半钢炼钢底吹透气砖侵蚀成因及对策

10 2009 年第 32 卷第 3 期 半钢炼钢底吹透气砖侵蚀成因及对策 李琛林 （新钢钒技术质量部） 摘 要： 对攀钢半钢炼钢底吹透气砖的侵蚀机理进行了较详细的阐述，并针对性地采用了改进透气砖结构、改善入炉条件、优化复吹工艺及透气砖维护技术等对策，使底吹透气砖使用寿命大幅提高，平均使用寿命由 1 198 炉提高到 7 000 炉以上。 关键词： 半钢炼钢；底吹；透气砖；侵蚀；熔损 0 引言 在炼钢恶劣的工作环境中，转炉复吹透气砖既要受到炉渣及钢水中氧的化学侵蚀，又要受到高温液体和气体的机械冲刷，因而复吹透气砖熔损速度较快，使用寿命受到一定的限制，对转 炉复吹炉龄影响很大。攀钢炼钢转炉底吹透气砖由于受到半钢冶炼等特殊条件的限制，透气砖侵蚀速率较快，维护困难，透气砖使用寿命低，复吹炉龄长寿化较难实现。随着攀钢转炉溅渣护炉技术的应用，转炉炉龄得以大幅度提高，而复吹透气砖的使用寿命较短，复吹炉龄与转炉炉龄不同步的矛盾变得更加突出，复吹转炉的冶金效果得不到充分体现。因此，转炉复吹项目组结合半钢炼钢存在的问题，从 2007年 5 月份起开展了多项工艺研究，这里重点对转炉半钢炼钢条件下复吹透气砖的侵蚀机理进行分析，并采取相应的优化、改进措施，使得终点钢水氧活度及终渣 幅降低，底部供气制度得到优化，透气砖基础寿命平均由 1198 炉提高到 7000 炉以上。 1 主要设备及条件 主要设备 攀钢炼钢厂现有 5 座复吹炼钢转炉，公称容量120 t，采用恒量装入制度，装入量（ 135 5） t。采用普通拉瓦尔型氧枪喷头（ 535 型），冶炼与溅渣使用同一支氧枪。 半钢成分及温度 入炉半钢主要成分及温度见表 1，由表 1 可见，转炉入炉半钢 C较普通铁水低，热源损失大，温度紧张。 表 1 2005 2006 年入转炉半钢主要成分、温度 主要化学成分 /% 温度 / C n P S V 均 迹 340 范围 290 1 410 透气砖主要成分 攀钢炼钢转炉复吹用透气砖为常用的集束管式透气元件，主要由金属毛细管和耐火材料组成。耐火材料的化学成分见表 2，由表 2 可见，透气砖的主要化学成分为 C 及 表 2 攀钢转炉用复吹透气砖的化学成分 % 5 78 16 19 4 6 终渣成分及钢水氧活度 攀钢半钢炼钢产生的含钒钛钢渣，其熔点和黏度较普通钢渣低 1，而且渣中 高，氧化性强，对转炉炉衬及透气砖的侵蚀更大。半钢炼钢转炉终点钢渣主要化学成分见表 3，由表 3 可知，终渣 碱度 R 偏高且波动大，平均达到 样的炉渣渣态并不好，熔点低（平均 1 340 左右）；终点钢水氧活度 630 10 6 100010 6， 平均达到 770 10 6，钢水及终渣氧化性强，攀 钢 技 术 11 对炉衬及复吹透气砖的侵蚀相当大。因此炉体溅渣、渣补维护以及透气砖渣补或补炉料补炉维护，效果均不十分理想，这是制约攀钢转炉炉龄及复吹炉龄较难突破的屏障。表 3 2005 2006 年转炉终渣主要成分及钢水氧活度 终渣成分 /% R aO 106 30 1000 770 注：分子为波动范围，分母为平均值。 2 底吹透气砖的侵蚀成因 炉渣对透气砖的侵蚀 炉渣对炉衬的侵蚀以化学侵蚀为主，转炉炉渣特别是终渣渣态及成分的控制对转炉炉衬和透气砖的侵蚀速度影响最大。炉渣对炉衬及透气砖的化学侵蚀一般有两个方面。 （ 1）炉渣中 透气砖不同材质的反应。即：与炉衬及透气砖中的 C 反应， =O，使透气砖或镁碳砖表面形成脱碳层，降低其强度和耐侵蚀性能，加剧砖体的侵蚀；与透气砖内不锈钢毛细管发生反应 ， 3（ +2透气砖不锈钢管出口形成变质层带，也加速了镁碳质材料的反应熔损。特别是出完钢及溅渣过程中，炉渣温度高，流动性好，动力学条件较好，有足够的条件推动该反应的进行；如果炉渣氧化性强，则反应激烈，会迅速消耗炉衬及透气砖中 C 成分，侵蚀透气砖。 （ 2）低熔点渣相对炉衬及透气砖的侵蚀。炉渣成分越复杂、 高，越容易形成低熔点渣相，低熔点渣相特别是铁酸盐相，熔点只有 1 200 1 230 。攀钢炉渣含钒、钛，而且 高，炉渣熔点平均只有 1 340 ，这样的渣态对炉衬 及透气砖侵蚀非常快。 钢水对透气砖的化学侵蚀 钢水对透气砖的侵蚀主要是机械冲刷产生的物理侵蚀，但化学侵蚀仍然存在。钢水冶炼过程中，冶炼中、前期钢水中 C含量比较高，钢水与透气砖之间基本不会发生化学反应。但在冶炼后期，由于攀钢半钢炼钢的热源相对不足，而且常常出现信息不对称，入炉条件判断不准，热补偿措施不到位，在冶炼终点目标 C范围内，温度不够，烧铁补温情况普遍，造成终点钢水 C很低，钢水 C小于 甚至小于 现象屡有发生，钢水氧活度较高，有时甚至高达 1000 10 6，氧浓 度增加。此时， 钢水中 C 的传输是 C、 O 反应的限制性环节， 而透气砖耐火材料中 C 含量达到 16% 19%，在动力学和热力学条件下，钢水与透气砖在界面处有充分的物质交换条件，透气砖与钢水接触界面容易发生如下反应： C+O=消耗透气砖中 C 而侵蚀透气砖。该反应的不断重复进行，致使透气砖的表层耐火材料出现疏松孔洞，抗热振性能下降，并向透气砖内部发展，产生侵蚀、剥落。 钢水对透气砖的熔损 转炉底吹供气由透气元件内部的金属毛细管来完成，因此金属毛细管发生堵塞是导致透气砖通气能力降低甚至堵死的直接原因。严格讲，在 转炉内金属毛细管是不抗侵蚀的，一旦脱离耐火材料和气体冷却的保护，极易熔损或烧毁，加快透气砖的侵蚀速度，或烧死金属管口。 钢水对透气砖的熔损主要有两个方面，一是冶炼过程中，如果透气砖顶部没有渣层覆盖，透气砖表面裸露的金属管与翻腾的钢水接触，很快受到熔损。二是出钢后，炉渣中不可避免的存在残钢或未出完的剩钢，溅渣过程中在氧枪吹 烈的冲击及冷凝作用下，残钢凝固于金属毛细管口烧死通气孔；尤其是在气体和钢水的冲刷作用下，透气砖部位形成一定的凹坑时，凹坑内极易沉积剩钢，在冶炼下一炉时剩钢的熔化加速透气砖的熔损，甚至大块剥落，危害极大，即所谓的凹坑熔损。攀钢转炉出钢不尽的情况时有发生，对透气砖的侵蚀影响较 大。 气泡反击对透气砖的侵蚀 气体在管道内是以连续方式流动，但进入转炉熔池后，则是形成大小不异的气泡，以不连续、间断的方式进入熔池，当气泡脱离透气元件的瞬间产生反向冲击力（后座力），冲刷透气砖及周围的耐火材料，侵蚀透气砖。底吹气量越大，气体出口速 12 2009 年第 32 卷第 3 期 度越大，气泡反击产生的频率越高，能量也就越大，因而对透气砖耐材的侵蚀越严重。 从减小气泡反击对透气砖侵蚀的角度出发，设计透气砖结构及研究复吹供气点应考虑多点供气，分散单 砖（点）供气流量，或适当增加透气元件金属毛细管的数量，同时兼顾金属毛细管间的耐火材料厚度，提高透气砖整体抗侵蚀能力。 钢水水锤作用的冲刷熔损 如图 1 所示，底吹气体从透气元件金属毛细管喷入熔池，气泡脱离喷口时引起钢水向气体出口方向流动，冲刷透气砖及周围的耐火材料，侵蚀透气砖，这种现象称为水锤现象。 底吹气量越大，或气体出口速度越大，水锤现象引起的钢水冲刷侵蚀越严重。减小钢水水锤作用的侵蚀，与减小气泡反击对透气砖侵蚀采取的方法一致。 图 1 底吹气体入熔池的气泡及钢水流动方向 3 降低底 吹透气砖侵蚀的对策 改进透气砖结构 原透气砖的结构 原透气砖的外形尺寸为：上端 300 300 端 300 330 度为 820 嵌 27 根 5 1 不锈钢毛细管，采用中心布置 1 根， 60 圆周上布置 9 根， 105 7 根的布置方式。毛细管中心间距为 20 气砖气室的内空高度为 16 管长度为 100 该结构存在的主要问题是：透气砖整体长度较短，不耐侵蚀；金属毛 细管数量较少而管径相对较大，流量调节受到限制，毛细管气体出口流量相对较大；毛细管布置不均衡，抗侵蚀能力减弱；气室容易变形开裂，出现尾部漏气。因此透气砖侵蚀快，使用寿命低。 改进后透气砖结构 （ 1）整体结构 透气砖结构设计时，综合考虑炉底砌筑厚度、镁碳砖尺寸及制作工艺的难度，同时考虑透气芯砖在线更换，将透气砖的整体结构尺寸设计为如图 2所示：套砖 820上端（ 400 400）底端（ 400 450） 砖 280上端（ 450 450）下端（ 450 450） 砖上端 130 下端 170 900 因座砖、套砖采用机械整体成型，整体性较好，抗侵蚀、冲刷能力较强，而且与透气芯砖之间尺寸结合好，能有效保护透气芯砖，并提高透气砖的整体寿命。 （ 2）透气芯砖结构 透气芯砖采用 48 根内径 2 用菱形布置，毛细管间距 16 原透气砖比，毛细管布置均衡，气体出口流量分布合理，在提供相同流量的条件下，单根毛细管流量较小，对透气砖维护有利。 优化顶、底吹复吹工艺 改善入炉条件 为了减轻转炉入炉条件波动对 冶炼终点控制的影响，改善半钢入炉条件，脱硫、提钒主要采用了以下技术措施：加强“铁水组罐 脱硫 提钒”生产组织的“一一对应”；优化提钒冷却制度；优化转炉复吹提钒工艺，开展全炉役复吹提钒技术，提高提钒复吹比等。 通过上述措施的研究应用，如图 3 所示，半钢钢水 气泡 钢水流动方向 图 2 改进后更换式透气砖示意 套砖 座砖 炉壳 尾 管 毛细管 芯砖 攀 钢 技 术 13 C含量平均由 高到 半钢 C炉次比例由 降到 百分点，半钢入炉温度小于 1 300 的炉次有所减少，半钢 C及温度分布更为合理、稳定，降低了深吹炉次，对终渣 制有利。 图 3 半钢 C含量分布 优化造渣制度 结合攀钢转炉冶炼造渣制度存在的问题，确定了适合于半钢炼钢不同吹炼时期的较佳的碱度控制范围，并严格按照该碱度进行控制，确保渣能化好，能化透，避免“返干”现象，保证冶炼过程有良好的脱磷效果以及适合于溅渣护炉和透气砖维护的终渣渣态及成分。冶炼前期控制好适宜的碱度，化好渣，化透渣，保证冶炼前期充分脱磷，要求复合造渣剂随第一批料全部加完，前期炉渣碱度控制在 间；冶炼中期，即吹炼约 9 10 加第二批料，按终渣碱度 行调节；冶炼后期 要平稳保持最低枪位操作，脱碳的同时有效降低炉渣中 量，使终点炉渣出现返干，这样既能降低终渣 量，提高金属收得率，又能减少炉渣回磷。 冶炼过程枪位控制 转炉氧枪枪位的控制对冶炼过程有着非常重要的影响。恰当的枪位控制可达到冶炼过程平稳、脱磷效果良好、降低钢水氧活度、降低终渣 目的。通过对转炉氧枪枪位控制的调查研究，提出了枪位控制的改进措施。过程枪位必须与造渣工艺相结合，杜绝后期拉 C 时高枪位操作，减少转炉喷渣的现象。要求：前期化渣枪位 2.2 m，过程枪位 1.8 m， 拉 C 和补吹枪位 1.5 m。 底吹供气模式 确立了与半钢炼钢顶吹相结合的复吹底部供气模式， 底部供气采用 据吹炼期的不同循环供气，供气流量随冶炼过程不同而发生变化，总管压力大于 该模式对透气砖的维护有利，可有效控制透气砖的侵蚀速率，且对复吹冶金效果没有太大影响。 透气砖维护技术 由于透气砖工作环境恶劣，必须进行合理的维护，降低透气砖的侵蚀速度，提高基础寿命。主要采用以下措施： （ 1）复吹转炉新开炉，采用冶炼后留渣方式，并加 500 1 000 镁质石灰，然后摇炉挂渣或辅以溅渣操作，保护透气砖，延缓透气砖的侵蚀速 度。 （ 2）当透气砖侵蚀到一定程度时，采用一般镁质补炉料与透气补炉料相结合，并建立适合于透气砖维护的底部供气制度。 （ 3）日常维护则采用溅渣及渣补对炉体及透气砖进行维护。溅渣、渣补炉次终点控制要求：终渣 于 21%，终渣 % 13%，碱度 R 34，否则必须加改质剂或调渣剂方可溅渣、渣补。 通过透气砖的合理维护，使透气砖顶部形成较稳定的覆盖渣层，实现透气砖较低的侵蚀速度或零侵蚀，有效保护透气砖。 4 效果 终渣 量 通过各项技术措施的研究与应用，终渣 幅度降低。终渣主要成分见表 4，终渣 终点钢水 C含量的关系见图 4。对比表 3， 4 和图 4 可知，与改进前相比，复吹转炉在终点钢水 C含量相当的条件下，终渣 低了 百分点。转炉终渣氧化性明显降低，大大减弱了炉渣对透气砖的侵蚀。 终点钢水氧活度 转炉终点钢水氧活度对比见表 5。由表 5 可见，研究后，在终点钢水 C相同范围内，终点钢水氧活度降低了 147 10 6，终点钢水 C% O%，更接近平衡值（ 1 600， 衡的%C%O 或 2 3），减小了钢水氧化性对透气砖的侵蚀。 10102030405060703. 0 3. 00 3. 40 3. 40 3. 80 3. 80 4. 20 4. 20半钢C 含量/ %比例/%研究前研究后 14 2009 年第 32 卷第 3 期 004 2005 2006 2007 2008年份炉龄/炉转炉炉龄透气砖寿命表 4 改进后终渣主要成分 R 改进后 ：分子为波动范围，分母为平均值。 透气砖侵蚀速度 以 3#转炉为例，炉龄在 3809 炉和 9002 炉时对透气砖进行了激光测厚，结果见表 6。由表 6 可知，炉龄 3089 炉时透气砖基本达到零侵蚀； 9 002 炉时透气砖的侵蚀速度也只有 。说明透气砖的维护较好，侵蚀速度受到较好控制，保证了透气砖较长的基础使用寿命。 表 5 终点钢水 C含量、氧活度对比 终点钢水 C/% aO 106 钢水 C% O%积 样本 数 /炉 研究前 30 1000 770 1 研究后 861 5 注：分子为波动范围，分母为平均值。 透气砖使用寿命 图 5 为 2003 2008 年转炉炉龄与对应透气砖寿命的变化情况。由图 5 可见， 2003 2007 年透气砖年平均寿命在 11