转炉终点钢水残锰含量及其影响因素分析-论文

转炉终点钢水残锰含量及其影响因素分析

杨传信1、李鹏超1，2、薛正良2、卢昭军2、刘强2、李平2

（1.临沂华盛江泉管业有限公司，山东，临沂276017；2.武汉科技大学·钢铁冶金及资源

利用省部共建教育部重点实验室，湖北，武汉430081）

摘要：通过对转炉终点生产数据和铁水成分的统计分析，研究了影响转炉

终点钢水残锰含量的因素及其变化规律。研究表明，转炉终点碳含量和铁水

硅含量对转炉终点钢水残锰含量及其收得率影响最大；提高转炉终渣碱度和

终渣FeO含量对转炉终点钢水残锰含量及锰收得率产生不利影响。铁水初始

锰含量升高有利于提高转炉终点钢水残锰含量，但锰的收得率反而下降；转

炉终点钢水温度对锰收得率的影响不明显。

关键词：转炉，终点残锰，终点控制

The Residual Manganese Content in Molten Steel of End-point of BOF Operation and its influencing factors

YANG Chuanxin1,LI Pengchao1,2, XUE Zhengliang2, LU Zhaojun2, LIU Qiang2, LI Ping1

1. Linyi Huasheng Jiangquan Pipes Co., Ltd., Linyi 276017;

2. Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081 ABSTRACT: Through the statistical analysis to the production data of end-point of BOF and the contents of molten iron, the factors affected end-point residual content of manganese of BOF and its law have been researched, which has illustrated that the end point carbon content of BOF and initial silicon content of molten iron are the key factors for end-point residual content of manganese and its yield rate. It’s disadvantageous for raising the basicity and FeO content of end slag of BOF to end-point residual content of manganese and its yield rate. Raising the manganese content of molten iron could increase the residual manganese content at end-point of BOF, but decrease its yield rate. The end temperature of molten steel in BOF is unessential to the yield rate of manganese.

KEY WORDS：BOF, end-point residual content of manganese, end-point control

提高转炉钢水终点残锰含量是降低炼钢生产成本的重要手段，近年来国内许多钢厂开展了在转炉中加锰矿的“锰矿直接合金化”工业试验研究[1~4]，旨在提高转炉终点残锰含量，降低炉后合金化用锰铁单耗。临沂华盛江泉管业有限公司于2008年9月建成投产后，用120t 顶底复吹转炉-120tLF精炼炉-八机八流合金钢连铸机生产20#优质碳素管坯钢，年产钢坯160万吨，棒材140万吨。500m3高炉投产以来，铁水锰含量波动在0.30~0.65%（平均0.42%）。为了使铁水中的锰在转炉终点钢水中尽可能多地保留下来，通过对转炉终点钢、渣成分分析和与铁水成分的对比，用统计分析的方法研究了相关工艺参数与转炉终点钢水残锰含量之间的关系，探讨影响转炉终点钢水残锰含量和锰收得率的因素，为转炉提高终点钢水残锰，进

1

2 一步降低炼钢生产成本提供指导。

1. 冶炼工艺

临沂华盛江泉管业有限公司炼钢厂采用BOF-LF-CC 工艺生产20#优质碳素管坯钢（C 0.17~0.23%、Si 0.17~0.37%、Mn 0.35~0.65%、P≤0.035%、S≤0.035%），120t 转炉平均装入铁水120t +生铁15T+废钢10t ，采用单渣高拉碳工艺吹炼，石灰及白云石加入量50~60kg/t ，吹氧12min 左右倒炉取样，终点控制目标：R=3.5～4.0、C=0.12%~0.17%、P 、S<0.025%、温度1640℃～1680℃。保证红包出钢，出钢时必须加挡渣球，当钢水出来1/5后，顺序加入硅锰、高碳锰铁、脱氧剂，出钢3/4~4/5时堵挡渣塞，转炉下渣厚度控制在50mm 以下，炉后加完合成精炼渣后送LF 站对钢水精炼。

2. 转炉吹炼过程中锰的氧化与还原热力学分析

开吹初期，铁水中的锰按反应式（1）被氧气氧化进入炉渣，使渣中MnO 含量升高，并促进早期化渣。

)(2/1][2MnO O Mn =+

T 41.125405250G 0+-=? J/mol （1）

吹炼中期，随着熔池温度升高，钢水脱碳反应加速，前期被氧化进入渣中的MnO 部分按式（2）还原重新返回钢液。

CO Mn C MnO +=+][][)(

T 08.170287440G 0-=? J/mol （2）

吹炼后期，随着钢水碳含量下降，钢水和炉渣的氧化性大大增加，钢水中的锰按式（3）和式（4）被重新氧化进入炉渣。

)(][][MnO O Mn =+

128.3T -288100G 0+=? J/mol （3）

Fe MnO FeO Mn +=+)()(][

77.49T 743141-G 0+=? J/mol （4） 铁水中的锰在转炉吹炼前期被氧化进入渣中，提高了渣中MnO 含量，这与向转炉中加入锰矿进行直接合金化的作用十分相似。转炉吹炼中期渣中MnO 的还原和后期钢水中锰的再氧化规律与Mn 或MnO 的初始来源无关。因此，研究转炉生产相关工艺参数与转炉终点钢水残锰含量及其收得率之间的关系，对转炉锰矿直接合金化也具有很好的指导意义。

3. 影响转炉终点残锰含量及锰收得率的因素

3.1 数据的采集与分组

现场采集了2011年8月转炉生产数据302组，剔除不完整数据后得到有效样本数据288组。将288组有效样本数据先按铁水硅含量范围：0.20~0.29%、0.30~0.39%、0.40~0.49%和

3

0.50~0.59%进行分组，分别计算出铁水平均Si 和Mn 含量、转炉终点平均温度及钢水平均成分（C 、Mn 、P 、S ）和转炉终渣成分，并将转炉终点钢水残锰含量与铁水锰含量之比定义为锰收得率（Mn η），计算结果见表1。

表1 转炉生产数据按铁水Si 含量分组

有 效 样本数

铁水成分（%） 转炉终点钢水温度及成分（%）

转炉终渣成分（%）

Mn η

（%）

Si

平均 Si 平均

Mn

T(℃)

C

Mn

P

S

CaO MgO SiO 2 Al 2O 3 FeO R 51 0.20-0.29 0.261 0.363 1643 0.119 0.126 0.0117 0.0266 49.18 6.86 12.84 2.07 20.68 3.93 34.71 144 0.30-0.39 0.344 0.407 1641 0.116 0.125 0.0121 0.0255 48.77 7.16 13.26 2.07 20.79 3.73 31.01 80 0.40-0.49 0.439 0.448 1647 0.116 0.128 0.0120 0.0233 49.27 17.64 13.96 2.07 19.99 3.56 28.57 13 0.50-0.59 0.536 0.456 1645 0.110 0.115 0.0107 0.0247 49.96 7.31 14.45 2.10 18.98 3.49 25.22

从表1可见，铁水Si 含量分布在0.30~0.39%的有效样本数最多，占有效样本总数的50%。因此，将铁水Si 在0.30~0.39%的144组数据再按转炉终点钢水C 含量范围：0.05~0.07%、0.08~0.10%、0.11~0.13%、0.14~0.16%和≥0.17%进行分组，分别计算出各组铁水平均Si 和Mn 含量、转炉终点平均温度及钢水平均成分（C 、Mn 、P 、S ）、转炉终渣成分和锰收得率（Mn η），计算结果见表2。

表2 铁水Si 含量0.30~0.39%的144个样本按转炉终点C 含量分类

样本数 铁水成分(%) 转炉终点钢水温度及成分（%） 转炉终渣成分（%）

Mn η

%）

Si Mn

C

平均C Mn

P

S

T(℃) CaO MgO SiO 2 Al 2O 3 FeO

R 13 0.355 0.381 0.05-0.07 0.064 0.103 0.0110 0.0288 1646 48.50 7.21 12.94 2.13 21.94 3.88 27.03 45 0.338 0.409 0.08-0.10 0.092 0.119 0.0118 0.0259 1646 48.38 7.08 12.87 2.01 21.90 3.80 29.12 52 0.347 0.407 0.11-0.13 0.118 0.129 0.0122 0.0236 1642 48.94 7.11 13.24 2.04 20.43 3.73 31.69 19 0.333 0.410 0.14-0.16 0.148 0.137 0.0127 0.0255 1635 50.20 7.27 14.48 2.21 17.68 3.48 33.41 15 0.358 0.420 ≥0.17 0.182 0.146 0.0128 0.0276 1629 48.00 7.32 13.29 2.14 21.62 3.66 34.76

3.2 铁水Si 含量的影响

转炉吹炼初期，铁水中的Si 迅速氧化成SiO 2参与前期造渣，紧接着铁水中的Mn 在脱

0.25

0.300.350.400.450.500.55

0.080.090.100.110.120.130.140.150.16

转炉终点M n 含量，%

铁水Si 含量，%

0.250.300.350.400.450.500.55

铁水Si 含量，%

M n 收得率，%

(a) (b)

图1 铁水Si 含量对转炉终点Mn 含量和Mn 收得率的影响

Fig.1 Effect of silicon content of molten iron on end point manganese content and

its yield rate of converter

4

碳前被大量氧化成MnO 进入渣中，促进前期化渣。因此，铁水Si 含量主要影响转炉渣量，当铁水Si 高时，氧化进入渣中的SiO 2增加，在炉渣碱度不变的情况下需要消耗更多石灰，转炉渣量明显增大，对渣中MnO 起到稀释作用，不利于中期锰的还原。

图1为按表1数据绘制的铁水Si 含量对转炉终点残Mn 及Mn 收得率影响的关系。由图1可见，随着铁水Si 含量增加，尽管转炉终点Mn 含量变化不大，但Mn 收得率明显下降。从表1可以看出，铁水Mn 含量是随铁水Si 含量升高而增加的。但铁水Mn 含量的增加，仍然会被氧化成MnO 进入炉渣，当转炉渣量因铁水Si 含量升高而增加时，渣中的MnO 含量并没有得到增加。因此，随铁水Si 含量升高，转炉渣量增大，锰收得率下降。由图1（b ）可见，要想获得30%以上的Mn 收得率，铁水Si 含量应低于0.35%。 3.3转炉终点C 含量的影响

转炉吹炼末期，随着钢水中C 含量逐渐下降，钢水和炉渣氧化性逐渐增强，钢水回Mn 反应（2）逐渐减弱，而钢水脱Mn 反应（3）和（4）逐渐增强，最终转炉终点Mn 含量决定于上述三个反应的平衡。终点钢水C 含量越高，有利于钢水回Mn 反应（2）进行。同时，随终点钢水C 含量提高，钢水氧化性和炉渣氧化性下降，钢水脱Mn 反应（3）和（4）受到抑制。因此，转炉终点碳含量对钢水残Mn 及其收得率的影响很大。图2为按表2统计数据给出的在用Si=0.30%~0.39%的铁水吹炼的条件下，转炉终点C 含量对转炉终点残Mn 和Mn 收得率的影响关系。由于铁水Si 含量变化范围很小，图2的结果可以认为已经排除了转炉渣量的影响。从图2可见，转炉残Mn 含量和Mn 收得率随着终点C 含量升高而显著升高，要想获得30%以上的Mn 收得率，转炉终点C 应不低于0.10%（见图2（b ））。

3.4铁水Mn 含量的影响

在表2铁水Si=0.30%~0.39%的144组数据中，出现频率最高的是转炉终点C 分布在0.08%~0.13%的97组数据。图3给出了这97组数据的转炉终点Mn 含量和Mn 收得率与铁水Mn 含量之间关系的散点图。由于铁水Si 含量和转炉终点C 含量波动范围很小，图3反映的影响规律应该是已经排除了转炉渣量和转炉终点C 含量的影响因素。图3表明，在渣

0.06

0.080.100.120.140.160.18转炉终点C 含量，%

转炉终点M n 含量，%

0.060.080.100.120.140.160.18M n 收得率，%

转炉终点C 含量，%

（a ） （b ）

图2 转炉终点C 含量对转炉终点Mn 含量及 Mn 收得率的影响 Fig.2 Effect of end point carbon content on end point manganese content and its

yield rate of converter

5

量和转炉终点熔池氧化性基本不变的条件下，转炉终点Mn 含量随铁水Mn 含量的升高呈增加趋势，但Mn 收得率随铁水Mn 含量升高呈下降趋势。这一规律表明：若用锰矿直接合金化工艺提高转炉终点残Mn 含量，转炉冶炼前期加入过多的MnO(如用富锰矿、富锰渣等)使终点钢水获得更多的Mn 含量增量，会因Mn 收得率下降而增加直接合金化成本。

3.5 转炉终渣（FeO ）含量和碱度的影响 （1）转炉终渣（FeO ）含量的影响

终渣（FeO ）含量主要通过反应式（4）影响终点锰及其收得率。渣中（FeO ）含量对锰的开始还原温度影响较大，（FeO ）含量越高，（MnO ）开始被Fe 还原的温度也高。在转炉脱碳反应进行激烈的中期，渣中（FeO ）大量减少，有利于(MnO)的还原；但在吹炼末期，由于钢中C 较低，脱C 速度减弱，渣中（FeO ）再度升高，有利于反应（4）向右进行，使钢中Mn 含量降低。图4（a ）给出了在转炉渣量和钢水氧化性相对稳定的情况下，转炉终渣（FeO ）含量对Mn 收得率的影响规律，即随着终渣(FeO)含量升高，Mn 的收得率呈下降趋势。这一规律与上面的理论分析是相符合的。

（2）转炉终渣碱度（CaO/SiO 2）的影响

0.30

0.350.400.450.500.550.60

铁水Mn 含量，% 转炉终点M n 含量，%

0.30

0.350.400.450.500.550.60010203040506070铁水Mn 含量，%

M n 收得率，%

（a ） （b ）

图3 铁水Mn 含量对转炉终点Mn 含量和Mn 收得率的影响

Fig.3 Effect of manganese

content of molten iron on end point manganese content

and its yield rate of converter

1520253035010203040506070转炉终渣FeO ，% M n 收得率，%

3.2

3.4 3.6 3.8

4.0 4.2 4.4 4.6 4.8

010203040506070转炉终渣碱度(CaO/SiO 2)

M n 收得率，%

(a) (b) 图4转炉终渣FeO 含量和碱度对Mn 收得率的影响

Fig.4 Effect of FeO and basicity of the end point slag of converter on the manganese yield rate

6

在铁水Si 含量和转炉终点C 相对稳定的条件下，终渣碱度（CaO/SiO 2）对Mn 收得率的影响规律见图4（b ）。图4（b ）表明，随转炉终渣碱度升高，Mn 收得率呈下降趋势。这一规律似乎有违常理。因为，MnO 是碱性氧化物，根据反应（5），炉渣碱度升高应该有利于锰的还原。

CO SiO CaO Mn C CaO SiO MnO +?+=++?222][][2)2( (5) 由此可见，炉渣碱度对（MnO ）还原的影响，归根到底还是反映在碱度对渣量的影响上。即炉渣碱度升高导致转炉渣量增加，对渣中（MnO ）起到稀释作用，从而影响到渣中（MnO ）的还原。 3.6 转炉终点温度的影响

MnO 的还原反应（2）或（5）是吸热反应，理论上高温有利于MnO 的还原，从而提高Mn 收得率。但从图5统计结果看，转炉终点温度对Mn 收得率的影响不显著。说明在目前操作条件下，转炉终点C 含量和渣量对MnO 的还原起主导作用，转炉终点温度的影响变得并不十分重要。

4．结论

1）铁水中的Mn 在转炉吹炼前期被氧化进入渣中，提高了渣中MnO 含量，这与向转炉中加入锰矿进行直接合金化的作用十分相似。转炉吹炼中期渣中MnO 的还原和后期钢水中Mn 的再氧化与Mn 或MnO 的初始来源无关。因此，转炉生产相关工艺参数与转炉终点钢水残 Mn 含量及Mn 收得率之间的关系，也适合于转炉锰矿直接合金化。

2）转炉吹炼过程中，影响转炉终点Mn 含量和Mn 收得率最主要的因素是转炉终点C 含量和渣量。转炉终点C 含量越高，Mn 收得率也就越高，也就越有利于提高终点残Mn 含量；铁水初始硅含量和转炉炉渣碱度越高，转炉渣量就越大，也就越不利于渣中MnO 的还原和Mn 收得率的提高。

3）转炉终点Mn 含量随铁水Mn 含量的升高呈增加趋势，但Mn 收得率随铁水Mn 含量升高呈下降趋势。

4）转炉终渣氧化性升高，对MnO 的还原产生一定的不利影响。

5）转炉终点温度对Mn 收得率的影响不显著。说明在目前转炉操作温度范围内，转炉终点C 含量和渣量对MnO 的还原起主导作用，转炉终点温度的影响变得并不十分重要。

1620

1640166016801700

010203040506070转炉终点温度，℃

M n 收得率，%

图5 转炉终点温度对Mn 收得率的影响

Fig.5 Effect of the end point temperature of converter on the manganese yield rate

参考文献

[1] 赵中福,李小明, 沈继胜. 转炉炼钢加锰矿提高终点锰含量的试验研究[J], 炼钢,

2010(1) ：40~43

[2] 李荣生, 冯润明, 魏国增等. 贫锰矿在转炉炼钢工艺中的应用[J]，炼钢，2004,20 （1）：

13~15

[3] 孟召来,杨西银,王玉春. 锰矿合金化探讨[J], 山东冶金，2003,25 （增刊）：111~113

[4] 谢中堃，刘洪波，戴辉永等. 锰矿石熔融还原技术在济钢25t转炉上的应用[J]，山东冶

金，2002（6）:36~37

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