轉(zhuǎn)爐終點碳氧積是轉(zhuǎn)爐冶煉的重要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，降低轉(zhuǎn)爐終點碳氧積意味著相同終點碳含量時，鋼水終點活度氧會降低，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)爐在完成強底吹系統(tǒng)改造后（底吹強度大于0.10m³/（min·t）），在爐役前期（1000爐以內(nèi)）冶煉超低碳鋼時，轉(zhuǎn)爐終點碳氧積均值為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。本文通過對67爐超低碳鋼轉(zhuǎn)爐終點鋼水取樣研究，并結(jié)合理論計算，以驗證轉(zhuǎn)爐終點鋼水碳氧積為真實值。

試驗在300t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉超低碳鋼上進行，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、內(nèi)圈8個共16個底槍。

在頂吹供氧量達(dá)到總量的70%時，開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啟動副槍TSO探頭測溫、定氧和取樣。出鋼時添加小石灰，并全程底吹氬氣，出鋼結(jié)束后關(guān)閉鋼包底吹，并對鋼包內(nèi)鋼水進行測溫、定氧和取樣。吹煉后期底吹強度設(shè)定及鋼水溫度控制如表1所列。

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

試驗爐次轉(zhuǎn)爐終點及鋼包鋼水碳、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)爐終點碳的范圍0.017%~0.055%，均值為0.032%，所有試驗爐次出鋼過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，大部分爐次出鋼過程氧含量增加。轉(zhuǎn)爐終點碳氧積的范圍是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)爐終點鋼水[C]＜0.030%時，轉(zhuǎn)爐終點碳氧積的均值為0.00110；當(dāng)轉(zhuǎn)爐終點鋼水[C]≥0.030%時，轉(zhuǎn)爐終點碳氧積的均值為0.00150，可知隨著轉(zhuǎn)爐終點碳含量降低，轉(zhuǎn)爐終點碳氧積隨之降低。

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

由圖2可知，轉(zhuǎn)爐吹煉平臺期，隨著底吹強度由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%，對應(yīng)的CO分壓也就相應(yīng)由81.06kPa降低至48.64kPa。

轉(zhuǎn)爐終點碳氧平衡時，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T1=1943K時，K1=467.74，綜合轉(zhuǎn)爐終點碳氧積為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，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)爐吹煉至終點到鋼水出鋼結(jié)束，隨著出鋼過程鋼水溫度降低，平衡常數(shù)K逐漸降低，無論按轉(zhuǎn)爐終點碳氧積還是鋼包鋼水碳氧積計算，都可得出當(dāng)時的p（CO）約為46.64kPa。

當(dāng)爐內(nèi)鋼水反應(yīng)平衡時，可將此時的環(huán)境看成理想的敞開容器，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，即p（CO）=0.60左右，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐終點碳氧積為0.0013。而圖2煙氣分析儀測得吹煉平衡時CO體積含量也驗證了以上推斷的正確性。

脫碳反應(yīng)屬于一級反應(yīng)，各時刻的碳含量與時間呈指數(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時脫碳速率，%/min；t為時間，min；C為某時刻碳含量，%；C0為初始碳含量，%。根據(jù)式（3）求得在底吹強度為0.12m³/（min·t）輔吹時脫碳速率和表觀脫碳常數(shù)，見表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氧化狀態(tài)；鋼水在停止供氧后，繼續(xù)保持一定的底吹強度，p（CO）及鋼水活度氧會進一步降低。

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

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

3）隨著底吹強度的提高，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)保持一定的底吹強度，CO分壓有進一步降低的趨勢。