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。

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］：

式中，C_D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］：

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。

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。

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。

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。

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。

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.