转炉溅渣护炉工艺的研究与应用

2021-07-01朱元涛

中国金属通报 2021年6期

朱元涛

（山东石横特钢集团有限公司，山东肥城 271612）

目前转炉实行炉炉溅渣工艺，在生产过程中会出现炉底波动大、炉帽过厚、熔池侵蚀严重等不利于转炉冶炼的现象，导致停炉换包时修补熔池侵蚀部位，停炉时间长，影响产能降低、补炉料消耗升高，同时炉型发生变化后，影响冶炼稳定性喷溅、溢渣严重。为稳定炉型，缩短转炉停炉辅助时间，降低补炉料消耗等，一炼钢成立技术攻关小组，在改进溅渣层质量，优化氮气压力、流量与枪位，控制合理的留渣量等三方面进行技术优化，综合生产成本降低。

1 溅渣护炉工艺原理

1.1 溅渣护炉分析

初期渣对炉衬的侵蚀在转炉冶炼初期，首先是铁水中Si、Mn的大量氧化，生成大量的SiO2等，石灰的熔化速度较缓慢（石灰活性度低时更差），炉渣碱度的提高需要一个较长的过程，在低碱度阶段炉渣对炉衬的侵蚀较严重。因为在酸性渣中，MgO可以有很高的溶解度，加速了炉衬中MgO的熔解速度。因此，在初期加入白云石造渣，使渣中有一定的MgO可以减轻对炉衬的化学侵蚀。实际生产中，溅渣层为高熔点的C2S和MgO结晶体，熔化温度较高。由于冶炼初期温度较低，溅渣层为不明显熔化。初期渣对溅渣层的侵蚀较弱，当渣中FeO含量相同时，高钙渣的侵蚀速度明显高于高镁渣。因此提高溅渣层的碱度或MgO含量，均有利于减轻炉渣的侵蚀。

对转炉溅渣层的侵蚀，主要发生在转炉冶炼的中后期，转炉冶炼过程渣和终渣对溅渣层的侵蚀机理主要表现为溅渣层的高温熔化与高FeO对炉渣的化学侵蚀。而冶炼过程是转炉炉渣碱度和熔池温度升高的过程，因此尽可能的提高溅渣层抵抗转炉终渣的侵蚀能力，合理控制终渣成分和出钢温度（终渣温度是由出钢温度决定的），是发挥溅渣护炉技术效果的关键。

熔渣的成分决定了溅渣层的岩相结构，而岩相结构又决定了溅渣层的熔化温度。当碱度大于2时，全部或大部CaO和SiO2以高温相析出，而在转炉渣MgO-CaO-SiO2-FeO四元相图中，以FeO为主的RO相和铁酸钙的低熔物出现，分布在方镁石晶体（渣中MgO结晶）的周围形成液膜，在炼钢条件下促使溅渣层的高温强度因液膜滑移而急剧下降，势必降低抵抗转炉渣渗透侵蚀的阻力。溅渣层中的低熔点相多时，抗侵蚀能力更低。

图1 溅渣示意图

要想溅渣层具备一定的耐火度和粘度，影响溅渣层质量的因素有：终渣氧化性和温度、溅渣流量和枪位、留渣量等，还要遵循一项“溅得起、粘得上、烧得牢”的原则。

“溅得起”就是要求能够利用从喷孔出来的超音速氮气射流有效地将炉渣均匀的、有重点的溅到炉衬内表面，形成一定厚度的溅渣初始阶段主要为机械镶嵌，烧结层形成以后，结合方式主要是机械镶嵌。做好此步必须具备以下条件：合适的氮气压力、合适溅渣枪位、合适的留渣量。

“粘得上”就是要求溅到各部位的炉渣能粘到炉衬上而滑不下来。为此必须做好以下几点工作：合适的终点温度、炉渣熔点和粘度、炉渣改质、和钢水出净。

“烧得牢”就是要溅到炉衬表面的渣子在下一炉吹炼过程中能经受主温冲刷和侵蚀而不剥落，从而起到保护炉衬的作用。为此溅渣层必须有较高的熔点和达到一定厚度。

1.2 溅渣护炉对终渣控制的要求

溅渣护炉技术的应用，对冶炼终渣提出了更高的要求，要求炉渣除了具有脱硫脱磷功能外，还要具备经受冶炼过程中各个不同时期钢水和炉渣侵蚀的能力，以保护炉衬。因此，溅渣层必须具备一定的耐火度和粘度，影响终渣耐火度的主要组分是碱度（CaO/SiO2）、MgO、FeO，这些因素取决于冶炼条件和钢种。在炉渣组分确定以后，影响炉渣粘度的主要因素是温度，因此，终渣控制的内容包括温度和化学成分。

1.2.1 终渣温度

终渣温度取决于出钢温度，以满足浇注生产需要为前提。但在条件允许的情况下，应适当降低终渣温度（出钢温度）。终渣温度高，炉渣的过热度高、渣稀、流动性好，不利于溅渣。为保证溅渣效果，势必延长溅渣时间。另外，温度高溅渣层的低熔点相易熔化脱落，特别是对FeO含量较高的溅渣层更为重要。

1.2.2 碱度

从溅渣护炉的角度分析，希望碱度高一点，这样转炉终渣C2S及C3S之和可以达到70%～75%。这种化合物都是高熔点物质，对于提高溅渣层的耐火度有利。但是，碱度过高，冶炼过程不易控制，易反干影响脱磷和脱硫效果，且造成原材料浪费，还容易造成炉底上涨。实践证明，终渣碱度控制在2.8～3.2为好。

1.2.3 MgO含量

氧化铁与氧化钙所形成的化合物为低熔物质，氧化铁和氧化锰等组成的RO相融点也较低。但是MgO与FeO可以形成连续的固熔体，当FeO达到50%时，此固熔体的熔点仍高于1800℃。MgO与Fe2O3能化合生成铁酸镁，此化合物又能与MgO反应生成固熔体，都是耐高温物质，既便在Fe2O3含量达到70%时，其熔点仍在1800℃以上。如果MgO含量低氧化铁就会与氧化钙生成低熔点铁酸钙。因此终点必须保持一定的MgO含量，一般控制在9%～10%。

1.2.4 FeO含量

只要把溅渣前的MgO含量调整在合适的范围，溅渣护炉对于终渣氧化铁含量并无特殊要求，终渣氧化铁无论高低都可取得较好的溅渣护炉效果。但终渣氧化铁较低，渣中C2F（铁酸钙）少，RO相的熔化温度高，在保证足够的耐火度的情况下，降低渣中MgO含量，这样溅渣护炉的成本较低，容易取得高炉龄。从操作上讲，在同样温度、碱度和MgO条件下，氧化铁含量低，渣的粘度大，起渣快，可以减少溅渣时间，而不影响溅渣效果。

2 工艺优化方案

2.1 改进溅渣层质量

（1）渣中FeO含量高低对炉衬侵蚀和溅渣效果有很大影响。渣中FeO的矿物组成大多为各类低熔点铁酸盐，熔点远低于出钢温度，而且FeO含量越高，铁酸盐就越多，渣流动性就越好，对炉衬侵蚀作用加大且不容易附着在炉衬上。如果渣中FeO含量过低，又会造成转炉造渣和去除P、S困难。因此操作中必须严格控制渣中FeO含量。

为降低渣中FeO含量，吹炼中做到：①温度：前期温度要低，过程升温要慢要均匀，禁止出现过程高温后再用冷料抑制温度，大量冷却剂加入后破坏了脱碳、脱磷渣系的情况。②大流量高枪位：大流量是为了整个熔池搅拌均匀，不出现搅拌死区或者氧化亚铁聚集的现象，高枪位是为了增加渣中氧化亚铁，杜绝或者减少返干。③后期要早提流量，早降枪，保证终渣氧化亚铁的降低。

（2）终点温度取决于出钢温度，以满足浇注生产需要为前提。但在条件允许的情况下，应适当降低终点温度。终点温度高，炉渣的过热度高、渣稀、流动性好，不利于溅渣。为保证溅渣效果，势必延长溅渣时间。另外，温度高时低熔点的溅渣层容易熔化脱落，特别是对FeO含量较高的溅渣层更为重要。降低终点温度是转炉进一步摸索的重点，出钢温度需稳定在1620℃～1640℃。

所以，控制炉渣FeO含量和温度是稳定溅渣层的基础。

2.2 优化溅渣工艺参数

优化溅渣工艺参数，在提高熔池溅渣护炉效果同时，有效减少炉口及炉身积渣层过厚现象，保证转炉炉型和炉体安全稳定性。科学合理的炉型，对于供氧制度的优化实施非常有利。转炉冶炼过程是在高温条件下进行的物理化学反应，反应条件的创造决定了转炉冶炼的过程控制及终点控制的好坏，而反应条件就在于热力学条件和动力学条件，二者是相辅相存的，确定转炉最佳炉型，就是给转炉冶炼创造最佳的动力学条件。

为了在尽可能短的时间内将炉渣均匀溅到整个炉衬表面而形成足够厚度的致密溅渣层，必须控制好溅渣操作手段，即根据炉型尺寸，来控制氮气压力和流量、枪位等。

（1）氮气压力与流量：理论来说，当氮气压力和流量与氧气工作压力和流量接近时，可取得较好溅渣效果。

转炉氮气开吹总管压力1.7MPa～2.1MPa，工作压力1.4MPa～1.6MPa，流量27000m3/h～30000m3/h。

（2）枪位：枪位是非常重要的参数，它直接影响转炉各部位的溅渣量。溅渣时枪位控制要根据炉渣的流动性和所要溅的部位而定。同时溅渣枪位将影响溅渣时间和效果。溅渣时枪位控制要根据炉渣的流动性和所要溅的部位而定。溅渣枪位将影响溅渣时间和效果。对于流动性较强的炉渣（炉渣FeO含量、温度较高），前期的枪位控制主要以加速炉渣的稠化为目的，因为此时的炉渣即使溅到炉衬上也粘结不上；当炉渣稠化到一定程度时，再降低枪位增加N2射流的动力，这样既可缩短溅渣时间，又可提高溅渣效果；对于流动性适中的炉渣或稠渣，则将枪位调整到使炉渣产生最大功能的位置（这一高度可以通过炉口渣粒的密集程度和大小来确定），一般炉口有火光出现，炉口渣粒较稀，较小或没有，说明炉渣较稀。

在具体溅渣枪位的操作中，枪位较低时，冲击炉渣面积小，冲击深度大，供给大部分能量用于穿透和搅拌渣池，溅起的渣量小，渣滴能量小。枪位过高则射流速度会减小，使其冲击强度降低，同样溅起的渣打量小，渣滴能量小，无法溅到炉膛上部。合适的枪位应为：H/D=0.5-0.7

H：喷头据离炉底距离；D：熔池直径。

对于流动性较强的炉渣或稀渣（炉渣FeO含量和温度较高），前期的枪位要高，控制主要是以加速炉渣的稠化为目的，因为此时的炉渣即使溅到炉衬上也粘结不上；当炉渣稠化到一定程度时，再降低枪位，增加氮气射流的动力，这样既可缩短溅渣时间，又可提高溅渣效果。

结合到车间实际情况，溅渣前30s，是炉渣的孕育期，枪位适当高一些（2～2.5米），然后枪位逐渐下降，仔细观察炉口炉渣跳射状况，可以上下调整枪位（范围在1.5m～2m），促使转炉各部位均有溅渣层，发现炉底有上涨趋势，溅渣枪位则采用低枪位操作（范围在1m～1.5m）。