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(chǎn)成本是鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐冶煉的重要發(fā)展方向。為解決生產(chǎn)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(jīng)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(zhuǎn)爐經(jīng)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(huán)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(jié)合碳氧積動態(tài)調(diào)整底吹強度工藝制度來延長底吹透氣磚壽命; 然后通過數(shù)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(yōu)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(chǎn)工藝應用在該鋼廠實際生產(chǎn)中，采集爐襯侵蝕、鋼鐵料消耗和爐渣全鐵數(shù)據(jù)。工業(yè)實踐結(jié)果表明，實施優(yōu)化后生產(chǎn)工藝后，鋼水質(zhì)量提升，其靜態(tài)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(yōu)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(guān)鍵詞: 長爐齡; 高廢鋼比; 復吹效果; 鋼水質(zhì)量; 降低成本
鋼鐵行業(yè)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(wěn)定、耐材成本高［2］、噴濺等問題凸顯。鋼水產(chǎn)量的提升和質(zhì)量的穩(wěn)定來源于轉(zhuǎn)爐爐型的穩(wěn)定和復吹效率的提高，結(jié)合生產(chǎn)實際，煉鋼區(qū)域從這兩方面入手，不斷摸索，對護爐模式和底吹系統(tǒng)進行不斷的優(yōu)化和總結(jié)，力求開發(fā)出一套適用于當前生產(chǎn)狀態(tài)下的經(jīng)濟質(zhì)量爐齡控制模式。
1 背 景
1. 1 主要技術(shù)經(jīng)濟/質(zhì)量性能指標( 攻關(guān)前指標)
攻關(guān)前主要經(jīng)濟技術(shù)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(tài)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(zhuǎn)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(chǎn)狀態(tài)下爐內(nèi)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(wěn)定［3］。
( 2) 生產(chǎn)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(wěn)定，產(chǎn)能受限［4］。
2 問題解決方案
2. 1 透氣元件形式優(yōu)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(huán)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(huán)縫式透氣磚，增大底吹氣量調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)示意如圖 1和圖 2 所示。
2. 2 底吹磚長度及爐底磚優(yōu)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(jù)碳氧積變化底吹強度動態(tài)調(diào)整
常規(guī) 狀 態(tài) 下 底 吹 強 度 控 制: 0. 065 → 0. 054 →0. 097 m3 /( t·min) 。根據(jù)底吹裸露不明顯，上調(diào)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(diào)底吹強度，保證爐底侵蝕速度受控［7］。爐底控制常態(tài)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(zhuǎn)爐內(nèi)鋼水的攪拌力，使轉(zhuǎn)爐內(nèi)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(zhuǎn)爐脫磷和脫硫的能力［8］。所以頂吹和底吹的匹配度至關(guān)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(shù)作為基礎(chǔ)常用參數(shù)如表 1 所示。
2. 4. 2 復吹流場模擬
1) 條件設(shè)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(zhì)設(shè)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(shè)置氣體密度不變，因此氣泡體積不變。若設(shè)置氣泡密度可變，則氣泡在上浮過程中會發(fā)生膨脹。但氣泡上浮與鋼水流動基本規(guī)律相同，模擬結(jié)果可用于規(guī)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(huán)流。
yz 截面，因頂吹和底吹共同作用，鋼水在底吹氣流兩側(cè)分別形成環(huán)流。
同時鋼水液面流速最高，爐壁附近流速低。鋼水內(nèi)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(nèi)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(cè)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(qū)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(qū)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(yōu)化
2. 5. 1 原濺渣模式
原濺渣模式參數(shù)如下:
(1) 調(diào)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(yōu)化后濺渣模式
優(yōu)化后濺渣模式參數(shù)如下［10］:
(1) 調(diào)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(nèi)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(jié)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(wěn)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(huán)縫式底吹侵蝕速度較毛細管慢，有利于提高經(jīng) 濟 爐 齡。環(huán) 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(qū)外其他位置偏厚，小面三角區(qū)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(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;圓桶狀”。
如圖 14 所示。
3. 2 經(jīng)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(wěn)定受控，各項經(jīng)濟技術(shù)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(jié) 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(shè)計、氧槍噴頭參數(shù)配合底吹設(shè)定、濺渣護爐式調(diào)整、輕補爐底的應用，有效地提升了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)能力、鋼水質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，延長了經(jīng)濟爐役周期。
( 1) 冶煉周期縮短: 現(xiàn)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(zhì)量提升: 靜態(tài)脫磷率: 現(xiàn)爐役靜態(tài)脫磷率 70. 8% ，比上爐役 66. 3% 高 4. 5% 。
( 3) 生產(chǎn)成本降低: 鋼鐵料消耗: 現(xiàn)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(xiàn)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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