氧气转炉的氧枪喷头优化及操作改进

2013-11-05朱万军帅国勇

武汉科技大学学报 2013年4期

区铁，曹维，朱万军，帅国勇

（1.武汉钢铁（集团）公司研究院，湖北武汉，430080；2.武汉科技大学材料与冶金学院，湖北武汉，430081；3.武汉钢铁（集团）公司炼钢总厂，湖北武汉，430083）

随着市场对高附加值钢以及优质冷轧薄板需求的不断增长，国内钢铁企业冶炼的低碳低锰钢、超低碳钢产量呈增长趋势。生产这类钢，其碳含量低、吹炼时间长、熔池易过氧化，且影响物料消耗和钢的清洁度，提高炼钢－连铸工序的匹配能力也要求进一步缩短冶炼生产的节奏。为满足这些要求，必须对转炉炼钢用氧技术进行改进。为此，本文介绍了武汉钢铁（集团）公司炼钢总厂对80t转炉氧枪喷头及顶底吹操作改进的探讨及其应用效果。

1 试验方法

在超低碳钢产量增长期间，为了保持整个生产流程的高效率，供氧时间需要从16.5min缩短至15min左右，并要求抑制渣－钢熔池过氧化，保证冶炼成分的合格率。表1为试验期间钢厂公称容量80t转炉冶炼的操作条件。

表1 转炉冶炼的操作条件Table1 Operation conditions of converter smelting

1.1 改进顶吹供氧

为提高脱碳用氧效率，设计4孔氧枪喷头取代原3孔喷头，马赫数从1.98调整为2.0，供氧流量从14000m3／h提高到16500～17000m3／h，抑制射流叠加的氧枪喷头夹角从11°扩大到12°，并使促进成渣操作与上炉留渣、动态调整氧枪枪位和前期排渣模式相配合。

1.2 优化底吹搅拌

为了使底搅拌在合适条件下进行，根据转炉热模型试验［1］，冶炼后期调整氧在渣钢间分配的底吹强度从0.05～0.06m3／（min·t）扩大到0.08m3／（min·t），采用自动吹堵供气元件、调整底吹点布局，并控制溅渣层厚不大于150mm，以维护底吹通畅，采用改进炉底－炉身的结合方式来防止熔池变浅所致的搅拌力下降。

终点熔池氧化性的评估，可采用笔者［2］定义的氧化特性指标FC，即：

式中：VO2为顶吹氧强度，m3／（min·t）；w［C］为碳的质量分数，%；ts为钢水混匀时间，s；PCO为一氧化碳分压，MPa；P 为标准状态大气压，MPa；β为系数项。

2 结果与讨论

2.1 氧枪喷头结构改进及射流特性分析

转炉原氧枪喷头结构为3孔，在生产中存在供氧时间较长、粘枪、溅渣易涨炉底，为此对氧枪喷头进行了改进。图1为改进后的4孔氧枪喷头结构。

图1 转炉氧枪的4孔喷头结构Fig.1 Structure of four－holes nozzle for the converter oxygen lance

氧枪喷头主要设计参数如下：转炉装入量为90t、出钢量为80t；采用4孔喷头，氧气流量为16000～16500m3／h，氧气工作压力为0.80～0.85MPa，出口马赫数为2.0，出口直径为42.77 mm，喉口直径为33mm，喷头夹角为12°，冷却水流量不小于130t／h。

采用半模喷头对射流冷态速度分布进行测定。图2为常用操作压力为0.8MPa时测定射流冷态速度分布状况的实例。图3为不同压力下常用枪位（1400、1600mm）射流速度分布的例子。

经测定发现，随着驱动压力的增大，射流中心线偏移量基本不变，喷头流股互为独立。不同压力下氧射流之间速度线未接触，射流互不重叠干涉。当压力为0.9～1.0MPa时，速度变化梯度减小，在同一枪位上增压来提高冲击面积不明显，而在同一压力下提高枪位可明显增大冲击面积。但枪位大于1450mm时，射流对钢水的作用相对平缓，不易发生喷溅。

改进后的4孔喷头射流冲击面积优于原3孔喷头的冲击面积，这样有利于解决火点区起渣慢、烟尘喷溅大等问题。采用高枪位时应注意炉衬安全，采用低枪位时应关注对炉底的影响，吹炼后期通过与底吹的配合来调整熔池氧化度。

图2 喷头纵面压力为0.80MPa时射流速度分布Fig.2 Distribution of jet velocity with longitudinal nozzle pressure of 0.8MPa

2.2 氧射流对熔池穿透深度的影响

氧射流冲击熔池的穿透深度（即凹坑深度）直接影响吹炼反应的用氧效率和成渣速率。按射流穿透深度的热态［3］和冷态［4］试验获得的关系，整理出顶吹射流作用于熔池的穿透深度公式为

式中：Lm为射流穿透熔池深度，m；Q为氧气流量，m3／min；PO为氧气滞止压力，MPa；H 为氧枪枪位，m；d＊为喷孔喉口直径，m；n为喷孔个数。

式（2）综合考虑了氧气流量、喷头孔数、氧枪枪位和氧气滞止压力对熔池穿透深度的影响。喷头结构和供氧参数一定时，调节氧枪枪位就成为获得良好反应速率的顶吹氧操作手段。

图4为采用式（2）、热态和冷态试验公式时80t顶底吹转炉氧枪枪位与熔池穿透深度比（射流穿透熔池深度Lm与熔池静止深度LO的比值）之间的关系。由图4可看出，式（2）的计算结果位于热态和冷态试验所得结果之间。

图3 常用枪位不同压力下的射流速度分布Fig.3 Distribution of jet velocity under the common lance position and different pressures

图4 顶底吹转炉氧枪枪位和熔池穿透深度比的关系Fig.4 Relationship between lance position and ratio of penetration depth of molten bath in the top and bottom blowing converter

以供氧为15min、氧流量为16500m3／h、参考工作氧压为0.85MPa的条件下，通过式（2）获得顶吹氧射流作用于熔池所需的穿透深度比（0.5～0.6），顶吹过程可采用1.2～1.6m 的枪位。实际操作时，枪位按温度、化渣和返干喷溅情况分段调节，吹炼末期拉碳前，压枪应适当地增大射流穿透深度，必要时可调节倒炉氧量。

用4孔氧枪喷头替代3孔氧枪喷头后，冶炼成渣速度加快，未出现转炉风机抽火困难和爆发性喷溅现象，不仅氧枪喷头的使用寿命提高了90%，而且溅渣性能较原氧枪喷头也有明显的改善。

2.3 底搅拌和喷吹布局对终点溶解氧含量的影响

试验期间，底搅拌供气点从4个调整为6个，并在内环增加2个喷吹点来加速熔池火点区炉渣以及散状料落点附近的搅拌。图5为转炉底吹6点双环布局示意图。

图5 转炉底吹6点双环布局示意图Fig.5 Bicyclic layout diagram in converter bottom blowing

冶炼后期，调整氧在渣钢间的分配，底吹强度Qb从0.05m3／（min·t）提高到0.08m3／（min·t）。图6为底搅拌强度、底吹布局与终点钢水碳－氧含量的关系。提高后期底吹强度并采用6点双环底吹布局后，不仅改善了熔池搅拌的强度和均匀性，而且其相同碳含量对应的溶解氧含量比改进前的要低。

在等待最后试样分析时，底搅拌进一步改善了氧在渣钢间的分配，相当比例的钢水碳氧积落入更低的范围（平均为0.0024），这意味着低碳区的优先脱碳和钢水的低氧化。

图6 底搅拌强度、底吹布局与终点钢水碳－氧含量的关系Fig.6 Relationship between bottom stirring intensity，bottom blowing layout and final carbon－oxygen content in molten steel

2.4 脱碳用氧效率分析

图7 转炉脱碳速率与供氧吹炼时间的关系Fig.7 Relationship between decarbonization rate and oxygen blowing time in converter

图7是氧流量为16300m3／h条件下，转炉4孔氧枪脱碳速率随着供氧时间的变化。由图7可看出，吹炼过程最高脱碳反应速率与过程最低氮含量相对应，供氧时间占总吹氧时间比率超过80%后，脱碳速率明显衰减，碳氧反应从供氧控速转向碳扩散控速。通过顶底吹的配合，脱碳反应可以优先进入低碳区，即便缩短供氧时间也没有出现停滞现象。

图8为吨铁氧气消耗与终点钢水碳含量的关系。改进后，相同氧气单耗达到的碳含量降低，由于提高了脱碳用氧效率，所以平均供氧时间比改进前缩短了1.5min。

图8 吨铁氧耗与终点钢水碳含量关系Fig.8 Relationship between oxygen consumption per ton iron and final carbon content in molten steel

2.5 炉渣成分演变对脱磷的影响

为克服加快吹炼与化渣脱磷的矛盾，除优化氧枪结构、供氧操作和底吹布局外，还采用了留渣或添加脱磷剂促进化渣和前期排渣等操作手段。图9为改进后转炉渣成分在Fe－FeOn－CaO－SiO2系1600℃三元相图［5］中的演变。

图9 1600℃三元系相图中转炉渣成分的演变Fig.9 Evolution of the converter slag composition in the ternary phase diagram at 1600℃

在图9中，点A是前期排渣成分，此时铁水温度较低且硅已氧化，这样有利于成渣脱磷，炉渣总成分位于w（MgO）为10%的C2S饱和线以外，及时排渣可防止后期回磷，为减少石灰消耗创造了条件。点B为吹炼中后期渣成分。点C为吹炼结束炉渣，其总成分落入C2S附近有适量氧化铁的C3S饱和区，液相中SiO2以C3S形式析出，自由CaO浓度提高。由于熔渣获得均匀适当的碱度和氧化性，缩短供氧时间也可使出钢磷含量降低至0.01%以下。

改进后的工艺提高了成渣和脱碳效率，石灰、氧气等消耗进一步降低，即使渣中TFe含量减少，也可获得良好的脱磷效果。