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：對于轉爐單渣工藝，為了實現轉爐終點不倒渣出鋼，關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上，通過生產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 轉爐爐渣泡沫化程度的影響，得到以下結論：改進轉爐冶煉過程中石灰、輕燒白云石以及冷卻劑的加入方式，同時依據 TSC副槍測量信息嚴格控制二吹供氧量，可以一定程度上降低轉爐終點爐渣的泡沫化程度。采取上述措施后，某廠 180t 轉爐終點的出渣角度由常規工藝平均84° 增加到90.3° ，轉爐終點不倒渣出鋼率由常規工藝 10％ 增長到 50％ 以上，出鋼溫度損失較常規倒渣出鋼工藝降低了6～10℃ ，可減少轉爐出鋼等待時間2min 左右。
關鍵詞：轉爐；不倒渣出鋼；爐渣泡沫化；加料方式；供氧制度
某廠180t轉爐常規冶煉工藝到達目標終點時，為了防止爐渣從爐口涌出，先向前倒爐出渣，然后向后搖爐出鋼，該工藝操作不僅影響生產節奏，同時存在一定的熱量浪費，造成轉爐冶煉消耗增加，成本提高。對于單渣工藝來說，影響轉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象，適當的爐渣泡沫化能夠改善氣 － 渣 － 金屬間的傳熱和傳質 ［1］ ，提高脫磷效果，但過度泡沫化則會導致噴濺，造成渣料和溫度損失，影響操作穩定性。
目前國內大部分廠家為了控制轉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］ ，實現不倒渣出鋼。本研究則在對轉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上，著重通過對加料和供氧制度等因素的優化，控制終點爐渣的泡沫化程度實現不倒渣出鋼。
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；二是使爐渣發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 果，虛 線 為Kazakevith的分析結果。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生影響，同時還會對爐渣及其內部顆粒組成混合物的表觀黏度產生較大影響。對于轉爐吹煉前中期，依據黃志勇等人的研究，在1500 ℃時，當 R ≥1.27時就會析出高熔點2CaO · SiO2 ，使爐渣表觀黏度增加，導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；當堿度R ＞1.7時，繼續提高堿度將使爐渣進入熔點比２ＣａＯ · ＳｉＯ ２ 低的３ＣａＯ · ＳｉＯ ２ （ 2070℃ ）占優勢的區域，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生復雜的作用，因此關于堿度對爐渣泡沫化的影響還存在不同的研究結果，例如楊學民 ［11］ 研究指出，堿度約為1.22時，泡沫化指數值最小，堿度為1.9～2.0時，泡沫化指數值最高。而Jung和Fruehan 的研究［12］指出，堿度在1.2～1.4時，爐渣泡沫化指數最小，堿度小于該范圍時，隨堿度提高，爐渣泡沫化指數降低，當堿度大于該范圍，隨堿度提高，爐渣泡沫化指數增加。
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，轉爐渣中 MgO一般都處于飽和狀態。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，促進爐渣發泡，同時其含量的變化也會對爐渣的黏度產生較大的影響。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。轉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，碳氧反應快速開始后，由于爐渣表面張力較低，渣中產生大量彌散化的CO氣泡，爐渣泡沫化程度會快速增加，甚至產生噴濺。轉爐冶煉中期，碳氧反應劇烈，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。轉爐冶煉后期至冶煉終點，鋼水中碳的傳質成為碳氧反應的限制性環節，底吹動力學條件不好時，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頂底復吹轉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 。
依據上文爐渣泡沫化控制的理論分析結果，結合該廠轉爐冶煉實際情況，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質量分數控制在10％～12％ 。轉爐前期為使爐渣避開易泡沫化區域，石灰和輕燒白云石的加入量應控制前期爐渣堿度在2.0～2.2 ，渣中MgO 質量分數在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。冷卻劑加入量應遵守熱平衡計算結果，避免過量加入，同時冷卻劑應在轉爐冶煉前中期分批加完，轉爐冶煉后期增加底吹強度至0.1m3 ／（t · min）以上，嚴格避免過吹拉碳升溫。
2 結果討論與分析
依據單渣工藝優化方案，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爐終點控制對終點爐渣泡沫化程度的影響。為了對轉爐終點爐渣的泡沫化程度進行定量描述，以終點向前倒爐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 前該廠常規單渣工藝終點平均出渣角 度為84° ，同時生產實踐表明出渣角度大于88° 后，可以確保實現不倒渣出鋼。
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 量 分 數 小 于0.3％的情況下，隨著前期石灰加入量的增加，轉爐終點出渣角度是逐漸增加。依據試驗方案，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，試驗爐次轉爐終點向前搖爐時出渣角度在75°～94° ，平均為87.9° ，較常規工藝均值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，使爐渣避開易泡沫化區域，轉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，一方面可能導致轉爐吹煉過程中渣中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致轉爐后期溫度偏低，為了滿足終點溫度目標要求，終點拉碳升溫，引起爐渣的泡沫化程度升高，最終轉爐終點出渣角度降低。其次，轉爐冶煉中期，碳氧反應劇烈進行，氧的傳遞成為碳氧反應的限制性環節，此時加入的冷卻劑主要用于碳氧反應，防止爐渣返干。轉爐冶煉后期，熔池中碳的傳遞成為碳氧反應的限制性環節，此時加入的冷卻劑會導致渣中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，優化冷卻劑的加入方式，依據試驗方案，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，嚴禁吹煉后期加入冷卻劑，開展了第2批次36爐單渣試驗，轉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。試驗結果表明，嚴格控制冷卻劑的加入量以及控制冷卻劑的加入時機，轉爐終點爐渣的泡沫化程度降低了。
2.3 轉爐終點控制對爐渣泡沫化程度的影響
轉爐二吹表示 TSC副槍測量后到轉爐終點這一階段，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系，從圖中可以看出隨著二吹過吹氧氣量增加，轉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系。
為了避免轉爐終點的過吹問題，依據第1和第2批次試驗數據，選取出渣角度大于88°即終渣泡沫化程度低的爐次，對轉爐二吹階段供氧量進行擬合，得到經驗公式（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上，依據公式（1）控制轉爐二吹供氧量，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上，優化轉爐二吹階段供氧量，可以進一步降低轉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 論
1 ）轉爐前期為使爐渣避開易泡沫化區域，石灰和輕燒白云石的加入量應控制前期爐渣堿度在2.0～2.2，渣中 MgO質量分數在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 ）冷卻劑加入量應遵守熱平衡計算結果，避免過量加入，同時冷卻劑應在轉爐冶煉前中期分批加完，嚴格避免拉碳升溫。
3 ） TSC 副 槍 測 量 后 提 高 底 吹 強 度 至0.1m3 ／（t · min ）以上，同時依據副槍測量信息和終點要求，嚴格控制供氧量。
4 ）采取上述措施后，某廠180t轉爐終點的出渣角度由常規工藝平均84°增加到90.3° ，轉爐終點不倒渣出鋼率由常規工藝10％增長到50％以上，出鋼溫度損失較常規倒渣出鋼工藝降低了6～10 ℃ ，同時可減少轉爐出鋼等待時間2min左右。
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