任 濤^1，2，劉 林²，馮 超¹，朱 榮¹，楊華鵬¹

( 1. 北京科技大學，北京 100083; 2. 日照鋼鐵控股集團有限公司，山東 日照 276800)

摘要: 高廢鋼比、長爐齡和降低生產成本是鋼鐵企業轉爐冶煉的重要發展方向。為解決生產過程中提高廢鋼比例造成終點過吹問題，某鋼廠針對提升復吹效果進行了經濟爐齡推進的可行性研究和分析，通過不斷的摸索和完善，形成了一套具有日鋼特色的轉爐經濟爐齡控制模式。首先，將原有毛細管式的底吹透氣磚改為環縫式透氣磚，采用梅花樁底吹布局并增長底吹透氣磚長度的裝置改進，并結合碳氧積動態調整底吹強度工藝制度來延長底吹透氣磚壽命; 然后通過數值模擬方法，研究了頂吹氧氣和底吹空氣下的熔池流場的變化，并分析了措施實施前后爐襯侵蝕變化情況; 最后通過濺渣方式的優化，將原濺渣模式加輕燒鎂球 + 生白云石改為加焦粉 + 輕燒白云石，并采用高槍位逐步壓槍的方式濺渣，有效減少了濺渣時長和熔池侵蝕。將改進后的生產工藝應用在該鋼廠實際生產中，采集爐襯侵蝕、鋼鐵料消耗和爐渣全鐵數據。工業實踐結果表明，實施優化后生產工藝后，鋼水質量提升，其靜態脫磷率由前爐役的 66. 3% 提高至 70. 7% ; 冶煉和濺渣時間縮短，冶煉周期由 44 min /爐降低至 35 min /爐; 優化后爐役的耐材成本降低1. 17 元/t，廢鋼消耗量提升 4% ，煉鋼成本降低 11. 94 元/t。

關鍵詞: 長爐齡; 高廢鋼比; 復吹效果; 鋼水質量; 降低成本

鋼鐵行業積極響應國家綠色煉鋼、降低碳排放政策，近年來廢鋼單耗不斷提升，鐵水熱量不足，終點過吹導致耐材侵蝕加劇^［1］，護爐時間長、鋼水脫磷難、低碳鋼碳控制不穩定、耐材成本高^［2］、噴濺等問題凸顯。鋼水產量的提升和質量的穩定來源于轉爐爐型的穩定和復吹效率的提高，結合生產實際，煉鋼區域從這兩方面入手，不斷摸索，對護爐模式和底吹系統進行不斷的優化和總結，力求開發出一套適用于當前生產狀態下的經濟質量爐齡控制模式。

1 背 景

1. 1 主要技術經濟/質量性能指標( 攻關前指標)

攻關前主要經濟技術指標: 鋼鐵料消耗1 076. 3 kg /t、碳氧積 30. 3、終渣 TFe22. 2% 、濺渣時間 6. 9 min、靜態脫磷率 66. 3% 、一倒率 95. 4% 、耐材成本 2. 37 元/t。

1. 2 主要問題或差距

( 1) 爐齡要求較高，爐齡按照 ＞ 10 000 爐控制。爐底侵蝕嚴重，無法滿足高爐齡要求，爐齡 2 000 爐開始采取漲爐底操作方式，轉爐爐底吹效果開始變差，在爐役后期底吹透氣性更差，特別在廢鋼單耗較高的生產狀態下爐內動力學條件不足，噴濺比例升高、脫磷效果差、廢鋼熔化不均勻、碳控制不穩定^［3］。

( 2) 生產主要鋼種為低碳低磷鋼種，且由于熱量不足終點過氧化嚴重，耐材侵蝕加劇，補爐頻次及濺渣時間長，爐型不穩定，產能受限^［4］。

2 問題解決方案

2. 1 透氣元件形式優化

原有底吹透氣磚為毛細管透氣磚，其特點是分散供氣，但單管尺寸小、氣流強度低易被覆蓋。環縫式透氣磚特點是單管氣流強度大，不容易堵塞。計劃將底吹透氣磚更改為環縫式透氣磚，增大底吹氣量調節性，從根本上解決透氣磚容易被覆蓋導致爐役中后期透氣不良，底吹效果差的問題^［5］。底吹磚結構示意如圖 1和圖 2 所示。

2. 2 底吹磚長度及爐底磚優化

增長底吹透氣磚長度，減少永久層厚度，通過加長工作層的長度，延長底吹磚的使用壽命^［6］。砌筑方案如圖 3 和圖 4 所示。

利用梅花樁特性，通過樁間隙填充熔渣，增加爐底的抗沖擊能力，進一步延長底吹磚使用壽命。如圖 5和圖 6 所示。

2. 3 根據碳氧積變化底吹強度動態調整

常規 狀 態 下 底 吹 強 度 控 制: 0. 065 → 0. 054 →0. 097 m³ /( t·min) 。根據底吹裸露不明顯，上調整底吹強度，保證底吹效果; 底吹裸露明顯，碳氧積低于22 × 10 ^{－ 4}，下調底吹強度，保證爐底侵蝕速度受控^［7］。爐底控制常態如圖 7 所示。

2. 4 氧槍噴頭選定及流場模擬

眾所周知，復合吹煉增加了底部供氣，加強了轉爐內鋼水的攪拌力，使轉爐內鋼水成分和溫度的不均勻性得到有效改善，碳氧反應更進一步接近平衡，避免了鋼水過氧化，提高了轉爐脫磷和脫硫的能力^［8］。所以頂吹和底吹的匹配度至關重要。

2. 4. 1 噴頭選型

針對不同工況選用了幾種氧槍噴頭參數作為基礎常用參數如表 1 所示。

2. 4. 2 復吹流場模擬

1) 條件設定^［9］

入口: 頂吹: 383. 35 m /s( 65 000 m³ /h) ;

底吹: 81. 24 m /s( 180 m³ /h) × 8;

出口: 標準大氣壓;

表面張力: 1. 3 N/m;

接觸角: 150°。

2) 材質設定

頂吹/底吹( 空氣) : 密度 1. 225 kg /m³，選擇密度不變做模擬;

鋼水: 密度 7 000 kg /m³。

3) 鋼水表面形貌

吹氣流使鋼水表面形成沖擊坑，沖擊坑周圍形成凸起。同時底吹氣泡上浮，使液面表面氣泡溢出位置形成凸起與噴濺。如圖 8 所示，沖擊坑深度約 0. 6 m( 約總深度 1 /3) 。

4) 底吹氣泡形貌

底吹氣體形成氣泡上浮，受入口角度和鋼水流動影響，氣泡上浮路徑向中心略傾斜。如圖 9 所示。

由于設置氣體密度不變，因此氣泡體積不變。若設置氣泡密度可變，則氣泡在上浮過程中會發生膨脹。但氣泡上浮與鋼水流動基本規律相同，模擬結果可用于規律分析研究。

5) 鋼水流場形貌

xy 截面，鋼水表面因頂吹氣流作用，鋼水從中心流向周圍，再形成流向中心的環流。

yz 截面，因頂吹和底吹共同作用，鋼水在底吹氣流兩側分別形成環流。

同時鋼水液面流速最高，爐壁附近流速低。鋼水內部流場主要受底吹影響，如圖 10 所示。

通過圖 11 可以基本判定爐內鋼水的混合程度: 鋼水總體流動與混合很充分，僅底部中心與側面爐壁附近流速較低。

因此有兩個鋼水混勻程度評價指標: ①鋼水平均流速: 此時為 0. 195 m /s; ②鋼水低流速分布區域大小:通過 xy 或 yz 兩個截面流速云圖判斷，如圖 11 所示。綜上所述，若鋼水平均流速較高，且流速分布均勻，低速區域較小，則可判斷此時工藝對鋼水混勻效果更好。

2. 5 濺渣方式優化

2. 5. 1 原濺渣模式

原濺渣模式參數如下:

(1) 調渣劑: 輕燒鎂球 + 生白云石;

(2) 濺渣時長: 6 ～ 7 min;

(3) 濺渣方式: 開氮后加入 3 ～ 5 kg /t 生白云石 +1. 6 kg /t 輕燒鎂球，槍位采用低槍位起渣 + 高槍位逐步壓槍的方式濺渣。

 (4) 存在缺陷: 濺渣時間長，爐底上漲嚴重，熔池侵蝕嚴重。

2. 5. 2 優化后濺渣模式

優化后濺渣模式參數如下^［10］:

(1) 調渣劑: 焦粉 + 輕燒白云石;

(2) 濺渣時長: 3. 5 ～ 4. 5 min;

(3) 濺渣方式: 放鋼末期，從爐后用管道噴入爐內1 ～ 2 kg /t 焦末進行渣脫氧，下槍開氮后加入 1 ～ 2 kg /t輕燒白云石，槍位采用高槍位逐步壓槍的方式濺渣。

如圖 12 所示。

3 實踐結果

3. 1 爐襯侵蝕對比

采取了解決措施方案后，對比前代爐役，爐齡穩定受控，全爐役爐底透氣磚清晰可見。

3. 1. 1 爐底對比( 爐齡 3 800 爐)

(1) 前代爐役爐底高低不平，透氣磚位置不明顯;底吹利用率低。

(2) 當代爐役爐底厚度均勻，透氣磚位置侵蝕明顯，但侵蝕比較均勻。

(3) 環縫式底吹侵蝕速度較毛細管慢，有利于提高經 濟 爐 齡。環 縫 式 底 吹 3 872 爐 時，侵 蝕 速 度:0. 056 mm /爐; 毛細管式底吹 3 876 爐時，侵蝕速度:0. 066 mm /爐。如圖 13 所示。

3. 1. 2 爐身對比( 爐齡 3 800 爐)

(1) 前代爐役爐帽粘鋼粘渣嚴重，除小面三角區外其他位置偏厚，小面三角區侵蝕明顯較快。

 (2) 當代爐役整體厚度均勻，大面變薄，小面侵蝕減弱。整體爐型由前代“葫蘆狀”轉變為“圓桶狀”。

如圖 14 所示。

3. 2 經濟指標對比

通過不斷的摸索和研究，采取解決措施方案后取得了階段性的成果，爐型穩定受控，各項經濟技術指標明顯提升。當前廢鋼比較上代爐役平均升高 4% ，終點過吹更為嚴重，但從各項指標看，鋼鐵料消耗( ＲECC)同比降低 4. 8 kg /t，終渣全鐵降低 3. 1% ，耐材成本降低 1. 17 元/t。

4 結 語

通過對底吹元件更換、底吹磚長度更改及爐底梅花樁布局設計、氧槍噴頭參數配合底吹設定、濺渣護爐式調整、輕補爐底的應用，有效地提升了轉爐生產能力、鋼水質量，降低了生產成本，延長了經濟爐役周期。

( 1) 冶煉周期縮短: 現爐役前 6 000 爐齡冶煉周期為 36. 54 min，比上代爐役前 6 000 爐齡冶煉周期為44. 74 min 低 8. 2 min。

( 2) 鋼水質量提升: 靜態脫磷率: 現爐役靜態脫磷率 70. 8% ，比上爐役 66. 3% 高 4. 5% 。

( 3) 生產成本降低: 鋼鐵料消耗: 現爐役鋼鐵料消耗為 1 071. 5kg /t，比上爐役1 076. 3kg /t 降低 －4. 8 kg /t。終渣全鐵: 現爐役 18. 4% ，比上爐役 22. 2% 低 3. 8% 。耐材成本: 補爐料成本降低 1. 17 元/t。

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