（钢铁冶金专业论文）梅山钢厂150t转炉溅渣护炉水模试验研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 摘要 转炉溅渣护炉技术是提高转炉炉龄的一项先进新技术，具有显著的社会经济效 益。本研究以梅山钢铁公司炼钢厂1 5 0 吨顶底复吹转炉为原形，对复吹转炉溅渣 护炉工艺进行冷态实验模拟研究，为溅渣护炉技术在梅钢的推广应用提供理论依 据。 通过研究顶枪枪位、顶吹气体流量、底吹气体流量及渣量对转炉溅渣护炉的影 响，确定了转炉溅渣护炉的最佳操作工艺参数。 研究结果表明： ( 1 ) 炉衬不同高度的溅渣量很不均匀，随炉壁距炉底的距离增加而急剧下降。 ( 2 ) 在所研究的顶吹气体流量中，2 2 0 0 0 2 4 0 0 0 n m 3 h 的气体流量对溅渣护炉效果 较好。 ( 3 ) 在研究的溅渣护炉工艺参数中，溅渣枪位对溅渣护炉效果的影响最大。存在一 个最佳的溅渣枪位，使炉衬溅渣密度达到最大。建议实际溅渣护炉操作的溅渣 枪位为2 1 0 2 4 0 m 。 ( 4 ) 根据本研究结果，适合于梅钢1 5 0 t 转炉溅渣护炉的渣量为1 2 1 4 。 ( 5 ) 当渣量为1 4 ，顶吹气体流量为2 3 6 8 n m 3 h 和溅渣枪位为2 3 0 m m ( 相当于现场 顶吹气体流量为2 4 0 0 0 n m 3 h 和溅渣枪位为3 o o m ) 时，炉帽处的溅渣密度最大。 ( 6 ) 底吹气体的存在不利于溅渣护炉。应在保证底枪不发生堵塞的前提下，使溅渣 枪位、底吹气体、顶吹气体流量之间应有良好的配合。 关键词溅渣护炉水模实验工艺参数优化 i i 东北大学硕士学位论文 a b s tr a c t s l a gs p l a s h i n gi s an e wt e c l m o l o g yf o ri n c r e a s i n gt h el i n i n gl i f eo fc o n v e r t e r , a n d h a sa c h i e v e d s i g n i f i c a n t s o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s i nt h i s p a p e r , w a t e r m o d e l e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi s c a r r i e do u t ，f o rp r o v i d i n gt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o re x t e n s i o n a n da p p l i c a t i o no fs l a gs p l a s h i n gi n15 0 tt o p - b o t t o mc o m b i n e db l o w i n gc o n v e r t e ro f m e i s h a ni r o n & s t e e lc o l t d t h ee f f e c t so ft h el a n c ed i s t a n c e ，t h et o p b l o w i n gg a sf l o w , t h eb o t t o m b l o w i n gg a s f l o wa n dt h es l a ga m o u n to ds l a gs p l a s h i n ga r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h eo p t i m u m o p e r a t i n g t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so fs l a gs p l a s h i n ga r ed i s c u s s e d w ec a l lg e tt h ef o l l o w i n g r e s u l t st h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ( 1 ) t h eq u a n t i t yo fs l a gs p l a s h i n gi su n e v e n l yd i s t r i b u t e do nt h el i n i n go fc o n v e r t e r w i t hi n c r e a s i n go ft h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ew a l lo ff u r n a c ea n dt h eb o t t o mo ff u m a c e t h eq u a n t i t yo f s l a gs p l a s h i n gd e c r e a s e s ( 2 ) a m o n ga l l t h es t u d i e d g a s f l o wo ft o p b l o w i n g ，w h e nt h e g a s f l o wi sa b o u t 2 2 0 0 0 - 2 4 0 0 0 n m 3 h ，t h ee f f e c to n t h es l a gs p l a s h i n gi sb e t t e r , ( 3 ) a m o n g a l ls t u d i e d o p e r a t i n gt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so fs l a gs p l a s h i n g ，t h ee f f e c to f l a n c ed i s t a n c ei st h eg r e a t e s t t h e r ei sao p t i m u ml a n c ed i s t a n c e ，w h i c hc a l l g e tt h e m a x i m u m q u a n t i t yo fs l a gs p l a s h i n g w es u g g e s tt h eo p e r a t i v el a n c ed i s t a n c eo nt h e s p o ti s2 1o 一一2 4 0 m ( 4 ) b a s eo n t h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t ，t h eo p t i m u ma m o u n to f s l a gr e m a i n i n g i n t h e l 5 0 t c o n v e r t e ro f m e i s h a n s t e e l m a k i n gf a c t o r yi s1 2 - 1 4 ( 5 ) w h e n t h es l a ga m o u n ti s1 4 ，t h eg a sf l o w o f t o p - b l o w i n g i s2 3 6 8 n m 3 h ，t h el a n c e d i s t a n c ei s2 3 0 m m ( i fo nt h es p o t ，t h eg a sf l o wo f t o p b l o w i n gi s2 4 0 0 0 n m 3 h ，a n dt h e l a n c ed i s t a n c ei s3 0 0 m ) ，w ec a l lg e tt h em a x i m u m q u a n t i t yo f s l a gs p l a s h i n g o nt h ec a p o ff u r n a c e ( 6 ) t h eb o t t o m b l o w i n gg a si sd i s a d v a n t a g e o u st os l a gs p l a s h i n g o nt h ep r e c o n d i t i o n o f e n s u r i n gt h eb o t t o ml a n c en o tb e i n gj a m m e d ，t h ed i s t a n c eo fl a n c e ，t h eg a sf l o wo f b o t t o m - b l o w i n g a n dt h eg a sf l o w o f t o p - b l o w i n gg a ss h o u l db ea d a p t t oe a c ho t h e rw e l l k e yw o r d s ：s l a gs p l a s h i n g h y d r a u l i c m o d e le x p e r i m e n t t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n 1 1 1 声明 本人声明所呈交的论文是在导师的指导下完成的，论文中取得的研究成果除 加以标注和致谢的地方外，不包含其它人已经发表过的或撰写过的研究成果，也 不包含本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一起工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的声明并表示谢意。 本人签名 日期 东北大学硕士学位论文第一章前言 第一章前言 随着钢铁生产规模的日益扩大，市场竞争日趋激烈。提高转炉作业率，降低 生产成本，已经成为各转炉炼钢厂增加经济效益和提高竞争能力的必由之路。而 提高转炉的炉衬寿命是实现这一目标的重要手段。转炉炉龄是炼钢生产过程中的 一项综合性技术经济指标，反映了一个炼钢厂的工艺操作水平和技术应用能力。 转炉炉龄的提高不仅可以降低耐火材料消耗，提高转炉作业率，降低生产成本， 而且还有利于均衡组织生产，促进企业生产经营的良性循环。因此，研究如何大 幅度地提高转炉炉龄，一直是炼钢工作者多年追求的目标。 1 1 转炉溅渣护炉技术国内外发展现状 转炉溅渣护炉技术是近年来开发的项旨在提高转炉炉龄的先进技术。该项 技术是由美国共和钢公司的大湖分厂酱莱克斯气体有限公司开发成功的。在大湖 分厂和格棱那也市分厂实施后，并没有得到推广应用【1 】。1 9 9 1 年美国l t v 钢公司 采用了这项技术，在1 9 9 8 年创造了2 5 0 0 0 炉的世界转炉炉龄最高纪录 2 。此后， 转炉溅渣护炉技术便在北美迅速推广。我国自1 9 9 4 年开始由原冶金工业部立项研 究开发这项新技术。由承德钢厂与钢铁研究总院合作，对转炉溅渣动力学、溅渣 层与炉衬层粘结机理、溅渣层侵蚀机理等溅渣技术基础理论进行了广泛和深入的 研究。经过这些年的研究和实践，转炉溅渣护炉技术在国内迅速推广，并取得了 显著的经济效益。 转炉采用溅渣护炉工艺后，炉龄成倍增加t 34 】，耐火材料消耗大大降低，转炉 作业率也大幅度提高。但采用溅渣护炉工艺也给转炉生产带来了一系列的问题， 如转炉炉膛变形、炉底上涨、喷枪粘枪严重、转炉冶炼相关设备寿命不能同步等。 特别是顶底复合吹炼转炉的底吹元件寿命不能与转炉炉衬寿命同步( 底吹元件一 般为2 5 0 0 3 0 0 0 炉) ，而使转炉吹炼后期的底吹功能丧失，最后不得不改为顶吹转 炉冶炼，造成转炉的复吹比迅速降低，因而大大削弱了转炉的复吹效果。为了采 用溅渣护炉工艺，部分钢厂最后被迫放弃了复吹工艺，因而造成了较大的经济损 失1 4 。日本以及西欧等国家的许多钢铁生产厂家，至今尚未采用或已经放弃了实行 了的转炉溅渣工艺。其主要原因是：根据他们的实际生产情况，采用转炉溅渣护 炉所获得的经济效益与维持转炉全程复吹所获得的经济效益是相当的。如果为了 变j ! 查兰竺：! ：堂竺堕兰 兰二兰堑童 采用转炉溅渣护炉工艺而放弃转炉全程复合吹炼，那么既影响冶炼品种和产品质 量，而且在经济效益方面也不合理。因此，要使“复合吹炼转炉溅渣护炉”工艺 技术得到更为广泛有效的应用，必须解决复吹转炉底部供气元件一次性寿命与溅 渣护炉后转炉高炉龄寿命同步这一世界性炼钢生产技术方面的难题。 1 2 转炉溅渣护炉核心技术的发展前景 近年来，转炉溅渣护炉技术研究取得了显著的进步，吹炼工艺也日臻完善。 但某些核心技术还有待于作进一步更深入的研究。 对不同炉容、不同生产品种和原料条件下的溅渣护炉技术，还需作继续深入 的研究和开发，以形成不同层次的系统技术。其基本要求是溅渣护炉操作不但不 应该影响正常冶炼操作的冶金效果，而且要有利于进一步全面提高与改进冶金效 果。 解决转炉烟罩、余热锅炉、风机、倾动机构、控制系统以及底吹供气元件寿 命与转炉炉龄寿命同步问题，以适应转炉炉龄延长后高生产率的要求。 继续强化转炉溅渣工艺和基础理论方面的研究。例如，炉渣改质、冶炼工艺 过程的完善、喷补材料消耗的降低以及转炉溅渣动力学等。 研究和开发转炉定向溅渣技术解决炉衬薄弱部位的溅渣维护。以保持优化 的炉型结构。 开展采用转炉溅渣护炉工艺后的经济炉龄的研究。采用溅渣护炉工艺后，转 炉炉龄普遍提高。但由于在溅渣过程中要消耗一定量的原材料，因此，炉龄是不 是越长越好，是近年来冶金界常常引起争议的一个问题。虽然目前尚未定论，但 可以肯定的是：目前尚未发现有因炉龄提高而导致其经济效益下降的报道。但由 于各钢铁企业的基础设施以及生产技术条件的不同，若最大限度地发挥采用转炉 溅渣护炉工艺时的经济效益，各企业还应结合各自的实际情况，研究炉龄与产品 质量以及生产成本等的关系。 研究溅渣护炉条件下转炉各部位使用寿命间的协调关系，进一步提高转炉吹 炼的复吹比。充分发挥复吹转炉的冶金效果。 上述相关技术的研究和开发，赢接影响转炉溅渣护炉技术的未来发展走向， 对转炉溅渣护炉技术的进一步推广应用具有重要意义。 2 查! ! 查兰堡主堂竺笙苎 1 3 本研究的目的、意义 第一章前言 梅山钢铁公司炼钢厂现有二座1 9 9 8 年4 月投产的l5 0 吨顶底复吹转炉。这两 座转炉投产后不久，梅钢就采用了溅渣护炉技术，使炉龄达到了5 0 0 0 炉。虽然转 炉炉龄有了显著的提高，但同时也产生了一些问题。主要是：采用了溅渣护炉工 艺后，转炉的底吹效果明显降低，底吹元件的寿命不能与炉龄同步。梅钢转炉冶 炼使用的是中磷铁水，吹炼过程中的脱磷任务较重。因此，强化底吹气体搅拌， 有利于降低钢液和炉渣中的氧化铁含量，使脱磷反应趋于平衡，对于梅钢转炉冶 炼中磷铁水具有特别的意义。但由于在炉役的中后期，特别是炉役后期，因溅渣 护炉使炉底上涨，底吹功能基本丧失。同时，冶炼过程不稳定，喷溅严重，钢的 收得率降低。因此，根据梅钢复吹转炉吹炼过程中存在的上述问题，研究复吹转 炉溅渣护炉工艺条件下的最佳的操作工艺参数，并根据实验结果，对梅钢现行的 转炉溅渣工艺制度进行优化，这对于满足梅钢的实际生产需要，进一步提高溅渣 护炉的冶金效果和经济效益具有十分重要的意义。 1 4 研究内容 针对梅钢复吹转炉溅渣护炉工艺中存在的问题，本课题通过水力模型实验进 行了研究。其主要的研究内容如下：研究梅山转炉底吹供气元件的供气量对溅渣 护炉效果的影响，探讨复吹转炉底吹供气元件的使用寿命与转炉炉龄同步的工艺 措施；比较顶吹转炉与顶底复吹转炉时的溅渣效果，考察炉衬各部位的溅渣情况； 根据水力模型的实验结果，对现行的转炉溅渣护炉工艺进行优化，确定适合于梅 钢实际生产条件的转炉溅渣护炉的工艺参数。这些工艺参数主要包括：熔池初始 渣量、枪位、顶吹气体流量以及溅渣时间等。通过对上述问题的研究，为梅钢复 吹转炉溅渣护炉工艺的优化提供理论基础。 东北大学碳十学位论文 第二章文献综述 第二章文献综述 转炉炉衬在高温、高氧化条件下工作，通常以0 2 - - - 0 g r a m 炉的速度消柑5 1 。为 了保证转炉的正常生产以及提高转炉炉衬寿命，各国的冶金工作者做了大量的研 究工作。其中近年来研究开发的转炉溅渣护炉技术效果显著，已经把转炉炉龄提 高到了万炉以上。 2 1 提高转炉炉龄的技术发展 转炉炼钢自其诞生之日起，冶金工作者就把降低转炉耐火材料消耗和提高其 寿命做为研究课题之一，作了大量的研究工作。最初的转炉炉衬寿命一般只有一 百多次，少则几十次。经过数十年的研究开发，目前转炉炉衬寿命已经大幅度提 高，达到几千次，高则上万次。据报道，2 0 0 3 年初，山东莱钢3 0 t 转炉的炉龄已 经超过了3 7 0 0 0 炉。转炉炉龄的提高，是相关技术和工艺综合利用的结果。这些 技术和工艺主要包括：耐火材料新品种的开发，粘渣挂炉技术，炉衬喷补技术， 以及目前广泛应用的溅渣护炉技术等。 2 1 1 转炉炼钢用耐火材料的研究开发 转炉炉衬由工作层、填充层和永久层耐火材料组成。其中，工作层直接与高 温钢水、氧化性熔渣和炉气接触，持续承受物理和化学方面因素的损毁和侵蚀。 所以，炉衬的材质和质量是提高转炉炉龄的基础和前提条件。 转炉炉衬的耐火材料的损毁机理十分复杂，不但与耐火材料的化学组成和矿 物结构有关，还受冶炼工艺等因素的影响。研究结果表明，转炉炉衬耐火材料的 损毁主要可以分为以下几种形式：机械冲击和磨损：耐火材料组分向熔渣中 的溶解；高温熔渣向耐火材料内部的侵入和渗透；高温下耐火材料组分的分 解和蒸发。随着对耐火材料损毁机理研究的不断深入，新型耐火材料的开发以及 转炉炼钢工艺的演变，转炉耐火材料的材质也经历了从白云石砖、镁砖到镁碳砖 的演变。经过耐火材料更新换代，转炉炉龄有了较大的提高。表2 1 、2 2 示出了 日本和我国的重点钢铁企业的转炉炉衬材质和转炉炉衬寿命间的关系【4 】。 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 表2 1日本钢铁企业转炉炉龄与炉衬村质问的关系 t a b l e21r e l a t i o nb e t w e e nc o n v e r t e rl i f ea n dd i f f e r e n tr e f r a c t o r ym a t e r i a l i ns o m es t e e l m a k i n gc o m p a n i e so f j a p a n 表22 中国钢铁企业转炉炉龄与材质问的关系 t a b l e22r e l a t i o nb e t w e e nc o n v e r t e rl i f ea n dd i f f e r e n tr e f r a c t o r ym a t e r i a l i ns o m e s t e e l m a k i n ge o m p a n i e so fc h i n a 在上个世纪7 0 年代，焦油白云石砖是氧气顶吹转炉炉衬的主要用砖，日本钢 厂多采用具有抗化学侵蚀能力较强的合成镁质白云石砖。1 9 7 7 年，日本川崎钢铁 公司的千叶厂首先在转炉上使用树脂结合的不烧镁碳砖，并取得了巨大成功。其 后，西欧等国家也将以沥青结合的镁碳砖应用于转炉炉衬，从而使得转炉炉龄有 了大幅度的提高。 2 1 2 转妒炉衬修补技术 对转炉炉衬进行修补。是延长转炉使用寿命、均衡炉衬损毁速度、提高生产 效率、降低生产成本的重要措施。由于转炉操作的不稳定性，以及耐火材料侵蚀 的不均匀性，炉衬某些部位会过早地损毁。这时，就应该开始对损毁部位进行修 补。常用的炉衬修补技术有造粘渣挂炉、湿法喷补、半干法喷补和火焰喷补等几 种形式。 粘渣挂炉技术是在上个世纪7 0 年代初开发的一项转炉炉衬修补技术。其基本 工艺过程是，向炼钢初渣和终渣中加入白云石、白云石质石灰或菱镁矿等，使炉 渣中m g o 含量达到过饱和，然后通过摇炉将炉渣粘结在炉衬表面，以延长炉衬寿 命。该技术可以说是后来溅渣护炉技术的雏形。但该技术具有很大的缺点，那就 是它不能在整个炉膛内形成均匀的涂层，尤其是在炉膛的两侧，特别是容易被侵 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 蚀的耳轴部位无法挂上粘渣。 湿法喷补是将细颗粒料以及粉料，在料罐内加水混匀后喷射到指定位置的炉 衬修补技术。该技术喷补层厚度可达2 0 3 0 m m ，喷补后可使用3 个炉役。该方法 优点是灵活，可修补转炉任何受损部位。 半干法是将喷补料经料罐输送到喷嘴，然后在喷嘴端部与水混合，喷射到炉 膛内受损位置的修补方法。该方法喷补层厚度同湿补法相当，其喷补层具有耐熔 损的优点，另外该方法还具有简单和易于操作的特点，是目前各钢厂应用较多的 方法之。 火焰喷补技术最先是为了焦炉的修补而开发的，后来被移植到了转炉炉衬的 修补。该方法是将氧气、喷补料以及燃料在水冷喷枪出口处混合燃烧，使喷补料 形成熔融状态并被喷射到损毁部位的补炉方法。火焰喷补层耐蚀能力强，粘附效 果好，主要应用于转炉渣线和炉帽损毁部位的修补。经火焰法喷补后，炉衬寿命 可达1 0 2 0 次。但该方法操作比较复杂，应用较少。 与转炉溅渣护炉技术相比，上述几种补炉技术，均具有劳动强度大、修补成 本高、操作时间长等缺点( 见表2 3 ) 【6 】。 表2 3 各种护炉工艺比较 t a b l e2 3 c o m p a r i s i o no f a l lk i n d so f t e c h n o l o g y 2 2 溅渣护炉技术的发展 我国转炉炉龄普遍偏低。3 0 t 以下的转炉炉龄一般不到1 0 0 0 炉，5 0 l o o t 的转 炉一般为1 0 0 0 1 5 0 0 炉，大于1 0 0 t 的转炉一般在2 0 0 0 炉左右，距离世界先进水平 有很大差距【4 ”。通过转炉炉衬耐火材料的更新换代以及转炉炉衬的修补技术的开发 和应用，在一定程度上提高了转炉炉龄。但即使采用最高品质的镁碳砖或高品质 的喷补料，国内最高转炉炉龄也尚未突破4 0 0 0 炉。而且只有宝钢和武钢两家超过 了3 0 0 0 炉，其他钢厂都不足2 0 0 0 炉。转炉炉龄已经成为影响我国钢产量的瓶颈。 表2 4 示出了1 9 9 5 年以及1 9 9 6 年1 , - 一6 月全国重点钢铁企业的平均转炉炉龄捧j 。 东北大学硕十学位论文第二章文献综述 注：1 1 9 9 5 年数据为本年度平均转炉炉龄； 2 1 9 9 6 年数据为该年度上半年( 1 撕) 平均数据； 3 太钢1 9 9 6 年数据为该年度1 - 4 月份平均数据。 上世纪六七十年代，日本开发出了转炉炼钢加白云石造渣的新工艺。该工艺 的核心是提高渣中的m g o 含量，使炉衬能够在高温下抵御高氧化铁炉渣的侵蚀。 采用加白云石造渣并配合转炉炉衬喷补技术，日本新日铁君津厂转炉炉龄突破了l 万炉，创造了当时的世界记录 4 1 。与此同时，在加m g o 造稠渣保护炉衬的基础上， 出现了如前所述的摇炉挂渣技术。这些技术的出现以及进一步完善和成熟，促进 了转炉溅渣护炉技术的出现。 上世纪8 0 年代，美国发明并逐步完善了该项技术【1 月】。1 9 9 1 年美国l t v 公司 印第安纳哈鲍厂( i n d i a n ah a b o r ，有的文献将其译作印第安纳港厂或印第安纳哈伯 厂) 率先将其作为全面护炉的一种方法。1 9 9 4 年9 月该厂在2 3 2 t 顶吹转炉上创造了 炉龄1 5 6 5 8 炉，连续运行1 年零5 个月的世界炉龄新记录。炉衬喷补料消耗降至 0 3 8 k g t 钢，节省转炉喷补费用达6 6 ，转炉作业率由1 9 8 4 年的7 8 大幅度提升 至1 9 9 4 年的9 7 1 4 ，9 l 。自1 9 9 3 年以来国外已有很多氧气转炉炼钢厂采用溅渣护炉 技术。例如美国、加拿大、韩国、巴西以及英国等国家相继进行实验并投入使用。 我国此项研究工作开始于1 9 9 4 年，1 9 9 6 年1 1 月国家经贸委将其确定为国家 重点科技开发项目。经过近几年的推广应用，取得了明显的经济效果，转炉炉龄 有了大幅度的提高。表2 5 示出了截止到1 9 9 8 年，溅渣护炉技术在国内全面推广 的2 年多时间里，国内转炉炼钢所取得的主要经济指标1 4 】。 据最新报道，到2 0 0 3 年初，山东莱钢3 0 t 转炉炉龄已超过了3 7 0 0 0 炉。因此， 可以毫不夸张的说，转炉溅渣护炉技术是提高转炉炉龄的一次“革命”。 东北夫学硕j j 学位论文第二章文献综述 表25 溅渣护炉技术在我国转炉炼钢厂的使用情况及效果 t a b l e2 5r e s u l t so f u s i n g s l a gs p l a s h i n gi nc o n v e r t e r i nc h i n a 最高炉龄吨钢炉衬消耗吨钢补炉料 转炉溅渣转 公称i 屯位炉次 k g消耗k g 座数炉座数 溅前溅后溅前溅后溅前溅后 1 0 02 l1 55 0 3 81 4 0 0 10 7 40 2 6 60 4 0 50 1 4 5 5 0 9 02 82 24 0 0 08 5 8 01 5 20 41 0 20 9 1 3 01 6 96 87 0 4 7 降低0 1 9降低0 5 2 美国u l v6 62 0 0 0 00 2 7o 3 7 注：1 本表所示数据为1 9 9 8 年的统计结果，因此同表2 4 所示的1 9 9 5 1 9 9 6 年统计结果稍有 不同 2 为了显示我国溅渣护炉技术的进步及同世界先进水平的差距，将美国u l v 钢铁公司的有 关数据也列进本表。 2 3 转炉溅渣护炉机理 溅渣护炉技术是在转炉出钢后，将终渣留在炉内，然后适当调整终渣成分( 主 要是调整渣中的m g o 含量) ，采用高压氮气通过喷枪吹渣，使终渣溅起附着在炉 衬上，形成炉衬的保护层。从而减轻炼钢过程中对炉衬的机械冲刷和化学侵蚀， 达到保护炉衬、提高转炉炉龄的目的。 2 3 1 转炉溅渣动力学 研究结果表明 4 , 1 0 - 1 1 i ，溅渣有两种动力学机理：喷射溅渣( 或溅射挂渣、射流携 带溅渣) 和浪涌溅渣( 或冲刷挂渣、液面波动溅渣) 。以下称喷射溅渣和浪涌溅渣。 ( 1 ) 浪涌溅渣 在高速气流的作用下，在炉内运动的大团熔渣，在渣线上方形成熔渣浸润区， 凝固后成为挂渣层。喷吹方式、熔渣特性、炉体几何结构等均对大团熔渣运动产 生影响。浪涌溅渣效果取决于大团熔渣运动的热交换与熔渣特性的共同作用。 ( 2 ) 喷射溅渣 高速喷射的气体产生高切向力，使液渣向外喷溅，溅出的炉渣粘附在炉壁上。 溅出的炉渣速度及角度取决于射流特性以及射流形成的孔穴大小。挂渣效果取决 予溅渣渣粒的大小、质量、溅射角度、速度等因素及它们的相互作用。 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 高枪位有利于炉渣的破碎乳化，适用于转炉上部溅渣。低枪位有利于渣液面 的剧烈搅动，适用于转炉下部溅渣。枪位低，有利于浪涌溅渣；枪位高，利于喷 射溅渣。对于确定的炉型几何尺寸，确定最佳的溅渣参数，平衡各种溅渣机制的 结合作用，得到最佳的溅渣量和较均匀的溅渣效果。 2 3 2 溅渣层与炉衬砖的结合机理 据文献【4 l 介绍，溅渣护炉形成的溅渣层具有分熔现象。在溅渣层的形成过程中， 经过多次“溅渣一熔化一溅渣”的循环和反复，使溅渣层表面一些低熔点的氧化 物( 如2 c a o f e 2 0 3 ，r o 相等) ，不断被下一炉次的高温炉渣所熔化、流失，造成 溅渣层中低熔点氧化物含量明显降低，高熔点的氧化物( m g o 和2 c a o s i 0 2 ， 3 c a o s i 0 2 ) 含量增加。 炉渣经喷枪喷溅到转炉炉衬上，溅渣层与炉衬m g o c 砖在结合部发生物理和 化学反应。有研究表明p “1 1 ”，其结合主要有以下三种形式： ( 1 ) 化学结合：熔点低流动性好的富铁炉渣溅射到炉衬表面，沿镁碳砖表面的显微 气孔和裂缝向致密的m g o 机体内渗透、扩散，在高温下与m g o 颗粒反应生成铁 镁尖晶石( m g o f e 2 0 3 ) 固溶体，形成厚度05 1 0 m m 的烧结层。 ( 2 ) 机械镶嵌与化学烧结结合：在炉渣一炉衬结合界面，渣中颗粒状高熔点矿物 ( m g o 结晶，c 2 s ，c 3 s ) 被气流溅射到粗糙炉衬的表面，并在高速喷吹气流的冲击 下镶嵌于其中的间隙内。形成化学烧结一机械镶嵌的结合界面。 ( 3 ) 冷凝粘结：在炉渣炉衬的结合界面上继续溅渣，沉积冷凝后形成以高熔点的 m g o 结晶，c 2 s ，c 3 s 颗粒为骨架，以p o 相和c 2 f 为结合相的溅渣层。 由此可见，溅渣层与炉衬砖的结合机理如下：在溅渣初期，熔点低流动性好 的富铁炉渣首先溅射到炉衬表面，渣中f e o 和c ：f 沿衬砖表面显微气孔和裂纹向 m g o 机体内扩散，与周围m g o 颗粒烧结固溶在一起，冷却后形成以 ( m g o c a o ) f e 2 0 3 为主的烧结层。髓溅渣的继续，颗粒状的高熔点氧化物( c 3 s 、 c 2 s 和m g o ) 被气流溅射到炉衬砖表面，并在高速气流的冲击下镶嵌在砖衬粗糙表 面的间隙内，形成以镶嵌为主的机械结合。同时富铁的低熔点炉渣包裹在耐火砖 表面突出的m g o 颗粒周围形成化学结合层。随着溅渣的进一步进行，使大颗粒 c 3 s 、c 2 s 和m g o 溅射到结合层表面并与铁酸钙和r o 相结合，冷却固溶形成衬砖 表面溅渣层。 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 2 3 。3 溅渣层损毁机理 4 , 1 4 - 1 8 1 ( 1 ) 转炉初期渣对溅渣层的蚀损 转炉初期渣对溅渣层的侵蚀主要表现为化学侵蚀。在开吹3 - 5 m i n ，熔池温度 约为1 4 5 0 1 5 0 0 。c 时，形成的初期渣其特点是s i 、m n 元素优于c 与o 结合，炉渣 中s i 0 2 含量较高，碱度较低( r 2 ) ，m g o 含量接近或达到饱和值，其相组成几乎 全部为硅酸盐。f e o 、m g o 等存在于硅酸盐相中，有时存在少量铁素体。初期渣 中主要物相为镁硅钙石。在转炉实际操作中，尽管转炉初期渣与溅渣层的成分有 一定的差别，但由于冶炼初期时间短，炉渣的温度低，而溅渣层的熔化温度又较 高。因此，溅渣层未发生明显熔化，熔蚀很轻微，所以初期渣对溅渣层的侵蚀不 严重。 ( 2 ) 转炉中后期炉渣对溅渣层的侵蚀 转炉冶炼中后期时，炉渣的温度升高，氧化铁质量分数由前期的较高到中期 的减低、到后期又提高。转炉中后期炉渣的碱度一般为3 0 4 0 ，渣中全铁的质量 分数波动在1 8 2 2 ，m g o 的质量分数波动也较大。转炉后期炉渣的物相特点是： 渣中的主要物相为粗大的板条状的c 3 s 和少量的针状或点球状的c ：s ；结合相为铁 酸二钙c 2 f 和r o 相，约占总量的1 5 ；m g o 结晶相包裹于c 3 s 晶体中或游离于 c ：f 结合相中。转炉中后期不同的炉渣成分，对溅渣层的蚀损情况不同，当中后期 炉渣中氧化铁质量分数高，m g o 质量分数低时，溅渣层的蚀损表现为化学蚀损和 高温熔化；在中后期炉渣中氧化铁质量分数较低、m g o 质量分数较高时，溅渣层 的蚀损仅表现为高温熔化。 ( 3 ) 废钢的机械冲击、炉渣和钢水的冲刷侵蚀 在转炉冶炼操作过程中，溅渣层还要承受兑铁水以及加废钢时的机械冲击，以 及炉渣和钢水的冲刷侵蚀。 因此尽可能地提高溅渣层抗侵蚀能力，特别是抵抗转炉中后期炉渣的侵蚀能 力，以及如何合理地控制转炉终渣成分和出钢温度( 终渣的温度是由出钢温度决定 的) ，是发挥溅渣护炉技术效果、提高转炉炉龄的关键。提高溅渣层耐蚀损的措簏， 关键在于提高溅渣层的抗高温熔化和化学侵蚀性能。所以，一方面要尽可能降低 出钢温度，另一方面就是调整好溅渣的终渣成分。有资料显示，出钢温度平均每 降低1 ，转炉炉龄就可以提高1 2 0 炉次。 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 2 3 4 溅渣层保护炉衬机理 溅渣层对炉衬的保护作用，主要通过以下作用机理来实现： ( 1 、对镁碳砖炉衬表面脱碳层的固化作用 镁碳砖的侵蚀主要是由于炉衬表层c 被氧化，形成空洞，使炉衬表层大颗粒 的m g o 松动、脱落，在炉渣的冲刷作用下流失。溅渣后，炉渣渗入表面脱碳层， 充填在因脱碳形成的孔隙内，或者与周围的m g o 颗粒反应或以机械镶嵌固溶的方 式生成较为致密的烧结层，阻止了炉衬进一步被侵蚀。 ( 2 ) 减轻高温炉渣对镁碳砖表面的直接冲刷侵蚀 溅渣后，炉渣直接接触的是一层致密的溅渣层，炉衬基本不受炉渣和钢水的的 冲刷和侵蚀。溅渣层代替炉衬承受兑铁水和加废钢时的机械冲击，承受高温及气 液混合相的冲刷。而且由于溅渣层中的c ，s 和方镁石熔点高达2 0 0 0 以上，在炼 钢后期高温条件下，不易软熔。因而可以有效地抵抗机械冲击和高温炉渣的冲刷， 大大减轻炉渣对镁碳砖表面的侵蚀作用。 ( 3 ) 抑制镁碳砖表层c 的氧化 由于溅渣在镁碳砖表面形成的烧结层和结合层都比原先炉衬表面致密，而且 熔点较高，因此可以有效地抑制高温氧化渣或炉气向砖层的渗透扩散，从而避免 了镁碳砖机体内的c 被进一步氧化。 ( 4 ) 表面新溅渣层有效地保护了炉衬一溅渣层的结合界面 在吹炼前期，m g o 在渣中的饱和溶解度较大，m g o 易向渣中扩散，溅渣层代 替炉衬向炉渣提供m g o ，同时因溅渣层的高粘度，其中的m g o 不易向渣中扩散， 溅渣层的致密性还阻止了炉渣和钢水向炉衬气孔的渗透。对炉衬来说，溅渣层就 相当于一层自耗性保护膜，溶进炉渣中的m g o 在前期进入初渣而提高了碱度，相 应降低了s i 0 2 活度，从而也减轻了对碱性炉衬的侵蚀。溅渣层对转炉初期渣有较 强的抗侵蚀能力，能够起到保护炉衬的作用。 2 4 转炉溅渣护炉工艺 2 4 1 溅渣护炉搡作工艺流程 经过多年的研究和实践，普通转炉炼钢厂形成了一套比较完善的转炉溅渣护炉 操作工艺，其具体流程如下： 堡j ! 查堂堡主兰些堡兰 ( 1 ) 炼钢工将钢出尽， 全部或部分炉渣； 第二章文献综述 严禁炉内留有残钢( 否则易引起溅渣粘枪及金属喷溅) ，留下 ( 2 ) 炼钢工在出钢过程及出钢后，观察炉渣颜色及其流动性，判断炉渣的温度、粘 度等状况，决定是否加入调渣剂； ( 3 ) 炼钢工借助工具或凭肉眼观察炉衬损毁情况，决定是否对某些部位进行重点溅 渣或喷补； f 4 ) 将转炉摇至零位，如需调整渣况，则加入调渣剂； ( 5 ) 将氧枪降至预定高度，调节氮气流量( 或压力) 至操作规程要求范围； ( 6 ) 使炉衬全面挂上炉渣后，将枪停留在某一位置上，对特殊需要溅渣的地方进行 溅渣； ( 7 ) 操作工观察溅渣状况，视喷溅情况在规定时间内结束溅渣； ( 8 ) 溅渣即将结束前，适当降低枪位，进一步提高溅渣量，结束溅渣，提枪、切断 气源； ( 9 ) 结束溅渣提枪的同时，观察喷枪是否粘枪； ( 1 0 ) 摇炉挂渣结束后，将剩余炉渣倒入渣罐； ( 1 1 ) 观察炉衬溅渣效果； 0 2 1 如果喷枪粘枪严重，则需对喷枪进行处理，去除粘渣： ( 1 3 1 准备进行下一炉冶炼。 2 4 2 溅渣基本工艺操作及参数 2 4 2 1 炉渣的调整 ( 1 ) 渣中m g o 含量的控制 m g o 在炉渣中的饱和度随着炉渣碱度的升高而减小，提高炉渣的m g o 含量能 有效减轻冶炼初期低碱度渣对镁质炉村的侵蚀，同时由于随着冶炼过程中石灰的 不断熔化，炉渣碱度升高，渣中的m g o 就会过饱和析出而使炉渣粘度增大，这将 有利于溅渣操作。吹炼过程中m g o 的溶解受渣中m g o 溶解度和渣量两个变量的 影响，是种动态不平衡过程。采用吹炼初期加入全部或大部分含m g o 渣料，使 冶炼过程炉渣中m g o 始终保持过剩状态，不仅有刹于m g o 的溶解也可以减缓炉 渣对炉衬的化学侵蚀。 终点渣成分决定了炉渣的耐火度和粘度。影响终点渣耐火度的主要组分足 m g o 、t f e 以及碱度，其中氧化铁变化范围较大，一般在1 0 3 0 范围内波动。为 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 了使溅渣层具有高的耐火度，主要措施是调整渣中m g o 含量。如果m g o 含量低， 氧化铁就会与氧化钙作用生成低熔点铁酸钙。m g o 达到饱和的终满，由于粘度高， 喷溅到炉衬上的粘附效果好，并很快析出高熔点的化合物，最终形成高耐火性能 的附着渣层。根据理论分析和国内外溅渣护炉实践，在正常终渣成分范围内，为 使溅渣层有足够的耐火度，终渣m g o 应控制在表2 6 的范围内【4 】。根据l t v 钢铁 公司印第安纳哈鲍钢厂的经验，终渣中m g o 含量控制在8 - 1 4 为宜【l 。 表2 6 终渣m g o 含量( ) t a b l e26c o n t e n to f m g oi ne n d - p o i n ts l a g 溅渣护炉对于终渣氧化铁含量并无特殊要求。如终渣氧化铁含量低，渣中c ：f 少，r o 相的熔化温度高，在保证足够耐火度的情况下，渣中m g o 含量可以降低， 使加入的调渣剂量减少，降低溅渣护炉的成本。 ( 2 1 炉渣温度控制 炉渣温度对炉渣涂挂效果的影响实际上也表现在炉渣的粘度变化上。终点温度 过高，炉渣粘度小，炉渣流动性好，炉衬不易挂渣。虽然在出钢后可加入调节剂 适当降低炉渣温度，但效果仍然难以保证。炉渣的温度与吹炼终点温度密切相关， 因此在冶炼终点温度较高的钢种时，应尽可能采用红包出钢等措施来避免终点温 度超高。 2 4 2 2 合适的溅渣量 合适的留渣量应保证溅渣时在炉衬内表面形成足够厚的溅渣层，并可在溅渣 后对装料侧和出钢侧进行摇炉挂渣。溅渣护炉所需的炉渣量可按溅渣层理论重量 的11 13 倍来进行估算【“。留渣量应满足溅渣护炉的需要，过多过少都不好。留 渣量过多，将增加调渣剂的消耗量，导致溅渣护炉成本的增加。留渣量过少，则 不能形成足够厚度的溅渣层。根据国内外钢厂的实践经验，转炉的吨钢留渣量控 制在9 0 - 0 0 k g 较为适宜。 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 2 4 2 3 调渣剂 调渣剂是在造渣过程中和出钢后，进行炉渣调整时，为将炉渣m g o 含量调整 到溅渣护炉所要求含量时所加入的镁质造渣材料。常用的调渣剂有轻烧白云石、 生白云石、轻烧菱镁矿、冶金镁砂、菱镁矿渣和含m g o 较高的石灰等。 调渣剂的主要作用是对转炉终渣进行成分调整，提高渣中的m g o 含量，降低 炉渣f e o 含量，降低炉渣过热度，从而使炉渣熔点和粘度提高，有利于提高溅渣 层的耐蚀性和抗冲刷性能，以及改善炉渣与炉衬之间的粘附作用。炉渣熔点和粘 度的提高，加上改质剂对炉渣的快速降温作用，可以缩短溅渣孕育时间，也可以 抑制炉衬中石墨被炉渣氧化。此外，在渣中能产生弥散的固相质点，从而提高渣 与炉衬的结合能力。 2 4 2 4 溅渣时间和溅渣频率 溅渣时间通常根据各钢厂炉子吨位、供气量、炉内渣量、炉渣状况以及生产 节奏等因素综合考虑，目前我国各钢厂溅渣时间约为2 5 , - 4 m i n 。如果溅渣时间过 短，炉渣没有得到充分冷却和均匀，即使溅到炉壁上也不能很好的挂上。一般来 讲，溅渣时间越长，炉衬挂渣越多，但溅渣时间长易造成炉底上涨和粘枪。在留 渣量较少时，会造成炉底磨损增大，炉底寿命下降。而且，溅渣时间过长，会影 响生产节奏，增加成本，降低生产率。 关于溅渣频率，可以概括为“前期不溅、中期两炉一溅、中后期炉炉溅”。这 是溅渣频率的基本原则，但在实际操作过程中，应由操作工灵活掌握，视炉子侵 蚀情况而定，若炉衬有明显的蚀损，则就应开始溅渣护炉。 2 4 2 5 顶吹喷枪主要工艺参数 ( 1 ) 枪位 有研究资料表明叫，2 0 2 3 1 ，在不同喷吹气体压力( 或流量) 、渣量条件下，转炉的 最佳溅渣枪位不同，枪位过高或过低都使溅渣量减少。较低枪位有利于转炉下部 溅渣，反之对上部溅渣有利。枪位对溅渣量及其均匀性有很大影响，最佳枪位应 根据各厂具体情况在实践中确定。 ( 2 ) 喷枪夹角 专用溅渣氧枪的喷孔夹角可取1 2 1 4 。1 4 。曾有研究资料指出，夹角为1 2 。的 1 4 东北大学碗士学位论文第二章文献综述 喷枪效果好。但根据其他研究者的研究结果，以及国内很多钢厂的生产实践，表 明喷枪喷孔夹角没有一个固定最优值，同钢厂各自的生产情况密切相关。例如， l t v 钢公司2 5 0 t 转炉使用1 2 。喷孑l 的喷枪效果最好，我国宝钢3 0 0 t 转炉使用过 1 4 。的喷孔夹角的喷枪，也有较好的效果，有的钢厂采用l l 。也取得不错的护炉 效果。目前，国内多数转炉厂的氧枪喷头在9 1 4 。范围内。事实上，喷孔的夹角 同炉子高宽比有关，高宽比小的炉子，倾角相对大些。对同一座转炉，新砌炉衬 与冶炼中后期炉衬的高宽比也不同，在实际操作中可以通过调整喷吹压力与枪位 对溅渣情况进行调整。 目前，我国中、小型转炉大多数都采用同一氧枪进行炼钢吹炼与溅渣护炉操作。 如果有必要采用专用喷枪溅渣护炉，各厂应根据自身条件，经过研究和实践来选 取喷枪设计参数。 2 4 2 6 喷吹氮气的工作压力和流量 高压氮气是溅渣的动力，其压力和流量直接影响到溅渣护炉的效果。当氮气 压力和流量不足时，炉渣溅起高度不够，将会导致溅耳轴以上渣层薄，炉底溅渣 层较厚，造成炉底上涨，底部供气元件堵塞，不利于炉衬维护和冶炼操作。氮气 压力较大时，溅渣高度可达炉口上部，炉衬渣层较为均匀，能有效控制炉底上涨 和减少耳轴以上部位炉衬侵蚀。但氮气压力过高，对炉底冲刷严重，而且也会增 加溅渣护炉的成本。 关于溅渣护炉喷吹氮气的工作压力和流量的确定，国内外此前作过很多研究 工作。按照各厂溅渣经验，一般情况下，溅渣护炉吹氮的工作压力、流量与转炉 吹炼时吹氧的工作压力和流量相差不多时，其射流作用于炉渣的能量转换才最为 合理【1 0 4 1 。国内外较为成熟的溅渣工艺是：氮气工作压力在0 9 1 o m p a ，流量为 2 0 0 0 0 2 2 0 0 0 m 3 h 。由于转炉的公称容量不同，所以溅渣的氮气压力、流量存在差 异。 2 5 顶底复吹溅渣护炉 带有底吹惰性气体搅拌功能的转炉采用溅渣护炉操作时，会发生粘渣将底部供 气元件堵塞，影响底吹搅拌功能，严重时底部供气元件完全被堵死。底部供气元 件稳定长寿和畅通是保证复吹转炉冶炼工艺正常进行的关键设备之一。自1 9 9 1 年 美国u v 公司率先采用转炉溅渣护炉技术以来，转炉炉龄不断创造新的记录，但 同时在很多钢厂随之出现转炉复吹比不断下降，甚至部分采用溅渣护炉工艺的