劉廣強¹ 李俊男²  苑星五² 劉坤²

（1.遼寧科技大學 土木工程學院；2.遼寧科技大學 材料與冶金學院）

摘  要：為進一步優化和控制氧槍的吹煉性能，研發了一種260t轉爐用新型雙結構氧槍，從理論上對比了雙結構氧槍和傳統氧槍與熔池作用的沖擊坑特性；將所設計的雙結構氧槍應用于工業實驗，統計分析了雙結構氧槍的關鍵吹煉參數，并與目前的傳統氧槍的吹煉特性進行了對比，結果顯示：雙結構氧槍的各項關鍵吹煉指標對比傳統氧槍優勢明顯，其中吹氧時間平均縮短了近50s，對熔池的吹煉強度有所提高；脫磷率平均提高3%左右，平均鋼鐵料消耗降低了15 kg/t。

關鍵詞：雙結構氧槍；轉爐；高效率；沖擊坑

1  緒論

在轉爐煉鋼過程中，高壓氧通過氧槍噴嘴轉化為超音速射流，噴射到熔池中。射流的動力學行為對于供氧和造渣起著重要作用。吹煉過程中復雜的物理現象與射流對熔池的沖擊作用密切相關^[1]。長期以來，對氧槍多股射流吹煉特性的研究一直是一個熱點，對傳統氧槍在各種條件下的不斷認知以及相關知識的不斷積累，為轉爐煉鋼做出了重要貢獻^[2]。然而，隨著對提高生產效率和降低成本的需求不斷增加，此類常規氧槍由于其固有的特性和操作因素的局限性，已經很難為進一步優化和控制冶金性能提供滿意的解決方案。這也促使人們考慮采用各種新型結構氧槍來改善其吹煉性能，這其中一種雙結構氧槍逐漸受到重視。

雙結構氧槍的特點是其射流噴孔具有兩組不同傾角和不同氣體流量，且兩組噴孔的出口軸心距也不同。因此，與傳統氧槍相比，雙結構氧槍可以提供更廣泛的設計參數。基于水模型實驗和數值模擬，一些研究表明雙結構氧槍在改善冶金性能方面具有巨大的優勢和潛在的使用價值^[3-5]。然而，在工業生產條件下，雙參數射流并沒有廣泛應用于轉爐。

本文的目的是通過工業實驗獲取關鍵的冶煉參數并進行統計分析，以了解新型雙結構氧槍的吹煉特性，并將結果與目前的傳統氧槍進行比較。

2  噴頭射流與熔池相互作用的理論分析

圖1  沖擊坑深度對比分析

轉爐反應動力學研究表明，氧氣射流必須對熔池產生一定的沖擊深度才能實現熔池的均勻運動從而獲得良好的反應速率。氧氣射流沖擊熔池的深度是評價射流對熔池作用的重要指標。如沖擊力過小，則沖擊深度不夠，熔池吸氧程度降低，氧的利用率和脫碳速度減小；沖擊力過大，沖擊深度深，則易于損壞爐底和影響化渣。為考察260t轉爐用氧槍噴頭射流對熔池的作用情況，根據Flinn公式計算了射流對熔池的穿透深度^[6]。

                   （1）

式中，ｈ為穿透深度，cm；Ｈ 為槍位高度，cm；θ 為噴孔傾角，°；d_t為喉口直徑，cm；P₀為氧氣滯止壓力，MPa。

對于雙結構氧槍，大流量，小角度的內側噴孔對沖擊深度起到主要的作用，因此減少射流的角度，并增大射流流股的流量可以增加沖擊坑的深度。以內孔14°，流量比65%為例，則不同槍位下和不同流量下的沖擊坑深度與原五孔氧槍對比結果如圖１所示，從圖中可以看出在相同的供氧流量下，隨著槍位的下降沖擊深度越深；槍位一定時，隨著供氧流量的增大，沖擊深度加深，53000Nm³/h流量下新型雙結構氧槍的沖擊坑深度比傳統氧槍的要深（12.53-14.46）cm。

圖2 沖擊坑面積對比分析

要實現轉爐熔池平穩、均勻的運動，射流除了要對熔池產生一定的沖擊深度之外還必須要有合適的沖擊面積。根據熔池反應面積與槍位高度和噴頭參數關系^[6]，可得出式(2)。

               （2）

式中，Ａ為熔池反應面積，m²；Ｒ為反應區半徑，m；Ｌ為噴孔中心與噴頭中心的距離，m；α為氧氣射流膨脹半角，α=9°。根據式（2）計算得出氧槍槍位與沖擊面積的關系如圖2所示。從圖中可見，氧槍槍位越低沖擊面積越小。研究表明，增大氧氣射流對熔池沖擊面積可加速初期渣的形成，縮短吹煉時間，同時快速形成的泡沫渣可對轉爐煙塵起到“過濾”作用，對飛濺的金屬有一定的緩沖作用，可減少吹煉時金屬的損失^[7]。因此，冶煉前期在保證合適沖擊深度的同時適當提高氧槍槍位，擴大沖擊有利于初期渣快速形成。53000Nm³/h流量下新型雙結構氧槍的沖擊坑面積比傳統氧槍的要大（0.62-1.05）m²。

3  實驗裝備與過程

本實驗所用雙結構氧槍噴頭如圖3所示，該噴頭由中鋼集團鞍山熱能研究院鍛造加工，材質為純紫銅。尺寸具體見表1。

圖3  雙結構氧槍噴頭結構

表1   260t 轉爐用普通氧槍和雙結構氧槍的幾何參數

實驗地點在某鋼廠260t轉爐進行，轉爐爐齡為4000-5000爐。實驗用鐵水成分見表1。數據采集包括一個氧槍壽命周期下的所有有效爐次，冶煉鋼種為低硅鋁鋼，分析的關鍵技術參數包括：吹氧時間、耗氧和供氧強、鋼鐵消耗量、渣耗以及脫磷率等。同時將關鍵參數與當下使用的普通氧槍進行對比。

吹煉過程的關鍵操作參數包括：鐵水量裝入230-255t，廢鋼量裝入25-50t，總裝入量控制在280±5t；石灰加入總量的80%～100%在開吹6min內加入，石灰石在開吹3min之內全部加入，輕燒鎂球在兌鐵結束之后開吹前一次性加入，保證終點渣中MgO在8%～12%；使用燒結礦的爐次在前3min內全部加完，鐵碳球、菱鎂石加入量不大于1.0噸/批；總管氧壓≥1.4MPa，工作氧壓0.9MPa～1.1MPa，供氧流量為53000Nm³/h；結合新型氧槍的結構特點，開吹槍位變化范圍在2.8m～3.2m；過程槍位在2.4m～2.8m；拉碳槍位2.1m～2.4m，實際依據現場有變化。為保證實驗的合理性，預處理鐵水成分穩定，并且新、舊氧槍所用鐵水成分的平均值差別不大，實驗統計了有效277爐新型結構氧槍吹煉用鐵水以及300爐舊槍用鐵水，具體見表2所示。

表2 預處理鐵水成分對比

4  結果分析與討論

1）一個氧槍壽命周期的關鍵吹煉參數統計

吹煉時間與射流特征以及射流與熔池作用的沖擊坑的形貌密切相關，良好的射流行為以及合理的沖擊坑形貌是縮短吹煉時間的前提。比如合理范圍內的沖擊坑深度越深，沖擊坑面積越大，則越有利于吹煉過程的開展。而沖擊坑的形狀和尺寸與氧槍噴頭的出口馬赫數、噴頭出口間距，傾角以及噴口的流量等一系列的設計參數密切相關。圖4統計了一個氧槍壽命周期下的有效吹煉爐次的吹氧時間，可以發現，雙結構氧槍的吹氧時間大多集中在（14-16）min。其中15min以內完成吹煉的爐次占到了總爐次的69.7%。

圖4   吹煉時間統計

鋼鐵料消耗是鋼鐵冶煉過程中一個重要的經濟技術指標，占轉爐生產成本的（80-85）%。降低鋼鐵料消耗是目前各鋼鐵企業降低成本的一個主要手段。鋼鐵料消耗不僅能反映企業的煉鋼技術水平，也反映其相應的管理水平，對企業的成本控制具有重要意義。對于新型結構氧槍的鋼鐵料消耗進行統計發現（如圖5），平均鋼鐵料消耗在1100kg/t，其中1100kg/t以下的爐次數占到了總爐次數的58.3%。

圖5   鋼鐵料消耗統計

供氧強度是指在煉鋼過程中單位時間對轉爐熔池中每噸鋼水的供氧量。提高大型轉爐的供氧強度能夠加快轉爐煉鋼的冶煉反應速度，改善反應的動力學條件，使碳氧反應加快，使脫硫、脫磷反應更接近平衡，從而縮短轉爐供氧時間，提高轉爐作業率，當然過高的供氧強度也會引起吹煉過程中噴濺等問題。因此合理的氧槍設計以及正確的氧槍操作規程是提高供氧強度的有效措施。統計新型結構氧槍的供氧強度集中在2.9-3.3Nm³/t min，在3.1Nm³/t min以上的爐次占比統計數值的52.3%，對應的氧耗在46-49 Nm³/t。

圖6   供氧強度統計

圖7  氧耗統計

圖8  脫磷率統計

鋼中磷含量高時，會顯著降低鋼的韌性和塑性，產生脆性現象。為有效解決轉爐脫磷難題，國內眾多鋼鐵企業對轉爐脫磷工藝進行廣泛的研究與實踐，取得了一定的實際效果。從轉爐脫磷的工藝來看，使用新型氧槍的脫磷率穩定在（83-87）%，這表明新槍的脫磷效果較好。

2）吹煉特性對比

冶煉過程與出鋼成分和終點渣成分密切相關，鋼液的溫度以及成分達到所煉鋼種的要求不同都會對冶煉過程產生不同影響，由于本實驗冶煉鋼種相同，因此在出鋼成分上差別不大，實驗統計了有效277爐新型結構氧槍吹煉用鐵水以及300爐原槍用鐵水，新槍與原槍的吹煉終渣成分的均值見表3，出鋼成分見表4，可以發現終渣成分和出鋼成分都很相近，無明顯差別。

表3 終渣成分的平均值對比

表4出鋼成分的平均值對比

圖9 原槍與新槍的關鍵參數對比

對比原5孔氧槍，雙結構氧槍的平均吹氧時間縮短了近50s，脫磷率略有提高。主要原因在于雙結構氧槍噴頭的雙角度、雙流量的布置特點。大流量小傾角內置噴頭，提高了射流對熔池的沖擊強度，從而縮短了吹氧時間；小流量大傾角外置噴頭，增加了射流流股的融合距離，減緩了流股的速度衰減從而形成了更大的沖擊面積，保證了化渣效果。提高大型轉爐的供氧強度能夠有效提高轉爐效率，得益于吹煉時間的縮短，雙結構氧槍的氧耗有所下降，供氧強度比原5孔氧槍提高了0.16m³/(t·min)。新型雙結構氧槍的平均鋼鐵料消耗比原5孔氧槍的降低了15kg/t，這與新槍良好的化渣效果密不可分，此外新槍在減小爐外噴濺上的優勢也是導致鋼鐵料消耗指標的重要原因。

5  結論

1）采用雙參數設計的氧槍在沖擊坑深度和沖擊坑寬度上都比傳統氧槍具有一定優勢，這對于提高射流的攪拌強度同時提高化渣效果具有積極的效果。

2）一個氧槍壽命周期的關鍵吹煉參數統計表明雙結構氧槍的適用性較強，關鍵指標具有優勢。

3）與傳統氧槍相比，雙結構氧槍的吹氧時間平均縮短了近50s；脫磷率平均提高3%左右，各別鋼種可到達7%，脫磷效果優秀；平均鋼鐵料消耗降低了15kg/t；供氧強度提高了0.16m³/(t·min)。

基金項目：國家重點研發計劃資助項目（2017YFC0805100）, 遼寧省教育廳項目（2020LNQN12）

參考文獻

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