徐小伟
（马鞍山钢铁股份有限公司，安徽 马鞍山 243011）
摘 要：针对马鞍山钢铁股份有限公司300t复吹转炉存在顶枪供氧强度偏小、底 吹 强 度 弱、终 渣 全 铁含量高、碳氧积波动大等制约炉机匹配、钢水质量提 升 等 问 题，借鉴国内外复吹转炉经验，在 理 论 计 算、数学模拟研究的基础上，结合现场实际，优化了马钢300t转炉喷头参数，确定了底吹供 气 强 度，对 顶 底 复合吹炼工艺、操作、炉底结构等进行了调整、优化，实现了强底吹下高效吹氧，炉龄超过7000炉，有 效底吹近100 ％，终点碳氧积、活度氧、终渣 w（TFe）分别 降 至0．00137、454．8×10-6、16.66 ％，磷 分 配 比达124．82，冶金效果显著。
关键词：转炉；复吹；喷头；供氧强度；底吹强度
马鞍 山 钢 铁 股 份 有 限 公 司（以 下 简 称 马 钢）“十一五”技术改造和结构调整炼钢项目分二期完成，一期工程主 要 由2座 KR 铁 水 预 处 理 装 置、2座300t顶底复合吹炼转炉、1座 钢 包 精 炼 炉、1座 RH真空精 炼 炉、2台直弧形高效板坯连铸机组成，于2007年9月 正 式 投 产；二 期 工 程 新 增1座300t顶底复合吹炼转炉、1座 钢 包 精 炼 炉、1座 RH真空精炼炉、1台直弧形高效板坯连铸机，新增转炉2012年建成投产。
2015年以来，随着对大型转炉工艺认识的不断提高，借鉴国内外同类转炉经验，对顶底复合吹炼工艺进行了积极探索与调整，实现了高效长寿复吹，取得良好的效果。
1 顶底复合吹炼存在的主要问题
随着连铸在线调宽技术的广泛应用，转 炉 冶炼周期成为制约炼钢产能释放的瓶颈。与国内外同类型先进 企 业 相 比，马 钢300t转 炉 冶 炼 低 碳钢时，在弱底吹阶段终渣全铁质量 分数超过18.0 ％，在缩短冶 炼 周 期 的 同 时，进 一 步 提 高 钢水的品质成为不容回避的现实问题，亟待改进的主要问题如下：
1）顶吹供氧强度小，冶炼时间长，生产效率不高；
2）炉役碳氧浓度积在0.00211～0.00308内波动，后期平 均 值 超 过0.0030，制约部分钢种生产；
3）熔池搅拌力弱，转炉冶炼终点 P、S在渣钢间的分配比不高；
4）转炉冶炼终点钢水活度氧偏高，部分炉次甚至超过1000×10-6，残余锰含量低；
5）转炉 终 渣 全 铁 含 量 偏 高、熔 点 低、过 热 度高，炉衬侵蚀过快、炉底厚度波动大。
2 高效长寿复吹技术研究与优化
2.1氧枪喷头参数优化
氧枪是顶底复吹转炉的重要设备，氧 枪 喷 头参数、操作模式对冶炼工艺、产品质量、生产效率均有很大影响。基于马钢300t转炉系统铁水条件、连铸周期、操作要求及存在的问题，确定其目标供氧流量为64000～67000m3／h，以提高氧枪射流能量，供氧流量、滞止压力合理匹配为核心原则进行新喷头设计。
对比同 类 型300t公 称 容 量 大 型 转 炉，氧 枪枪体直径基本为406．4mm，而马钢300t转炉枪体直径为355．6mm，原6孔 喷 头 布 置 较 为 紧 凑， 确定优化后采用5孔布置，综合考虑氧气管网安全运行、一次除尘能力、脱 P效果等因素，在原喷头基础上适当提高出口马赫数，扩大喷孔倾角，优化前后喷头参数见表1。
优化前后喷头的射流特性及其与熔池作用情况见表2。表 2 中 L 为 氧 射 流 对 熔 池 的 穿 透 深度，根据式（1）Flinn A公式［1］计算；L0为熔池深度（1.9m），在 典 型 枪 位 供 氧 流 量64000～67000m3／h下，即 前 期2.6m、中 期2.3m、后 期1.9m下，L／L0对应为0.59～0.62、0.63～0.65、0.69～0.72，较优化前提升0.06左右，与文献［2－3］研 究的同类型转炉一致。
式中：L 为 穿 透 深 度，cm；H 为 枪 位 高 度，cm；dt为喷头喉口直径，cm；P0为滞止压力，MPa；θ为喷孔倾角，（°）。
顶枪流量为64000m3／h时，不同枪位下氧射流能量、熔池混匀时间关系见表3，优化后喷头顶吹射流能量提高12％左右，熔池混匀时间降低约5.5％，若提高供氧流 量 至67000m3／h，由 式（2）、式（3）可知，顶枪射流能量将增强，混匀时间进一步减少。
顶吹 射 流 能 量 及 混 匀 时 间 根 据 文 献 ［4－5］TsuyoshiKai等公式计算，公式表达如下：
式中：εvt为顶吹射流能量，W／m3；VL为金属体积，m3；Qt为氧流量，m3／min；n为喷孔个数；M 为氧气分子量；de为喷孔出口直径，m；θ为喷孔倾角， （°）；H 为枪位高度，m。
式中：τ为熔池混匀时间，s；εvb为底吹射流搅拌能量，W／m3，纯顶吹时为0；L0为熔池深度，m。
2.2 底吹强度的优化及应用
2.2.2 底吹强度的选择
顶底复吹转炉是20世纪70年代末世界炼钢领域中发展起来的一项新技术、新工艺，冶炼方式兼 有 顶 吹 法 和 底 吹 法 的 优 点，目 前 国 内 大 中 型转 炉 几 乎 都 采 用 复 吹 工 艺，底 吹 强 度 多 为0.03～0.08m3／（t·min），优 化 前 马 钢 3t00转 炉 也在 此 区 间。 随着对顶底复合吹炼技术研究的不 断 深 入，世界各国创新了不同的复吹工艺， 例 如 法 国LBE，美 国 的 Q－BOP、新 日 铁STB、LD－OB，JFE的 LD－KG，德 国 K－OBM 等 技 术，其 普遍规律均是随着底吹供气强 度增加，搅 拌 效 果明 显 改 善。
对300t转 炉 复 吹 进 行 数 值 模 拟 研 究，底 吹强度对熔池 死 区（搅 拌 不 充 分 区）的 影 响 见 图1，总体趋势是随着底吹供气强度增加，死区面积减小，底吹供气强度提高 到0.20m3／（t·min）时，死区降低57.30 ％，并且死区降幅趋缓。
文 献［6］表 明 随 着 复 吹 炼 钢 工 艺 底 吹 搅 拌强度的提高，熔池 混 匀 时 间 缩 短，当 底 吹 搅 拌 强度超过0.20m3／（t·min）时，熔池混匀时间减少不再显著；在提高 动 力 学 效 果 的 同 时，兼 顾 底 吹气体对底 枪 及 周 边 耐 材 冲 刷 的 负 面 影 响，马 钢300t转炉最终选择将底吹供气强度提高到0.20m3／（t·min）。
表４为顶枪流量为0、64000m3／h时，不同底吹强度、枪位条件下有效搅拌能量与熔池混匀时间的关系，在 顶 底 复 合 吹 炼 条 件 下，供 气 强 度0.20m3／（t·min）时，混匀时间较0.04m3／（t·min）减少超过30s，底吹强度增大对缩短混匀时间作用明显。顶底复吹搅拌有效总能量及其混匀时间根据 文献［4－5］计算，见式（4）、式（5），不同状态下熔池混匀时间由式（3）计算。
式中：εvb为底吹 气 体 搅 拌 能 量，W／m3；Qb为 底 吹气 体 流 量，m3／min；Tn为吹入惰性气体温度，K；TL为熔池金属温度，K；VL为 金 属 体 积，m3；ρL为 金属密度，kg／m3；h 为熔池深 度，m；P 为 炉 膛 压力，kg／m2；ε总 为 顶 底 复 吹 搅 拌 有 效 总 能 量，W／m3。
2.2.2 底吹应用
1）采用气流反作用冲击力小、冷却能力强、抗熔损、防堵塞环缝式底枪［7－8］。
2）开发独立控制底吹元件条件下的转炉强底吹冶炼技术，单个底吹供气元件均设置独立气体流量自动控制系统，可在0.02～0.20m3／（t·min）内调节底部供气强度。
3）供氧总量0～25％时，适当提高底吹强度，改善动力学条件，促进成渣，加强脱磷传质；供氧总量至25 ％～65 ％时，碳 氧 反 应 作 用 下 的 自 然搅拌开始增强，降低底吹强度；随着冶炼的进行，温度升高，脱碳速度逐渐增大，碳氧反应进入剧烈期，熔池搅拌充分，同时考虑底吹对测温、取样的影响，供氧总量至65 ％～85 ％时，底吹搅拌强度调至较弱模式。
4）吹炼后期，副枪测温、取样后，碳质量分数小于0.35％时，碳氧反应明显减弱［9－10］，CO对钢液的搅拌能力下降，调整底吹进入强搅模式至终点。
5）后搅，保证终点停氧后的静搅。最 大 限 度地降低终点活度氧，提高金属收得率和钢水质量。
2.3 吹炼操作
1）转炉热平衡联动。以转炉基本热平衡为基础，根据铁水温度、硅含量、冶炼钢种与废钢配加量协同联动，转炉热量富余15～35 ℃，铁水比不足时，前期加焦丁，进行炉内化学热补偿。
2）转炉供氧采用变枪位、恒流量的操作方式，顶吹流量64000～66000m3／h。
3）采用“高－低－低”吹炼模式，开吹枪位2.5～ 2.7m，脱 碳 枪 位2.2～2.4m，后 期 枪 位1.7～2.0m。
4）开吹即加入 石 灰 总 量 的35 ％～70 ％、轻烧白云石一次性全部投入。
5）吹炼过程矿石连投，石灰剩余量在供氧量达70 ％前加完。
6）吹炼末期压枪，枪位视炉役阶段而定，炉役前期1.7～1.8m、中 期1.8～1.9m、后 期1.9～2.0m，加强搅拌，降低氧含量、提高金属收得率。
7）后搅时间60～120s。
8）根据转炉冶炼各阶段的特点及主要任务，设定典型底吹模式见表5。
2.4 炉底结构优化
转炉冶炼低碳、低磷钢时，钢水及炉渣的高氧化性导致炉底及与之毗连的熔池区域侵蚀严重，炉底大幅上下波动，造成复吹转炉底吹元件堵塞、搅拌效果下降，有效复吹比降低，炉底结构形式对使用效果有直接影响。
转炉炉底通常采用“环形设计，返平翻身”，即由炉身镁碳砖、熔池平砌镁碳砖、炉底返平镁碳砖及圆形炉底镁碳砖组成，如图2a所 示。“返 平 翻身”段对钢液的阻力最大，应力集中，镁碳砖熔损快；在后续维护过程中，炉底较难保持“中间凹、边缘凸”的理想状态，复吹搅拌效果不佳，有效复吹比低。为解决上述问题，炉底采用球形设计，圆形炉底砖依次通过炉底弧形过渡砖、熔池弧形过渡砖向炉身区域过渡，使得圆炉底与熔池形成一个 球形整体，减少钢液环流阻力，分散炉底及熔池应力，降低了镁碳砖蚀损，具体见图2b。
3 结果与讨论
1）优化后转炉终点平均碳氧积由0.00246降至0.00137，降低了44.3 ％。优化前碳氧积控制欠稳定且超过0.0030炉数较多，优化后总体波动趋小，炉役各阶段控制均衡、稳定，实现了强底吹下的底吹（7300炉）与炉龄同步；表６为炉役各阶段碳氧浓度积平均值，图3为工艺优化前后全炉役碳氧积分布情况。
由文献［11］可 知，［％C］·［％O］＝mPCO，在1600 ℃及1.013×105Pa条 件 下，m ＝0.0025，m受温度影 响 极 小，碳 氧 积 几 乎 与 PCO成 正 比因此，强底吹 有 效 降 低 了 搅 拌 气 泡 中 PCO是导致碳氧浓度积大幅下降的根本原因。
2）转炉终点平均氧质量分数由603．6×10-6降至454．8×10-6，标准差 大 幅 缩 小，提 高 了 钢 水的洁净度，优化前后钢水终点氧分布见图4。
转炉终点氧的降低是热平衡有效管控与强底吹协同作用的结果；冷轧深冲板的钢质缺陷主要是由钢坯中 的Al2O3 、CaO·Al2O3等 夹 杂 引 起 的，转炉吹炼终点钢中的氧是钢中氧化物夹杂的主要来源之一，降低出钢前钢中氧含量，减少脱氧剂使用量，有利于提高钢水的洁净度、降低生产成本。
3)优化 后 终 渣 w（TFe）平 均 为16.66 ％，较优化前的18.20 ％降 低 了8.46％，见 图5。钢 水中的［O］与［Fe］发 生 反 应：［O］＋［Fe］＝（FeO），当钢水 中 的 ［O］含 量 较 高 时，与之平衡的终渣w（TFe）也将上升，反之亦然。
4）在碱度 R 基本相当的条件下，优化后渣钢间磷的分配比（LP＝w（P）／w［P］）为124．82，渣钢间硫的分配比（LS＝w（S）／w［S］）为9.35，优化后动力学条件优越，终点钢水中磷、硫的更接近平衡状态。
5）在铁水中 Mn质量分数（0.150 ％）基本相当情 况 下，终点钢水中残余 Mn 质 量 分 数 由0.060 ％上 升 到0.091 ％ （见 表 7）。钢 水 中 的Ｍｎ与 炉 渣 中 的FeO发 生 反 应 ：［Mn］＋（FeO）＝（MnO）＋［Fe］，当 炉 渣 中 的FeO 含 量 较 高 时，将加剧钢水中锰的氧化损失。由于强顶底复合吹炼炉渣中的FeO含量相对较低，锰在渣－钢间的分配比降低，提高了钢水终点残余锰含量，这对绝大部分钢种是有利的。
6）采用高效吹氧技术后，常态下转炉吹氧流量达到64000～66000m3／h，平均吹氧时间14.5min，每炉钢的吹氧时间缩短1.1min，补 吹 比 例、氧耗同步降低，见表8。
4 结 论
1）优化后的氧枪喷头，L／L0提高0.060，氧射流能 量 提 高12％ 左 右，熔池混匀时间降低约5.5 ％，供氧强度 可 达3.72m3／（t·min）（供 氧 流量67000m3／h，出 钢 量300t），基 本 实 现 高 效 吹氧。
2）通过数模研究、国内外经验借鉴，结合自身条件，确 定 马 钢300t转 炉 底 吹 供 气 强 度 为0.20m3／（t·min），应 用 中 采 用 强 底 吹 方 式，构 建 了 以降低 PCO分 压 为 手 段 的 低 碳 氧 积 控 制 技 术，炉 役内碳氧积降低44.3 ％。
3）较高 顶 供 氧 强 度 与 强 底 吹 搅 拌 冶 炼 模 式下，熔池死区显著降低，混匀时间缩短到37.5s左右，终点渣钢间磷、硫的分配比大幅提升，更加接近平 衡 态，低 氧 位 下 脱 磷 效 果 良 好，提 升 了 马 钢300t转炉冶炼控制水平。
4）优化后终渣全铁含量、终点钢水氧含量降低明显，提高了钢水的洁净度，降低了生产成本。
5）在底吹强度0.20m3／（t·min）条件下，转炉炉龄超过7000炉，炉役后期碳氧积控 制 稳 定，全炉役内均能满足高附加值产品需求。
［参 考 文 献］
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