馬 登¹ 吳 偉²

( 1． 江蘇永鋼集團(tuán)有限公司，江蘇 張家港 215628; 2． 鋼鐵研究總院 冶金工藝研究所，北京 100081)

【摘要】 對比研究了國內(nèi)鋼廠 120 t 轉(zhuǎn)爐供氧制度和底吹工藝的優(yōu)化實(shí)踐以及智能冶煉和冶煉新工藝的應(yīng)用實(shí)踐。結(jié)果表明: 適用于 120 t 轉(zhuǎn)爐的氧槍噴頭孔數(shù)為 5 個(gè); 120 t 轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)通常配置 4 ～ 8 支底吹管路，通過提高轉(zhuǎn)爐底吹強(qiáng)度，可降低爐渣 FetO 含量和鋼水終點(diǎn)磷含量; 副槍和投彈儀均可應(yīng)用于 120 t 轉(zhuǎn)爐，但副槍與轉(zhuǎn)爐爐口的有效距離需大于 400 mm。

【關(guān)鍵詞】 轉(zhuǎn)爐；復(fù)吹；智能冶煉工藝

轉(zhuǎn)爐煉鋼是目前世界上最主要的煉鋼 方法，國內(nèi)已建設(shè)了眾多煉鋼轉(zhuǎn)爐。作為冶煉成本控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，轉(zhuǎn)爐煉鋼成本控制和冶煉效率提高是鋼鐵企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益的最主要途徑，因此業(yè)內(nèi)已研究和開發(fā)了多種轉(zhuǎn)爐高效冶煉工藝。本文對比研究了國內(nèi) 120 t 轉(zhuǎn)爐高效冶煉工藝，為降低轉(zhuǎn)爐冶煉成本、提高冶煉效率提供參考。

1 頂吹供氧制度優(yōu)化實(shí)踐

供氧制度主要包括氧槍噴頭結(jié)構(gòu)、供氧壓力、供氧強(qiáng)度和氧槍槍位。供氧制度優(yōu)化是提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率的重要手段之一。

馬鋼第一鋼軋總廠為解決轉(zhuǎn)爐冶煉過程存在的供氧強(qiáng)度低、冶煉周期長、鋼鐵料消耗高和一倒磷含量高等問題，對 120 t 轉(zhuǎn)爐的氧槍噴頭進(jìn)行了優(yōu)化，將氧槍噴頭孔數(shù)從 4 孔改為 5 孔，氧槍噴頭馬赫數(shù)從 1．98 提高至 2．05，噴孔夾角從 12．0°增至 13．5°，并縮小喉口直徑和出口直徑，提高設(shè)計(jì)氧壓，供氧強(qiáng)度從 2．98 N·m³ /( min·t) 提高至3．39 N·m³ /( min·t) ，如表 1 所示^［1］。根據(jù)馬鋼相關(guān)研究報(bào)道，使用 5 孔氧槍噴頭冶煉時(shí)，吹氧時(shí)間從 911 s 縮短至 783 s，脫磷率從 81．52% 升至85．31% ，終渣全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)從 18．59% 降 至15．84% ，鐵水消耗從 874 kg /t 降至 852 kg /t。

福建三鋼針對 120 t 轉(zhuǎn)爐冶煉過程出現(xiàn)的噴濺、爐渣返干等問題，對氧槍噴頭參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，將氧槍噴頭馬赫數(shù)從 1．99 提高至 2．02，設(shè)計(jì)氧壓從 0．92 MPa 降至 0．85 MPa，增大喉口直徑和出口直徑，供氧強(qiáng)度從 3． 26 N·m³ /( min·t)升至 3． 48 N·m³ /( min·t) ，如表 2 所示^［2］。使用優(yōu)化后的 5 孔氧槍噴頭冶煉時(shí)，爐渣化渣效果提高，吹煉時(shí)間縮短了 0． 16 min，爐渣全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)從 13． 88% 降至 12． 59% 。

安陽鋼鐵為改善 120 t 轉(zhuǎn)爐冶煉狀況，將氧槍噴頭孔數(shù)從 4 孔改為 5 孔，并對氧槍參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，如表 3 所示^［3］。經(jīng)過優(yōu)化后，氧氣消耗從61．5 m³ /t降至 59．7 m³ /t，供氧時(shí)間從 14．7 min縮短至 12． 9 min，石灰消耗從 31．8 kg /t 降至29．7 kg /t，一倒去磷率從 79．1% 增至 84．4% ，終渣平均全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)從 17．2% 降至 15．6% 。

廣東陽春新鋼鐵將 120 t 轉(zhuǎn)爐的供氧強(qiáng)度從3．15 N · m³ /( min · t ) 提高至 3．30 N · m³ /( min·t) ，同時(shí)增大氧槍噴頭的喉口直徑和出口直徑，增大噴孔夾角，如表 4 所示^［4］。氧槍噴頭優(yōu)化后，平均供氧時(shí)間從 902 s 縮短至 848 s，氧氣消耗從 51．7 m³ /t 降至 49．3 m³ /t。

攀鋼集團(tuán)提釩煉鋼廠為提高 120 t 轉(zhuǎn)爐半鋼 冶煉效率，對氧槍噴頭參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，如表 5所示^［5］。使用優(yōu)化后的氧槍噴頭進(jìn)行冶煉時(shí)，供氧強(qiáng)度從 3．29 N·m³ /( min·t) 提高至 3．48 N· m³ /( min·t) ，吹氧時(shí)間縮短了 56 s，終渣全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)從 20．13% 降至 19．43% 。

通鋼通過冷態(tài)試驗(yàn)，將直孔型四孔鑄造噴頭氧槍改為拉瓦爾氧槍，優(yōu)化后氧槍噴頭參數(shù)如表6 所示^［6］。生產(chǎn)實(shí)踐表明，氧槍噴頭優(yōu)化后，供氧時(shí)間為 15．6 min，氧氣消耗為 54．69 m³ /t。

中天鋼鐵^［7-8］將氧槍流量從 28 000 N·m³ / h提高至 33 000 N·m³ / h，同時(shí)增大了出口直徑和喉口直徑，并減小了噴孔夾角，如表 7 所示。同時(shí)將廢鋼比從 17．8% 提高至 25．0% ，轉(zhuǎn)爐吹氧時(shí)間從 15．0 min 縮短至 13．5 min 以內(nèi)，吹氧時(shí)間至少縮短 1． 5 min。

綜合上述數(shù)據(jù)得到了國內(nèi) 120 t 轉(zhuǎn)爐頂吹供氧制度的優(yōu)化方法及具體措施，如圖 1 所示。由圖 1 可知，為提高轉(zhuǎn)爐吹煉效率，多數(shù)企業(yè)采用適當(dāng)提高供氧強(qiáng)度、將氧槍噴頭孔數(shù)從 4 孔調(diào)整為 5 孔、適當(dāng)提高氧槍噴頭馬赫數(shù)、增大喉口直徑和出口直徑、增大噴孔夾角的方法，其主要作用為:

(1) 在其他條件不變的情況下，適當(dāng)提高供氧強(qiáng)度可縮短冶煉時(shí)間;

(2) 增加氧槍噴孔數(shù)量，從 4 孔調(diào)整為 5 孔可大幅度增加氧氣射流的沖擊面積，促進(jìn)化渣及脫碳反應(yīng);

(3) 適當(dāng)提高氧槍噴頭馬赫數(shù)，可以提高氧氣射流速度，促進(jìn)熔池反應(yīng);

(4) 適當(dāng)增大氧槍噴孔夾角，可增加氧氣射流與金屬液的接觸面積。

多數(shù)鋼廠在提高供氧強(qiáng)度時(shí)，同時(shí)使用方法( 2) 、( 3) 或( 4) 以提高冶煉效果。馬鋼在采用方法( 1) ( 供氧強(qiáng)度提高 0．41 N·m³ /( min·t) ) 、( 2) ( 氧槍噴頭孔數(shù)從 4 孔調(diào)整為 5 孔) 、( 3) ( 氧槍噴孔馬赫數(shù)提高 0．07) 、( 4) ( 氧槍噴孔夾角增大 1．5°) 的條件下，吹氧時(shí)間縮短了 128 s，終渣全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了 2．75% ，鐵水消耗降低了22 kg /t，效果顯著。

福建三鋼采用方法( 1) ( 供氧強(qiáng)度提高 0．22 N· m³ /( min·t) ) 、(2) ( 氧槍噴頭孔數(shù)從 4 孔調(diào)整為 5孔) 、( 3) ( 氧槍噴孔馬赫數(shù)提高 0．03) 的條件下，爐渣化渣效果提高，吹煉時(shí)間縮短了 0．16 min，爐渣全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了1．29%。

廣東陽春新鋼鐵在采用方法( 1) ( 供氧強(qiáng)度提高 0．15 N·m³ /( min·t) ) 、( 4) ( 氧槍噴孔夾角增大 0．25°) 的條件下，平均供氧時(shí)間縮短了 54 s。

攀鋼煉鋼廠在采用方法( 1) ( 供氧強(qiáng)度提高0．19 N·m³ /( min·t) ) 、( 3) ( 氧槍噴孔馬赫數(shù)提高 0．02) 、( 4) ( 氧槍噴孔夾角增大 1°) 的條件下，吹氧時(shí)間縮短了 56 s，終渣全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了0．70% 。

此外，大幅度提高供氧流量，除了能夠縮短吹氧時(shí)間，也會(huì)增加噴濺的風(fēng)險(xiǎn)和脫磷的難度。因此，中天鋼鐵在大幅度提高供氧強(qiáng)度的條件下( 供氧流量提高 5 000 N·m³ / h、供氧強(qiáng)度增加0． 60 N·m³ /( min·t) ) ，將氧槍噴孔夾角減小0．5°，不僅縮短了吹氧時(shí)間，還抑制了噴濺。

以上生產(chǎn)實(shí)踐表明，適用于120 t 轉(zhuǎn)爐的氧槍噴頭孔數(shù)為 5 個(gè)，馬赫數(shù)為 2．00 ～ 2．07，設(shè)計(jì)氧壓為0．85 ～ 0．95 MPa，供氧強(qiáng)度最高可達(dá) 3．93 N·m³ / ( min·t) ，通過優(yōu)化供氧制度，供氧時(shí)間縮短了 10 ～ 120s，終渣全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了0．7% ～ 1．6%。

2 底吹工藝優(yōu)化實(shí)踐

轉(zhuǎn)爐底吹氣體對熔池的攪拌作用可顯著改善熔池成分和溫度均勻性，減少噴濺，加快脫磷、脫碳化學(xué)反應(yīng)，降低冶煉終點(diǎn)鋼水氧含量和爐渣FetO 含量^［9］。常規(guī)轉(zhuǎn)爐使用的底吹元件為毛細(xì)管式或環(huán)縫管式底吹元件。國內(nèi)鋼企已經(jīng)廣泛開展了底吹工藝優(yōu)化的生產(chǎn)實(shí)踐。

濰坊特鋼集團(tuán)有限公司開展了 120 t 轉(zhuǎn)爐底吹工藝優(yōu)化生產(chǎn)實(shí)踐^［10］。該轉(zhuǎn)爐的 8 個(gè)底吹孔在爐底熔池 1 /2 半徑處均勻環(huán)形排列，如圖 2 所示，并將毛細(xì)孔磚式底吹元件改造成雙環(huán)縫式底吹槍。以轉(zhuǎn)爐冶煉胎圈鋼絲鋼種為例，冶煉各環(huán)節(jié)的底吹氣源種類切換時(shí)間、氣源流量和供氣強(qiáng)度如表 8 所示。生產(chǎn)實(shí)踐表明，底吹槍一次透氣性達(dá)到 7 000 爐以上; 與底吹堵塞爐次相比，轉(zhuǎn)爐底吹通暢爐次的定氧值同比降低了 8．2 × 10^－6，終渣全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了 1．02% ，鐵水錳收得率提升了 2．7% 。

西林鋼鐵集團(tuán) 120 t 轉(zhuǎn)爐設(shè)置 4個(gè)底吹孔，均布置在工作層表面 1 804 mm 的同心圓上。底吹元件在熔池底部布置的圓周直徑與熔池直徑 D 的比值為 0．476D，將 4 個(gè)底吹元件分成兩組，分布在出鋼口與兌鐵連線的兩側(cè)，每兩支底吹元件夾角為90°，如圖 3 所示。底吹元件采用環(huán)縫式噴槍，底吹工藝制度如表 9 所示^［11］。通過采取嚴(yán)格控制終渣成分、加強(qiáng)終點(diǎn)控制、降低出鋼溫度、優(yōu)化濺渣工藝、加強(qiáng)爐型控制等措施，轉(zhuǎn)爐復(fù)吹爐役達(dá)到13 000爐，終渣平均全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 12% ，終點(diǎn)鋼水殘錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0．07% ～ 0．12% 。

為少渣煉鋼脫磷工藝提供動(dòng)力學(xué)條件，天津鋼鐵集團(tuán)( 天鋼) 煉軋廠將 120 t 轉(zhuǎn)爐的底吹透氣磚改為環(huán)縫噴槍，開發(fā)了適用于脫磷的底吹工藝制度，如表 10 所示，并通過采取爐底維護(hù)、終渣氧化鎂控制、強(qiáng)化濺渣效果、強(qiáng)化濺渣槍位控制等措施，延長了環(huán)縫式底吹元件壽命，使復(fù)吹爐役達(dá)到12 000爐^［12］。

萊鋼銀山型鋼煉鋼廠通過優(yōu)化 120 t 轉(zhuǎn)爐的底吹供氣模式，在原有8 個(gè)底吹槍基礎(chǔ)上，去掉出鋼側(cè)的2 個(gè)底吹槍，提高其余6 個(gè)底吹槍的底吹流量( 表11 和圖4) 。生產(chǎn)實(shí)踐表明，底吹工藝優(yōu)化后，終點(diǎn)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0．018 7%降至0．017 5%，爐渣全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)從13．81%降至13．10%^［13］。

目前，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)主要采用雙環(huán)縫式底吹槍和毛細(xì)管式透氣磚作為爐底供氣元件，兩種供氣元件的橫截面示意圖如圖 5 所示。

雙環(huán)縫式底吹槍和毛細(xì)管式透氣磚氣體出口面積如表 12 所示。由表 12 可知，雙環(huán)縫式底吹槍氣體出口數(shù)量為毛細(xì)管式透氣磚的 15% ，前者的氣體出口總面積為后者的 2． 16 倍，單個(gè)氣體出口面積為后者的 10 倍以上。

濰坊特鋼、西林鋼鐵、天鋼、萊鋼等企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐表明，120 t 轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)通常配置 4 ～ 8支底吹管路，通過開展優(yōu)化底吹孔布置、提高轉(zhuǎn)爐底吹強(qiáng)度的試驗(yàn)，將吹煉期的底吹強(qiáng)度提高至0．04 ～ 0．12 N·m³ /( min·t) ，使單支路底吹流量達(dá)到 60 ～ 120 N·m³ / h，可降低爐渣 FetO 含量和鋼水終點(diǎn)磷含量，提高終點(diǎn)鋼水殘錳量。

在提高底吹強(qiáng)度( 底吹流量) 的同時(shí)，頂吹供氧制度也需要優(yōu)化。要提高轉(zhuǎn)爐的復(fù)吹效果，必須使氧槍噴頭及底吹槍或透氣磚的各項(xiàng)工藝技術(shù)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)。

馬鋼 120 t 轉(zhuǎn)爐采用雙環(huán)縫式底吹供氣元件時(shí)，將供氣強(qiáng)度逐步提高至 0．09 m³ /( t · min) ^［14］，單支路底吹氣體流量達(dá)到 50 ～ 70 N· m³ / h，并優(yōu)化氧槍噴頭參數(shù)，提高了復(fù)吹效果。

昆鋼將毛細(xì)管式透氣磚更換為雙環(huán)縫式底吹供氣元件^［15］，發(fā)現(xiàn)存在爐底和底吹元件維護(hù)難度大、渣線和倒渣面損傷大、冶煉周期長等問題，通過減小噴孔夾角并增加供氧流量，同時(shí)縮短供氧時(shí)間，使復(fù)吹同步爐齡從 4 230 爐提高至 17 182 爐，終渣全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了 2．25% 。

智能冶煉工藝的應(yīng)用實(shí)踐智能冶煉工藝的應(yīng)用借助于副槍系統(tǒng)和冶煉模型。120 t 轉(zhuǎn)爐屬于中小型轉(zhuǎn)爐，根據(jù)爐體尺寸，優(yōu)先選用副槍，在爐體尺寸不滿足要求的條件下，可使用投彈式快速分析儀( 簡稱投彈儀) 。

通化鋼鐵于 2005 年引進(jìn)了國外副槍系統(tǒng)和動(dòng)靜態(tài)模型，用于指導(dǎo) 120 t 轉(zhuǎn)爐的冶煉操作，取得了縮短冶煉周期、提高生產(chǎn)效率的效果^［16］。

2011 年，邯鋼一煉鋼廠在 120 t 轉(zhuǎn)爐上安裝副槍和動(dòng)靜態(tài)控制系統(tǒng)，在改善吹煉穩(wěn)定性、減少補(bǔ)吹爐數(shù)、縮短轉(zhuǎn)爐冶煉周期、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善煉鋼工作環(huán)境等方面取得了初步成果^［17］。

萊鋼銀山型鋼煉鋼廠在 120 t 轉(zhuǎn)爐上安裝國外副槍系統(tǒng)，同時(shí)根據(jù)鐵水溫度、鐵水硅含量等條件開發(fā)不同的操作模式，系統(tǒng)根據(jù)鐵水硅含量、鐵水溫度，對二級服務(wù)器中模型進(jìn)行甄選識別，選擇能適用于當(dāng)前原料條件的最優(yōu)模型^{［13，18］}。

2012 年，邯鋼三煉鋼廠在 120 t 轉(zhuǎn)爐上安裝投彈儀，用于對一倒鋼水碳、磷含量和溫度進(jìn)行檢測，并將數(shù)據(jù)用于校準(zhǔn)智能化煉鋼系統(tǒng)預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)了不倒?fàn)t出鋼的新模式^［19］。

陽春新鋼鐵也于 2019 年引進(jìn)投彈儀，采用投彈式檢測技術(shù)后，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制準(zhǔn)確性提高，且不需要操作員接近爐體，可取消或?qū)崿F(xiàn)不倒?fàn)t出鋼，為生產(chǎn)單位人員結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了空間，轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率提升了 10% ，人均產(chǎn)鋼量從 1 000 t 提高到1 200 t^［20］。

投彈儀和副槍的優(yōu)缺點(diǎn)如表 13 所示。由表13 可知，相比投彈儀，副槍更節(jié)能降耗，但安裝副槍所需空間較大。通過對比 4 家公司的副槍安裝位置( 表 14) 可知，在正常吹煉條件下，副槍與轉(zhuǎn)爐爐口的有效距離需大于 400 mm，副槍本體與爐口邊緣距離大于 450 mm( 公司 A、B、C) 。若副槍本體與爐口的有效距離小于 400 mm( 公司 D) ，使用副槍時(shí)需將副槍槍體向爐后傾斜 1°以上，同時(shí)確保爐口結(jié)渣可控。

4 冶煉新工藝的應(yīng)用

蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院在 120 t 轉(zhuǎn)爐開展了后吹氬氣攪拌工藝的工業(yè)試驗(yàn)，在轉(zhuǎn)爐吹氧結(jié)束后并且爐體不動(dòng)的情況下，采用底吹流量為800 N·m³ / h 的氬氣攪拌鋼液 5 min。試驗(yàn)結(jié)果顯示，平均硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了 0．004% ，平均磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了 0．002% ，爐渣鐵氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了 4． 8% ，鋼液平均溫度降低了 10 ～ 20℃^［21］。酒鋼采用噴槍型底吹元件^［22］，在 120 t 復(fù)吹轉(zhuǎn)爐上開展了高強(qiáng)度底吹 CO₂ 試驗(yàn)，底吹 CO₂ 流量最高為 800 m³ / h。試驗(yàn)結(jié)果表明，終點(diǎn)碳氧積平均降低了 1．4 × 10^-4。鋼鐵研究總院開發(fā)了鐵酸鈣系脫磷劑并在 120 t 轉(zhuǎn)爐上完成了 13 爐試驗(yàn)^［23］，試驗(yàn)結(jié)果表明鋼水脫磷率達(dá)到 90% 以上。

此外，音頻化渣工藝^［24-25］、自動(dòng)加料工藝^［26］、激光側(cè)厚技術(shù)^［27］等工藝技術(shù)已應(yīng)用于 120 t 轉(zhuǎn)爐。

5 結(jié)論

(1) 適用于 120 t 轉(zhuǎn)爐的氧槍噴頭孔數(shù)為5 個(gè)，馬赫數(shù)為 2．00 ～ 2．07，設(shè)計(jì)氧壓為 0．85 ～ 0．95 MPa; 氧槍噴頭優(yōu)化后，供氧時(shí)間縮短了10 ～ 120 s，終渣全鐵質(zhì)量分 數(shù)降低了 0． 7% ～1． 6% 。

(2) 120 t 轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)通常配置 4 ～ 8 支底吹管路，通過開展優(yōu)化底吹孔布置、提高轉(zhuǎn)爐底吹強(qiáng)度的試驗(yàn)，將吹煉期底吹強(qiáng)度提高至 0． 04 ～0． 12 N·m³ /( min·t) ，使單支路底吹流量達(dá)到60 ～ 120 N·m³ / h，可降低爐渣 FetO 含量和鋼水終點(diǎn)磷含量，提高終點(diǎn)鋼水殘錳量。

(3) 副槍功能優(yōu)于投彈儀，但在正常吹煉條件下，副槍與轉(zhuǎn)爐爐口的有效距離需大于400 mm。若副槍本體與爐口的有效距離小于 400mm( 公司 D) ，使用副槍時(shí)需將副槍槍體向爐后傾斜 1°以上，同時(shí)確保爐口結(jié)渣可控。

(4) 自動(dòng)加料技術(shù)、自動(dòng)吹煉技術(shù)、吹煉終點(diǎn)自動(dòng)控制技術(shù)、自動(dòng)出鋼技術(shù)等智能冶煉技術(shù)是120 t 轉(zhuǎn)爐冶煉技術(shù)的發(fā)展趨勢。

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