转炉溅渣护炉技术的发展及现状

收稿日期:2006212207; 修订日期:2007205230

作者简介:李小明(19742　

),陕西洛川人,讲师.研究方向:冶金相关技术.

?今日铸造　Today ’s Foundry ?

转炉溅渣护炉技术的发展及现状

李小明,王冠甫,杨　军

(西安建筑科技大学冶金工程学院,陕西西安710055)

摘要:溅渣护炉充分利用了转炉终渣并采用氮气作为喷吹动力,是转炉技术一个大的进步。采用溅渣护炉不仅可减少炉衬蚀损、提高炉龄,而且可减轻工人劳动强度和操作费用,提高生产率。合理控制终渣成分、留渣量、出钢温度和枪位是取得良好的溅渣护炉效果的关键技术和必备条件。我国转炉因具有容量小、数量多、生产负荷大、半钢冶炼转炉原料条件差、热源不足、复吹转炉底吹元件寿命低等特点,使得我国溅渣护炉技术朝多元化方向发展,适宜于各种炉型和原料条件以及工艺特点的溅渣护炉技术蓬勃发展,尤其在复吹溅渣护炉技术方面,已达到先进水平。但转炉经济炉龄还不确定,氮气源还不足,调渣剂的成分还不能动态调整,溅渣时间和枪位还不能自动控制,今后应积极探索终渣动态调整以及溅渣自动控制等技术。关键词:转炉;炉龄;溅渣护炉;应用

中图分类号:TF713 文献标识码:A 文章编号:100028365(2007)0821140204

Pr o gr e s s a n d S t a t us of BO F Pr ot e c ti o n Te c h n ol o g y b y Sla g Sp la s hi n g

L I Xiao 2ming ,WANG G uan 2f u ,YANG Jun

(School of Metallurgical E ngineering ,Xi ’an U niversity of Architecture and T echnology ,Xi ’an 710055,China)

Abs t rac t :I t is a big progre ss for the converter using the finishing slag to prevent the furnace and the

nitrogen as the splashing power.Slag splashing technology can not only reduce the furnace lining ero sion ,prolong the furnace life ,but also decrease the manual intensity and the operating co st ,thus enhance s the productivity.The key technology and e ssential conditions to obtain good splashe s effect are to control the ingredients and quantitie s of finishing slag ,the tapping temperature and the gun po sition reasonably.As the dome stic converter has low capacity ,big production load ,the bad raw materials for the semi 2steel converter ,the insu fficient heat source and low life of bottom blowing component of combined blown converter ,the slag splashing technology is developing towards the multiple direction ,so that the slag splashing technology can be suitable for various converter ,raw materials and operational characteristics.The combined blown converter has reached the advance standards.H owever the economical furnace life of converter is indefinite ,the nitrogen source for slag splashing is also insu fficient ,the ingredient of slag modifier cannot be adjusted dynamically ,the splashing time and the gun po sition cannot be controlled automatically ,so the finishing slag dynamic adjusting and automatic control technologie s should be developed in the future.

Ke y w ords :BOF ;Company life ;Slag splashing ;Application

炉龄是转炉炼钢的一项综合技术经济指标。高温、高氧化性的炉渣对炉衬的机械冲刷和化学侵蚀是造成炉衬蚀损的主要原因。为了提高炉龄,炼钢工作者相继对炉衬砖材质、砌筑方法、补炉技术、溅渣技术等进行了研究和开发。1983年普莱克斯公司获得了溅渣专利[1,2],但直到20世纪90年代以后,溅渣护炉技术才随着耐火材料质量的改进而蓬勃发展起来。

本文从溅渣护炉的基本原理出发,讨论影响溅渣

护炉效果的几个主要因素,并结合我国转炉的特点,分析我国在小型转炉、半钢冶炼转炉以及复吹转炉溅渣护炉方面取得的技术进步,同时分析我国溅渣护炉存在的问题及今后的发展方向。1　溅渣护炉原理及优势

溅渣护炉的基本原理,是在转炉出完钢后加入调渣剂,使其中的MgO 与炉渣产生化学反应,生成一系列高熔点物质,被通过氧枪系统喷出的高压氮气喷溅到炉衬的大部分区域或指定区域,粘附于炉衬内壁逐渐冷凝成固态的坚固保护渣层,并成为可消耗的耐材

《铸造技术》08/2007李小明等:转炉溅渣护炉技术的发展及现状

层。转炉冶炼时,保护层可减轻高温气流及炉渣对炉衬的化学侵蚀和机械冲刷,以维护炉衬、提高炉龄并降低耐材包括喷补料等消耗。

氧气顶吹转炉溅渣护炉是在转炉出钢后将炉体保持直立位置,利用顶吹氧枪向炉内喷射高压氮气(1.0M Pa),将炉渣喷溅在炉衬上。渣粒是以很大冲击力粘附到炉衬上,与炉壁结合的相当牢固,可以有效地阻止炉渣对炉衬的侵蚀。复吹转炉溅渣护炉是将顶吹和底吹均切换成氮气,从上、下不同方向吹向转炉内炉渣,将炉渣溅起粘结在炉衬上以实现保护炉衬的目的。

溅渣护炉充分利用了转炉终渣并采用氮气作为喷吹动力,在转炉技术上是一个大的进步,它比干法喷补、火焰喷补、人工砌砖等方法更合理,其既能抑制炉衬砖表面的氧化脱碳,又能减轻高温渣对炉砖的侵蚀冲刷,从而保护炉衬砖,降低耐火材料蚀损速度,减少喷补材料消耗,减轻工人劳动强度,提高炉衬使用寿命,提高转炉作业率,减少操作费用,而且不需大量投资,较好地解决了炼钢生产中生产率与生产成本的矛盾。因此,转炉溅渣护炉技术与复吹炼钢技术被并列为转炉炼钢的2项重大新技术[3]。

目前国外采用溅渣护炉技术的转炉炉龄已平均达到20000炉以上[4],美国伊斯帕特内陆钢公司转炉的炉龄最高已达36000炉。国外某些钢厂的管理人员甚至认为30000炉将成为转炉的标准炉龄[5]。国内冶金工作者在积极摸索适合自身特点的溅渣护炉工艺上取得了巨大进步,开发出了适合不同炉型和工艺条件的溅渣护炉工艺方案。目前我国复吹转炉的炉龄已超过30000炉[6]。

2　溅渣护炉主要工艺因素

2.1　合理选择炉渣并进行终渣控制

炉渣选择着重是选择合理的渣相熔点。影响炉渣熔点的物质主要有FeO、MgO和炉渣碱度[7]。渣相熔点高可提高溅渣层在炉衬的停留时间,提高溅渣效果,减少溅渣频率,实现多炉一溅目标。由于FeO易与CaO和MnO等形成低熔点物质,并由MgO和FeO 的二元系相图可以看出,提高MgO的含量可减少FeO相应产生的低熔点物质数量,有利于炉渣熔点的提高。

从溅渣护炉的角度分析,希望碱度高一点,这样转炉终渣C2S及C3S之和可以达到70%～75%。这种化合物都是高熔点物质,对于提高溅渣层的耐火度有利。但是,碱度过高,冶炼过程不易控制,反而影响脱磷和脱硫效果,且造成原材料浪费,还容易造成炉底上涨。实践证明,终渣碱度控制在2.8～3.2为好[8]。

由于溅渣层对转炉初渣具有很强的抗侵蚀能力,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,因此合理控制转炉终渣,尽可能提高终渣的熔化温度是溅渣护炉的关键环节。合理控制终渣应着重从终渣的MgO 含量和FeO含量着手。

2.1.1　终渣MgO含量的控制

在一定条件下提高终渣MgO含量,可进一步提高炉渣的熔化温度,这种高熔点炉渣在冶炼初期产生的溅渣层减轻了渣对炉衬的机械冲刷,并与渣中SiO2、FeO反应,避免了渣对炉衬的化学侵蚀;在冶炼中期,溅渣层中的MgO与炉渣中的FeO生成高熔点物质,在下一次溅渣操作中成为溅渣层的主要组成部分;同时由于溅渣层被反复利用,减少了炼钢中造渣剂的使用,降低了生产和操作成本。因此,终渣MgO含量应在保证出钢温度前提下超过饱和值,但含量也不宜过高,以免增加溅渣护炉成本,一般控制在9%～10%[8]。

调渣剂国外一般在出钢后加入,国内由于转炉操作水平较低,炉况不稳定,终渣成分变化大,且出钢后加入调渣剂化渣不彻底,因此大多数钢厂在冶炼初期便加入化渣剂,以轻烧白云石为主,亦有采用镁质冶金石灰或菱镁矿作为化渣剂的。

2.1.2　终渣FeO控制

在溅渣护炉技术中,渣中FeO含量的多少起着截然相反的作用:渣中FeO含量高,炉渣的熔点低、流动性好,容易沿衬砖内细小气孔和裂纹渗透和扩散,有利于溅渣层与炉衬砖的结合,保护炉衬不受侵蚀。但是随着渣中FeO含量增高,由于溅渣层内FeO会与MgO反应使溅渣层中MgO相减少,导致溅渣层熔点降低,不利于溅渣层寿命提高。国内操作一般控制在20%以下,国外由于调渣剂在出钢后加入,所以FeO 含量很高。

一般认为只要在溅渣前把渣中MgO含量调整在合适的范围内,对终渣氧化铁含量并不须特殊处理,即终渣氧化铁无论高低都可取得较好的溅渣护炉效果。但如果终渣氧化铁含量很低,渣中铁酸钙少,故应在保证足够的耐火度的情况下,降低渣中MgO含量,这样溅渣护炉的成本较低,容易取得高炉龄。从操作上讲,在同样温度、碱度和MgO条件下,氧化铁含量低,渣的粘度大,起渣快,可以减少溅渣时间,而不影响溅渣效果。

2.2　合理控制留渣量

在溅渣护炉中,转炉留渣量的多少不仅是溅渣护炉本身重要的工艺参数,而且决定了溅渣层的厚度。合理的留渣量一方面要保证炉渣在炉衬表面形成10

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～20mm溅渣层[9],另一方面随炉内留渣量的增加,炉渣的可溅性增强,对溅渣操作有利。转炉上部溅渣主要依靠氮气射流对熔池炉渣的溅射而获得。渣量少,渣层过薄,气流易于穿透渣层,削弱气流对于渣层的乳化和破碎作用,不利于转炉上部溅渣。转炉留渣量过大,在溶池内易形成浪涌,同样不利于转炉上部溅渣。即便强化了转炉上部溅渣的效果,也往往造成炉口粘渣变小,影响正常的冶炼操作。

溅渣的厚度:渣量过少,溅渣层过薄,且不均匀,将影响溅渣护炉的效果。根据钢铁研究总院得出的公式,合理的留渣量为[10,11]:

Q s=0.301W n

式中　Q s———转炉单炉留渣量,t;

W———转炉公称吨位,t;

n———系数,取值为0.583～0.650。

2.3　合理控制出钢温度

用溅渣护炉工艺后,转炉出钢温度对炉龄的影响非常明显。随着出钢温度的降低,炉龄与出钢温度的关系为[12]:N=208529～12019t。其中N为炉龄,t 为出钢温度。在同样的溅渣技术条件下,每降低出钢温度一度,将提高炉龄121炉。因此,合理控制转炉出钢温度,对采用溅渣护炉工艺的转炉进一步提高炉龄有重要意义。

2.4　枪位控制

枪位应按照早化渣,化好渣,保证溅渣厚度和溅渣面积的原则确定。高枪位易于炉渣的破碎和乳化,有利于转炉上部的溅渣。当枪位过高时,炉渣溅到炉膛位置较低,还容易冲刷已溅到炉墙上的炉渣,更容易引起炉底上涨。低枪位易于造成渣液面剧烈波动,对渣的冲击面积小,冲击深度增大,供给的能量大部分消耗于熔池内部,有利于转炉的下部溅渣,同时由于渣滴能量大,也可溅到炉口。溅渣时枪位控制要根据炉渣的流动性和所要溅的部位而定。通常情况采取前高后低方法,既保证了炉渣的形成,溅渣效果也好,且可防止炉底上涨

3　我国溅渣护炉技术现状

我国由于转炉容量小(以30～50t为主[12])、铁液条件差(硅含量偏高、硫含量波动较大,某些企业还采用中磷铁液或提钒后的半钢炼钢)、装备水平低(一般无铁液预处理设备、未采用计算机控制等)、生产节奏快(一般冶炼时间少于30min,生产负荷大)等,使得我国转炉的溅渣护炉具有不同于国外的自身特点。我国自1996年开展溅渣护炉技术研究以来,迅速开发了适合于中国国情的各种转炉溅渣护炉技术,已使我国转炉的炉龄发生了质的飞跃,与采用溅渣技术前相比,我国转炉龄提高了5～10倍。目前我国转炉平均炉龄已接近万炉,同时我国在小型转炉、半钢冶炼转炉及复吹转炉领域的溅渣护炉技术,居世界前列,已形成具有中国特色的专利技术。

3.1　小型转炉溅渣护炉的现状及特点

小型转炉在我国已达200座以上,在我国的炼钢生产能力中占较大的比重。这类转炉铁液及副原料一般质量较差,铁液Si波动大;生产率高、冶炼周期短,班产炉数高;铁液普遍不进行预处理,转炉冶炼脱硫、脱磷负荷大;无精炼设施,为适应连铸的节奏要求,出钢温度一般高达1700℃;由于溅渣频率高,N2普遍不足。这些因素使得小型转炉溅渣时间短、炉渣温度高及渣中TFe高。我国炼钢工作者结合上述国情,开发出了适用于小型转炉的转炉溅渣护炉技术。

(1)优化炼钢工艺,控制过程温度及终点温度。优化供氧制度,降低过程枪位,减少渣中TFe。同时加强管理,保证足够的溅渣频率及溅渣时间。

(2)注重对终渣的调整。调渣剂除采用常规轻烧白云石等,普遍采用含碳炉渣改质剂(碳含量一般在15%～40%),保证渣中MgO含量超过饱和值,同时调整炉渣粘度和过热度,使之适于炉膛喷溅挂渣,并降低终渣的氧化铁及温度,减少高FeO对溅渣层的侵蚀。

(3)采用优质材料做转炉绝热层(如采用低绝热系数的多晶纤维板),减少炉壳变形。通过上述转炉溅渣护炉技术及相关技术的开发,我国的小型转炉的炉龄普遍已达10000炉,最高炉龄已超过25000炉。3.2　半钢冶炼转炉溅渣护炉的现状及特点

我国攀钢和承钢是采用半钢(经提钒后的铁液)冶炼工艺的典型厂家,由于此类铁液含碳低(一般小于3.5%)、铁液的含Si量仅为痕迹(一般小于0.03%),造成炼钢热量不足。同时由于在造渣过程中,SiO2、TiO2等酸性氧化物来源少,致使渣系单一,初渣形成困难,终渣碱度高达6.5以上,所以炼钢化渣困难。为了降低炉渣的熔点和粘度,半钢冶炼必须依靠大量生成的FeO溶解石灰,保证脱磷、脱硫效果,故形成了冶金性能不良的铁-钙渣系,严重影响了溅渣护炉作用的充分发挥。针对半钢冶炼的特点,开发了如下的溅渣工艺:

(1)选用合适的调渣剂。由于半钢冶炼碱度很高,对化渣不利,因此有效调整第一批渣料中含SiO2酸性材料的用量,以控制前期炉渣的碱度非常重要。攀钢半钢冶炼在吹炼前期分别加入轻烧白云石和富锰矿,使炉渣中具有一定量的MgO和MnO含量,以加速初渣的快速形成,同时相应降低了渣中的TFe。

(2)根据终点[C]和终渣TFe以及出钢温度,合

《铸造技术》08/2007李小明等:转炉溅渣护炉技术的发展及现状

理控制终渣MgO含量。对于高中碳钢,由于终点[C]较高,TFe较低(8%～14%),出钢温度仅为1610～1640℃,所以将终渣MgO含量控制在7%～9%就能达到终渣调质的目的。对于低碳钢,渣中TFe含量为15%～23%,出钢温度高达1640～1710℃,需将MgO含量控制在9%～12%,才能将渣做粘。

(3)优化冶炼工艺,控制终渣FeO含量。半钢炼钢由于缺少热量,经常采用后吹来提高钢液温度,终点渣过氧化现象十分严重,TFe高达25%～30%[13]。采取如下措施降低终渣TFe:①优化提钒工艺,提高半钢质量,使入转炉的半钢[C]≥3.4%,温度≥1280℃。承钢在提钒过程中通过有效控制冷料的加入量,已可将半钢的入炉温度稳定在1350℃;②采用热补措施。承钢在转炉吹炼前,根据半钢条件,加入类石墨或无烟煤[14],以增加半钢冶炼时的热收入,取得了很好的效果;③控制过程的炉渣碱度,避免长时间高枪位操作,渣中的TFe可降低2%～3%。

通过工艺优化,攀钢和承钢的半钢转炉炉龄均已超过10000炉,据估算,相当于普铁炼钢30000炉,已达到了世界含钒、钛转炉(半钢)冶炼的一流水平。

3.3　复吹转炉溅渣护炉的现状及特点

转炉采用溅渣护炉使得炉龄大幅度提高后,

的一个问题是底吹供气元件寿命不能同步提高,因此,美国采用转炉溅渣护炉技术后,牺牲了复吹工艺。日本和欧洲等国家为保留复吹工艺,只好牺牲了溅渣技术。我国武汉钢铁公司和钢铁研究总院共同开发的复吹转炉溅渣护炉技术,已成功地解决了保持复吹转炉底吹供气元件寿命与转炉炉龄同步这一国际炼钢生产中的重大难题[15]。

(1)注重对炉渣的控制。转炉出钢后针对炉渣中不同的FeO含量,加入适量不同种类的调渣改质剂,控制终渣MgO含量,使炉渣具有合适的粘度、温度及耐火度。冶炼前期用石灰及轻烧白云石溅渣,控制过程渣MgO含量在6%～8%的范围;冶炼后期采用高MgO炉渣操作工艺。

(2)保护底部供气元件的技术措施,是在炉役初期通过造粘渣和控制喷嘴出口处的热平衡,来使供气元件尽早在出口处形成透气蘑菇头[16]。生成的蘑菇头既能保证底部供气量,可以在炼钢所需的供气范围内灵活调整,又能达到保护供气元件不被侵蚀的目的。同时开发并采用供气效果更加稳定、更加容易维护的新型底吹供气元件。

(3)严格控制炉膛内型形状和炉底形状及蘑菇头的大小和厚度,确保底部喷嘴畅通,不被堵塞和过分蚀损。同时通过调整冶炼钢种和改变溅渣频率来控制炉底的高度,避免炉底过度上涨。

4　我国溅渣护炉技术存在的问题和发展方向我国开展溅渣护炉技术以来,取得了举世瞩目的成绩。在半钢冶炼、小型转炉炼钢及复吹转炉领域的溅渣护炉技术已走在世界的前列。但也存在不足:如调渣剂的选择还不是很合理,调渣工艺还不能根据炉渣成分动态调整;溅渣氮气源不足,不能保证足够的溅渣频率及时间等。今后,我们应进一步优化炉渣的调质及改质工艺,力争实现动态及时调渣,并积极寻求价格更加便宜的调渣剂及改质剂。同时积极开发溅渣护炉自动化技术,以实现自动根据炉渣状况,自动控制溅渣时间及枪位自动溅渣。

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