（钢铁冶金专业论文）180t复吹转炉溅渣护炉工艺优化.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 18 0 t 复吹转炉溅渣护炉工艺优化 摘要 溅渣护炉技术可以大幅度的提高转炉的炉龄，降低耐火材料的消耗，具 有显著的经济效益。本课题以1 8 0 t 复吹转炉为原型，采用冷态模拟的实验 方法，对其溅渣护炉的工艺参数进行优化，以获得更好的溅渣效果。 通过模拟实验分别得到项吹气体流量、顶枪喷孔夹角、枪位、留渣置及 底吹气体流薰对炉衬溅渣密度的影响，以确定最佳工艺参数。对1 6 0 氧枪， 最佳的溅渣工艺参数为顶吹气体流量4 0 0 0 0 n m 3 h ，底吹气体流量为 8 6 4 n m 3 h ，渣羹为1 3 t ，最佳溅渣枪位为2 9 0 0 3 5 0 0 m m ；对1 2 0 氧枪，最佳 的溅渣工艺参数为顶吹气体流量4 0 0 0 0 n m 3 h ，底吹气体流量8 6 4 n m 3 h ，渣 量为1 3 t ，最佳溅渣枪位为3 5 0 0 m m ；对1 4 0 氧枪，最佳的溅渣工艺参数为顶 吹气体流量为4 0 0 0 0 n m 3 h ，底吹气体流量为8 6 4 n m 3 h ，渣量为1 3 t ，最佳 溅渣枪位为3 2 0 0 m m 。在最佳的溅渣工艺条件下进行溅渣，炉壁和炉帽溅渣 量最大。 从顶枪喷孔夹角对溅渣效果的影响来看，在顶吹气体流量为 4 0 0 0 0 n m 3 h ，底吹气体流量为8 6 4 n m 3 h ，渣量13 t 的相同溅渣条件下，1 2 0 顶枪的溅渣效果明显优于1 4 0 及1 6 0 顶枪，而1 4 0 顶枪的溅渣效果比1 6 。的好。 粘枪现象是溅渣护炉中存在豹主要问题之一，本实验测定了枪身在备实 验条件下的粘渣厚度，以此来确定粘枪现象是否严重。枪身的粘渣厚度主要 随着枪位的升高和流量的下降而逐渐减薄，所以溅渣时不能采用过低的枪 位，为了保证转炉溅渣效果和防止粘枪应采取适当高的溅渣枪位。在最佳的 溅渣枪位下，枪身平均粘渣厚度随着喷孔夹角的变化而变化。1 4 0 顶枪在最 佳枪位时的枪身平均粘渣厚度最大，达到4 1 7 1 0 。6 m s ：其次是1 2 0 顶枪， 在最佳枪位时的枪身平均粘渣厚度为3 7 3 1 0 6 m s ；枪身平均粘渣厚度最小 的是1 6 0 顶枪，在最佳枪位时的枪身平均粘渣厚度为1 1 8 x 1 0 4 m s 一。 关键词；复吹转炉；溅渣护炉；工艺优化；物理模拟；枪身粘渣 i i o p t i m i z a t i o no fs l a gs p l a s h i n gp r o c e s si n 1 8 0 tc o m b i n e db l o w nc o n v e r t e r a bs t r a c t s l a gs p l a s h i n gt e c h n o l o g yc a ni n c r e a s et h ec o n v e r t e rl i f ea n dr e d u c e c o n s u m p t i o no fr e f r a c t o r ym a t e r i a l ，a n di th a sa c h i e v e ds i g n i f i c a n te c o n o m i c a l r e s u l t s w i t ha n18 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 rm o d e l ，p h y s i c a l m o d e l i n gr e s e a r c hh a sb e e nc a r r i e do u tt oo p t i m i z et h ep r o c e s sp a r a m e t e r so f s l a gs p l a s h i n g ，i no r d e rt oo b t a i nb e t t e rs l a gs p l a s h i n gr e s u l t s i no r d e rt od e t e r m i n et h eo p t i m u mo p e r a t i n gp a r a m e t e r sf o rt h e s l a g s p l a s h i n gp r o c e s s ，t h ee f f e c t so ft h et o pg a sf l o wr a t e ，t h eo x y g e nl a n c en o z z l e i n c l i n a t i o na n g l e s ，t h el a n c ed i s t a n c e ，t h es l a ga m o u n t sa n dt h eb o t t o mg a sf l o w r a t eo nt h es l a gs p l a s h i n ga r ei n v e s t i g a t e db yt h ep h y s i c a lm o d e l i n ge x p e r i m e n t s t h eo p t i m u ms l a gs p l a s h i n gp r o c e s sp a r a m e t c r sf o r16 0o x y g e nl a n c ea r et h a t t h et o pg a sf l o wr a t ei s4 0 0 0 0 n m 3 h ，t h eb o t t o mg a sf l o wr a t ei s8 6 4 n m h ，t h e s l a ga m o u n t si s 13 t ，a n dt h eo p t i m u ml a n c ed i s t a n c ei s2 9 0 0 - 3 5 0 0 m m t h e o p t i m u ms l a gs p l a s h i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sf o r12 0o x y g e nl a n c ea r et h a tt h et o p g a sf l o wr a t ei s4 0 0 0 0 n m 。h ，t h eb o t t o mg a sf l o wr a t ei s8 6 4 n m h ，t h es l a g a m o u n t si s1 3 t ，a n dt h el a n c ed i s t a n c ei s3 5 0 0 m m t h eo p t i m u ms l a gs p l a s h i n g p r o c e s sp a r a m e t e r sf o r14 0o x y g e nl a n c ea r ct h a tt h et o pg a sf l o wr a t e i s 4 0 0 0 0 n m 。h ，t h eb o t t o mg a sf l o wr a t ei s8 6 4 n m 。h ，t h es l a ga m o u n t si si3 t ，a n d t h el a n c ed i s t a n c ei s3 2 0 0 m m t h er e s u l t si nt h es l a gs p l a s h i n gp r o c e s sa r et h e b e s to nt h ef u r n a c ew a l la n dc a pu n d e rt h eo p t i m u mo p e r a t i o n a lc o n d i t i o n s f r o mt h ee f f e c t so ft h eo x y g e nl a n c en o z z l ei n c l i n a t i o na n g l e so nt h es l a g s p l a s h i n gi nt h ep h y s i c a le x p e r i m e n t s ，t h e12 0l a n c eo b v i o u s l ya c h i e v e sm u c h b e t t e rr e s u l t st h a n14 0a n di6 0o x y g e nl a n c e ，a n dt h e14 0o x y g e nl a n c ei sb e t t e r t h a n16 0o x y g e nl a n c e ，a tt h es a m es l a gs p l a s h i n gc o n d i t i o n s i i i 东北太学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep h e n o m e n o no fs l a ga d h e r e n c et oo x y g e nl a n c ei so n eo ft h em a i n p r o b l e m sd u r i n gs l a gs p l a s h i n g t h et h i c k n e s so ft h es l a gs p l a s h e do nt h el a n c e i nd i f f e r e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n si sm e a s u r e di no r d e rt od e t e r m i n ew h e t h e r t h ep h e n o m e n o no fs l a ga d h e r e n c et oo x y g e nl a n c ei ss e r i o u so rn o t t h e t h i c k n e s so ft h es l a gs p l a s h e do nt h el a n c eb e c o m e sl o w e rw i t ht h ei n c r e a s eo f t h el a n c eh e i g h ta n dt h ed e c r e a s eo ft h eg a sf l o wr a t e b u tt o oh i g hl a n c eh e i g h t w i l lr e d u c et h es l a ga m o u n t ss p l a s h e do nt h ef u r n a c ew a l l t h u s ，t o ol o wl a n c e h e i g h ts h o u l db ea v o i d e dw h e ns p l a s h i n g ；w h i l et h es u i t a b l eh i g hl a n c eh e i g h t s h o u l db e u s e df o rb e r e ts l a gs p l a s h i n gr e s u l t sa n ds l a ga d h e r e n c et ot h el a n c e t h et h i c k n e s so ft h es l a gs p l a s h e do nt h el a n c ec h a n g e dw i t ht h ea n g l eo fj e t h o l e t h ea v e r a g et h i c k n e s so ft h es l a gs p l a s h e do nt h el a n c eu n d e rt h eo p t i m u m l a n c eh e i g h tt o1 4 。o x y g e nl a n c ei st h el a r g e s t ，b e i n g4 1 7 x 1 0 4 m s 一，f l o w e db y 12 0 o x y g e nl a n c e 。b e i n g 3 7 3x10 6 m s ，a n d 16 。o x y g e nl a n c e ，b e i n g 1 1 8 x 1 0 。6 m s 一 k e yw o r d s ：c o m b i n e db l o w i n gc o n v e r t e r ，s l a gs p l a s h i n g ，p r o c e s so p t i m i z a t i o n ， p h y s i c a lm o d e l i n g ，s l a ga d h e r e n c et oo x y g e nl a n c e i v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位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，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 王艳 日期： 矿厂2 、2 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 炼钢转炉炉龄 炉龄是转炉炼钢的一项综合技术经济指标，反映了炼钢厂的工艺操作和 技术水平。提高炉龄不仅可以降低耐火材料的消耗，提高作业率，降低生产 成本，而且有利于均衡组织生产，促进生产的正常进行。 1 1 1 转炉炉衬砖的发展 转炉炉衬由工作层、填充层和永久层耐火材料组成。工作层与高温钢水 和炉渣直接接触，受高温熔渣的化学侵蚀，受钢水、熔渣和炉气的冲刷，还 受到加废钢时的机械冲撞等，工作环境十分恶劣。因此，炉衬的质量是转炉 炉龄的基础，炉衬砖质量和材质是直接影响转炉炉衬寿命的主要原因。 焦油白云石砖曾是氧气顶吹转炉炉村的主要用砖。但是由于焦油结合剂 在砖中残碳量还不能填充砖内所有气孔，特别是开口气孔。于是，采用焦油 砖轻烧真空下油浸( 沥青1 8 0 * ( 2 左右) ，或者烧成具有一定陶瓷结构砖在真空 下油浸等工艺，进一步提高砖的残留碳含量，降低气孔率，增大体积密度， 提高砖在高温下的强度和抗渣性能。 向白云石砖中加入m g o ，人工合成含较高m g o 的镁质白云石砖 ( m g o c a o 比值约为2 。3 ) ，具有耐化学侵蚀的能力。在该时期日本钢厂多采 用合成镁质白云石砖，转炉炉衬寿命提高幅度比较大。 1 9 7 7 年，日本川崎钢铁公司千叶厂引进的q b o p 转炉炉底及底部供 气元件选用了树脂结合不烧成镁碳砖系耐火材料，取得成功，开创了含碳复 合耐火材料在转炉上应用的先例。其后，西欧也将以沥青结合的镁碳砖应用 于转炉炉衬。镁碳砖成分及性能见表1 1 。 镁碳砖中的镁砂选择m g o 纯度高的电熔镁砂，石墨为具有一定粒度的 鳞片状石墨，且纯度要求含c 9 0 ，并选用具有良好特性的结合剂。1 9 8 8 年日本的全国转炉的平均炉龄已超过2 0 0 0 炉，其中超过3 0 0 0 次的占6 0 ； 超过5 0 0 0 次的占1 0 。1 9 9 0 年3 月川崎钢铁公司水岛厂1 号复吹转炉创造 出8 1 1 9 炉的世界最高炉龄记录。与此同时吨钢耐火材料消耗也大幅度下降， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 如在1 9 7 6 年日本全国转炉耐火材料消耗2 7 8 k g t ，至1 9 8 7 年下降到 1 3 4 k g t 。同期，欧美等国家部分钢厂转炉炉龄也大幅度提高，如表1 2 所 示。2 0 世纪9 0 年代初期，随着镁碳砖质量的提高，我国一些大中型转炉炉 龄大幅度提高，其中复吹转炉的炉龄达到3 0 0 0 4 0 0 0 炉【1 1 。 表1 1 镁碳砖成分和性能 t a b l e1 1t h ec o m p o s i t i o na n dp r o p e r t i e so fm a g n e s i a - c a r b o nb r i c k 镁碳砖 12 345 成分( 质量分 m g o 数) ， c 高i l t ( 1 4 0 0 c ) 抗折强度 m p a 常温耐压强度m p a 显气孔率 7 8 1 2 1 4 0 4 0 4 5 7 5 1 6 1 3 2 4 l 4 o 7 9 1 6 1 3 4 4 5 3 6 7 3 1 8 4 l 2 5 7 5 1 8 1 6 4 4 2 3 3 体积密度g c m 3 2 8 22 7 4 2 8 i2 9 02 8 3 表1 2 溅渣护炉前不同时期的转炉炉龄 t a b l e1 2 t h ec a m p a i g nl i f eo fc o n v e r t e rb e f o r es l a gs p l a s h i n g 年份厂家 公称吨位 平均炉龄 t，炉 1 9 8 4美国内陆钢公司东芝加哥洲二炼钢厂 2 3 2 1 6 2 1 1 9 8 6法国洛林连轧公司敦刻尔克厂 英国钢铁公司 1 9 8 8 美嗣内陆钢公司东芝加哥洲二炼钢厂 美国l t v 钢公司印第安纳港厂 2 3 0 2 6 0 2 0 0 2 8 0 18 5 8 1 5 0 0 3 1 8 7 4 0 6 0 1 9 9 0 美嗣内陆钢公司东芝加哥洲二炼钢厂 2 0 04 0 9 0 1 1 2 提高炉龄的主要工艺措施 1 1 2 1 综合砌炉 在冶炼过程中由于各个部位工作条件不同，因而工作层各部位的蚀损程 2 东北大学硕士学位论文第一幸绪论 度也不一样，针对这一情况，视其损坏程度砌筑不同的耐火砖，容易损坏的 部位砌筑高档镁碳砖，损坏较轻的部位砌筑中档或低档镁碳砖，整个炉衬的 蚀损情况较为均匀，即所谓的综合砌炉【2 1 。转炉内衬砌砖情况如下： ( 1 ) 炉口部位。这个部位温度变化剧烈，高温废气的冲刷比较厉害，在 加料和清理残钢、残渣时，炉口受到撞击，因此用于炉口的耐火砖必须具有 较高的抗热震性能和抗渣性，耐熔渣和高温废气的冲刷，且不易粘钢，即便 粘钢也易于清理的镁碳砖。 ( 2 ) 炉帽部位。主要受炉气冲刷及冷空气进入而发生的化学反应的侵 蚀，同时还受温度急变的影响，应使用抗渣性能强和抗热震性好的镁碳砖。 ( 3 ) 炉衬的装料侧。这个部位受到装入废钢和兑入铁水时的直接撞击以 及取样、测温及向前倒炉时的钢水和炉渣侵蚀，给炉衬带来严重的机械损伤， 因此应砌筑具有高抗渣性、高强度、高抗热震性的镁碳砖。 ( 4 ) 炉村出钢侧。此部位基本上不受装料时的机械冲撞损伤，热震影响 也小，主要受出钢时钢水的浸泡和冲刷作用，损坏速度低于装料侧，若与装 料侧砌筑同样材质的镁碳砖时，其砌筑厚度可稍薄些。 ( 5 ) 渣线部位。在吹炼过程中，主要与熔渣接触受到严重化学侵蚀而形 成的。在出钢侧，渣线的位置随出钢时间的长短而变化，大多情况下交化不 明显，但在排渣侧受到熔渣的强烈侵蚀，加上吹炼过程其他作用的共同影响， 衬砖损毁较为严重，需要砌筑抗渣性能良好的镁碳砖。 ( 6 ) 两侧耳轴部位。这部位除受吹炼过程的蚀损外，其表面难于修补， 砖体中的碳素极易被氧化，损坏严重。所以，此部位应砌筑抗渣性能良好、 抗氧化性能强的镁碳砖。 ( 7 ) 熔池和炉底部位。纯顶吹时，这部位炉衬在吹炼过程中受钢水强烈 的冲蚀，但与其他部位相比损坏较轻。可以砌筑含碳量较低的镁碳砖。 若采用顶底复合吹炼工艺时，炉底中心部位容易损坏，可以与装料侧砌 筑相同材质的镁碳砖。 综合砌炉可以达到炉衬蚀损均衡，提高转炉内衬整体使用寿命的目的， 有利于改善转炉的技术经济指标。 1 1 2 。2 造粘渣护炉 2 0 世纪7 0 年代初期，开始向初期渣和终点渣中加入白云石、白云石质 石灰或菱镁矿等，使炉渣中m g o 含量过饱和，并通过摇炉将m g o 含量过饱 和的炉渣粘结在炉衬的表面，以延长炉衬的寿命【。这种造渣方法具有的作用 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 如下； ( 1 ) m g o 能加速石灰的熔化，促进前期化渣和减少萤石用量，同时能减 轻前期炉渣中s i 0 2 对炉衬的侵蚀作用。 ( 2 ) 白云石砖或镁碳砖，主要成分是c a o m g o 。不加含m g o 的材料造 渣，炉渣要从炉村中溶解m g o ，造成炉衬的侵蚀。加入含m g o 的材 料造渣，使渣中m g o 含量达到饱和状态，可以减少炉渣对炉衬的侵 蚀。 ( 3 ) 炉衬被侵蚀的决定因素是渣中( f e o ) 含量，即渣中( f 0 0 ) 的活度。提高 渣中( m g o ) 浓度，可降低( f e o ) 的活度以减轻( f e o ) 对炉村的侵蚀。 造粘渣摇炉挂渣技术不可能在整个炉膛内形成均匀涂层，尤其是在炉膛 两侧特别容易被侵蚀的耳轴部位无法挂上粘渣。 1 1 2 3 炉衬喷补 炉衬喷补f 3 1 是通过喷补设备把喷补料喷射到炉衬蚀损严重的部位形成 新的耐火材料烧结层的护炉技术。其原理是将喷补料喷吹在炉村表面，进而 烧结成一体。喷补方法分为湿法、半干法及火焰喷补法等。 ( 1 ) 湿法喷补 湿法喷补是将颗粒( 最大颗粒为i m m ) 和含有大量小于0 1 m m 的粉料放 入罐内，添水混合后再喷射到指定位置的喷射补炉方法。该法灵活，可以喷 补到转炉任何部位。喷补层厚度可达2 0 3 0 m m ，使用寿命可达3 炉次。 ( 2 ) 半于法喷补 半干法喷补是把喷补料放入压力罐弗压送到喷嘴，在其端部和水混合 后，被喷射到炉内指定位置的喷射方法。喷补层具有耐熔损的优点，厚度可 达2 0 3 0 m m 。这种补炉方法各钢厂采用的比较多。喷补料的成分详见表1 3 。 表1 3 喷补料成分 t a b l e1 3 t h ec o m p o s i t i o no ft h eg u n n i n gm a t e r i a l s 湿法 9 1131 0 9 01 5 1 7 半千法 9 052 5 2 5 7 51 0 1 7 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 火焰喷补法 火焰喷补是用氧气、喷补料和燃料通过水冷喷枪内管混合燃料，使喷出 的补炉料立即形成熔融态并喷射到蚀损部位的补炉方法。火焰喷补层耐蚀能 力强。其喷朴料是用镁砂、镁白云石砂等。火焰喷补法一般用予喷补转炉渣 线和炉帽部位。 采用喷补技术，炉龄可提高2 0 5 0 。 1 1 2 4 优化炼钢工艺，提高炉龄 2 0 世纪8 0 年代初，炼钢工艺系统优化技术得到发展，开始采用铁水预 处理转炉冶炼炉外精炼连铸的现代炼钢模式生产钢坯。铁水预处理的任务 是将传统在转炉内进行的脱磷、脱硫任务移到铁水罐内进行。炉外精练技术 的应用也可以承担传统转炉炼钢的部分任务。转炉冶炼采用少渣操作工艺后 只进行降碳升温，不仅缩短冶炼时间，更重要的是减轻高氧化性炉渣对炉衬 的侵蚀。在转炉炼钢过程应用自动控制技术，提高终点命中率和控制精度也 可以减轻炉衬侵蚀。应用复吹转炉技术和活性石灰不仅加速化渣，缩短冶炼 时间，还降低渣中( f e o ) 含量，使炉衬侵蚀减轻，延长转炉寿命i l 】。 1 1 2 5 溅渣护炉技术 对氧气转炉炼钢过程，采用溅渣护炉技术可以大幅度的提高转炉炉龄， 减少转炉的非作业时间，降低炉衬耐火材料的消耗，且工艺简单，经济效益 显著。 1 2 溅渣护炉技术 1 2 1 溅渣护炉技术的发展 1 9 9 1 年，美国l t v 钢铁公司印第安纳港厂开始采用溅渣护炉技术。到 1 9 9 4 年创造了炉龄1 5 6 5 8 炉，连续运行1 年零5 个月的世界炉龄记录，到 1 9 9 6 年炉龄达到1 9 1 2 6 炉4 1 。由于溅渣护炉技术能大幅度提高转炉炉龄，自 1 9 9 4 年以来，该技术在美国和中国等国家得到了广泛的应用。 未采用溅渣护炉技术之前，我国转炉炉龄普遍偏低，3 0 t 以下转炉炉龄 一般不到1 0 0 0 炉；5 0 1 0 0 t 转炉一般为1 0 0 0 1 5 0 0 炉：大于1 0 0 t 的转炉一 般为2 0 0 0 3 0 0 0 炉左右。我国从1 9 9 4 年2 月开始转炉溅渣护炉实验。从1 9 9 6 年开始，在1 5 3 0 0 t 不同容量的转炉上开展应用溅渣护炉技术，使溅渣护炉 转炉的平均炉龄和最高炉龄均有大幅度提高。大多数钢厂炉龄在1 0 0 0 0 炉以 5 - 东北是学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 火焰喷补法 火焰喷补是用氧气、喷补料和燃料通过水冷喷枪内管混合燃料，使喷出 的补炉料立即形成熔融态并喷射到蚀损部位的补炉方法。火焰喷补层耐蚀能 力强。其喷朴料是用镁砂、镁白云石砂等。火焰喷补法一般用于喷补转炉渣 线和炉帽部位。 采用喷补技术炉龄可提高2 0 5 0 。 1 1 2 4 优化炼钢工艺，提离炉龄 2 0 世纪8 0 年代初。炼钢工艺系统优化技术得到发展，开始采用铁水预 处理转炉冶炼一炉外精炼连铸的现代炼钢模式生产钢坯。铁水颈处理的任务 是将传统在转炉内进行的脱磷、脱硫任务移到铁水罐内进行。炉外精炼技术 的应用也可以承担传统转炉炼钢的部分任务。转炉冶炼采用少渣操作工艺后 只进行降碳升温，不仅缩短冶炼时间。更重要的是减轻高氧化性炉渣对炉衬 的侵蚀。在转炉炼钢过程应用自动控制技术，提高终点命中率和控制精度也 可以减轻炉衬侵蚀。应用复吹转炉技术和活性石灰不仅加速化渣，缩短冶炼 时间，还降低渣中( f e o ) 含量，使炉村侵蚀减轻，延长转炉寿命】。 1 1 2 5 溅渣护妒技术 对氧气转炉炼钢过程，采用溅渣护炉技术可以大幅度的提高转炉炉龄， 减少转炉的非作业时间，降低炉衬耐火材料的消耗，且工艺简单，经济效益 显著。 1 2 溅渣护炉技术 1 2 1 溅渣护炉技术的发展 1 9 9 1 年，美国l t v 钢铁公司印第安纳港厂开始采用溅渣护炉技术。到 1 9 9 4 年创造了炉龄1 5 6 5 8 炉，连续运行1 年零5 个月的世界炉龄记录，到 1 9 9 6 年炉龄达到1 9 1 2 6 炉 4 1 。由于溅渣护炉技术能大幅度提高转炉炉龄，自 1 9 9 4 年以来。该技术在美国和中国等国家得到了广泛的应用。 未采用溅渣护炉技术之前，我国转炉炉龄普遍偏低，3 0 t 以下转炉炉龄 一般不到1 0 0 0 炉；5 0 1 0 0 t 转炉一般为1 0 0 0 1 5 0 0 炉：大于1 0 0 t 的转炉一 般为2 0 0 0 3 0 0 0 炉左右。我国从1 9 9 4 年2 月开始转炉溅渣护炉实验。从1 9 9 6 年开始，在1 5 3 0 0 t 不同容量的转炉上开展应用溅渣护炉技术，使溅渣护炉 转炉的平均炉龄和最高炉龄均有大幅度提高。大多数钢厂炉龄在1 0 0 0 0 炉以 转炉的平均炉龄和最高炉龄均有大幅度提高。大多数钢厂炉龄在1 0 0 0 0 炉以 - 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 火焰喷补法 火焰喷补是用氧气、喷补料和燃料通过水冷喷枪内管混合燃料，使喷出 的补炉料立即形成熔融态并喷射到蚀损部位的补炉方法。火焰喷补层耐蚀能 力强。其喷朴料是用镁砂、镁白云石砂等。火焰喷补法一般用予喷补转炉渣 线和炉帽部位。 采用喷补技术，炉龄可提高2 0 5 0 。 1 1 2 4 优化炼钢工艺，提高炉龄 2 0 世纪8 0 年代初，炼钢工艺系统优化技术得到发展，开始采用铁水预 处理转炉冶炼炉外精炼连铸的现代炼钢模式生产钢坯。铁水预处理的任务 是将传统在转炉内进行的脱磷、脱硫任务移到铁水罐内进行。炉外精练技术 的应用也可以承担传统转炉炼钢的部分任务。转炉冶炼采用少渣操作工艺后 只进行降碳升温，不仅缩短冶炼时间，更重要的是减轻高氧化性炉渣对炉衬 的侵蚀。在转炉炼钢过程应用自动控制技术，提高终点命中率和控制精度也 可以减轻炉衬侵蚀。应用复吹转炉技术和活性石灰不仅加速化渣，缩短冶炼 时间，还降低渣中( f e o ) 含量，使炉衬侵蚀减轻，延长转炉寿命i l 】。 1 1 2 5 溅渣护炉技术 对氧气转炉炼钢过程，采用溅渣护炉技术可以大幅度的提高转炉炉龄， 减少转炉的非作业时间，降低炉衬耐火材料的消耗，且工艺简单，经济效益 显著。 1 2 溅渣护炉技术 1 2 1 溅渣护炉技术的发展 1 9 9 1 年，美国l t v 钢铁公司印第安纳港厂开始采用溅渣护炉技术。到 1 9 9 4 年创造了炉龄1 5 6 5 8 炉，连续运行1 年零5 个月的世界炉龄记录，到 1 9 9 6 年炉龄达到1 9 1 2 6 炉4 1 。由于溅渣护炉技术能大幅度提高转炉炉龄，自 1 9 9 4 年以来，该技术在美国和中国等国家得到了广泛的应用。 未采用溅渣护炉技术之前，我国转炉炉龄普遍偏低，3 0 t 以下转炉炉龄 一般不到1 0 0 0 炉；5 0 1 0 0 t 转炉一般为1 0 0 0 1 5 0 0 炉：大于1 0 0 t 的转炉一 般为2 0 0 0 3 0 0 0 炉左右。我国从1 9 9 4 年2 月开始转炉溅渣护炉实验。从1 9 9 6 年开始，在1 5 3 0 0 t 不同容量的转炉上开展应用溅渣护炉技术，使溅渣护炉 转炉的平均炉龄和最高炉龄均有大幅度提高。大多数钢厂炉龄在1 0 0 0 0 炉以 5 - 东j b 大学硕士学位论文 第一章绪论 上，并且有数个厂家采用溅渣护炉的转炉复吹比已达到了世界领先水平【5 】。 太钢二炼钢厂是国内较早采用溅渣工艺的转炉厂。自1 9 9 6 年采用溅渣 技术厢，炉龄大幅度提高。1 9 9 7 年的平均炉龄为4 4 6 9 炉，比溅渣前提高3 1 5 倍，最高炉龄达到8 5 8 0 炉【6 j 。宝钢一炼3 0 0 t 转炉在9 8 年4 月，炉龄率先超 过了1 万炉，创造了国内转炉史上的炉龄最高水平【 。随后，首钢和武钢9 0 t 转炉也突破了万炉大关。武钢二钢2 号复吹转炉，采用溅渣护炉技术后炉龄 达1 5 2 0 8 炉，在整个炉役期，底部供气元件状态良好，复合吹炼冶金特性明 显【8 】。 随着溅渣护炉技术的不断完善，我国有更多的钢铁厂不论大转炉还是小 转炉都采用了这一技术，如我国的邯钢2 0 t 转炉1 9 l 和鞍钢三炼钢1 5 0 t 复吹转 炉u o l ，采用溅渣技术后，平均炉龄都提高了3 4 倍。 从2 0 0 2 年至今，我国转炉采用溅渣护炉技术的复吹效果，在大( 2 0 0 t ) 、 中( 8 0 l o o t ) 、小型( 5 0 t ) 转炉复吹炉龄取得超过万炉的突出成绩，形成了系 统的不更换底吹透气元件开停炉，顶底供气强度调控，金属炉渣蘑菇头形成、 维护，底吹透气狭缝、套管堵塞复通。控制炉底上涨及长时间停炉，炉衬保 护等一整套独特的工艺与装备技术，并在冶炼几百个不同钢种( 包括i f 钢、 硅钢等) 条件下，顺利实现1 0 0 复吹，达到 c 】【o 】o 0 0 2 8 的效果t 保证了 钢的质量提高与消耗的降低。这一技术已成为我国转炉炼钢高效化的独特技 术，在世界上居领先地位。武钢二炼钢9 0 t 转炉一直保持着l o o 复吹的最 高炉龄。2 0 0 2 年达2 2 9 4 2 炉，2 0 0 3 年达2 9 4 2 4 炉，2 0 0 4 年上半年已达3 0 4 6 8 炉f l 。 1 2 2 溅；查护炉技术的理论研究 溅渣护炉技术垤卜d 3 1 是在转炉出钢后，在炉内留下一定数量的终渣，并 根据渣况进行适当的改质，将粘度和成分调氅到合适范围，采用氧枪将高压 氮气高速吹入转炉熔池，使炉渣喷溅到炉衬上。炉渣覆盖在耐火材料上经冷 却凝固后形成固体渣层，起到代替可消耗耐火材料层的作用。该渣层可降低 转炉耐火材料消耗速度，达到保护炉衬延长炉衬寿命的目的。图1 1 表示转 炉溅渣后形成的溅渣层示意图【”j 。 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 1 转炉溅渣后形成的溅渣层 1 2 2 1 转炉溅渣的动力学研究 溅渣有两种动力学机制叫1 ：喷射溅渣和浪涌溅渣。喷射溅渣一般发生在 转炉上部，溅渣量占溅渣总量的2 0 一3 0 ，高枪位有利于喷射溅渣。浪涌 溅渣一般发生在转炉下部，溅渣量占溅渣总量的5 0 7 0 ，喷吹压力的提 高有利于提高浪涌溅渣量。确定最佳溅渣工艺参数，平衡两种溅渣机制的结 合作用，以得到最大的溅渣量和较均匀的溅渣效果。 1 2 2 2 液态渣对炉衬的侵蚀 炉渣对m g c 砖的侵蚀过程是【1 6 】：炉渣中的f e 2 + 多而半径又小，扩散渗 透能力强，扩散到炉衬渣界面，被炉村中的c 还原而析出单质铁，同时砖 被脱c 形成孔隙。与此同时，渣中( ( f e o ) 、( s i 0 2 ) 进一步通过孔隙向内部渗 透，加速与m g o 生成低熔点的固溶体进入渣中。转炉炉衬采用镁碳砖做炉 衬砖，炉衬中受侵蚀的关键物相为m g o 。研究表明，要最大限度地保护炉 衬，炉渣就应被( m g o ) 饱和。( m g o ) 的溶解度随温度的上升、氧化性的增强 及碱度的下降而增大。转炉前期炉渣碱度低，t f e 高，因而前期渣的( m g o ) 饱和溶解度高，对炉衬侵蚀较严重：后期因碱度提高，渣中( m g o ) 饱和溶解 度低，侵蚀主要是由高温和强烈的冲刷造成的。因此，炉渣对炉衬的侵蚀在 吹炼前期最严重，而溅渣护炉的首要任务就是在前期完全保护炉衬，同时兼 顾后期的保护。 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 3 溅渣层保护炉衬的机理 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 高温气- 液混合相的冲刷，但由于溅渣层中的c 3 s 和方镁石熔点高达2 0 0 0 以上，它们不会完全熔化掉，保护炉衬不受过多的冲刷。在吹炼前期，m g o 在渣中的饱和溶解度较大，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， 熔进炉渣中的( m g o ) 在前期进入初渣丽提高了碱度，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，但对高温终渣的抗侵蚀能力较差。进一步提 高溅渣层的熔点是提高溅渣层抗侵蚀能力的关键。在生产实践中坚持一炉一 溅和合理的出钢温度，将有利于提高溅渣护炉的效果【哺l 。 ，2 2 4 溅渣层与炉衬的结合机理 渣拔溅到炉衬上粘附以后，溅渣层与炉衬m g o c 砖在结合部发生了物 理的和化学的反应，有文献认为tz z l 渣层与炉衬砖的结合机理如下：在溅渣初 期，低熔点流动性强的富铁炉渣首先溅射到炉衬表面，渣中( f e o ) 和c 2 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。随溅渣的继续，颗粒 状的高熔点挈l 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a 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 晶团溅射到结合 层表面并与铁酸钙和r o 相相结合，冷却固溶形成衬砖表面溅渣层。 但也有不同的研究认为o s ，朱脱碳镁碳砖工作表面与粘渣层间形成“点” 结合，即镬碳砖表面裸露镁砂粗颗粒与渣形成紧密结台，而基质部位存在气 囊阻隔；镁碳砖中碳含量有双重作用，碳含量高可能减缓镁碳砖氧化脱碳速 度，有利于提高炉衬寿命；另方面碳含量高，砖基质部位与炉渣间气囊阻 隔会更多，不利于溅涤层与炉村牢固结合。 1 2 3 溅渣护炉的终渣成分控制 转炉溅渣的生产实践中发现：对溅渣层的侵蚀主要发生在吹炼后期1 9 1 。 实验室进行的溅渣层侵蚀的实验结果也证明：溅渣层对转炉初期渣有很强的 8 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 抗侵蚀能力，而对转炉终渣的高温侵蚀的抵抗能力很差。转炉终渣对溅渣层 的侵蚀机理主要表现为高温熔化。因此，尽可能提高终渣的熔化温度是合理 控制终渣的主要目的【20 1 。 1 2 3 1 渣中( m g o ) 含量的控制 在一定条件下提高终渣( m g o ) 含量，可进一步提高炉渣的熔化温度，有 利于溅渣护炉。因此，终渣( m g o ) 控制应能保证在确定的出钢温度下，渣中 ( m g o ) 含量超过饱和值。 2 3 2 终潼t f e 控制 对于溅渣护炉，终渣( f e o ) 和( f e 2 0 3 ) 有双重作用：一方面渣中( f e o ) 在溅 渣过程中沿衬砖表面显微气孔和裂纹向m g o 机体内扩散，形成以( m g o c a o ) ( f e 2 0 3 ) 为主的烧结层，有利于溅渣层与炉衬砖的结合。另一方面，随渣中( f e o ) 含量的升高，炉渣的熔化温度明显降低，不利于提高溅渣层抗高温炉渣侵蚀 的能力。我国学者根据溅渣层抗侵蚀试验证明，随渣中t f e 含璧的增加，溅 渣层抗转炉终渣侵蚀的能力将迅速降低。因此国内多数采用溅渣护炉工艺的 转炉炼钢厂控制转炉终渣t f e 在1 0 1 5 的范围内。 1 2 3 3 炉渣过热度与炉渣粘度的调整 炉渣过热度偏高往往会降低炉渣粘度，炉渣粘度小，渣稀容易喷溅挂渣， 溅渣层比较均匀。但溅渣层薄，摇炉时有挂渣流落现象。溅渣层抗侵蚀能力 极差。 炉渣粘度大，渣稠不易起溅。给转炉溅渣带来极为不利的影响，使耳轴、 渣线处溅渣效果不佳，对溅渣极为有害：还往往会造成炉底上涨和炉膛变形， 但溅渣层的抗侵蚀能力增强。 1 2 4 转炉溅渣层的特性研究 1 2 4 1 溅渣层炉渣的分熔特性 随着温度的升高，溅渣层中的低熔点相( 主要是f e o 成分) 先行熔化。并 缓慢从溅渣层中分离流出，使溅渣层厚度减薄，岩相组成中高熔点相比例升 高。当熔池温度达到1 6 0 0 1 6 5 0 时，炉壁上朱熔残留的炉渣仍处予固体状 态。该现象称为溅渣层的分熔现象2 。金山同等人通过实验得出，对发生分 熔现象的溅渣层炉渣，在升温过程中所发生的变化为：渣层的重量减少；炉 渣中的t f e 含量降低：炉渣岩相结构中铁酸盐和r o 相等低熔点相所占比例 减小。 9 东北大学硕士学位论文第一章堵论 1 2 4 2 溅渣屡物相结构和熔化特性 溅渣层的物相与转炉终渣基本相同，但溅渣层物相的变化规律有其特 点。从溅渣层的外表面向里延伸，铁酸二钙相逐渐减少，在溅渣层与镁碳砖 的结台部位，大部分( f e 2 0 3 ) 被还原为( f e o ) ，并固熔于m g o 中。在渣与砖的 接触处，由于c 与溅渣层中氧化铁发生了还原反应，同时产生了m g o 一( f e o ) 的固熔反应，在渣与砖之间形成了固熔的化学结合。在溅渣层和炉衬砖的结 合部位，主要物相是硅酸三钙和铁方镁石等高熔点相，因而在吹炼后期仍可 起到护炉作用。随溅渣层中t f e 含量减少，在其熔化温度特别是全熔温度显 著上升【2 2 1 。 1 2 4 2 溅渣屡炉渣离温下流动特性 金山同1 2 3 】等人利用自行设计的测量设备，研究了t f e ，m g o 及碱度对 溅渣层炉渣高温下流动特性的影响。炉渣中t f e 、( m g o ) 及碱度r 三个因素 对溅渣层炉渣的流动特性影响显著性次序为：t f e m g o 及碱度r ；炉渣中 t f e 是影响溅渣用终渣流动特性最敏感的困素。随渣中t f e 含量的降低，渣 的初始流动温度和临界流动温度提高；炉渣中( m g o ) 含量在4 1 2 范围内随 其含量的增加初始流动温度降低，在1 2 1 6 范围内，随其含量的增加初始 流动温度升高 1 2 5 溅渣护炉的操作工艺过程 ( 1 ) 炼钢工将钢出尽后留下一定数量的炉渣； ( 2 ) 炼钢工用肉眼观察炉渣稀稠，温度高低，决定是否加入调渣荆； ( 3 ) 下降氧枪到预定高度，开始吹氮； ( 4 ) 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； ( 5 ) 溅渣所需时间由炼钢工确定，一般为3 - 4 m i r a 溅渣结束后，停止吹 氮，将枪升起； ( 6 ) 摇动炉子使剩余炉渣涂挂到览铁水和出钢侧大面上； ( 7 ) 将剩下少量炉渣倒出到渣罐中1 2 4 1 。 1 2 6 影响溅潼护炉的主要工艺参数 1 2 6 1 食理的留潼量 在溅渣护炉中，合理的转炉留渣量是溅渣护炉的重要工艺参数之一【2 们。 1 0 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 合理的留渣量一方面要保证足够的渣量，在溅渣过程中使炉渣均匀地喷溅涂 敷在整个炉衬表面，形成1 0 - 2 0 r a m 厚的溅渣层。合理的留渣量取决于下列 因素： ( 1 ) 熔渣可溅性：根据熔池溅渣动力学研究，转炉上部溅渣主要依靠氮 气流溅射炉渣。渣量少，渣层过薄，气流易于穿透渣层，削弱气流对渣层的 乳化和破碎作用，使反射气流中携带的液体渣滴数目减少，不利于转炉上部 溅渣。转炉留渣量过太强化了转炉上部喷射溅渣的效果，往往造成炉口粘渣， 炉膛变形。 ( 2 ) 溅渣层的厚度与均匀性：渣量过少，溅渣层薄，转炉上部溅渣层不 均匀，甚至溅不上渣。 ( 3 ) 溅渣时间的长短：溅渣时间一般随留渣量的增加而延长【2 5 1 。但渣量 过少，会使溅渣的效果降低。 ( 4 ) 溅渣成