吕长海¹，李晶¹，史成斌¹，闫威¹，郑从杰²

（1.北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083；2.钢铁研究总院工艺所，北京 100083）

摘 要：文中从溅渣用炉渣要求、溅渣加料时机及种类、溅渣工艺参数、溅渣过程中几类现象开展溅渣工艺技术研究，提出溅渣用炉渣要求在一定温度范围内，具有较好的流动性、粘性、抗高温侵蚀性。围绕炉渣要求，对溅渣加料时机、种类进行研究，得出低碳低磷钢溅渣过程应以熟料为主，以增加渣中碳和镁的物料为主。在提高溅渣量和溅渣效果方面，通过溅渣水模型实验，研究了枪位、顶底吹流量、渣量对溅渣的影响，得出对溅渣量和溅渣效果影响因素大小排序为枪位、渣量尧顶吹流量，而底吹流量变化对溅渣量和溅渣效果无影响。实际溅渣作业过程中存在较多问题，如溅渣加料不固定、溅渣枪位不规范等，各厂应根据自身情况开发自动溅渣模型，实现自动加料和自动溅渣，参考溅渣水模型实验结论动态控制渣量、枪位等参数，以保证溅渣后炉型规则、炉壁溅渣层厚度均匀。 

关键词：低碳低磷钢；溅渣；水模型试验；枪位；顶底吹流量；渣量

0 引 言

低碳低磷钢炉渣一般都具有较高的氧化性和碱度，与生产普碳钢相比，溅渣护炉时，因炉渣稀，调渣时间长、起渣慢、溅渣层薄，同时生产过程中发现溅渣层不耐侵蚀现象^[1，2]。因此，有必要对低碳低磷钢种溅渣护炉开展系统研究。

溅渣护炉用炉渣要求在一定温度范围内，具有较好的流动性、粘性、耐侵蚀性^[3，4]。溅渣后能快速的与炉衬耐火材料相结合，炉渣在溅渣层冷却后生成高熔点相，具备抗渣侵蚀的能力，流动性与炉渣的温度、熔点、固相率等有一定关系。粘性与炉渣的温度、成分及渣中未熔颗粒物含量等相关。因此，通过调渣满足溅渣用炉渣的要求，保证溅渣层耐侵蚀、挂渣效果好、缩短溅渣时间，实现又快又好溅渣，达到保护炉衬的目的。溅渣用炉渣的要求见图 1。

1 溅渣加料对溅渣效果的影响

生产低碳低磷钢种时，为保证溅渣作业顺行进行，同时达到较好的溅渣效果，应在溅渣前对向炉渣中加料进行调整，保证溅渣用的炉渣在一定温度范围内，具有较好的流动性，粘性和抗高温侵蚀性。溅渣加料的作用主要包括 3 个方面，一是调节炉渣温度和粘结性，二是增加颗粒物含量，三是调节炉渣成分达到改变炉渣熔点、固相率、高熔点析出相等。

低碳低磷钢溅渣用炉渣可近似看作牛顿流体，根据牛顿粘性定律可知，牛顿流体是指在受力后极易变形，切应力与变形速率成正比的低粘性流体。从流体力学的角度来说，凡是服从牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。因此，溅渣用炉渣可近似看做牛顿流体。牛顿内摩擦定律表达式：τ=μy； 内摩擦定律是指在温度不变的条件下，内摩擦力随着流速梯度的变化而变化，μ值始终保持常数，内摩擦力使流体流动减慢；又称粘性力，流体在流动过程中呈现的这种性质称为粘性，度量粘性大小的物理量称为粘度。在转炉溅渣过程中，y剪切速率基本相同，那么影响τ的大小取决于μ值。 μ为粘度、粘性系数-运动粘性系数或动力粘性系数，其主要影响因素为院温度（T）、成分、颗粒物。液体（液相）随温度的升高粘度、粘性系数-运动粘性系数或动力粘性系数降低，反之升高。

从牛顿粘性定律可以看出，调节炉渣的粘性和流动性，与炉渣的温度（T）、炉渣成分、炉渣中颗粒物含量有直接的关系，炉渣的耐侵蚀性与炉渣的成分直接相关。因此，在实际溅渣调渣过程中，应特别注意炉渣温度、成分、颗粒物的变化，尤其是溅渣加料的时机、种类对此造成的影响。

溅渣用料的种类较多，一般钢厂使用石灰石、生白云石、石灰、镁球、炉渣调整剂等。溅渣用料的加入时机应遵循物料本身所需要的分解温度和分解时间，使用生料与孰料相比较，需要更高的温度和更长的时间。在生产石灰和轻烧白云石时，其出灰时间分别为每 10 min 和 30 min 出灰，石灰石和生白云石高温煅烧时间远大于溅渣时间，在生产过程中如使用石灰石和生白云石调渣，所起到的作用主要为调节炉渣的温度，另外两方面发挥作用较小。 如为降低溅渣成本必须使用生料时，该类物料加入的时间，应在出钢阶段之前加。溅渣用料中的熟料镁球尧石灰、轻烧白云石等，可根据钢种温度调节加入时机，出钢温度较低时可考虑在出钢前加部分，溅渣阶段再加入部分，或全部加在溅渣阶段，加料时机见图 2。

为保证在生产低碳低磷钢种时高质量快速溅渣，溅渣阶段物料的加入种类应以熟料和炉渣调整剂为主，炉渣调整剂建议使用含碳量高，高温下碎裂性好的产品，加入量大时分批加入。尽量不加生料，如后期温度高，需要调节温度时，生料应在出钢前加入。总之，生产低碳低磷钢时溅渣加料应以增加碳和镁的物料为主，实现炉渣改质的同时保证炉渣的流动性及粘性，以保证良好的溅渣效果。

 2 溅渣工艺参数对溅渣效果的影响

为深入研究溅渣相关工艺参数对溅渣效果的影响，设计溅渣水模型试验，开展相关研究，按照1：7 比例模型制作试验用溅渣转炉^[5-9]，采用水模模拟研究实际的溅渣过程，见图 3。

在实际生产过程中，耳轴中心线上下部位溅渣层较薄弱，因此，在模拟过程中特别对该位置进行研究。在水模设计过程中，从转炉上部往下共设 计 8 个水槽，水模试验开始后，将每次试验得到的 8个水槽中的水量视为不同部位的溅渣量，以此开展试验研究。模型中 1~8 部位对应的实际高度与转炉距炉底的高度一一对应，转炉耳轴位置距炉底为 3.73 m，在水模型设计图中，第 5 部位实际高度 为 4.03 m，第 6 部位实际高度为 3.33 m，相同高度对应的位置在第 5~6 位置之间，如图 4 所示。 

为系统研究溅渣工艺参数对溅渣的影响，从顶底吹流量、留渣量、枪位等方面开展水模拟试验，详细分析工艺参数对耳轴部位及整个炉衬的溅渣效果影响，通过设计不同组参数，模拟实际溅渣过程袁 具体如下。

2.1 枪位对溅渣效果的影响

试验设计院在顶吹流量为 32 000 m³/h、底吹流量为 200 m³/h 的情况下，设计转炉留渣量分别为 80 kg/t、100 kg/t、120 kg/t，观察模型枪位从 1.7 m逐步提升至 2.3 m 时，枪位对溅渣效果的影响，分别见表 1、图 5、图 6、图 7。

从图 5 可以看出，在固定顶底吹流量的情况下，溅渣渣量在 80 kg/t 的情况下，炉衬 1~5 部位的溅渣量随枪位变化不大，炉衬 6~8 部位随着枪位的提高溅渣量逐渐增多，枪位大于 2.1 m 时增长趋势不明显。

从图 6 可以看出，在固定顶底吹流量的情况下，溅渣渣量在 100 kg/t 的情况下，炉衬 1~5 部位的溅渣量随枪位变化不大，炉衬 6~8 部位随着枪位的提高溅渣量逐渐增多，枪位在 1.9~2.1 m 时，首次出现增长缓慢现象，大于 2.2 m 后出现下降趋势。

从图 7 可以看出，在固定顶底吹流量的情况下，溅渣渣量在 120 kg/t 的情况下，炉衬 1~5 部位的溅渣量随枪位变化不大，炉衬 6~8 部位随着枪位的提高溅渣量逐渐增多，枪位在 1.9~2.1 m 时出现负增长拐点。采用极限思维，随着氧枪枪位的不断提高，氧枪距炉底的高度越高，炉渣接触到氧枪气流冲击力越小，溅起的渣量越小，枪位大于 2.1 m后出现降低趋势，氧枪枪位对溅渣的影响存在极大值袁即最佳枪位，H/D=0.35~0.42。由此可判断，在该渣量下枪位为 2.1 m 时炉衬溅渣量最大，溅渣渣量最大并不代表溅渣效果最好，应根据炉型和炉衬需要作出相应调整。

从以上试验数据可以看出，枪位对炉衬下部的溅渣量影响较大，在相同枪位不同渣量的情况下，低枪位溅渣时袁炉衬各部位的溅渣量偏少，溅渣层薄弱，从上至下炉衬的溅渣量逐渐增加，形成中上部薄弱，下部偏厚；中枪位溅渣时，炉衬各部位的溅渣量增多，溅渣层增厚，从上至下炉衬的溅渣量逐渐增加，形成上部薄弱，中部适当增厚，下部偏厚；高枪位溅渣时，炉衬各部位的溅渣量增多明显，溅渣层较厚，从上至下炉衬的溅渣量逐渐增加，上部 适当增厚，中部增厚，下部偏厚。低枪位、中枪位、高枪位溅渣分别见图 8。

因此，在实际生产过程中，应根据炉衬厚度变化情况，设计不同的溅渣枪位，不能单一高枪位或低枪位溅渣，应高低枪位配合，实现炉衬溅渣层上、中、下部的均匀分布，保证溅渣效果的同时，保持炉型规则。水模试验显示，当枪位控制在 1.8 m约H约 2.2 m 时，能增加耳轴部位的溅渣量，在实际溅渣过程中，枪位控制应高低搭配，根据炉役不同时期炉衬的薄弱位置，灵活选择枪位控制。

2.2 顶底吹流量对溅渣效果的影响

1）顶吹流量试验设计院根据实际生产中常用枪位、实际渣量及底吹情况，设定固定枪位为 1.8 m、渣量 120 kg/t，底吹流量 200 m³/h，顶吹流量设定从 30 000~32 000 m³/h 之间变化，观察顶吹流量变化时对溅渣效果的影响，见表 2、图 9。

从图 9 可以看出，在固定枪位、渣量、底吹流量的情况下，溅渣渣量从炉衬上部往下部逐渐增多，不同顶吹流量的趋势一致；炉衬从上部第 1 部位距炉底 6.83 m 的位置开始，至第 3 部位距炉底 5.43 m的位置之间，随着顶吹流量从 30 000 m³/h 增加至 33 000 m³/h 时，溅渣量基本相同；但是，炉衬从上部第 4 部位距炉底 4.73 m 的位置开始，至第 8 部 位距炉底 1.93 m 的位置之间，随着顶吹流量从30 000 m³/h 增加至 33 000 m³/h 时，溅渣量逐渐增加；即在相同枪位、渣量、底吹流量的情况下，顶吹流量的变化对炉衬中下部溅渣渣量影响明显，越靠近下部影响越大，对上部影响不明显。

 2）底吹流量试验设计院根据实际生产中常用枪位、实际渣量及底吹情况，设定固定枪位为 1.8 m、渣量 120 kg/t、顶吹流量 32 000 m³/h，底吹流量设定从 200~320 m³/h 之间变化，观察底吹流量变化时对溅渣效果的影响，见表 3、图 10。

从图 10 可以看出，在固定枪位、渣量、顶吹流量的情况下，溅渣渣量从炉衬上部往下部逐渐增多，不同底吹流量的趋势一致；炉衬从上部第 1 部 位距炉底 6.83 m 的位置开始，至第 8 部位距炉底 1.93 m 的位置之间，随着底吹流量从 200 m³/h 增 加至 320 m³/h 时，溅渣量基本相同，即底吹流量的变化对炉衬上中下部溅渣渣量影响不明显。即在相同枪位、渣量、顶吹流量的情况下，底吹流量对溅渣效果几乎没有影响。 

2.3 渣量对溅渣效果的影响

试验设计院根据实际生产中常用枪位、顶底吹情况，设定固定枪位为 1.8 m、顶吹流量 32 000 m³/h、底吹流量 200 m³/h，渣量从 80~120 kg/t 之间变化，观察渣量变化时对溅渣效果的影响，见表 4、 图11。

从图 11 可以看出，在固定枪位、顶底吹流量的情况下，随着渣量增大，从炉衬上部往下部的溅渣量逐渐增多，不同渣量的趋势一致；炉衬从上部 第 1 部位距炉底 6.83 m 的位置开始，至第 3 部位距炉底 5.43 m 的位置之间，随着渣量从 80 kg/t 增加至 120 kg/t 时，溅渣量基本相同；但是，炉衬从上部第 4 部位距炉底 4.73 m 的位置开始，至第 8 部位距炉底 1.93 m 的位置之间，随着渣量从 80 kg/t增加至 120 kg/t 时，溅渣量逐渐增加，而且越靠近下部增加量越大；即在相同枪位、顶底吹流量的情况下，渣量的变化对炉衬中下部溅渣量影响明显，渣量越大溅渣量越大，越靠近炉底溅渣量越大，对上部影响不明显。

通过溅渣水模实验发现，不同枪位、顶吹流量、渣量对溅渣量的多少有直接关系，对炉衬中下部位溅渣层有一定影响，特别是靠近炉底的部分尤为明显，按照影响大小排序为枪位跃渣量跃顶吹流量。因此，在日常生产过程中对于炉底部位的控制，应重视枪位、顶吹流量、渣量的影响，特别是对实际操作影响较大的炉底高度，更应注意防范，炉底保持不变或略微上涨，控制在 100 mm 以内浮动。

3 实际生产过程中几种典型溅渣操作分析

在低碳低磷钢生产时，一般都向炉渣中加入溅渣料调渣，其加入时机及溅渣枪位的控制对溅渣效果影响较大，炉渣改质及溅渣枪位的控制对炉衬溅渣层的分布有影响，具体见以下几种典型的溅渣作业。18105863 炉次溅渣开始时间为 13：25：02，溅渣加料时间为 13：26：54，溅渣加料在开始溅渣后 2 min 左右加入，时间偏靠后，加入生料石灰石 310 kg，通过前面分析可知，不建议在溅渣阶段使用生料，加入时机偏后且使用生料，都难以保证良好的溅渣效果，同时中高枪位时间偏短，不利于耳轴部位溅渣，见图 12。

18205648 炉次的溅渣调渣时间接近总溅渣时间的 50%，虽溅渣加料在前期完成，但是调渣时间过长、有效溅渣时间偏短，低枪位时间长、中高枪位溅渣时间短，耳轴部位溅渣量小、溅渣层薄，难以保证良好的炉型，见图 13。

18105656 炉次的溅渣调渣时间为总溅渣时间的 30%，溅渣加料在前期完成，中后期逐步降枪溅渣，保证有效溅渣时间，溅渣中以低枪位为主，中高枪位时间短，薄弱的耳轴部位溅渣量小、溅渣层偏薄，见图 14。

18105866 炉次的溅渣总时长 140 s，因冶炼节奏紧张，影响总溅渣时间短，造成溅渣量减少、渣层偏薄，溅渣枪位以中枪位为主，能增加薄弱的耳轴部位溅渣量，见图 15。

18105887 炉次溅渣低枪位时间偏长，低枪位时间占总时间的近 50%. 溅渣中枪位时间较短，以高枪位与低枪位溅渣，容易造成炉衬内部溅渣层不均、炉型不规则。中高枪位时间短，薄弱的耳轴部位溅渣量小、溅渣层偏薄，见图 16。

4 结 论

1）低碳低磷钢溅渣加料应遵循物料分解所需要的温度和时间原则，在溅渣阶段加料应以熟料为主，为降低生产成本使用生料时，应在出钢前加入。溅渣加料种类应以增加含碳和镁的物料为主，调节炉渣改质的同时保证炉渣的流动性及粘性，取得良好溅渣效果。 

2）从溅渣水模试验中发现，枪位对炉衬下部的溅渣量影响较大，枪位为 2.1 m 时炉衬总溅渣量最大。在相同枪位不同渣量的情况下，随着渣量的增加溅渣总量增加；低枪位溅渣时，炉衬各部位的溅渣总量少，随着枪位的提高，炉衬总溅渣量逐渐增加；炉衬从上往下，溅渣层分布为中上部薄弱、下部偏厚；中枪位溅渣时，炉衬各部位的溅渣量增多，溅渣层增厚，从上至下炉衬的溅渣量逐渐增加，形成上部薄弱，中部适当增厚，下部偏厚；高枪位溅渣时，炉衬各部位的溅渣量增多明显，溅渣层较厚，从上至下炉衬的溅渣量逐渐增加，上部适当增厚，中部增厚，下部偏厚。根据不同的枪位特点，在实际生产中应根据炉型，灵活搭配枪位控制。

3）在相同枪位、渣量、底吹流量的情况下，顶吹流量从 30 000 m³/h 增加至 32 000 m³/h 时，对炉衬中下部溅渣渣量影响明显，越靠近下部影响越大，对上部影响不明显。在相同枪位、渣量、顶吹流量的情况下，底吹流量从 200 m³/h 增加至 320 m³/h时，对溅渣效果几乎没有影响。

4）在固定枪位、顶底吹流量的情况下，渣量从80 kg/t 增加至 120 kg/t 时，溅渣量逐渐增加，而且越靠近下部增加量越大；在相同枪位、顶底吹流量的情况下，渣量的变化对炉衬中下部溅渣量影响明显，渣量越大溅渣量越大，越靠近炉底溅渣量越大，对上部影响不明显。 

5）通过溅渣水模实验发现，不同枪位、顶吹流量、渣量对溅渣量的多少有直接关系，对炉衬中下部位溅渣层有一定影响，特别是靠近炉底的部分尤为明显，按照影响大小排序为枪位、渣量、顶吹流量。 

6）在实际溅渣操作过程中，各班组的溅渣枪位及加料控制较为随意，没有形成统一的控制标准。基于此，建议各厂根据自身钢种及终点控制情况，开发自动溅渣模型，实现同一操作。根据模拟试验动态控制留渣量和溅渣枪位，以保证溅渣后炉型规则，炉壁溅渣层厚度均匀为原则。

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