炉内温度将进一步升高，可能导致脱磷反应逆向进行，从而增加钢水中的磷含量。为了确保高效的脱磷效果，双渣冶炼模式造前期渣必须精确控制吹氧时间，避免过度升温。在炼钢过程中，脱磷反应通常是指磷从钢水中被氧化并与炉渣结合的过程，该反应的简化正向化学反应方程式可表示为 

图  3  吹氧时间与炉渣P2O5的关系

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炉内温度升高，脱磷反应逆向进行[6]，即生成磷和氧化铁的反应，可表示为： 

由图3可知，在转炉炼钢的吹炼前期，炉渣中P2O5的质量分数通常呈先升高后降低的趋势。佟帅等[7]、董元箎等[8]、李翔等[9]研究表明，在吹炼前期，通过合理控制吹氧时间和调节炉渣成分，可以有效利用温度和化学反应动力学的优势实现高效脱磷。曹玲玲等[10]的研究表明，炉渣中P2O5质量分数的变化反映了脱磷反应的动态平衡。实际操作中，王林珠等[11]、蒋实[12]研究指出，通过控制吹氧时间，调节炉渣的碱度及FeO质量分数，可以优化脱磷过程，确保炼钢效率和钢水质量。 

4.2   炉渣全铁含量分析

在转炉炼钢的初始阶段，传统双渣操作常面临铁元素损失较大的问题，前期渣中TFe（全铁）质量分数高达20%，如表3所示。这种高损失不仅增加完成钢耗指标的难度，还可能因前期渣脱磷不充分，导致再次下枪操作时发生溢渣喷溅。孟华栋等[13]研究指出，在转炉炼钢的初始阶段，精确的时间控制和温度管理是实现高效脱磷的关键；通过将吹氧时间控制在4.5~5.5 min并执行倒渣操作，可以优化脱磷过程；保持倒炉在1340~1400 ℃测温，利用C–O反应促进熔池温度升高，有助于减少炉渣中的FeO质量分数，降低铁损失；在提枪时立即切换为氮气并持续供气20 s，有助于打散炉渣中的铁珠，避免倒渣过程中铁花飞溅。实施这些措施后，倒渣取样的FeO质量分数降至13%，显著降低了前期渣的铁损和整体钢铁料的消耗如表4所示。 

表  3  传统双渣操作前期渣样

炉号	试样编号	质量分数/%				碱度
		FeO	CaO	MnO	SiO2
16208385	ZL2#16208385Q1	21.05	33.81	3.96	17.80	1.90
16208386	ZL2#16208386Q1	18.18	32.82	5.02	18.08	1.82
16108103	ZL1#16108103Q1	21.63	29.53	6.01	18.92	1.56
16208387	ZL2#16208387Q1	26.51	29.64	4.32	17.47	1.70
16108287	ZL1#16108287Q1	20.12	31.94	3.58	18.06	1.77
16208599	ZL2#16208599Q1	18.68	37.24	3.90	17.57	2.12

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表  4  基于CO数值控制供氧的双渣操作前期渣样

前期渣样编号	吹氧时间/s	质量分数/%				碱度
		FeO	P2O5	MgO	SiO2
21113643	315	13.80	3.19	11.3	18.70	1.86
21113642	330	13.20	4.12	8.30	15.70	2.33
21113379	306	12.54	4.10	10.50	16.70	2.48
21113380	280	13.97	3.13	9.15	21.07	1.84

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吹氧时间与炉渣TFe质量分数的关系如图4所示，可见转炉吹炼前期，炉渣中的TFe质量分数呈下降趋势，这不仅反映了C–O反应和FeO还原反应的有效进行，也体现了熔池温度和化学反应动力学的协同效应。理论上，吹氧过程中熔池内发生放热反应，碳与氧反应生成二氧化碳，这期间伴随温度的上升和碳含量的降低。根据脱碳反应动力学，C–O反应速率随着温度的升高而增加，有利于促进熔池中FeO还原，从而减少炉渣中全铁（TFe）的质量分数[12]。 

图  4  吹氧时间与炉渣TFe质量分数的关系

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在脱磷方面，适当控制吹氧时间对提高去磷效率至关重要。叶格凡等[14]、游香米等[15]分析指出，过短的吹氧时间可能导致脱磷不充分，而过度吹氧则会增加铁元素的损耗。阳春新钢铁有限责任公司[16]研究表明，将吹氧时间控制在4.5~5.5 min，可以有效平衡前期渣铁损失和脱磷效率，确保在最小化铁损的同时达到理想的脱磷效果。因此，通过精确控制吹氧时间，可以优化脱碳和脱磷过程，提高炼钢效率和产品质量。 

综上所述，在转炉炼钢的前期阶段，通过科学控制吹氧时间可以促进C–O反应和FeO还原反应，降低炉渣中TFe的质量分数，减少铁损，确保高效的脱磷效果。实践证明，转炉铁耗控制800~880 kg/t的双渣操作中，采用基于CO数值动态监控造前期渣的方法，可以将吹氧时间控制在4.5~5.5 min，是实现高效脱磷、减少铁损等目标的有效手段。 

5.   结束语

通过对CO生成速率的实时监测，能够客观反映炉内的化学变化，并据此针对性调整供氧枪位和加料量，确保炉内反应均衡进行，并在吹氧时长的最佳阶段执行提枪倒渣操作。经过数据分析，在铁耗为800~880 kg的条件下，采用双渣冶炼模式，基于CO数值动态监控进行前期造渣操作，可将炉渣中Fe的质量分数有效控制在13%左右，将吹氧时间控制在4.5~5.5 min，确保炉内温度维持在1350~1400 ℃的有效脱磷区间。该优化操作方法不仅能够最小化铁元素损失，还能保证最高的脱磷效率，通过精细化管理实现炼钢过程的高效性和经济性，同时提高产品质量

来源--金属世界