袁曉峰¹ ，王 斌²

( 1． 中冶南方工程技術有限公司煉鋼分公司，湖北 武漢 430223; 2． 青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島 266000)

摘要: 控制轉爐出鋼過程中的下渣量一直是冶金領域的研究重點。本文主要介紹了轉爐出鋼擋渣技術的發展，并重點分析了三種典型的擋渣技術，即滑板擋渣法、氣動擋渣法以及擋渣棒擋渣法的工藝特點和應用效果。滑板擋渣技術利用上滑板與下滑板之間的流鋼孔錯位，從而達到控渣出鋼的目的，具有滑板開閉迅速、不受出鋼口壽命和爐渣粘度的影響、與下渣檢測技術配合可以實現轉爐一鍵式自動出鋼的特點，該技術擋渣成功率可以達到 99% 以上，爐下鋼包渣厚可以穩定控制在 50 mm 以下，效果最佳; 氣動擋渣技術可以通過插入出鋼口的噴嘴噴出高壓氮氣射流，從而將爐渣擋回轉爐內，該技術是無形擋渣技術的一種，具有運行成本低、效果佳的優點，但是其設備故障率偏高，同時會降低出鋼口的使用壽命，故在國內未得到普及推廣; 擋渣棒擋渣主要采用導向桿導入出鋼口方式，確保擋渣塞能夠準確到達出鋼口位置，從而達到擋渣的目的，該技術具有操作簡單、設備投資低、效果較好等優點，在國內應用最為廣泛。

關鍵詞: 出鋼; 滑板擋渣; 氣動擋渣; 擋渣棒擋渣

0 引言

隨著經濟發展對優質鋼材的需求不斷增長，研發和生產高品質、高技術含量、高附加值的純凈鋼成為當今鋼鐵工業發展的一個重要課題。潔凈鋼的應用范圍覆蓋了汽車、家電、食品包裝以及石油天然氣輸送管線等許多領域。

在冶金過程中，爐渣成分對鋼水的潔凈度有著十分重要的影響^［1－3］。轉爐出鋼后進入到鋼包中的高氧化性爐渣由于含有較多的 FeO、MnO 等不穩定氧化物，會持續不斷地向鋼液傳氧，不僅增加鋼水脫氧及合金化過程中脫氧劑和合金的消耗，而且導致鋼水潔凈度下降，甚至影響鋼材產品質量^［4－6］。在出鋼過程中采用下渣控制技術，不僅可以提高鋼水純凈度，也對控制煉鋼成本發揮積極作用。

1 轉爐出鋼下渣情況

在轉爐出鋼搖爐過程中，由于轉爐渣的密度小于鋼水而浮于鋼水面上，因此轉爐出鋼時的下渣分三部分: 轉爐傾動至 38° ～ 47°時爐渣會先于鋼水經過出鋼口流出，此時稱為前期渣; 出鋼中后期鋼液液面降低至一定高度后會形成旋渦，將液面上的爐渣抽吸裹卷導致鋼渣混出，此時成為過程渣; 臨近出鋼終點，鋼渣混合流出時下渣量迅速增加，此時稱為后期渣。各個出鋼階段的下渣量中，前期渣量約占30% ，過程渣量約占 30% ，后期渣量約占 40% 。轉爐出鋼下渣情況如圖 1 所示^［7］。

2 轉爐出鋼擋渣技術發展

自上世紀 70 年代日本推出擋渣球出鋼擋渣方法以來，各國在轉爐出鋼下渣控制技術的研發應用方面開展了廣泛研究，擋渣球法、避渣罩法、擋渣棒法、滑板擋渣法、氣動擋渣法、電磁擋渣法、出鋼口吹氣趕渣法等十幾種擋渣方法應運而生。其中目前國內外轉爐廠應用較多的方法是用鐵皮擋渣帽、軟質擋渣塞、滑板擋前期渣; 擋渣球、擋渣棒、氣動擋渣、滑板擋后期渣。另外，為了檢測轉爐出鋼過程中的下渣開始時間，還開發了基于電磁感應或者紅外識別的出鋼下渣檢測技術^［8－11］。這樣，通過轉爐下渣檢測技術與上述擋渣方法的有效配合，實現轉爐出鋼過程的下渣控制。

從擋渣技術的發展趨勢看，由于使用擋渣球、擋渣棒等有形擋渣物擋渣，材料消耗高，擋渣效果不理想。國外正逐步從有形擋渣法向無形擋渣法發展，采用無形擋渣法并配有下渣檢測裝置，實行自動擋渣出鋼，如氣動擋渣法、滑板擋渣法等^［12］。

這些擋渣方法的主要特點是自動化程度高、鋼水收得率高、鋼包下渣少，因此在冶煉品種鋼方面具有一定的優勢。

3 典型轉爐出鋼擋渣技術的分析與比較

目前國內主要采用的出鋼擋渣技術主要有擋渣球法、擋渣棒法、氣動擋渣法、滑板擋渣法等。由于擋渣球法技術落后、自動化程度低、可靠性較差，這種方式基本已被淘汰。本文主要對其余三種典型擋渣技術進行評判分析。

3． 1 滑板擋渣法

3． 1． 1 工作原理和工藝特點

轉爐滑板擋渣技術是近年來迅速發展的一種新技術。該技術思路是移植鋼包滑動水口原理，在轉爐出鋼口外端安裝液壓驅動的滑板擋渣機構，出鋼結束時迅速將上滑板與下滑板之間的流鋼孔錯位，從而達到控渣出鋼的目的^［13］。該擋渣方式最初 于 1997 年應用在德國 SLazgitter． A． G 鋼廠 210 t 轉爐上，直到 2006 年以后才逐漸在國內推廣應用^［14］。

轉爐滑板擋渣系統設備主要由機構本體、耐火材料( 出鋼口磚、內水口磚、上滑板、下滑板、外水口磚) 、液壓系統、旋轉接頭等組成，如圖 2 所示。機構本體由基準板、連接板、開關模框、固定模框、滑動模框以及彈簧組件等組成。耐火材料主要包括內水口、上滑板、下滑板以及外水口。上滑板鎖緊在固定模框內，下滑板磚安裝在滑動模框里。液壓系統驅動滑動模框往復運動，從而實現出鋼口開啟或關閉。

轉爐滑板擋渣技術特點是滑板開閉非常迅速，通常可以從下渣檢測系統發出下渣報警信號 1s 內完成滑板關閉動作，因而能夠對出鋼過程中的前期渣和后期渣進行有效阻擋，可以實現少渣甚至無渣出鋼。此外，基本不受出鋼口壽命和爐渣粘度的影響。有的企業將機器視覺技術、下渣檢測技術與轉爐滑板擋渣技術相結合，可以實現轉爐一鍵式自動出鋼。

轉爐滑板法擋渣技術對新建轉爐本體設計有一定要求^［15］，比如出鋼口法蘭與托圈之間的空間要滿足滑板機構安裝要求，必要時可考慮將滑板機構進行橫向安裝; 旋轉接頭需預留液壓油路和冷卻油缸用進出水管的位置。現有轉爐如果采用滑板擋渣技術則可能需對出鋼口和旋轉接頭進行改造，轉爐耳軸需要增加五支管路，分別是兩路液壓缸用進出油管、兩路液壓缸用進出冷卻水管以及一路機構冷卻壓縮空氣氣管。

3． 1． 2 應用效果

轉爐滑板擋渣技術大幅提高了擋渣成功率，設備正常情況下擋渣成功率可以達到 99% 以上。該技術能夠對轉爐出鋼前期下渣進行全量控制和在第一時間迅速阻止后期下渣，因此其擋渣效果最好，爐下鋼包渣厚可以穩定控制在 50 mm 以下; 此外，由于轉爐出鋼下渣量減少，對提高合金收得率、 減少 LF 精煉消耗和改善鋼水質量也有非常明顯的效果。

滑板擋渣工藝設備相對復雜，尤其是擋渣機構安裝在轉爐爐殼上，設備的裝卸及維護均不方便。出鋼口滑板磚的使用壽命通常只有 10 ～ 15 爐，滑板機構更換較為頻繁，平均每班需要更換 1 次滑板，更換 1 套滑板機構需要 10 ～ 30 min，對煉鋼生產組織產生一定影響。滑板磚多為鋁鋯碳質和鑲嵌鋯質等，這類材料的使用成本較高。

目前國內應用滑板擋渣技術的廠家主要有寶鋼、武鋼、首鋼京唐、梅鋼、安鋼、萊鋼、福建三鋼等。

該方法適用于公稱容量不小于 120 t 并且冶煉潔凈鋼種的轉爐。對于要實現轉爐全自動出鋼的鋼廠來說，滑板擋渣技術和下渣檢測技術是必不可缺的選擇。

3． 2 氣動擋渣法

3． 2． 1 工作原理和工藝特點

氣動擋渣系統由奧鋼聯于上世紀 80 年代開發，是無形擋渣技術的代表。國內最早由寶鋼在4#、5#轉爐建設時引進了該套設備，馬鋼、本鋼、包鋼也隨后采用。其原理是在轉爐出鋼末期大量爐渣將要從出鋼口流出前，通過安裝在爐殼上的氣缸驅動將旋轉臂前端的噴嘴插入出鋼口內，噴嘴內噴出的高壓氮氣射流將爐渣擋回轉爐內。其工作原理如圖 3 所示。

氣動擋渣系統主要包括氣體供應系統、擋渣頭、旋轉臂、氣缸以及下渣檢測裝置等設備。氣動擋渣設備通常都配備了電磁或紅外下渣檢測裝置，可測出鋼水中鋼渣含量，從而準確控制擋渣時機。氣動擋渣技術同樣對新建轉爐本體設計有一定要求，旋轉接頭需預留高壓氮氣管路和冷卻氣缸用壓縮空氣管的位置。現有轉爐如果采用氣動擋渣技術則需對旋轉接頭進行改造。

3． 2． 2 應用效果

鞍鋼第二煉鋼廠采用 IＲIS 下渣檢測技術配合氣動擋渣，渣層厚度可控制在 60 ～ 90 mm^［16］。本鋼采用 EMLI － S． I． O 渣檢測系統配合氣動擋渣，鋼包渣量平均值小于 5 kg /t，渣層厚度可控制在 45 ～60 mm^［17］。包鋼對 6#、7#轉爐合計 179 爐次鋼包渣層厚度進行統計，平均值為 46． 9 mm^［18］。據奧鋼聯相關資料介紹，擋渣塞噴嘴的使用壽命達到 2 000 爐，而擋渣塞系統的壽命則為 5 000 爐。 由于正常運行只需要消耗氮氣，因此，系統運行成本很低^［19］。

同時，氣動擋渣在每次動作時，噴吹的高壓氮氣對出鋼口磚和耐火材料會造成一定的損害，在一定程度上降低出鋼口的使用壽命。旋轉臂和噴嘴在每次工作時不可避免地會發生粘鋼粘渣，影響擋渣效果和設備運行，需要人工定期清理^［20］。此外，氣動擋渣器本體安裝在轉爐爐殼上，平均每冶煉1 000爐需對氣缸進行更換，給生產組織帶來不利影響。

寶鋼、馬鋼、包鋼、鞍鋼、本鋼等曾經使用氣動擋渣技術，該技術后被擋渣棒和滑板擋渣技術所取代。總體來說，氣動擋渣技術目前在國內未得到普及推廣。

3． 3 擋渣棒擋渣法

3． 3． 1 工作原理和工藝特點

轉爐擋渣棒擋渣工藝技術，是目前在中小轉爐應用最多的擋渣方式。擋渣棒是一種帶有導向桿的耐火材料制品，呈陀螺形，密度介于鋼和渣之間。擋渣棒擋渣采用導向桿導入出鋼口方式，確保擋渣塞能夠準確到達出鋼口位置。陀螺體上設計開有凹槽，可以抑制鋼液旋渦，當擋渣塞本體堵住出鋼口后，剩余鋼液仍能夠通過凹槽流入鋼包內，故提高了鋼水收得率。擋渣棒一般在出鋼中期( 鋼水出到約 3 /5 時) 于爐后加入，可以抑制出鋼過程中渦流的產生，防止鋼水夾渣。在出鋼后期，擋渣棒下沉逐漸堵住出鋼口，當有渣流出時立即抬爐，完成出鋼擋渣操作。

根據擋渣棒投放方式的不同，可以分為地面軌道型和空中懸掛式兩種，具體布置形式如圖 4 所示。地面軌道型使用檢修比較方便，但占用爐后平臺一定空間; 空中懸掛型結構緊湊、重量較輕，但檢修不便。目前多以前者為主。

3． 3． 2 應用效果

擋渣棒擋渣技術不易出現渦流卷渣及剩鋼現象，擋渣效果相對較好，而且擋渣棒投入時機要求不高，操作難度低，設備投資不高，維修方便。因此，該技術在國內得到了普遍應用。 寶鋼二煉鋼出鋼采用擋渣棒擋渣技術，出鋼擋渣成功率 ＞ 90% ，鋼包渣層平均厚度為 80 mm^［21］。馬鋼一鋼軋 2#轉爐、3#轉爐使用地面軌道型擋渣小車，運行狀態良好，擋渣命中率、擋渣有效率指標均很高，鋼包渣層厚度控制在 50 mm 以下^［22］。鞍鋼第三煉鋼連軋廠在 260 t 轉爐上采用了擋渣棒擋渣技術，鋼包下渣量約為 5 kg /t ^［23］。

應該指出，由于該擋渣工藝一般依靠人工觀察和人工投入，所以擋渣效果受人為因素干擾較大，并且與出鋼口使用狀況有關，爐役后期出鋼下渣量更大。尤其對大型轉爐而言，爐役后期在出鋼口區域形成較深的凹坑后，擋渣棒導向桿難以發揮作用，擋渣成功率顯著降低( 只有 80% 左右) 。有的企業通過配備下渣檢測裝置來監測出鋼后期下渣，并與轉爐傾動機構連鎖，當檢測到下渣信號時立即自動抬爐，每爐下渣量比擋渣帽和擋渣塞減少約100 kg ^［24］。

3． 4 不同擋渣技術的比較

( 1) 從擋渣效果來看，轉爐滑板擋渣技術擋渣成功率高且穩定可靠，可以對轉爐出鋼全過程下渣進行全量控制，因此其擋渣效果最好，鋼包渣層厚度一般在 50 mm 以下; 氣動擋渣主要擋出鋼結束時的末期渣，對前期下渣和出鋼渦流卷渣無有效控制，鋼包渣層厚度可控制在 45 ～ 90 mm; 擋渣棒擋渣無法控制前渣，但是可以抑制出鋼中后期渦流卷渣，鋼包渣層厚度一般為 50 ～ 80 mm。

( 2) 從投資和成本來看，氣動擋渣為國外引進設備，一次投資最高。滑板擋渣次之，擋渣棒擋渣投資最低。采用滑板擋渣技術擋渣運行成本遠高于擋渣棒擋渣方式，滑板擋渣成本主要在于主體機構、易損件以及耐火材料消耗，這部分成本大約在7 元/ t 鋼，而傳統擋渣棒擋渣噸鋼成本可控制在1 元以內。氣動擋渣由于為非接觸式密封，沒有耐火材料消耗，噴嘴壽命較長，但是氣缸壽命不長，每噸鋼綜合運行成本約為 0． 12 元/t。

4 結論

目前國內主流擋渣方法各有千秋，沒有絕對好壞之分，重要的是要結合各廠的產品品種、設備狀況、現場條件和成本要求來選擇合適的擋渣方法。

( 1) 從擋渣技術的發展趨勢來看，擋渣技術逐步從有形擋渣法向無形擋渣法方向發展，配備下渣檢測裝置可實現出鋼擋渣的全自動控制。通過無形擋渣技術的應用，可減少耐火材料消耗，從而有利于經濟效益最大化，應該是擋渣技術發展的終極方向。

( 2) 滑板擋渣技術設備價格下降較快，目前在中大型轉爐上快速普及。其憑借極佳的擋渣效果成為潔凈鋼生產企業的優先選擇，與機器視覺技術、下渣檢測技術配合可以實現轉爐全自動出鋼。但是設備復雜，成本較高，更換滑板影響轉爐生產節奏，應該加強耐材質量和成本方面的改進，以進一步適應煉鋼連續生產的需要。

( 3) 氣動擋渣技術不需要消耗耐材，設備投資最高，但是運行成本很低，應該注重設備運行的可靠性和設備維護的經濟性，可與擋渣塞、擋渣棒等手段相結合來控制下渣。

( 4) 擋渣棒擋渣技術成熟可靠，在中小噸位轉爐上存在很大的市場。通過合理使用或者配備下渣檢測技術，可在一定程度上提高產品質量和降低生產成本，對于普碳鋼廠仍然不失為一種經濟合理的選擇方案。

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