宝钢炼钢厂转炉挡渣工艺技术的发展

孙兴洪,蒋小弟

(宝山钢铁股份有限公司炼钢厂,上海　200941)

摘要:采用转炉出钢挡渣工艺技术控制转炉出钢下渣量,必须关注和解决转炉出钢全过程的下渣控制。评价转炉出钢挡渣效果的关键指标是挡渣成功率和钢包中的渣厚。宝钢炼钢厂转炉出钢挡渣工艺技术的发展,目标是实现转炉出钢全过程的自动判渣和挡渣,提高挡渣成功率,减少出钢下渣量。

关键词:转炉; 出钢; 钢包; 渣厚; 挡渣

Developm en t of the S lag2stopp in g Technology during

Conver ter Tapp ing in Baosteel Steelma king Plant

SUN Xing hong and JIANG Xiao di

( Steelma king Plant, Baoshan Ir on & Steel Co., Ltd. , Shan ghai 200941, China )

　　Abstract:When using a slag2stopp ing technology to reduce the amount of slag into the ladle,operators must pay attention to the roughing slag control in the whole process of converter tapping.The re a re two key indicators: the achievement ra tio of slag stopping and the slag thickness in the ladle. They can be used to evalua te the effect of slag2stopping. The development of the slag2stoppingtechnology for converter tapping in Baosteel Steelmaking Plant aims at the realization of the automaticslag adjustment and slag2stopp ing in the whole p rocess of converter tapping to improve theachievement ratio of slag2stopp ing and to reduce the amount of slag in the ladle.

Key words: converter; tapping; ladle; slag thickness; slag2stopping

0　前言

钢包渣的主要来源是转炉出钢时的下渣、合金化过程中产生的渣,以及工艺需要进行的钢包渣改质、精炼二次造渣等。钢包渣中转炉出钢时的下渣是最有害的,也是可以在转炉出钢时采取不同的挡渣工艺技术进行有效控制的。减少转炉出钢到钢包的下渣量,可以减少钢水脱氧及合金化过程中的脱氧剂和合金的消耗,减少钢水精炼过程中钢水的回磷、回硫及氧化物夹杂的含量,提高钢水清洁度,提高合金的收得率。它不仅是改善钢水质量的一个重要工艺技术,而且也是降低炼钢成本的一个重要工艺技术。为此,各钢厂对转炉出钢挡渣工艺技术的研发和应用都十分重视,各种转炉出钢挡渣工艺技术应运而生。

1　转炉出钢下渣及其危害

在转炉炼钢工艺中, 通过氧枪向炉内的铁水中吹入高纯氧气,并添加石灰、白云石等造渣原料,以氧化反应的方式完成铁水的脱碳、升温及磷、硫等有害元素的去除等。因此,转炉渣具有较高的氧化性,并富含磷、硫等对钢材质量有害的元素。转炉渣下渣到钢包中,在后续的钢水精炼过程中, 不仅增加钢水脱氧及合金化过程中的脱氧剂和合金的消耗, 增加炼钢成本,而且增加钢水的回磷、回硫及氧化物夹杂的含量,降低钢水的清洁度, 影响钢材的质量。表1是典型的转炉渣成分。

在转炉出钢过程中,由于转炉渣的密度小于钢水而浮于钢水面上,因此转炉出钢时的下渣包括三部分:前期渣,转炉倾动至平均38°～50°出前期渣,如图1 (a)所示;过程渣,前期渣之后开始出钢,临近出钢后期可观察到钢水的涡旋效应卷渣;后期渣,出钢后期至出钢结束阶段,如图1 (b)所示。转炉出钢到钢包的下渣量中,前期渣量大体占30% ,涡旋效应从钢水表面带下的渣量约为30%,后期渣约40%^{[ 1 ]} ,如图2所示。

2　转炉挡渣工艺技术

控制转炉出钢到钢包下渣量, 采用转炉出钢挡渣工艺技术。各国为完善转炉出钢挡渣工艺技术,发明了十几种挡渣方法,如:挡渣帽法、软质挡渣塞法、挡渣球法、挡渣料法、避渣罩法、滑动水口法、气动挡渣法、电磁挡渣法、出钢口吹气干扰涡流法、转动悬臂法、挡渣镖法、挡渣罐挡渣法、均流出钢口挡渣法、中间包法、截渣盘法、挡渣盖法、真空吸渣法、虹吸出钢法等。但目前国内外转炉出钢挡渣采用较多的方法是铁皮挡渣帽、软质挡渣塞、滑动水口挡前期渣;挡渣球、挡渣镖、气动挡渣及滑动水口挡渣挡后期渣;对出钢过程中后期的涡旋效应卷渣下渣量的控制,目前还缺乏有效的工业应用工艺技术措施。

与转炉出钢挡渣工艺技术应运而生的另一项重要工艺技术是转炉下渣检测技术,可以快

速准确地判定出钢结束后的下渣开始时刻。目前工业应用于转炉出钢挡渣的代表性工艺技术,一种是采用埋植于转炉出钢口内的电磁感应线圈,通过分辨钢水和钢渣的磁感应变化判定下渣时刻;另一种方法是采用远距离红外检测技术,利用不同物质在不同温度下发散的红外波波长不同, 通过高分辨率的红外摄像技术分辨钢水和钢渣的红外波长变化判定下渣时刻。由于埋植于转炉出钢口内的电磁感应线圈在使用过程中容易损坏,因此,目前转炉出钢广泛采用的是红外下渣检测法,如AMEPA法。虽然转炉下渣检测技术并不直接控制转炉出钢下渣,但它可以快速准确地判定出钢结束后的下渣时刻,最大限度减少依靠操作工经验和肉眼判定失误造成出钢结束时钢包下渣量增加。更为重要的是,转炉下渣检测技术可以通过与气动挡渣法、滑板挡渣法有效结合,实现转炉出钢挡渣过程的全自动控制。表2是常用挡渣法工作原理及使用效果比较。

2. 1　转炉出钢前期挡渣

转炉倾动至平均38°～50°出前期渣,以宝钢 300 t转炉出钢倾动速度0. 3 r/min计算,前期渣 可能的出渣时间约5s。转炉出钢前期渣量是不可忽视的,可占转炉出钢下渣量的30%。宝钢转炉出钢前期渣挡渣,采用出钢前在出钢口出口插入圆锥形的铁皮卷筒(挡渣帽) ,但挡渣帽在出钢开始立即就被钢渣冲掉,只能起到有限的挡渣作用,如果出钢口出口不规整,或者安装使用不当,可能根本起不到挡渣作用。控制前期渣最有效的方法是在前期渣经过出钢口时临时完全封闭出钢口,如采用软质耐火材料塞封堵、关闭滑动水口均可以取得非常好的前期渣挡渣效果,钢包渣的渣厚减少了15～20 mm。

2008年3月,宝钢250 t转炉单元采用软质耐火材料塞进行前期挡渣试验,表3是试验结果。从AMEPA下渣检测记录(图3出钢开始时刻)也可以清楚看到,出钢开始后23s时,软质挡渣塞开始爆开,正在坠入钢包中的绿色团状物正是已经爆裂的软质挡渣塞,同时发现钢流突然增大,没有前期下渣。

2009年9月18日开始,宝钢300 t转炉单元3LD出钢采用滑动水口挡渣。出钢前关闭滑动水口,转炉倾动到75°时(前期渣已经完全通过出钢口区域)再打开滑动水口出钢,实现对出钢过程前期渣下渣的有效控制,图4所示, AMEPA下渣检测记录10 s时刻才开始出钢。

2. 2　转炉出钢中后期涡流卷渣

出钢到中后期将产生涡流卷渣。加拿大伊利湖钢铁公司认为,在230 t转炉中,当钢水高度为125 mm时,出现涡流卷渣现象,并随着钢水液面的降低而迅速增加。涡流卷渣可以占转炉出钢下渣量的30%。

目前对转炉出钢中后期涡流卷渣控制,还缺乏在实际生产中广泛应用的工艺技术。采用挡渣镖挡渣法,虽然由于在出钢中后期有导向杆插入出钢口中,减缓了“涡流效应”,但其作用非常有限。采用“无涡流”出钢口^{[ 2 ]} (其结构如图5所示) ,最大限度地减少出钢过程中涡流发生来控制涡流卷渣下渣的发生,工业化应用还有一些问题需要解决。
2. 3　转炉出钢后期挡渣

临近转炉出钢终了时, 下渣量迅速增加。以300 t转炉4 min出钢为例, 1 s的下渣量就可以达到400 kg左右。因此,各个钢厂对转炉出钢后期终渣控制十分重视,采用各种各样的挡渣工艺技术,其目的是在减少下渣量的同时尽可能将炉内钢水出尽。宝钢炼钢厂转炉采用挡渣球、挡渣镖、气动挡渣及滑动水口挡渣等方式控制转炉出钢后期终渣下渣。

3　宝钢炼钢厂转炉挡渣技术发展

评价转炉挡渣工艺技术的有效性, 采用挡渣成功率和直接检测转炉出钢下渣到钢包的渣厚。宝钢采用的是在精炼工序(RH、CAS、LF)插入铁杆,测量铁杆上的黏渣长度来检测转炉出钢下渣到钢包的渣厚。由于钢渣在钢包钢水表面不是均匀分布,直接检测一个或两个点来评价钢包渣渣厚不仅本身就缺乏代表性, 而且测量的渣厚值包含了合金化生产的渣、钢包改质加入的渣及精炼二次造渣等;采用转炉操作工凭经验目测方式来直接评价转炉下渣到钢包的渣厚,误差可能更大。虽然这两种检测和评价转炉下渣渣量的方式误差均较大,其可靠性也均难以令人满意,但方法简单,易于操作。宝钢不同挡渣方式的挡渣效果如表4所示。

表5是宝钢炼钢厂转炉挡渣技术应用进步历程。3 转炉单元挡渣方式,从采用锥形铁皮挡渣帽+挡渣球挡渣,到采用锥形铁皮挡渣帽+挡渣镖挡渣(辅助M 红外下渣检测技术) ,到采用滑动水口+ AMEPA红外下渣检测技术全自动挡渣; 250 t转炉单元挡渣方式,从采用锥形铁

皮挡渣帽+气动方式挡渣,到采用锥形铁皮挡渣帽+挡渣镖挡渣(辅助AMEPA红外下渣检测技术) ,到目前正在实施采用滑动水口+AMEPA红外下渣检测技术全自动挡渣技术改造。

    由于挡渣球通常是以随波逐流的方式到达出钢口,而钢渣黏性大,挡渣球有时不能顺利到达出钢口,或者不能有效地在钢水将流尽时堵住出钢口,挡渣球法的挡渣成功率在60%左右,而且其可靠性难以令人满意;气动挡渣法利用埋设在出钢口内的检测线圈,通过二次线圈产生电压的变化,测出钢水通过出钢口的流量变化来控制挡渣时机,挡渣时挡渣塞头对出钢口进行机械封闭,塞头端部喷射高压气体来防止炉渣流出。但出钢时发生吸入涡流引起钢渣混出时,挡渣时机不好掌握,且工作条件恶劣,检测装置容易损坏,设备正常投入率不高。因此,目前宝钢转炉挡渣球挡渣及气动挡渣工艺已经被挡渣镖挡渣工艺取代。转炉出钢挡渣镖挡渣工艺技术,是目前各钢厂应用最多的挡渣方式。挡渣镖挡渣采用导向杆导入出钢口方式,确保挡渣塞能够准确到达出钢口位置,转炉出钢挡渣的成功率大大提高,特别是200 t以下的转炉挡渣成功率可以达到90%以上。但对300 t大型转炉而言,由于转炉炉膛比较大,随着出钢口使用到后期,在出钢口区域形成较深的凹坑后,挡渣镖导向杆不能导入出钢口,挡渣成功率明显降低,挡渣成功率在80%左右。转炉出钢口滑板挡渣,其技术特点是滑板开闭非常迅速,能够对出钢过程中的前期渣和后期渣有效地挡渣。宝钢炼钢厂3LD采用滑动水口挡渣工艺技术, 将转炉倾动角度信号和AMEPA红外下渣检测技术与滑动水口的开闭相结合,实现了全自动判渣和挡渣,挡渣成功率达到100%,钢包渣厚可以稳定控制在40mm以下。但应用转炉出钢口滑板挡渣工艺技术的装置设备相对复杂,特别是挡渣闸阀机构安装在出钢口上,处于高温高热的恶劣环境条件下, 设备的装卸及维护均不方便。此外,由于目前挡渣滑板的使用寿命只有10～15炉,平均每班需要更换一次滑板,对转炉生产组织有一定的影响,使用成本也相对较高。

4　结语

转炉出钢口滑板挡渣工艺技术,实现了出钢全过程的自动判渣和挡渣, 挡渣成功率可以达到100% ,钢包渣厚稳定控制在40 mm以下,是目前应用的挡渣效果最佳挡渣工艺技术,为转炉挡渣工艺技术的发展指明了方向。提高挡渣滑板的使用寿命,采用机械手更快速、省力地实现挡渣闸阀机构的更换,以进一步降低使用成本,减少对转炉生产组织的影响,将加速转炉出钢口滑板挡渣工艺技术更广泛应用。

参考文献

[ 1 ] 　Enkner B, Paster A, Schwelberger J. 新型VA I2CON􀀀 转炉挡渣系统[ J ]. 钢铁, 2002, 37 (8 ) : 28 - 32.

[ 2 ] 　万恩同. 无漩流出钢技术的研究[ J ]. 武汉工程职业技术学院学报, 2005, 17 (1) : 6 - 9.

摘自《宝钢技术》2010年第2期