王 耀，朱少楠，管 挺，鄒長東
（江蘇省（沙鋼）鋼鐵研究院，江蘇 張家港 ２１５６２５ ）
摘 要：對于轉(zhuǎn)爐單渣工藝，為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐終點不倒渣出鋼，關(guān)鍵在于控制爐渣的泡沫化程度。在理論分析爐渣泡沫化程度影響因素的基礎(chǔ)上，通過生產(chǎn)試驗研究了加料方式和副槍測量后的二吹供氧量等因素對某廠 180t 轉(zhuǎn)爐爐渣泡沫化程度的影響，得到以下結(jié)論：改進轉(zhuǎn)爐冶煉過程中石灰、輕燒白云石以及冷卻劑的加入方式，同時依據(jù) TSC副槍測量信息嚴(yán)格控制二吹供氧量，可以一定程度上降低轉(zhuǎn)爐終點爐渣的泡沫化程度。采取上述措施后，某廠 180t 轉(zhuǎn)爐終點的出渣角度由常規(guī)工藝平均84° 增加到90.3° ，轉(zhuǎn)爐終點不倒渣出鋼率由常規(guī)工藝 10％ 增長到 50％ 以上，出鋼溫度損失較常規(guī)倒渣出鋼工藝降低了6～10℃ ，可減少轉(zhuǎn)爐出鋼等待時間2min 左右。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐；不倒渣出鋼；爐渣泡沫化；加料方式；供氧制度
某廠180t轉(zhuǎn)爐常規(guī)冶煉工藝到達目標(biāo)終點時，為了防止?fàn)t渣從爐口涌出，先向前倒?fàn)t出渣，然后向后搖爐出鋼，該工藝操作不僅影響生產(chǎn)節(jié)奏，同時存在一定的熱量浪費，造成轉(zhuǎn)爐冶煉消耗增加，成本提高。對于單渣工藝來說，影響轉(zhuǎn)爐終點爐渣高度的因素除了渣量以外，即為爐渣的泡沫化程度。爐渣泡沫化是煉鋼過程中最常見的現(xiàn)象，適當(dāng)?shù)臓t渣泡沫化能夠改善氣 － 渣 － 金屬間的傳熱和傳質(zhì) ［1］ ，提高脫磷效果，但過度泡沫化則會導(dǎo)致噴濺，造成渣料和溫度損失，影響操作穩(wěn)定性。
目前國內(nèi)大部分廠家為了控制轉(zhuǎn)爐終點爐渣的泡沫渣程度，主要通過加入壓渣劑的方式 ［2-5］ ，實現(xiàn)不倒渣出鋼。本研究則在對轉(zhuǎn)爐冶煉過程爐渣泡沫化程度影響因素進行理論分析的基礎(chǔ)上，著重通過對加料和供氧制度等因素的優(yōu)化，控制終點爐渣的泡沫化程度實現(xiàn)不倒渣出鋼。
1 研究方法
1.1 爐渣泡沫化程度影響因素理論分析
爐渣 泡 沫 化 程 度 主 要 取 決 于 2 方 面 因素 ［1 ， 6-7］ ，一是爐渣組成以及由組成決定的物理特性，主要包括爐渣黏度和表面張力；二是使?fàn)t渣發(fā)泡的氣體來源以及形成新的渣氣界面所需的能量。上述2方面因素對爐渣泡沫化程度的影響可用泡沫化指數(shù)來定量描述 ［8］ ，如式（1）所示。
式中，η 表示爐渣黏度， Pa · s ； σ 表示爐渣表面張力， N ／ m ；ρ 表示爐渣密度，Kg／ m3 ；Db 表示氣泡直徑， m 。從式（1）可以看出，隨著界面張力的增大和黏度的減小，爐渣的泡沫化程度不斷降低。爐渣中不同組成對其界面張力以及黏度的影響是不同的。
1.1.1 堿度對爐渣泡沫化程度的影響
圖1為 CaO －SiO2 －FeO 三元渣系的表面張力圖 ［9］ ，其 中 實 線 為Kowai 的 分 析 結(jié) 果，虛 線 為Kazakevith的分析結(jié)果。從圖中可以看出隨著渣中CaO 含量的增加，爐渣的表面張力不斷增大；隨著渣中 SiO2 含量的增加，爐渣表面張力不斷降低，同時SiO2 還能與P2O5 共同作用增加氣泡薄膜的黏性和彈性 ［10］ ，使氣泡穩(wěn)定存在于渣中。因此從提高爐渣界面張力來看，提高爐渣的堿度（ w （CaO ／ w（ SiO2 ））有利于降低爐渣的泡沫化程度。
堿度（ w （ CaO ／ w （ SiO2 ））不僅對爐渣界面張力產(chǎn)生影響，同時還會對爐渣及其內(nèi)部顆粒組成混合物的表觀黏度產(chǎn)生較大影響。對于轉(zhuǎn)爐吹煉前中期，依據(jù)黃志勇等人的研究，在1500 ℃時，當(dāng) R ≥1.27時就會析出高熔點2CaO · SiO2 ，使?fàn)t渣表觀黏度增加，導(dǎo)致爐渣中的氣體被較長時間阻滯在渣層之中，爐渣泡沫性程度增大；當(dāng)堿度R ＞1.7時，繼續(xù)提高堿度將使?fàn)t渣進入熔點比２ＣａＯ · ＳｉＯ ２ 低的３ＣａＯ · ＳｉＯ ２ （ 2070℃ ）占優(yōu)勢的區(qū)域，表觀黏度下降，爐渣泡沫性降低。但是由于堿度對表面張力和黏度都產(chǎn)生復(fù)雜的作用，因此關(guān)于堿度對爐渣泡沫化的影響還存在不同的研究結(jié)果，例如楊學(xué)民 ［11］ 研究指出，堿度約為1.22時，泡沫化指數(shù)值最小，堿度為1.9～2.0時，泡沫化指數(shù)值最高。而Jung和Fruehan 的研究［12］指出，堿度在1.2～1.4時，爐渣泡沫化指數(shù)最小，堿度小于該范圍時，隨堿度提高，爐渣泡沫化指數(shù)降低，當(dāng)堿度大于該范圍，隨堿度提高，爐渣泡沫化指數(shù)增加。
1.1.2 MgO 含量對爐渣泡沫化程度的影響
出于對爐襯維護的考慮，轉(zhuǎn)爐渣中 MgO一般都處于飽和狀態(tài)。渣中的 MgO含量的增加，會提高爐渣表面張力，有利于降低爐渣的泡沫化程度。同時MgO 飽和的渣中FeO · MgO 將率先結(jié)晶析出 ［13］，增加液渣中固體顆粒的量，引起爐渣黏度的升高。
Jung 等人［12］ 的研究表明，爐渣的泡沫化程度，隨著渣中 MgO的增加而降低。 1350 ℃條件下，對于堿度大于1的堿性渣，爐渣的泡沫化指數(shù)隨渣中 MgO的增加而降低。
1.1.3 FeO 含量對爐渣泡沫化程度的影響
轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，渣中FeO是受工藝操作影響最大的變量之一。FeO 能夠降低爐渣的表面張力，促進爐渣發(fā)泡，同時其含量的變化也會對爐渣的黏度產(chǎn)生較大的影響。在一定的供氧強度條件下，渣中 FeO含量主要與槍位、含氧化鐵冷卻劑的加入量以及加入方式有關(guān)。轉(zhuǎn)爐吹煉前期如果長期高槍位冶煉，同時冷卻劑加入量大，則會造成渣中 FeO 聚集，碳氧反應(yīng)快速開始后，由于爐渣表面張力較低，渣中產(chǎn)生大量彌散化的CO氣泡，爐渣泡沫化程度會快速增加，甚至產(chǎn)生噴濺。轉(zhuǎn)爐冶煉中期，碳氧反應(yīng)劇烈，如果短時加入大量冷卻劑，也會造成渣中 FeO 聚集，引起爐渣泡沫化程度增大。轉(zhuǎn)爐冶煉后期至冶煉終點，鋼水中碳的傳質(zhì)成為碳氧反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)，底吹動力學(xué)條件不好時，容易造成過氧化引起爐渣泡沫化程度升高。
1.2 試驗方案
該廠180t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐鐵水成分和溫度情況如表1所示。頂吹氧槍為6孔噴頭，供氧流量為32000～39000m3／h ，正常冶煉槍位為1.45～2.10m ；底吹氬氣流量為800～1800 m3 ／h 。
依據(jù)上文爐渣泡沫化控制的理論分析結(jié)果，結(jié)合該廠轉(zhuǎn)爐冶煉實際情況，對單渣工藝的加料、供氧和底吹制度進行優(yōu)化。具體方案如下：
綜合考慮堿度和渣量對終點爐渣高度的影響，終點爐渣堿度控制在3.0～3.5 ， MgO質(zhì)量分數(shù)控制在10％～12％ 。轉(zhuǎn)爐前期為使?fàn)t渣避開易泡沫化區(qū)域，石灰和輕燒白云石的加入量應(yīng)控制前期爐渣堿度在2.0～2.2 ，渣中MgO 質(zhì)量分數(shù)在6％～8％ ，同時采取高槍位，確保加入的石灰和輕燒白云石快速成渣，TSC 副槍測量后加入適量石灰和輕燒白云石。冷卻劑加入量應(yīng)遵守?zé)崞胶庥嬎憬Y(jié)果，避免過量加入，同時冷卻劑應(yīng)在轉(zhuǎn)爐冶煉前中期分批加完，轉(zhuǎn)爐冶煉后期增加底吹強度至0.1m3 ／（t · min）以上，嚴(yán)格避免過吹拉碳升溫。
2 結(jié)果討論與分析
依據(jù)單渣工藝優(yōu)化方案，開展了 3批次共113爐單渣試驗，分別考察了石灰和輕燒白云石的加入方式、冷卻劑的加入方式以及轉(zhuǎn)爐終點控制對終點爐渣泡沫化程度的影響。為了對轉(zhuǎn)爐終點爐渣的泡沫化程度進行定量描述，以終點向前倒?fàn)t出渣時傾動角度來表示爐渣的泡沫化程度，傾動角度越小說明終點爐渣的泡沫化程度越高。目 前該廠常規(guī)單渣工藝終點平均出渣角 度為84° ，同時生產(chǎn)實踐表明出渣角度大于88° 后，可以確保實現(xiàn)不倒渣出鋼。
2.1 石灰和輕燒白云石加入方式對終點
爐渣泡沫化程度的影響圖2為前期石灰加入量對終點出渣角度的影響，從圖 中 可 以 看 出，在 鐵 水 硅 質(zhì) 量 分 數(shù) 小 于0.3％的情況下，隨著前期石灰加入量的增加，轉(zhuǎn)爐終點出渣角度是逐漸增加。依據(jù)試驗方案，第1批次共開展53爐單渣試驗，改進了冶煉過程中石灰和輕燒白云石的加入方式，試驗爐次出渣角度的變化情況如圖3所示。
從圖 3可以看出，試驗爐次轉(zhuǎn)爐終點向前搖爐時出渣角度在75°～94° ，平均為87.9° ，較常規(guī)工藝均值84°有大幅增加，其中出渣角度大于88°的占比64.2％ ，說明依據(jù)試驗方案改進石灰和輕燒白云石的加入方式后，對冶煉過程中的爐渣堿度和 MgO含量進行控制，使?fàn)t渣避開易泡沫化區(qū)域，轉(zhuǎn)爐終點爐渣的泡沫化程度降低了。
2.2 冷卻劑加入方式對終點爐渣泡沫化程度的影響
從圖４可以看出，整體上隨著冷卻劑加入量的增加，轉(zhuǎn)爐終點出渣角度逐漸降低。冷卻劑加入量增加，一方面可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐吹煉過程中渣中FeO含量增加，引起爐渣界面張力降低，不利于CO的溢出；另一方面過量冷卻劑的加入導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐后期溫度偏低，為了滿足終點溫度目標(biāo)要求，終點拉碳升溫，引起爐渣的泡沫化程度升高，最終轉(zhuǎn)爐終點出渣角度降低。其次，轉(zhuǎn)爐冶煉中期，碳氧反應(yīng)劇烈進行，氧的傳遞成為碳氧反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)，此時加入的冷卻劑主要用于碳氧反應(yīng)，防止?fàn)t渣返干。轉(zhuǎn)爐冶煉后期，熔池中碳的傳遞成為碳氧反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)，此時加入的冷卻劑會導(dǎo)致渣中FeO 含量升高，爐渣界面張力降低，不利于CO氣泡的溢出，導(dǎo)致爐渣的泡沫化程度加劇，降低終點出渣角度。
在改進石灰和輕燒白云石的加入方式后，優(yōu)化冷卻劑的加入方式，依據(jù)試驗方案，由熱平衡計算控制冷卻劑的加入總量，冷卻劑在冶煉前中期分批均勻加入，嚴(yán)禁吹煉后期加入冷卻劑，開展了第2批次36爐單渣試驗，轉(zhuǎn)爐終點出渣角度的變化情況如圖5所示。從圖5可以看出，試驗爐次出渣角度的均值為89.3° ，大于第一批次試驗均值87.9°和常規(guī)工藝 均 值 84° ，其 中 大 于 88°的 爐 次 占 比 達 到77.8％ ，出渣角度的均值以及大于88°的爐次占比都有所提高。試驗結(jié)果表明，嚴(yán)格控制冷卻劑的加入量以及控制冷卻劑的加入時機，轉(zhuǎn)爐終點爐渣的泡沫化程度降低了。
2.3 轉(zhuǎn)爐終點控制對爐渣泡沫化程度的影響
轉(zhuǎn)爐二吹表示 TSC副槍測量后到轉(zhuǎn)爐終點這一階段，二吹過吹氧氣量表示二吹實際供氧量和理論供氧量之差。圖6為二吹過吹氧氣量和出渣角度的關(guān)系，從圖中可以看出隨著二吹過吹氧氣量增加，轉(zhuǎn)爐出渣角度逐漸降低，即爐渣泡沫化程度不斷升高。二吹過吹將會導(dǎo)致渣中FeO 含量增加，爐渣的界面張力降低，不利于渣中CO氣泡的碰撞長大從渣中溢出，進而導(dǎo)致爐渣的泡沫化程度增大，降低出渣角度。圖7為部分爐次終渣TFe含量和終點出渣角度的關(guān)系。
為了避免轉(zhuǎn)爐終點的過吹問題，依據(jù)第1和第2批次試驗數(shù)據(jù)，選取出渣角度大于88°即終渣泡沫化程度低的爐次，對轉(zhuǎn)爐二吹階段供氧量進行擬合，得到經(jīng)驗公式（1）。
二吹供氧量＝900．117 ［ ％C ］ TSC －6.503 T TSC＋6.726 TTSO（1）
式中，［ ％C ］TSC 表示 TSC 副槍測量鋼水碳含量；T TSC 表示TSC副槍測量鋼水溫度； T TSO 表示 TSO副槍測量鋼水溫度。
因此在改變石灰、輕燒白云石以及冷卻劑加入方式的基礎(chǔ)上，依據(jù)公式（1）控制轉(zhuǎn)爐二吹供氧量，開展了24爐單渣試驗，試驗爐次終點倒渣角度的變化情況如圖8所示。
從圖8可以看出，試驗爐次的平均出渣角度為90.4° ，較第2批次試驗爐次均值89.2°有一定程度增加，其中出渣角度大于88°的爐次達到了88％ ，高于第2 批次的77.8％ ，說明在改進石灰、輕燒白云石以及冷卻劑加入方式的基礎(chǔ)上，優(yōu)化轉(zhuǎn)爐二吹階段供氧量，可以進一步降低轉(zhuǎn)爐終點爐渣的泡沫化程度，提高不倒渣出鋼比率。實際冶煉過程中，轉(zhuǎn)爐終點爐長先向前搖爐確定出渣角度，如果出渣角度大于88° ，則可以不倒渣出鋼。
3 結(jié) 論
1 ）轉(zhuǎn)爐前期為使?fàn)t渣避開易泡沫化區(qū)域，石灰和輕燒白云石的加入量應(yīng)控制前期爐渣堿度在2.0～2.2，渣中 MgO質(zhì)量分數(shù)在6％～8％ ，同時采取高槍位，確保加入的石灰和輕燒白云石快速成渣，TSC副槍測量后加入適量石灰和輕燒白云石。
2 ）冷卻劑加入量應(yīng)遵守?zé)崞胶庥嬎憬Y(jié)果，避免過量加入，同時冷卻劑應(yīng)在轉(zhuǎn)爐冶煉前中期分批加完，嚴(yán)格避免拉碳升溫。
3 ） TSC 副 槍 測 量 后 提 高 底 吹 強 度 至0.1m3 ／（t · min ）以上，同時依據(jù)副槍測量信息和終點要求，嚴(yán)格控制供氧量。
4 ）采取上述措施后，某廠180t轉(zhuǎn)爐終點的出渣角度由常規(guī)工藝平均84°增加到90.3° ，轉(zhuǎn)爐終點不倒渣出鋼率由常規(guī)工藝10％增長到50％以上，出鋼溫度損失較常規(guī)倒渣出鋼工藝降低了6～10 ℃ ，同時可減少轉(zhuǎn)爐出鋼等待時間2min左右。
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