大型转炉高效吹炼技术开发及应用

大型转炉高效吹炼技术开发及应用

蒋晓放 杨文远 章耿

1　前言

　提高转炉供氧强度能大幅度缩短吹炼时间，是炼钢增产的有效手段。1990～1994年，宝钢300t转炉供氧流量由50000m³／h提高到60000m³／h，供氧强度由2．8m³／(t．min)提高到3．3m³／(t．min)，平均吹炼时间缩短为16．6mm，有效提高了炼钢产能。为了应对4号高炉投产以及高炉扩容后炼钢能力不足的矛盾，必须进一步提高炼钢的生产能力。为充分发挥公司产能效益，对宝钢300t转炉进行了更高供氧强度、提高炼钢产能的研究。

2　管道压力损失测定

　在氧气顶吹转炉炼钢中，当氧枪喷头喉口面积确定之后，氧流量由炉前操作室的压力P₁控制。氧气流经输氧软管，氧枪内管到喷头喷出。在这段输氧过程中，因气体与管壁的摩擦及氧流方向和管道断面的改变，造成氧气压力损失。压力损失的大小与氧气在管中的流速有关。喷头前的滞止压力P_o是氧枪喷头设计的重要参数，决定了氧气射流的初始状态。在实际生产条件下，喷头前的滞止压力很难直接测定．必须通过管道压力损失测定来确定控制室操作压力与喷头前滞止压力的关系。为正确设计氧枪喷头及确定氧枪操作压力提供依据。通过氧枪管道压力损失测定，可以判定现用枪体尺寸是否能满足提高供氧强度的要求。

　为了安全，在测试过程中用氮气作为流体介质，将所得到的测试结果用氮、氧重度比进行修正，可得到氧气的管道压力损失。经过测定及计算，宝钢：300t转炉供氧系统管道压力损失与工作氧压的关系为：

　△P=0．021－46P₁ 0．0034 (1)

　式中为△P压力损失，MPa；P₁为工作氧压，MPa。

　当氧气流量在60000～69000m³／h范引内，氧气管道的压力损失为0．04～0 05Mpa，氧气流速为39．8m／s。氧枪内管的氧气流速低于安全值60m／s。提高供氧强度后，氧枪内管氧流速仍处于安全流速范围之内。

3　氧枪喷头设计

3．1喷头主要参数选择

　 根据宝钢300 t转炉OG系统的能力，供氧流量不能超过70000m³／h。按照6孔交错喷头计算的射流性质，并参考宝钢原5孔喷头使用情况设计了6孔交错喷头。为使氧气流量由60000m³／h增加到68000m³／h，重新计算了喷孔的喉口直径。6孔喷头喉口面积较原5孔喷头增加了11．8％。6孔交错喷头与5孔喷头参数对比见表1。

　 6孔喷头与原5孔喷头的射流性质及其与熔池作用情况见表2。表2中L为氧射流对熔池的穿透深度，用Flinn A公式计算；L_o为熔池深度；氧射流对熔池搅拌能量和熔池的混匀时间是根据Tsuyoshi Kai公式计算。

　 6孔交错喷头的正常工作氧流量为68000m³／h，较原5孔喷头高13．3％；射流出口速度高3．15％；射流出口总动量13377kg·m／s，比原5孔喷头高16．4％。射流出口总动量增加，主要是由于工作氧流量加大，喷孔出口马赫数提高的作用较小。6孔喷头的搅拌能量比原5孔喷头减少约0．5％，熔池的混匀时间变化不大。

3．2氧射流与熔池作用的水模试验

　为了比较6孔喷头与原5孔喷头的氧射流与熔池作用状况，进行了水模试验。根据相似原理，试验应满足转炉原型和实验室模型的几何尺寸相似和动力学条件相似。选择气体惯性力和流体重力之比的修正弗鲁德准数为水模试验的定性准数。试验中用无油压缩空气模拟氧气，用水模拟钢液。

　试验模型用有机玻璃按照宝钢300t转炉的尺寸以9：1的比例制成。氧枪喷头可以更换，模型底部装有10个喷嘴，按300 t转炉复吹元件位置进行布置。试验中所需的气体压力、流量变化都可调节。

　 试验结果：①6孔喷头射流对熔池的穿透深度与原5孔喷头的穿透深度相同。如氧流量加大或马赫数适当提高，穿透深度还可加大。②6孔喷头(69000m³／h)的喷溅量为0．145％，氧流量增加喷溅量有所加大。原5孔喷头(60000Nm³／h)喷溅量为0．103％：③6孔喷头的熔池混匀时间为69～86s，原5孔喷头的混匀时间为62～87s，两者混匀时间基本相同。混匀时间均随枪位提高而延长。④当底吹气量为零，进行纯顶吹时，熔池混匀时间延长。当顶吹气量为零只进行底吹时，随着底吹气量加大，混匀时间缩短，但不是按比例缩短。⑤低枪位吹炼时，穿透深度增加，混匀时间缩短。

4　吹炼操作

　转炉的吹氧、造渣操作基本上是按宝钢：300t转炉原有工艺制度进行，氧流量由原来的60000m³／h提高到68000～69000m³／h。氧流量加大使每炉钢吹氧时间缩短，吹炼过程中的加渣料时间要适当提前。

　 吹炼过程枪位变化如图1所示。氧流量一般为68000m³／h，采取恒流量供氧操作，氧压有时有小的波动。各种炉料加入量按静态模型给出的数据进行。当吹氧量达到13300m³时用副枪测量熔池碳含量和温度，根据测得结果用动态模型修正吹氧量和矿石量。

5　试验数据与分析

5．1吹炼工艺参数对终点(Pl含量的影响

5．1终渣(TFe)对钢中磷含量的影响

　 吹炼工艺参数申终渣(TFe)对钢中磷含量的影响如图2所示。随着TFe升高，钢中磷含量降低。

　 相关系数不高是由于炉渣碱度、钢水温度、渣量等因素对钢中磷含量同时产生影响。

5．1．2钢水温度对钢中磷含量的影响

　 钢中磷含量有随温度升高而增加的趋势。终点钢水温度主要由炉后精炼处理和连铸要求而定，不能作为控制钢中磷含量的主要措施。

5．1．3终渣碱度对钢中磷含量的影响

　终渣碱度在4．5左右时终点钢中磷含量较低。其原因可能是炉渣碱度低时，渣中碱性氧化物数量不足，炉渣碱度过高时渣中未熔石灰含量增加，炉渣粘稠。这两种情况都不利于脱磷。

5．1．4脱磷效率

　 6孔交错喷头的平均脱磷率为87．5％原5孔喷头的脱磷率平均为87．8％两者脱磷率相差0 3％，可以认为6孔交错喷头与原5孔喷头的脱磷率基本相同。

5．2吹炼终点查钢反应平衡状况

　为了研究熔池内钢水的脱磷、脱硫效率，HGaye等根据相图理论以及Chipman的脱磷反应热力学公式总结出了计算P，S，Mn，O在钢-渣间反应平衡值的Belaf计算程序。用Belaf程序对6孔喷头和原5孔喷头各90炉数据计算出的吹炼终点钢水平衡磷、硫含量平均值见表3。　由表3可见，6孔交错喷头吹炼终点与炉渣平衡的钢中磷含量[P]_e值与原5孔喷头的[P]_e值相同，都是0．0051％。这表明6孔喷头吹炼时，转炉终渣的脱磷能力与原5孔喷头吹炼相同，大流量吹氧仍然保持了良好的化渣能力。[P]_e／[P]_r值表示钢中实际含磷量与平衡值的偏离程度，即炉渣脱磷能力利用的程度，主要与钢渣之间反应的动力学条件有关。由表3可见，6孔喷头与原5孔喷头吹炼终点的[P]_e／[P]_r值和[S]_e／[S]_r值很相近，这表明终渣脱磷能力和脱硫能力的利用程度基本相同。

5．3炉釜的熔点和岩相检测

5．3．1炉渣的熔点

　 由于转炉渣中存有高熔点固相(MgO结晶、未熔石灰、C₃S、C₂S等)，所测数据实际上是炉渣的流动温度。真正的熔点是炉渣全部成为液相的温度。炉渣的流动温度是指在高温显微镜下炉渣厚度达到试样原始厚度的25％的温度。转炉熔池实际温度与流动温度之差即为炉渣的过热度。过热度高表示炉渣的流动性好。随机选择了10个终渣，测定其流动温度平均1401．5℃，过热度平均258℃。与原5孔喷头吹炼的终渣没有明显区别。炉渣过热度在200～220℃即可保持正常的流动性。由于出钢温度提高，使炉渣过热度提高。

5．3．2炉渣的岩相

　 岩相检验可以定量地给出炉渣中各种矿相的种类、含量和分布。采用6孔喷头吹炼的炉渣，主要矿相是硅酸二钙(占总矿相量的25％～40％环日硅酸三钙(占总量的30％～40％)。硅酸二钙(C₂S)多呈灰色簇粒状。硅酸三钙多呈板条状或粗粒状。炉渣的矿相组成和其分布基本上在正常范围内。

5．4吹炼时间缩短

　 6孔喷头吹炼时间分布见囹3，转炉利用6孔喷头吹炼。由于氧气最大流量可达到68000～69000Nm³／h，转炉吹炼时间平均达到14．3min，与原5孔喷头相比，平均缩短吹炼时间2．3min，可以提高转炉生产效率67％。6 结论

　1)6孔交错喷头较原5孔喷头氧气流量增加13％～15％，射流对熔池的冲击深度、搅拌能量和混匀时间与原5孔喷头基本相同。

　2)当氧气流量在60000～69000m³／h，300t转炉氧气管道的压力损失为0．04～0．05MPa，氧气流速39．8m／s，提高供氧强度后氧枪内管氧气流速仍处于安全流速范围之内。

　 3)6孔交错喷头平均脱磷率为87．5％。6孔喷头吹炼时转炉终渣的脱磷能力与原5孔喷头吹炼相同，大流量吹氧仍然保持了良好的化渣能力。6孔喷头的终渣脱磷能力和脱硫能力的利用程度与5孔喷头也基本相同。

　 4)通过对炉渣的成份、熔点和岩相的检测，结果表明高效吹氧条件下转炉仍能够化好炉渣，炉渣的过热度、矿相组成和分布在正常范围内。

　5)采用高效吹氧技术后，转炉吹氧流量可以达到69000m³／h，供氧强度3．83m³／(t．min)，平均吹氧时间14．3min，每炉钢的吹氧时间比原5孔喷头缩短2．3min，可以提高转炉生产效率6．7％。