强底吹供气工艺对转炉终点碳氧反应的影响★

魏 哲

（山西工程职业学院， 山西 太原 030009）

目前，我国钢铁行业正处于产能产量双重限制，原材料成本上涨[1-2]，节能增效是企业谋生存、求发展的重要举措。目前长寿命转炉复吹冶炼工艺是现代炼钢必须采取的先进技术，在顶底复吹工艺实践中，底吹供气系统发挥着关键性的技术作用[3]。顶底复吹转炉现多采用弥撒式透气砖作为底吹供气元件，由于供气强度小，虽然炉役前期底吹效果较好，但是炉役中后期透气砖易堵塞，造成炉底高，底部串气，既不利于熔池搅拌降低碳氧积，又容易加大对耳轴等部位的炉衬侵蚀，造成炉龄缩短，炉况变差，辅料消耗增加，复吹的优势不能充分发挥。

为延长炉底底吹寿命，降低碳氧积，降低钢铁料消耗，保证经济炉龄，某炼钢厂针对转炉炉底供气模式进行了自主创新，本文通过研究底吹元件供气原理、分析不同供气元件优缺点，通过设计计算和不断试验研究，开发了一种新型180 t 转炉用的“中心管+环管”强底吹供气工艺，并将该工艺应用到实际生产中，碳氧积水平达到国内领先水平，经济效益明显提高。

1 底吹供气元件设计

1.1 底吹供气元件的设计方案

为了提高转炉的脱碳效率，均匀熔池内液态金属的温度，增加[P]、[S]等有害元素的脱除速度，目前，大多数转炉均采用了底吹气体搅拌的形式。常见底吹供气元件一般采用狭缝、弥散透气砖、环缝、中心管的形式，采用中心管时一般使用中心管内填耐火材料的形式，不具备中心管通气能力[4-6]。为提高转炉供气强度，使用的“中心管+环管”底吹供气元件，设计了五种不同尺寸参数的BOF 转炉底吹“中心管+环管”供气元件，如表1 所示。

表1 五种不同“中心管+环管”方案的尺寸参数表

根据出口速度相当的情况下，流量、压力及截面积之间的关系：

式中：P为压力，MPa；A为截面积，mm2；Q为流量，m3/min。

根据该公式可以计算得出不同内径、外径下的环截面积、内截面积和总面积。其中现有的弥散式透气砖总面积为282.6 mm2。

1.2 180 t 转炉底吹供气元件的工业试验方案

从上述底吹气体元件的设计方案中，确定了中心管、环管的尺寸和合理的底吹布置结构后，对某钢厂现有的两座180 t 转炉强底吹供气元件进行了两种不同方案的工业试验，具体改造方案如表2 所示。

表2 两种不同方案的工业试验表

2 结果与分析

2.1 中心管与环管尺寸参数的确定

下页图1 和图2 分别表示不同中心管内径下中心管与环管中流量与压力的关系，从图中的计算和实际结果看，不同的条件下的差异较大。根据图中流量与压力关系，达到相同压力内径7 mm 中心管所需流量最小，现实际用180 t 转炉底吹总管最大流量30 m3/min，能够满足内径7 mm 中心管压力要求，综合考虑选取1#方案中心管内径7 mm 所需流量与现有管路压力和流量匹配，底吹供气强度可由0.03 m3/（min·t）提高至0.17 m3/（min·t）。

图1 不同中心管内径下中心管流量与压力关系

图2 不同中心管内径下环管流量与压力关系

对“中心管+环管”底吹供气元件进行测试，环管、中心管的流量与压力均呈线性关系如图3、图4所示，环管流量压力回归方程式为y=1.067x+0.096 5；从中心管的压力与总流量看，总流量最大为23m3/min，回归方程式为：y=11.166x+1.345 3。根据测试结果和回归方程式，环管及中心管的流量与压力的最大值与最小值如表3 所示。

图3 环管流量与压力的关系

图4 中心管流量与压力的关系

表3 中心管、环管流量压力值

复吹转炉溶池混匀时间不仅与顶枪供气强度、枪位以及底吹气体供气强度有关，更重要地是与底枪布置位置有关系。底枪在炉底的0.4D～0.6D圆周上以偏心布置或非对称集中布置，有利于缩短溶池混匀时间。因此，选取炉底0.4D～0.6D范围内不同位置布置底吹元件。

2.2 工业试验强底吹供气模式吹炼终点碳氧积比较

强底吹供气模式下，采用转炉前期脱磷技术后，对2 个180 t 转炉炉座终点碳氧积进行了比较。图5和图6 分别代表1#BOF 和2#BOF 转炉工业试验后碳氧积情况。

图5、图6 中对比了1#转炉每次冶炼碳钢阶段的碳氧积，碳氧积过程有所波动，但整体控制水平比较好，1#BOF 转炉炉龄3 500 次，使用透气砖时，碳氧积平均为0.002 789，使用新型“中心管+环管”强底吹供气模式后碳氧积平均为0.001 858，下降到原来的66.6%；2#BOF 转炉炉龄1 000 次，原底吹使用透气砖时碳氧积平均为0.002 437，底吹供气模式采用中心管+环管方式后，平均碳氧积为0.001 772，下降到原来的72.7%，因此，工业试验的方案一要好于方案二。两种方案中碳氧积均低于0.002 0，这与国内其它钢铁企业相比，碳氧积标准已经达到国内领先水平，这说明该改造方案行之有效[7-8]。

图5 1#BOF 改造前后碳氧积

图6 2#BOF 改造后碳氧积

2.3 经济效益

本项目在2020 年2 月至9 月在炼钢现场稳定应用，创造了较大的经济效益。2020 年终点氧降低后铝耗下降，具体情况如下表4，其中铝单价11 元/kg，脱氧铝耗0.33 kg/（×10-6），炉产量190 t。

表4 铝耗降低量对比表

1）铝耗降低效益。产量/炉产量×终点氧降低量×铝单价×脱氧铝耗=（0.11×547493.2+0.33×889 57.4+0.28×114 504.5+0.27×874 82.3）×11 =211.84万元。

2）钢铁料消耗降低效益。钢铁料消耗降低值×产量×钢水价格=（1068.2-106 6.58）kg/t×254.9 万t×2.3 元/kg=949.76 万元。

合计效益=211.84+949.76=1161.6 万元。

故本研究从2020 年2 月到9 月，在现场应用创造的效益1161.6 万元。

3 结论

1）本文创新性的开发出具有单独供气的“中心管+环管”底吹供气元件，通过设计计算确定“中心管”内径7 mm，“环管”缝隙1 mm，确定了合理的底吹布置结构。

2）通过试验研究确定180 t 转炉合理的底吹元件为6 个，选取炉底0.4D～0.6D范围内不同位置布置，满足了转炉大流量底吹要求，底吹强度由0.03 m3/（min·t）提高到0.25 m3/（min·t）。

3）大幅提高熔池钢水搅拌强度，有效地促进炼钢碳氧反应的进行，碳氧积明显下降，均小于达到0.002 0，达到国内领先水平，同时，减少辅料消耗，创造较高的经济效益。