溅渣护炉工艺

无情斋

溅渣护炉技术是利用MgO含量达到饱和或过饱和的炼钢终点渣，通过高压N2的吹溅，冷却、凝固在炉衬表面上形成一层高熔点的熔渣层，并与炉衬很好地粘结附着。溅渣形成的溅渣层耐蚀性较好，同时可抑制炉衬砖表面的氧化脱碳，又能减轻高温渣对炉衬砖的侵蚀冲刷，从而保护炉衬砖，降低耐火材料损耗速度，减少喷补材料消耗，同时减轻工人劳动强度，提高炉衬使用寿命，提高转炉作业率，降低生产成本。
　　一、溅渣护炉技术的发展和特点
　　1．发展概况
　　炉龄是转炉炼钢一项综合性技术经济指标。提高炉龄不仅可以降低耐火材料消耗，提高作业率、降低生产成本，而且有利于均衡组织生产，促进生产的良性循环。所以，大幅度提高转炉炉龄是炼钢工作者多年追求的目标。
　　转炉炉衬工作在高温、高氧化性条件下，通常以0．2～0．8mm／炉的速度被侵蚀。为保证转炉正常生产和提高炉衬寿命，我国冶金工作者做了许多工作，如采用焦油白云石砖、轻烧油浸白云石砖，贴补、喷补、摇炉挂渣等措施，使炉龄逐步提高到1000炉以上；进入80年代，转炉普遍采用镁碳砖，综合砌炉，使用活性石灰造渣，改进操作，采用挂渣、喷补相结合的护炉方法，使转炉炉龄又有明显提高。
　　溅渣护炉是近年来开发的一项提高炉龄的新技术。该技术最先是在美国共和钢公司的大湖分厂，由普莱克斯气体有限公司开发的，在大湖分厂和格棱那也特市分厂实施后，并没有得到推广。l991年，美国LTV公司的印地安那哈鲍厂(1ndianaHabor)用溅渣作为全面护炉的一部分。1994年9月该厂232t顶吹转炉的炉衬寿命达到15658炉，喷补料消耗降到0．38kg／t 钢，喷补料成本节省66％，转炉作业率由l984年的78％提高到l994年的97％。之后，美国有15家以上钢厂采用该技术，美国内陆钢公司炉龄已超过20000炉。加拿大、英国、日本等也已相继投入试验和应用。
　　我国从l994年开始转炉溅渣护炉试验，采用和发展的速度很快。鞍钢、首钢、宝钢、武钢、太钢等一些转炉厂采用溅渣护护技术，炉龄大幅度提高，取得了明显效果。其中，宝钢、武钢、首钢炉龄已逾万炉。2003年武钢二炼钢创造了30368炉的转炉炉龄记录。
　　溅渣护炉是转炉护炉技术的重大进步，这项能够大幅度提高转炉炉龄、降低耐火材料消耗的技术，在我国展示了广阔的推广应用前景。
　　2．技术特点
　　溅渣护炉的技术特点有：
　　(1)操作简便 根据炉渣粘稠程度调整成分后，利用氧枪和自动控制系统，改供氧气为供氮气，即可降枪进行溅渣操作；
　　(2)成本低 充分利用了转炉高碱度终渣和制氧厂副产品氮气，加少量调渣剂(如菱镁球、终渣改性料、轻烧白云石等)就可实现溅渣，还可以降低吨钢石灰消耗；
　　(3)时间短 一般只需3～4min即可完成溅渣护炉操作，不影响正常生产；
　　(4)溅渣均匀覆盖在整个炉膛内壁上，基本上不改变炉膛形状；
　　(5)工人劳动强度低，无环境污染；
　　(6)炉膛温度较稳定，炉衬砖无急冷急热的变化；
　　(7)由于炉龄提高，节省修砌炉时间，对提高钢产量和平衡、协调生产组织有利；
　　(8)由于转炉作业率和单炉产量提高，为转炉实现“二吹二”或“一吹一”生产模式创造了条件。
　　二、溅渣护炉工艺和实践
　　1．基本原理和操作方法
　　溅渣补炉的基本原理是在转炉出钢后，调整终渣成分，并通过喷枪向渣中吹氮气，使炉渣溅起并附着在炉衬上，形成对炉衬的保护层，减轻炼钢过程对炉衬的机械冲刷和化学侵蚀，从而达到保护炉衬、提高炉龄的目的。
　　图11—1为某厂50t转炉溅渣与未溅渣时残留炉衬对比图，两者炉龄分别为4409和1196次。按该钢厂的三段溅渣法(前期不溅，中期间隔溅，后期炉溅)，溅渣时炉衬最大平均侵蚀速度为0．095mm／炉，相当于不溅渣时侵蚀速度的1／3。有些厂侵蚀速度还要小，几乎趋向“零”侵蚀。溅渣后消除了渣线、耳轴部位的严重侵蚀现象，各部位侵蚀均匀，炉衬残留厚度基本接近。
　　(a)
　　(b)
　　图11—1溅渣(a)与未溅渣(b)时残留炉衬比较
　　溅渣护炉操作步骤如下：
　　(1)将钢出尽后留下全部或部分炉渣；
　　(2)观察炉渣稀稠、温度高低，决定是否加入调渣剂，并观察炉衬侵蚀情况；
　　(3)摇动炉子使炉渣涂挂到前后侧大面上；
　　(4)下枪到预定高度，开始吹氮、溅渣，使炉衬全面挂上渣后，将枪停留在某一位置上，对特殊需要溅渣的地方进行溅渣；
　　(5)溅渣到所需时间后，停止吹氮，移开喷枪；
　　(6)检查炉衬溅渣情况，是否尚需局部喷补，如已达到要求，即可将渣出到渣罐中，溅渣操作结束。
　　如何有效地利用高速氮气射流将炉渣均匀地喷溅在炉衬表面，是溅渣护炉的技术关键，其效果取决于：
　　——熔池内留渣量和渣层厚度；
　　——熔渣的物化性质，包括成分、熔点、过热度、表面张力和粘度；
　　——溅渣气体的动力学参数，包括喷吹压力和流量，枪位及喷枪孔数和夹角等。
　　2．基本工艺参数
　　1）熔池内的合适渣量
　　按照国内几家钢厂溅渣实践和效果表明，渣量在100kg／t较为合适。
　　2）炉渣性质
　　(1)渣成分 目前，转炉大都使用镁碳砖作为炉衬，减少炉衬侵蚀的重要措施是提高渣中MgO含量。当渣中MgO达到饱和时，炉衬中MgO溶解量就会减少，从而提高了炉衬寿命。渣中MgO含量与炉渣碱度有关，有的厂在终渣碱度(CaO／SiO2％)为3左右、MgO含量在8％左右就可以保证MgO达到炮和。国内外转炉溅渣的MgO含量一般控制在8％～l4％。
　　渣中FeO含量高低对炉衬侵蚀和溅渣效果有很大影响。渣中FeO的矿物组成大多为各类低熔点铁酸盐，熔点远低于出钢温度，而且FeO含量越高，铁酸盐就越多，渣流动性就越好，对炉衬侵蚀作用加大且不容易附着在炉衬上。如果渣中FeO含量过低，又会造成转炉造渣和去除P、S困难。因此操作中必须严格控制渣中FeO含量。
　　(2)炉渣粘度 若炉渣粘度大，则渣稠不易溅起，溅渣量迅速下降，为了保持溅渣量，需要消耗更多的射流冲击能。此外，稠渣则在炉衬上的附着力差；粘度小，渣稀，溅渣覆盖较易，但覆盖层较薄。摇炉有挂渣流落现象，需加渣料调整，以保证炉渣粘度适当。
　　(3)调渣剂 溅渣层抗侵蚀能力是影响护炉效果的重要因素。抗侵蚀能力差，需要每炉溅渣，不仅增加氮气用量而且也延长冶炼周期。为此，有必要提高渣的熔化温度，以利于提高护炉效果。为此，需加入调渣剂，使炉渣改质，以满足提高熔化温度的需要。
　　调渣剂不仅具有提高溅渣熔点的作用，还有使炉渣更容易溅起而改善溅渣的动力学条件。此外，在渣中能产生弥散固相质点，从而提高了渣与炉衬的结合能力。
　　3）氮气压力和流量
　　高压氮气是溅渣的动力，其压力、流量直接影响溅渣效果。按照各厂溅渣经验，氮气压力一般与氧气压力接近时，可取得较好效果。由于转炉公称容量不同，所以溅渣的氮气压力、流量存在差异。
　　4）顶吹喷枪工艺参数
　　(1)枪位枪位 对溅渣高度有明显影响，最佳枪位应根据自身条件在实践中确定。枪位过高或过低都使溅渣量减少。较低枪位有利于转炉下部溅渣；反之对上部溅渣有利。
　　(2)喷枪夹角 l2°喷孔夹角喷枪溅渣效果优于l4．5°夹角喷枪。喷孔夹角为12°喷枪射流与熔池接触面积小，形成冲击力大，同时产生的反向射流与水平面的夹角也大，这都有利于增加溅渣的有效覆盖面积。
　　5）复吹转炉底气对溅渣的影响
　　溅渣护炉存在的问题之一是炉底上涨、底吹喷孔堵塞。这一问题在国内外均未得到很好解决。武钢、鞍钢在采用适当的操作工艺参数后较好地解决了炉底上涨问题。使溅渣下复吹比达到50％以上，说明采用该技术可以实现高复吹比。
　　6）溅渣时间
　　溅渣时间通常是根据炉子吨位、供气量、炉内渣量、炉渣状况及生产节奏等因素综合考虑，目前我国各钢厂一般吹氮时间为3～5min。
　　吹氮的目的是提供溅渣的动力，此外它还有冷却炉渣的作用。一般在吹氮的前2min时间内主要是冷却炉渣，因为在这段时间内炉渣还比较稀，即使溅到炉壁上也附挂不好。当吹氮到2min以上时，炉渣才开始大量溅起，可喷溅到炉帽处，倒炉观察时炉衬挂渣情况良好。实践中发现，溅渣时间越长，炉衬挂渣越多，但时间过长会造成炉底、熔池炉壁沾挂渣过多，造成炉底上涨，同时。溅渣时间过长会影响生产节奏。因此，溅渣时间要根据自身具体条件加以确定。
　　3．溅渣护炉和冶炼工艺的相互影响
　　1）溅渣护炉对冶炼工艺的影响
　　(1)对冶炼操作的影响
　　实践得知，由于溅渣炉底会有上涨现象，因此枪位控制要比未溅渣炉役相应提高，以避免造成喷溅、炉渣返干和增加氧气消耗量。
　　(2)对钢中氮含量和质量的影响
　　吹氮溅渣后，主要是防止阀门漏气造成吹炼终点氮含量高。通过对未装溅渣护炉设备和装溅渣护炉设备炉次的终点钢样分析，[N]分别为21.0×10和21.5×10，两者氮含量水平相当。
　　通过对采用溅渣工艺前后轧后废品分析比较表明，用氮气溅渣对钢质量没有影响。对冶炼过程脱硫、脱磷情况抽样统计，没有发现对脱硫、磷有明显影响。
　　2）冶炼对溅渣的影响
　　(1)冶炼终点温度对溅渣覆盖层的影响
　　冶炼终点温度对溅渣覆盖层有较大的影响。温度高对溅渣不利。据统计，采用溅渣护炉技术后出钢温度每降低l ℃，转炉炉龄可提高l20炉。
　　(2)炉渣氧化性的影响
　　终渣氧化性对溅渣覆盖层也有较大的影响。把终渣FeO控制在低限，对保护炉衬有利。
　　(3)炉渣粘度
　　渣稀侵蚀严重，渣偏稠不侵蚀而且容易挂上炉壁。
　　(4)炉渣成分
　　为提高溅渣护炉效果，应在适当的范围内，尽量提高MgO含量及终渣碱度。
　　3）提高溅渣效果的途径
　　目前对溅渣层与炉衬结合机理研究还很不够，对两者间是化学结合还是物理结合，或是两者都存在的看法不一，但是对进一步提高溅渣效果的途径，普遍认为：
　　(1)采用溅渣护护技术后，炉衬材质的性能不应降低。耐火材料成分对溅渣护炉有一定影响，其中碳含量不宜过高，对现场使用的含碳l4％～20％的镁碳砖，碳含量宜控制在下限。
　　(2)进一步控制和降低渣中(FeO)含量。
　　(3)合理调整渣中(MgO)含量。
　　(4)提高溅渣层熔化性温度，以降低炉渣过热度。
　　(5)降低出钢温度，提高终点命中率减少一次倒炉到出钢的时间，合理匹配转炉操作工序。
　　三、　溅渣护炉带来的问题
　　溅渣护炉带来的问题包括炉龄的稳定、炉底上涨、炉底透气砖寿命、喷枪粘结、设备维修、经济炉龄等，应通过采取不同的措施加以妥善解决。
　　1．炉底上涨
　　炉渣在炉底停留的时间越长，粘结在炉底的就越多，导致炉底上涨。炉底上涨将影响正常操作，堵塞底气喷孔。因此，要控制好溅渣时间、渣量、氮气压力和流量，尽量减少炉底上涨。在停吹后要尽快将渣出尽。在复吹转炉上，要尽量控制好底气压力和流量，减少炉底上炉渣的停留和粘结量。在炉底上涨太多时，可向炉底吹氧，将上涨部分侵蚀掉。
　　2．喷枪粘结
　　溅渣时喷枪头部有时粘结有炉渣，需要及时清理。当冷却水足够，冷却强度大时，喷枪不易结渣，即使有粘渣，移出喷枪喷水冷却，粘渣就会掉落。由于喷枪水冷强度不够，或炉温过高有热枪的情况则应更换喷枪，用预备的冷枪进行溅渣操作，冷枪上粘结的炉渣并不牢固，冷却后易脱落。如果炉内有残留钢液，则会使喷枪表面粘钢，这时，粘结的炉渣在冷却后不易脱落，故炉内要尽量不留钢液，这样对提高钢水收得率也有利。
　　3．设备维修问题
　　随着炉衬寿命的延长，原来更换炉衬时维修的项目如水冷烟罩、管道的清理维修、转炉驱动装置、冷却系统、除尘系统、盛钢桶车、吊车等都有相应延长服役时间问题，现在一些钢厂采用不同炉龄段计划维修的办法，既解决了设备影响炉龄的问题，又满足了溅渣护炉的需要，是个好办法。当然，对于设备的大、中修不应包含在此范围。
　　4．经济炉龄问题
　　经济炉龄与炉龄和原料价格有关。通常，每个转炉厂不同阶段都有一个经济炉龄区，即吨钢成本最低，取得最佳经济效益炉龄区。经济分析表明，炉衬砖和修砌费的成本与炉龄成反比关系，而氮气、补炉料、稠渣剂等的费用随炉龄增长而消耗量增加，对降低成本的负效应也越大。当然，随着冶炼和溅渣护炉工艺水平的提高，最经济的炉龄区要相应增高。但是，是炉龄越高经济效果越好，还是在一个适当的炉龄区经济效果最好?对此，还需要进一步加以研究。
　　5．经济效益的计算问题
　　采用溅渣护炉技术，能大幅度提高炉龄和降低耐火材料消耗，减少砌炉次数，提高转炉作业率，提高钢产量，对炼钢生产有较大的正面效益。但溅渣护炉造成炉底上涨，转炉复吹效果变差，钢水终点氧含量升高，合金消耗增加，此外还产生设备上的一些问题，也带来了一定的负面影响。因此，溅渣护炉经济效益的计算还有待商榷。