轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積是轉(zhuǎn)爐冶煉的重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，降低轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積意味著相同終點(diǎn)碳含量時(shí)，鋼水終點(diǎn)活度氧會(huì)降低，活度氧降低可以改善鋼水潔凈度、提高合金收得率、 降低生產(chǎn)成本。某鋼廠300t轉(zhuǎn)爐在完成強(qiáng)底吹系統(tǒng)改造后（底吹強(qiáng)度大于0.10m³/（min·t）），在爐役前期（1000爐以內(nèi)）冶煉超低碳鋼時(shí)，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積均值為0.0013，指標(biāo)優(yōu)于萊鋼4#轉(zhuǎn)爐的0.0023、遷鋼2#轉(zhuǎn)爐的0.0019、首鋼全爐役的0.0020、武鋼三煉鋼廠轉(zhuǎn)爐的0.0015~0.0018。本文通過(guò)對(duì)67爐超低碳鋼轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水取樣研究，并結(jié)合理論計(jì)算，以驗(yàn)證轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水碳氧積為真實(shí)值。

試驗(yàn)在300t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉超低碳鋼上進(jìn)行，轉(zhuǎn)爐爐齡在1000爐次以內(nèi)，頂吹采用變流量變槍位操作，底吹元件為外圈8個(gè)、內(nèi)圈8個(gè)共16個(gè)底槍。

在頂吹供氧量達(dá)到總量的70%時(shí)，開(kāi)始加大底吹惰性氣體流量，輔吹（剩余30%的供氧量）結(jié)束后，后攪1min啟動(dòng)副槍TSO探頭測(cè)溫、定氧和取樣。出鋼時(shí)添加小石灰，并全程底吹氬氣，出鋼結(jié)束后關(guān)閉鋼包底吹，并對(duì)鋼包內(nèi)鋼水進(jìn)行測(cè)溫、定氧和取樣。吹煉后期底吹強(qiáng)度設(shè)定及鋼水溫度控制如表1所列。

轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量采用直讀光譜法分析TSO鋼樣測(cè)定，終點(diǎn)活度氧、溫度由賀利氏的TSO探頭直接測(cè)定；鋼包鋼水的碳含量采用直讀光譜法分析鋼樣測(cè)定，活度氧、溫度由賀利氏的定氧探頭直接測(cè)定，通過(guò)復(fù)吹轉(zhuǎn)爐上安裝的煙氣分析儀測(cè)得轉(zhuǎn)爐內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)生煙氣CO體積百分含量。

試驗(yàn)爐次轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)及鋼包鋼水碳、活度氧及碳氧積分布、含量如圖1所示，圖1中數(shù)據(jù)為平均值。

由圖1可知，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳的范圍0.017%~0.055%，均值為0.032%，所有試驗(yàn)爐次出鋼過(guò)程中都存在著降碳的現(xiàn)象，范圍是0.002%~0.024%，均值為0.009%。轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)活度氧的范圍是3.01×10-4~8.19×10-4，均值為4.21×10-4；95.5%（（64/67）×100% =95.5%）的爐次出鋼過(guò)程增氧，范圍是1×10-6~3.61×10-4，均值為1.01×10-4，大部分爐次出鋼過(guò)程氧含量增加。轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積的范圍是0.00075~0.00190，均值為0.00131，鋼包鋼水碳氧積的范圍0.00049~0.00190，均值為0.00116；當(dāng)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水[C]＜0.030%時(shí)，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積的均值為0.00110；當(dāng)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水[C]≥0.030%時(shí)，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積的均值為0.00150，可知隨著轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量降低，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積隨之降低。

煙氣中CO體積分?jǐn)?shù)在底吹強(qiáng)度為0.05m³/（min·t）（模式1）及0.12m³/（min·t）（模式2）下，根據(jù)煙氣分析儀測(cè)得的鋼水吹煉過(guò)程中煙氣中CO含量，其變化情況如圖2所示。

由圖2可知，轉(zhuǎn)爐吹煉平臺(tái)期，隨著底吹強(qiáng)度由0.05m³/（min·t）提升0.12m³/（min·t）后，轉(zhuǎn)爐爐氣中的CO體積分?jǐn)?shù)由0升高至60%，對(duì)應(yīng)的CO分壓也就相應(yīng)由81.06kPa降低至48.64kPa。

轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧平衡時(shí)，反應(yīng)式為：

[C]+[O]=CO（g）

lgK=1168/T+2.07（1）

K=p（CO)/（w（C）·w（O））（2）式（1）、式（2）中：K為平衡常數(shù)；T為溫度，K；p（CO）為CO分壓與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的比值；w（C）·w（O）為熔池中的碳和氧的質(zhì)量濃度，%。

1）當(dāng)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)T1=1943K時(shí)，K1=467.74，綜合轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積為0.0013、K1值及式（2），可得p（CO）1=0.61；

2）當(dāng)鋼包鋼水溫度為T2=1893K時(shí)，K2=489.78，綜合鋼包鋼水碳氧積為0.0011、K2值及式（2），可得p（CO）2=0.59。

從轉(zhuǎn)爐吹煉至終點(diǎn)到鋼水出鋼結(jié)束，隨著出鋼過(guò)程鋼水溫度降低，平衡常數(shù)K逐漸降低，無(wú)論按轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積還是鋼包鋼水碳氧積計(jì)算，都可得出當(dāng)時(shí)的p（CO）約為46.64kPa。

當(dāng)爐內(nèi)鋼水反應(yīng)平衡時(shí)，可將此時(shí)的環(huán)境看成理想的敞開(kāi)容器，爐內(nèi)氣體總壓為101.325kPa，根據(jù)CO體積含量占煙氣總量及道爾頓分壓定律，混合氣體的分壓與各氣體的體積含量比例成正比，可知當(dāng)CO體積含量占爐內(nèi)總氣體量的60%左右時(shí)，即p（CO）=0.60左右，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積為0.0013。而圖2煙氣分析儀測(cè)得吹煉平衡時(shí)CO體積含量也驗(yàn)證了以上推斷的正確性。

脫碳反應(yīng)屬于一級(jí)反應(yīng)，各時(shí)刻的碳含量與時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系，即

dc/dt=-k×t，C=C0exp（-k×t）（3）

式（3）中：k為表觀脫碳常數(shù)min-1；dc為初始脫碳速率，%/min；dt為t時(shí)脫碳速率，%/min；t為時(shí)間，min；C為某時(shí)刻碳含量，%；C0為初始碳含量，%。根據(jù)式（3）求得在底吹強(qiáng)度為0.12m³/（min·t）輔吹時(shí)脫碳速率和表觀脫碳常數(shù)，見(jiàn)表2。

頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐熔池內(nèi)底吹氣體和脫碳形成的CO氣體混合氣體中的CO分壓為：

式（4）中：Q（CO），Q（Ar）分別為Ar及CO氣體的流量（標(biāo)態(tài)），m³/s；p為總壓，101.325 kPa。由熔池內(nèi)碳氧反應(yīng)求得CO氣體的流量Q（CO）為：

式（5）中：Vm為鋼液的體積，m³；ρm為鋼液的密度，kg/m³；M（C）為碳的摩爾質(zhì)量，kg/mol；t為反應(yīng)時(shí)間，min；w（C）為熔池碳含量，%。聯(lián)立式（4）和式（5），將表3中的脫碳速率和Vm、ρm數(shù)值代入式（4），可知底吹強(qiáng)度為0.12m³/（min·t）的p（CO）/p0為0.59，p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，101.325kPa，如表3所列。

鋼水混勻所需時(shí)間減少，碳氧反應(yīng)更接近平衡狀態(tài)，鋼水在更低的碳含量下才處于過(guò)氧化狀態(tài)；鋼水在停止供氧后，繼續(xù)保持一定的底吹強(qiáng)度，p（CO）及鋼水活度氧會(huì)進(jìn)一步降低。

1）某鋼廠300t轉(zhuǎn)爐爐役前期（1000爐）冶煉超低碳鋼在底吹強(qiáng)度為0.12m³/（min·t）時(shí)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積均值為0.00131，鋼包鋼水碳氧積的均值為0.00116；在出鋼的過(guò)程中存在著降碳、增氧的現(xiàn)象。

2）根據(jù)理論計(jì)算及煙氣分析系統(tǒng)測(cè)得的轉(zhuǎn)爐吹煉至平衡時(shí)CO的體積含量為60%、即CO分壓為0.60，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度為1943K時(shí)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積為0.0013。

3）隨著底吹強(qiáng)度的提高，碳氧反應(yīng)更接近平衡狀態(tài)，鋼水在更低的碳含量下才處于過(guò)氧化狀態(tài)，且鋼水在停止供氧后，繼續(xù)保持一定的底吹強(qiáng)度，CO分壓有進(jìn)一步降低的趨勢(shì)。