馬 登¹ 吳 偉²

( 1． 江蘇永鋼集團有限公司，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】 對比研究了國內鋼廠 120 t 轉爐供氧制度和底吹工藝的優化實踐以及智能冶煉和冶煉新工藝的應用實踐。結果表明: 適用于 120 t 轉爐的氧槍噴頭孔數為 5 個; 120 t 轉爐底吹系統通常配置 4 ～ 8 支底吹管路，通過提高轉爐底吹強度，可降低爐渣 FetO 含量和鋼水終點磷含量; 副槍和投彈儀均可應用于 120 t 轉爐，但副槍與轉爐爐口的有效距離需大于 400 mm。

【關鍵詞】 轉爐；復吹；智能冶煉工藝

轉爐煉鋼是目前世界上最主要的煉鋼 方法，國內已建設了眾多煉鋼轉爐。作為冶煉成本控制的關鍵環節之一，轉爐煉鋼成本控制和冶煉效率提高是鋼鐵企業提高經濟效益的最主要途徑，因此業內已研究和開發了多種轉爐高效冶煉工藝。本文對比研究了國內 120 t 轉爐高效冶煉工藝，為降低轉爐冶煉成本、提高冶煉效率提供參考。

1 頂吹供氧制度優化實踐

供氧制度主要包括氧槍噴頭結構、供氧壓力、供氧強度和氧槍槍位。供氧制度優化是提高轉爐生產效率的重要手段之一。

馬鋼第一鋼軋總廠為解決轉爐冶煉過程存在的供氧強度低、冶煉周期長、鋼鐵料消耗高和一倒磷含量高等問題，對 120 t 轉爐的氧槍噴頭進行了優化，將氧槍噴頭孔數從 4 孔改為 5 孔，氧槍噴頭馬赫數從 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，提高設計氧壓，供氧強度從 2．98 N·m³ /( min·t) 提高至3．39 N·m³ /( min·t) ，如表 1 所示^［1］。根據馬鋼相關研究報道，使用 5 孔氧槍噴頭冶煉時，吹氧時間從 911 s 縮短至 783 s，脫磷率從 81．52% 升至85．31% ，終渣全鐵質量分數從 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 轉爐冶煉過程出現的噴濺、爐渣返干等問題，對氧槍噴頭參數進行了優化，將氧槍噴頭馬赫數從 1．99 提高至 2．02，設計氧壓從 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］。使用優化后的 5 孔氧槍噴頭冶煉時，爐渣化渣效果提高，吹煉時間縮短了 0． 16 min，爐渣全鐵質量分數從 13． 88% 降至 12． 59% 。

安陽鋼鐵為改善 120 t 轉爐冶煉狀況，將氧槍噴頭孔數從 4 孔改為 5 孔，并對氧槍參數進行了優化，如表 3 所示^［3］。經過優化后，氧氣消耗從61．5 m³ /t降至 59．7 m³ /t，供氧時間從 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% ，終渣平均全鐵質量分數從 17．2% 降至 15．6% 。

廣東陽春新鋼鐵將 120 t 轉爐的供氧強度從3．15 N · m³ /( min · t ) 提高至 3．30 N · m³ /( min·t) ，同時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］。氧槍噴頭優化后，平均供氧時間從 902 s 縮短至 848 s，氧氣消耗從 51．7 m³ /t 降至 49．3 m³ /t。

攀鋼集團提釩煉鋼廠為提高 120 t 轉爐半鋼 冶煉效率，對氧槍噴頭參數進行了優化，如表 5所示^［5］。使用優化后的氧槍噴頭進行冶煉時，供氧強度從 3．29 N·m³ /( min·t) 提高至 3．48 N· m³ /( min·t) ，吹氧時間縮短了 56 s，終渣全鐵質量分數從 20．13% 降至 19．43% 。

通鋼通過冷態試驗，將直孔型四孔鑄造噴頭氧槍改為拉瓦爾氧槍，優化后氧槍噴頭參數如表6 所示^［6］。生產實踐表明，氧槍噴頭優化后，供氧時間為 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。同時將廢鋼比從 17．8% 提高至 25．0% ，轉爐吹氧時間從 15．0 min 縮短至 13．5 min 以內，吹氧時間至少縮短 1． 5 min。

綜合上述數據得到了國內 120 t 轉爐頂吹供氧制度的優化方法及具體措施，如圖 1 所示。由圖 1 可知，為提高轉爐吹煉效率，多數企業采用適當提高供氧強度、將氧槍噴頭孔數從 4 孔調整為 5 孔、適當提高氧槍噴頭馬赫數、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，適當提高供氧強度可縮短冶煉時間;

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

(3) 適當提高氧槍噴頭馬赫數，可以提高氧氣射流速度，促進熔池反應;

(4) 適當增大氧槍噴孔夾角，可增加氧氣射流與金屬液的接觸面積。

多數鋼廠在提高供氧強度時，同時使用方法( 2) 、( 3) 或( 4) 以提高冶煉效果。馬鋼在采用方法( 1) ( 供氧強度提高 0．41 N·m³ /( min·t) ) 、( 2) ( 氧槍噴頭孔數從 4 孔調整為 5 孔) 、( 3) ( 氧槍噴孔馬赫數提高 0．07) 、( 4) ( 氧槍噴孔夾角增大 1．5°) 的條件下，吹氧時間縮短了 128 s，終渣全鐵質量分數降低了 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) ( 供氧強度提高 0．22 N· m³ /( min·t) ) 、(2) ( 氧槍噴頭孔數從 4 孔調整為 5孔) 、( 3) ( 氧槍噴孔馬赫數提高 0．03) 的條件下，爐渣化渣效果提高，吹煉時間縮短了 0．16 min，爐渣全鐵質量分數降低了1．29%。

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

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

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

以上生產實踐表明，適用于120 t 轉爐的氧槍噴頭孔數為 5 個，馬赫數為 2．00 ～ 2．07，設計氧壓為0．85 ～ 0．95 MPa，供氧強度最高可達 3．93 N·m³ / ( min·t) ，通過優化供氧制度，供氧時間縮短了 10 ～ 120s，終渣全鐵質量分數降低了0．7% ～ 1．6%。

2 底吹工藝優化實踐

轉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、脫碳化學反應，降低冶煉終點鋼水氧含量和爐渣FetO 含量^［9］。常規轉爐使用的底吹元件為毛細管式或環縫管式底吹元件。國內鋼企已經廣泛開展了底吹工藝優化的生產實踐。

濰坊特鋼集團有限公司開展了 120 t 轉爐底吹工藝優化生產實踐^［10］。該轉爐的 8 個底吹孔在爐底熔池 1 /2 半徑處均勻環形排列，如圖 2 所示，并將毛細孔磚式底吹元件改造成雙環縫式底吹槍。以轉爐冶煉胎圈鋼絲鋼種為例，冶煉各環節的底吹氣源種類切換時間、氣源流量和供氣強度如表 8 所示。生產實踐表明，底吹槍一次透氣性達到 7 000 爐以上; 與底吹堵塞爐次相比，轉爐底吹通暢爐次的定氧值同比降低了 8．2 × 10^－6，終渣全鐵質量分數降低了 1．02% ，鐵水錳收得率提升了 2．7% 。

西林鋼鐵集團 120 t 轉爐設置 4個底吹孔，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 個底吹元件分成兩組，分布在出鋼口與兌鐵連線的兩側，每兩支底吹元件夾角為90°，如圖 3 所示。底吹元件采用環縫式噴槍，底吹工藝制度如表 9 所示^［11］。通過采取嚴格控制終渣成分、加強終點控制、降低出鋼溫度、優化濺渣工藝、加強爐型控制等措施，轉爐復吹爐役達到13 000爐，終渣平均全鐵質量分數為 12% ，終點鋼水殘錳質量分數為 0．07% ～ 0．12% 。

為少渣煉鋼脫磷工藝提供動力學條件，天津鋼鐵集團( 天鋼) 煉軋廠將 120 t 轉爐的底吹透氣磚改為環縫噴槍，開發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、終渣氧化鎂控制、強化濺渣效果、強化濺渣槍位控制等措施，延長了環縫式底吹元件壽命，使復吹爐役達到12 000爐^［12］。

萊鋼銀山型鋼煉鋼廠通過優化 120 t 轉爐的底吹供氣模式，在原有8 個底吹槍基礎上，去掉出鋼側的2 個底吹槍，提高其余6 個底吹槍的底吹流量( 表11 和圖4) 。生產實踐表明，底吹工藝優化后，終點磷質量分數從0．018 7%降至0．017 5%，爐渣全鐵質量分數從13．81%降至13．10%^［13］。

目前，國內鋼鐵企業主要采用雙環縫式底吹槍和毛細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。

雙環縫式底吹槍和毛細管式透氣磚氣體出口面積如表 12 所示。由表 12 可知，雙環縫式底吹槍氣體出口數量為毛細管式透氣磚的 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、萊鋼等企業的生產實踐表明，120 t 轉爐底吹系統通常配置 4 ～ 8支底吹管路，通過開展優化底吹孔布置、提高轉爐底吹強度的試驗，將吹煉期的底吹強度提高至0．04 ～ 0．12 N·m³ /( min·t) ，使單支路底吹流量達到 60 ～ 120 N·m³ / h，可降低爐渣 FetO 含量和鋼水終點磷含量，提高終點鋼水殘錳量。

在提高底吹強度( 底吹流量) 的同時，頂吹供氧制度也需要優化。要提高轉爐的復吹效果，必須使氧槍噴頭及底吹槍或透氣磚的各項工藝技術參數達到最優。

馬鋼 120 t 轉爐采用雙環縫式底吹供氣元件時，將供氣強度逐步提高至 0．09 m³ /( t · min) ^［14］，單支路底吹氣體流量達到 50 ～ 70 N· m³ / h，并優化氧槍噴頭參數，提高了復吹效果。

昆鋼將毛細管式透氣磚更換為雙環縫式底吹供氣元件^［15］，發現存在爐底和底吹元件維護難度大、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，同時縮短供氧時間，使復吹同步爐齡從 4 230 爐提高至 17 182 爐，終渣全鐵質量分數降低了 2．25% 。

智能冶煉工藝的應用實踐智能冶煉工藝的應用借助于副槍系統和冶煉模型。120 t 轉爐屬于中小型轉爐，根據爐體尺寸，優先選用副槍，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 年引進了國外副槍系統和動靜態模型，用于指導 120 t 轉爐的冶煉操作，取得了縮短冶煉周期、提高生產效率的效果^［16］。

2011 年，邯鋼一煉鋼廠在 120 t 轉爐上安裝副槍和動靜態控制系統，在改善吹煉穩定性、減少補吹爐數、縮短轉爐冶煉周期、提高勞動生產率、改善煉鋼工作環境等方面取得了初步成果^［17］。

萊鋼銀山型鋼煉鋼廠在 120 t 轉爐上安裝國外副槍系統，同時根據鐵水溫度、鐵水硅含量等條件開發不同的操作模式，系統根據鐵水硅含量、鐵水溫度，對二級服務器中模型進行甄選識別，選擇能適用于當前原料條件的最優模型^{［13，18］}。

2012 年，邯鋼三煉鋼廠在 120 t 轉爐上安裝投彈儀，用于對一倒鋼水碳、磷含量和溫度進行檢測，并將數據用于校準智能化煉鋼系統預報模型，實現了不倒爐出鋼的新模式^［19］。

陽春新鋼鐵也于 2019 年引進投彈儀，采用投彈式檢測技術后，轉爐終點控制準確性提高，且不需要操作員接近爐體，可取消或實現不倒爐出鋼，為生產單位人員結構優化提供了空間，轉爐生產效率提升了 10% ，人均產鋼量從 1 000 t 提高到1 200 t^［20］。

投彈儀和副槍的優缺點如表 13 所示。由表13 可知，相比投彈儀，副槍更節能降耗，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) ，使用副槍時需將副槍槍體向爐后傾斜 1°以上，同時確保爐口結渣可控。

4 冶煉新工藝的應用

蘭州資源環境職業技術學院在 120 t 轉爐開展了后吹氬氣攪拌工藝的工業試驗，在轉爐吹氧結束后并且爐體不動的情況下，采用底吹流量為800 N·m³ / h 的氬氣攪拌鋼液 5 min。試驗結果顯示，平均硫質量分數降低了 0．004% ，平均磷質量分數降低了 0．002% ，爐渣鐵氧化物的質量分數降低了 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 復吹轉爐上開展了高強度底吹 CO₂ 試驗，底吹 CO₂ 流量最高為 800 m³ / h。試驗結果表明，終點碳氧積平均降低了 1．4 × 10^-4。鋼鐵研究總院開發了鐵酸鈣系脫磷劑并在 120 t 轉爐上完成了 13 爐試驗^［23］，試驗結果表明鋼水脫磷率達到 90% 以上。

此外，音頻化渣工藝^［24-25］、自動加料工藝^［26］、激光側厚技術^［27］等工藝技術已應用于 120 t 轉爐。

5 結論

(1) 適用于 120 t 轉爐的氧槍噴頭孔數為5 個，馬赫數為 2．00 ～ 2．07，設計氧壓為 0．85 ～ 0．95 MPa; 氧槍噴頭優化后，供氧時間縮短了10 ～ 120 s，終渣全鐵質量分 數降低了 0． 7% ～1． 6% 。

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

(3) 副槍功能優于投彈儀，但在正常吹煉條件下，副槍與轉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) ，使用副槍時需將副槍槍體向爐后傾斜 1°以上，同時確保爐口結渣可控。

(4) 自動加料技術、自動吹煉技術、吹煉終點自動控制技術、自動出鋼技術等智能冶煉技術是120 t 轉爐冶煉技術的發展趨勢。

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