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100 t 轉爐氧槍噴頭參數優化實踐

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-05-21  作者:梁祥遠,王興,金龍  瀏覽次數:1241
 
核心提示:摘要: 針對鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠100 t 轉爐冶煉供氧時間長、耗氧量大、鋼鐵料消耗高等問題,對原氧槍噴頭參數進行了優化,包括噴頭喉口直徑、出口直徑、中心傾角及氧槍槍位控制等。結果表明,氧槍噴頭優化后,轉爐冶煉供氧時間縮短約100 s,耗氧量降低1.81 m3/t,轉爐終點鋼水磷含量降低了0.01%,減少了點吹,降低了鋼鐵料的消耗。 關鍵詞: 轉爐;氧槍噴頭;供氧時間;脫磷
 100 t 轉爐氧槍噴頭參數優化實踐

梁祥遠,王興,金龍

(鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠,遼寧鞍山114021)

摘要: 針對鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠100 t 轉爐冶煉供氧時間長、耗氧量大、鋼鐵料消耗高等問題,對原氧槍噴頭參數進行了優化,包括噴頭喉口直徑、出口直徑、中心傾角及氧槍槍位控制等。結果表明,氧槍噴頭優化后,轉爐冶煉供氧時間縮短約100 s,耗氧量降低1.81 m3/t,轉爐終點鋼水磷含量降低了0.01%,減少了點吹,降低了鋼鐵料的消耗。

關鍵詞: 轉爐;氧槍噴頭;供氧時間;脫磷

供氧是氧氣轉爐煉鋼整個吹煉過程的中心環節,影響吹煉熔時和鋼水成分,對去除鋼中有害雜質和有害元素非常關鍵。氧槍是煉鋼中關鍵的供氧裝備,氧槍能把氧氣通過強壓噴進熔池中,達到提高鋼水溫度、除碳及去夾雜的目的。噴頭是構成氧槍的重要部件,氧槍噴頭不但要求冶金效果好,而且要有較高的高溫耐蝕性和抗變形能力。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠100 t 轉爐用氧槍供氧強度較小,吹煉時間長,不利于熔池的攪拌,使吹煉終點氧含量高, 增加鋼鐵料的同時增加了脫氧合金的消耗。因此,對該轉爐氧槍噴頭參數進行了優化,縮短了供氧時間,降低了鋼鐵料的消耗。

1 轉爐及氧槍工藝參數

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠二分廠現有3 座100 t 頂底復吹轉爐,轉爐主要技術參數見表1,氧槍噴頭原設計參數見表2。

圖片2 

2 存在問題

由于鐵水條件、廢鋼及冷料原材料的變化、操作者的更換以及爐齡的增長均導致爐膛內襯的形狀發生變化, 而且一個氧氣總管道先后供氧給各轉爐,造成各轉爐供氧壓力不同。上述原因導致原氧槍噴頭使用過程中出現以下問題。

(1) 供氧時間較長,供氧強度較小

供氧量為18 500~19 500 m3/h, 供氧強度為3.16 m3/(t·min),平均供氧時間在16 min 以上,冶煉周期在33 min 以上,轉爐供氧時間已經滿足不了連鑄機恒拉速的要求。

(2) 跑渣、噴濺、粘煙罩頻率高

由于氧槍的各參數與爐膛形狀不匹配, 有時前期來渣特別快, 壓入的爐料立即以低溫黑熔渣從爐口緩慢涌出,很難將爐渣壓入爐內。中期爐內溫度提高, 爐內碳反應劇烈, 造成了高溫渣的涌出, 增加了鋼鐵料的消耗。吹煉過程中沖擊面積小,過程化渣效果差,易噴濺,吹煉損耗大,而且容易粘煙罩導致生產事故。

(3) 氧槍槍齡短

由于原來氧槍參數不合理, 冶煉過程化渣困難, 熔渣中期容易出現返干。隨著轉爐爐齡的增長,化渣效果變差,經常出現前期跑渣后,氧槍粘鐵,中期返干沒有爐渣,氧氣流股直接吹到鋼水面上導致氧槍粘鋼。操作時必須抬高槍位重新化渣,結果加劇了氧氣射流對爐襯的侵蝕。氧槍粘鋼粘鐵侵蝕噴頭部位,降低槍齡。

(4) 濺渣護爐效果不理想

由于氧槍參數不合理,導致熔渣過稀,濺渣護爐時增加了氮氣的消耗,延長了濺渣時間,結果影響爐襯,增加了爐襯維護費用。

3 氧槍噴頭參數優化

3.1 原氧槍噴頭參數分析

(1) 供氧量

根據馬赫數M=1.99,查等熵流表得出P 出/P0=0.129 8,由于噴頭出口壓力P 出即爐膛壓力近似于大氣壓力, 所以計算得設計壓力( 閥后)P0 =0.79 MPa,根據下列公式計算供氧量[1]

圖片1 

式中,CD為修正系數,取0.96;A0為喉口斷面積,本噴頭為3 017.54 mm2;P0為設計氧壓,0.79 MPa;T0為氧氣滯止溫度,本噴頭取293 K。

通過計算得原噴頭供氧量Q=14 400 m3/h。目前實際使用供氧量為20 000 m3/h, 超過設計供氧量的28%,嚴重超出設計能力上限,造成了噴濺、脫磷困難、供氧時間長等問題。因此可適當提高設計供氧量,增加供氧強度,達到減少噴濺、提高脫磷率的目的。

(2) 沖擊深度

沖擊深度受氧槍噴頭參數影響較大, 根據弗林公式計算沖擊深度h[2]

圖片3 

式中,P0為氧氣滯止壓力,為7.9 kg / cm2;D0為氧槍喉口直徑,為31 mm; H 為操作槍位,cm。

根據公式(2),過程操作槍位H 為150 cm 時,計算沖擊深度h 為71.8 cm,當熔池深度為125 cm時,沖擊比(沖擊深度與熔池深度比值)為57.4%;拉碳槍位H 為105 cm 時,沖擊深度為85.1 cm,沖擊比為68.1%。射流對熔池沖擊深度過大,對爐底沖刷比較嚴重。脫碳速度快,渣中氧化鐵消耗速度快,容易造成爐渣返干,易噴濺。

3.2 新噴頭參數優化

3.2.1 喉口直徑

馬赫數過大,易出現噴濺,增加熱損失、渣鐵料消耗及鐵損,且易損壞轉爐內襯和爐底;馬赫數較低,射流攪拌作用減弱,氧氣利用率降低,渣中含鐵增高,亦引起噴濺[2]。綜合考慮,為縮短供氧時間,提高噴頭使用壽命,減少噴濺,取馬赫數2.02,因此設計滯止壓力為0.84 MPa。適當提高供氧強度,選用氧氣流量21 000 m3/h,增加喉口直徑,根據式(1),計算得新噴頭喉口直徑為34.1 mm。

3.2.2 出口直徑

根據馬赫數為2.02,查表得A出/A喉=1.716,因此,可計算新噴頭出口直徑為44.7 mm。

3.2.3 中心傾角

射流對熔池有一定的沖擊深度和沖擊面積,在保證沖擊深度的前提下, 適當增加噴頭中心傾角,沖擊面積增大,氧氣射流的化渣能力增強,脫磷效果好。因此,新噴頭的中心傾角較原噴頭增加0.5°,即確定為12.5°。

3.2.4 射流沖擊深度及操作槍位

計算可知,當過程沖擊比達到60%時,新噴頭的沖擊深度為75 cm,過程操作槍位為166 cm;當拉碳沖擊比達到69%時, 新噴頭的沖擊深度為86.25 cm,過程操作槍位為123 cm。新噴頭的操作槍位較原噴頭提高10%~17%,有利于提高噴頭壽命,沖擊面積增加有利于脫磷。優化后氧槍噴頭參數見表3。

圖片4 

4 工業試驗結果

4.1 氧氣消耗

相同的工況氧壓條件下, 新噴頭的動能較原噴頭的大。因此,新噴頭對熔池的攪拌能力大,沖擊深度深,氧氣的利用率也高。對優化后的噴頭進行跟蹤試驗并對比優化前的,結果發現,優化前的耗氧量波動范圍為52 ~57 m3/t,離散度較大,且平均值較高。優化后,耗氧量變化比較平穩,基本在51 ~54 m3/t,而且平均耗氧量比較低。耗氧量約降低了1.81 m3/t,平均降低6%。

4.2 終點鋼水磷含量

優化后的氧槍噴頭對熔池的沖擊面積增大,加快了轉爐的成渣速度,改善了熔渣的流動性,提高了轉爐脫磷的動力學條件,加速了石灰的熔化,因此有利于前期脫磷反應的進行, 提高了轉爐吹煉終點磷的合格率。圖1 為氧槍噴頭優化前后脫磷效果的對比。由圖1 看出,噴頭優化前,鋼水中磷含量波動很大,而且終點鋼水磷含量值較高,最高達到0.035%左右;噴頭優化后,終點鋼水中磷含量波動范圍較窄, 而且終點鋼水磷含量最高達0.025%左右,比改進前降低了0.010%。提高了一拉率,減少了點吹次數,降低鋼鐵料消耗。

圖片5 

4.3 供氧時間及噴頭壽命

優化后的噴頭氧氣出口動能較大,且供氧強度增加,對熔池物料與鋼水的攪拌更加均勻,鋼水的氧化性降低, 既減少了鐵損, 又降低了氧氣消耗。圖2 為噴頭優化前后供氧時間對比。

圖片6 

由圖2 看出, 優化前噴頭的平均吹氧時間約15.7 min,優化后約為14.0 min,吹氧時間縮短約100 s。使用新噴頭后, 氧槍操作槍位提高約200 mm,減少了高溫熔渣和鋼水對噴頭的輻射量,噴頭使用壽命由原來的500 爐次提高到570 爐次。氧槍噴頭優化前后粘鋼對比見圖3。

圖片7 

4.4 濺渣護爐

爐渣的耐火度由終渣的成分決定, 對耐火度有影響的主要組分是MgO、FeO 和堿度。氧槍噴頭優化后,不定時采集轉爐耳軸和渣線部位的終渣分析,結果為ω(CaO):38%~45%、ω(SiO2):11%~15%、ω(MgO):8%~12%、ω(FeO):18%~25%,完全滿足濺渣護爐的要求。濺渣護爐效果試驗的數據為所選區域內25 個測量點的平均厚度值,留渣量、氮氣壓力、流量等其它參數基本相同。通過數據的對比分析,結果是射流速度相同的情況下,優化后噴頭的濺渣護爐效果更佳。由于氧槍流量提高了2 000 m3/h 以上, 因而濺渣護爐的時間明顯縮短。濺渣時能夠觀察到大塊渣滴飛濺出爐口,說明濺渣效果大大改善。噴頭優化后,轉爐噸鋼成本有所下降,減少了耐火材料的消耗。

4.5 對渣中FeO 含量的影響

圖4 為氧槍噴頭優化前后對渣中FeO 含量影響對比。從圖4 中可以看出,優化前渣中FeO 含量主要為24%~28%,優化后,渣中FeO 含量主要為20%~25%,渣中FeO 含量有所降低,減少了熔渣對爐襯的侵蝕。氧槍噴頭優化后,吹煉槍位和氧槍的供氧壓力都得到改善。優化后的新型四孔拉瓦爾氧槍使用以來,因為成渣質量提高,終點鋼水中磷、硫含量明顯降低。爐內反應平穩,成渣速度快,“返干”現象減少。

圖片8 

4.6 對終渣堿度的影響

氧槍噴頭優化前, 轉爐終渣堿度平均為2.5~3.0,優化后,轉爐終渣堿度平均為3.0~3.5,合適的堿度范圍明顯改善轉爐渣的流動性及冶煉效果。優化后的氧槍噴頭改善了化渣效果, 由于適宜的沖擊深度和較大的沖擊面積, 使渣中FeO 的含量明顯提高。根據石灰熔化成渣的原理,FeO 能夠有效降低爐渣生成物的熔點,在石灰渣化的過程中,快速地促進石灰熔解,因而增加熔煉前期的去磷、硫效果。在實際操作中,可相應減少石灰加入量,減少渣量,實現少渣冶煉,降低鋼鐵料消耗。

5 結語

針對鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠二分廠100 t 轉爐供氧時間長、噸鋼耗氧量大、鋼鐵料消耗高等問題,優化了原氧槍噴頭參數,包括喉口直徑、出口直徑、中心傾角及氧槍槍位控制等,優化后,供氧時間縮短約100 s,新噴頭使用壽命由500爐次提高到570 爐次。改善了前期化渣效果,終點鋼水磷含量降低了0.010%。吹煉終點供氧強度增加, 加強了熔池的攪拌, 降低了轉爐終渣FeO 含量,FeO 平均含量由24.2%降低到22.8%, 而且FeO 含量波動小,降低了鋼鐵料消耗。

參考文獻

[1] 張巖, 張紅文. 氧氣轉爐煉鋼工藝與設備[M]. 北京: 冶金工業出版社, 2010.

[2] 袁章福, 潘貽芳. 煉鋼氧槍技術[M]. 北京: 冶金工業出版社,2007.

 
 
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