梅钢250吨转炉氧枪喷头优化与应用*

2021-05-18肖玖伦王多刚

现代冶金 2021年1期

肖玖伦，王多刚

(1.上海梅山钢铁股份有限公司炼钢厂，江苏南京 210039； 2.宝钢股份研究院梅钢技术中心，江苏南京 210039)

引言

上海梅山钢铁股份有限公司(以下简称“梅钢”)250吨转炉的氧枪喷头为锻压组合式，喷头的目标使用寿命为450炉。随着转炉废钢比的增加，转炉热量不足带来的问题日益突出。近期，废钢比达到18%-20%，吨钢矿石用量<8 kg，转炉冶炼过程化渣困难，喷头漏水情况时有发生，漏水频次达到每万炉23次，喷头使用寿命低至350炉，安全生产风险增大。唐钢长材部65 t转炉[1]和鞍钢100 t转炉[2]，通过提高喷头马赫数，改善了化渣效果，提高了喷头使用寿命。武钢250 t转炉[3]，采用锻压组合喷头，改善了冶炼指标和喷头使用寿命。马钢300 t转炉[4]和首钢100 t转炉[5]，通过增大喷头喉口、出口直径，稳定了转炉操作。淮钢特钢100 t转炉[6]，通过减小喷头马赫数，并增大喷孔夹角，改善了化渣效果。武钢80 t转炉[7]，将喷头孔数由4孔优化为5孔，加快了成渣速度和减少了喷溅。此外，攀钢、天钢和邯宝转炉[8-10]等对喷头做了优化，均取得了不错的效果。可见，由转炉冶炼的实际情况出发，优化氧枪喷头参数，可以改善转炉冶炼效果和提高喷头使用寿命。

1 现状分析

梅钢二炼钢厂2座250 t转炉的冶炼参数如表1所示。2019年氧枪喷头使用寿命降低至350炉，每月喷头漏水次数约4次。经喷头损毁原因的统计分析，发现主要原因如下：

(1)拉碳的枪位低。冶炼含磷钢种时，如箱板钢、花纹板钢，转炉辅料加入量少，吨钢石灰和轻烧白云石的用量<30 kg，渣量少，渣层薄，冶炼终点为了快速脱碳，拉碳的枪位往往较低，造成喷头被高温的钢水熔损，如图1所示。

(2)冶炼返干。冶炼过程化渣困难，返干严重并造成金属喷溅，喷头局部粘结冷钢，形成不易脱落的Fe-Cu固溶体，导致该部位传热性能变差，逐渐熔损，如图2所示。

(3)爆发性喷溅。由于转炉热量不足，矿石用量少，冶炼过程化渣困难。吹炼枪位偏高，渣中聚集的FeO太多，碳氧反应集中爆发引发喷溅，导致喷头大面积粘结钢渣而损毁，如图3所示。

(4)氧气射流突变。氧枪喷孔出口处由于粘渣或粘钢，超声速氧气射流遇到障碍物形成激波，射流方向发生转变，喷头端面被氧气射流烧损，如图4所示。

表1 二炼钢厂冶炼参数

图1 高温钢水熔损的喷头

图2 局部粘钢熔损的喷头

图3 大面积粘结钢渣熔损的喷头

图4 氧气射流烧损的喷头

2 氧枪喷头设计

梅钢250 t转炉的氧枪喷头为环6孔设计，且喷孔的夹角大，喷头中间部位的负压区相对较大。转炉吹炼过程中化渣不良，在激烈的碳氧反应和氧气射流的共同作用下，钢水穿入负压区，击中喷头的端面，熔化喷头的铜质表层，并粘结在喷头上。因此缩小负压区的空间，能有效降低喷头粘钢的倾向[11]。结合原环6孔喷头的冶炼情况，设计了由圆周上5个孔加1个中心孔的氧枪喷头(以下简称“5+1”孔喷头)。

2.1 工况参数

保持氧枪网管的工况参数不变，对氧枪喷头参数进行优化。喷头中心孔的主要作用是消除喷头鼻尖的负压区空间，降低喷头的粘钢倾向；并考虑中心氧气射流对炉底的冲刷，中心孔的氧气流量占比应小一些，以保持中心孔氧气射流与环孔射流到达熔池液面的速度基本相等。减小气流对熔池液面的交互作用，可以有效降低喷溅；同时，喷头马赫数的选择要匹配250吨转炉的供氧强度。为此，设计喷头中心孔的马赫数为2.08、圆周孔的马赫数为2.06，中心喷孔的喉口面积占总喷孔喉口面积的12.5%。根据转炉透气砖的位置布置，圆周喷孔的中心夹角为14°-17°，氧气射流的冲击面和底吹搅拌面可以达到较好的匹配，形成最佳的搅拌作用效果。工况参数如下：

设计供氧量Q：52000 m3/h；

氧气工作压力P0：0.93 MPa；

冷却水流量：360 m3/h；

中心孔Ma= 2.08、圆周孔Ma=2.06；

圆周喷孔倾角：15°。

2.2 喷头参数

2.2.1 喉口面积

(1)

Ah=π×dh2/4

(2)

式中Q为供氧量;CD为喷孔流量系数，取值为0.95；Ah为喉口面积；P0为氧气工作压力，考虑氧气在管道内的压力损失为10%-12%，喷头处的实测压力为0.82-0.84 MPa，取值为0.83 MPa；T0为氧气滞止温度，取值为300 K；dh为喉口直径。

2.2.2 喉口段长度和扩张段长度

Lh=(0.5-1)dh

(3)

Lk=(dc-dh)/(2tanα)

(4)

式中Lh为喉口的长度；Lk为喷孔扩张段的长度；dc为喷孔出口处的直径；α为喷孔扩张段的锥角，取值为4°。

2.2.3 冶炼基准枪位

H=1.15×(35-50)×dh

(5)

式中H为转炉冶炼过程的基准枪位。

根据气体绝热函数表，由式(1)-(5)得到“5+1”孔喷头的参数如表2所示。

表2 “5+1”孔喷头的设计参数

3 应用效果

3.1 喷头使用寿命

“5+1”孔喷头在不同使用炉数时的端面情况如图5所示。除喷孔之间有少量的熔损外，“5+1”孔喷头端面的总体情况良好。喷孔出口外沿没有明显扩孔，也没有明显的氧气流烧损喷头的现象。“5+1”孔喷头与原6孔喷头相比，转炉冶炼过程的溢渣情况得到明显改善，喷溅渣的产生量少了20%以上；喷头端面的熔损情况得到显著的改善，喷头漏水由每万炉23次降低至每万炉8次；喷头的使用寿命大幅提高，由350次提高至465次。