任 涛^1，2，刘 林²，冯 超¹，朱 荣¹，杨华鹏¹

( 1. 北京科技大学，北京 100083; 2. 日照钢铁控股集团有限公司，山东 日照 276800)

摘要: 高废钢比、长炉龄和降低生产成本是钢铁企业转炉冶炼的重要发展方向。为解决生产过程中提高废钢比例造成终点过吹问题，某钢厂针对提升复吹效果进行了经济炉龄推进的可行性研究和分析，通过不断的摸索和完善，形成了一套具有日钢特色的转炉经济炉龄控制模式。首先，将原有毛细管式的底吹透气砖改为环缝式透气砖，采用梅花桩底吹布局并增长底吹透气砖长度的装置改进，并结合碳氧积动态调整底吹强度工艺制度来延长底吹透气砖寿命; 然后通过数值模拟方法，研究了顶吹氧气和底吹空气下的熔池流场的变化，并分析了措施实施前后炉衬侵蚀变化情况; 最后通过溅渣方式的优化，将原溅渣模式加轻烧镁球 + 生白云石改为加焦粉 + 轻烧白云石，并采用高枪位逐步压枪的方式溅渣，有效减少了溅渣时长和熔池侵蚀。将改进后的生产工艺应用在该钢厂实际生产中，采集炉衬侵蚀、钢铁料消耗和炉渣全铁数据。工业实践结果表明，实施优化后生产工艺后，钢水质量提升，其静态脱磷率由前炉役的 66. 3% 提高至 70. 7% ; 冶炼和溅渣时间缩短，冶炼周期由 44 min /炉降低至 35 min /炉; 优化后炉役的耐材成本降低1. 17 元/t，废钢消耗量提升 4% ，炼钢成本降低 11. 94 元/t。

关键词: 长炉龄; 高废钢比; 复吹效果; 钢水质量; 降低成本

钢铁行业积极响应国家绿色炼钢、降低碳排放政策，近年来废钢单耗不断提升，铁水热量不足，终点过吹导致耐材侵蚀加剧^［1］，护炉时间长、钢水脱磷难、低碳钢碳控制不稳定、耐材成本高^［2］、喷溅等问题凸显。钢水产量的提升和质量的稳定来源于转炉炉型的稳定和复吹效率的提高，结合生产实际，炼钢区域从这两方面入手，不断摸索，对护炉模式和底吹系统进行不断的优化和总结，力求开发出一套适用于当前生产状态下的经济质量炉龄控制模式。

1 背 景

1. 1 主要技术经济/质量性能指标( 攻关前指标)

攻关前主要经济技术指标: 钢铁料消耗1 076. 3 kg /t、碳氧积 30. 3、终渣 TFe22. 2% 、溅渣时间 6. 9 min、静态脱磷率 66. 3% 、一倒率 95. 4% 、耐材成本 2. 37 元/t。

1. 2 主要问题或差距

( 1) 炉龄要求较高，炉龄按照 ＞ 10 000 炉控制。炉底侵蚀严重，无法满足高炉龄要求，炉龄 2 000 炉开始采取涨炉底操作方式，转炉炉底吹效果开始变差，在炉役后期底吹透气性更差，特别在废钢单耗较高的生产状态下炉内动力学条件不足，喷溅比例升高、脱磷效果差、废钢熔化不均匀、碳控制不稳定^［3］。

( 2) 生产主要钢种为低碳低磷钢种，且由于热量不足终点过氧化严重，耐材侵蚀加剧，补炉频次及溅渣时间长，炉型不稳定，产能受限^［4］。

2 问题解决方案

2. 1 透气元件形式优化

原有底吹透气砖为毛细管透气砖，其特点是分散供气，但单管尺寸小、气流强度低易被覆盖。环缝式透气砖特点是单管气流强度大，不容易堵塞。计划将底吹透气砖更改为环缝式透气砖，增大底吹气量调节性，从根本上解决透气砖容易被覆盖导致炉役中后期透气不良，底吹效果差的问题^［5］。底吹砖结构示意如图 1和图 2 所示。

2. 2 底吹砖长度及炉底砖优化

增长底吹透气砖长度，减少永久层厚度，通过加长工作层的长度，延长底吹砖的使用寿命^［6］。砌筑方案如图 3 和图 4 所示。

利用梅花桩特性，通过桩间隙填充熔渣，增加炉底的抗冲击能力，进一步延长底吹砖使用寿命。如图 5和图 6 所示。

2. 3 根据碳氧积变化底吹强度动态调整

常规 状 态 下 底 吹 强 度 控 制: 0. 065 → 0. 054 →0. 097 m³ /( t·min) 。根据底吹裸露不明显，上调整底吹强度，保证底吹效果; 底吹裸露明显，碳氧积低于22 × 10 ^{－ 4}，下调底吹强度，保证炉底侵蚀速度受控^［7］。炉底控制常态如图 7 所示。

2. 4 氧枪喷头选定及流场模拟

众所周知，复合吹炼增加了底部供气，加强了转炉内钢水的搅拌力，使转炉内钢水成分和温度的不均匀性得到有效改善，碳氧反应更进一步接近平衡，避免了钢水过氧化，提高了转炉脱磷和脱硫的能力^［8］。所以顶吹和底吹的匹配度至关重要。

2. 4. 1 喷头选型

针对不同工况选用了几种氧枪喷头参数作为基础常用参数如表 1 所示。

2. 4. 2 复吹流场模拟

1) 条件设定^［9］

入口: 顶吹: 383. 35 m /s( 65 000 m³ /h) ;

底吹: 81. 24 m /s( 180 m³ /h) × 8;

出口: 标准大气压;

表面张力: 1. 3 N/m;

接触角: 150°。

2) 材质设定

顶吹/底吹( 空气) : 密度 1. 225 kg /m³，选择密度不变做模拟;

钢水: 密度 7 000 kg /m³。

3) 钢水表面形貌

吹气流使钢水表面形成冲击坑，冲击坑周围形成凸起。同时底吹气泡上浮，使液面表面气泡溢出位置形成凸起与喷溅。如图 8 所示，冲击坑深度约 0. 6 m( 约总深度 1 /3) 。

4) 底吹气泡形貌

底吹气体形成气泡上浮，受入口角度和钢水流动影响，气泡上浮路径向中心略倾斜。如图 9 所示。

由于设置气体密度不变，因此气泡体积不变。若设置气泡密度可变，则气泡在上浮过程中会发生膨胀。但气泡上浮与钢水流动基本规律相同，模拟结果可用于规律分析研究。

5) 钢水流场形貌

xy 截面，钢水表面因顶吹气流作用，钢水从中心流向周围，再形成流向中心的环流。

yz 截面，因顶吹和底吹共同作用，钢水在底吹气流两侧分别形成环流。

同时钢水液面流速最高，炉壁附近流速低。钢水内部流场主要受底吹影响，如图 10 所示。

通过图 11 可以基本判定炉内钢水的混合程度: 钢水总体流动与混合很充分，仅底部中心与侧面炉壁附近流速较低。

因此有两个钢水混匀程度评价指标: ①钢水平均流速: 此时为 0. 195 m /s; ②钢水低流速分布区域大小:通过 xy 或 yz 两个截面流速云图判断，如图 11 所示。综上所述，若钢水平均流速较高，且流速分布均匀，低速区域较小，则可判断此时工艺对钢水混匀效果更好。

2. 5 溅渣方式优化

2. 5. 1 原溅渣模式

原溅渣模式参数如下:

(1) 调渣剂: 轻烧镁球 + 生白云石;

(2) 溅渣时长: 6 ～ 7 min;

(3) 溅渣方式: 开氮后加入 3 ～ 5 kg /t 生白云石 +1. 6 kg /t 轻烧镁球，枪位采用低枪位起渣 + 高枪位逐步压枪的方式溅渣。

 (4) 存在缺陷: 溅渣时间长，炉底上涨严重，熔池侵蚀严重。

2. 5. 2 优化后溅渣模式

优化后溅渣模式参数如下^［10］:

(1) 调渣剂: 焦粉 + 轻烧白云石;

(2) 溅渣时长: 3. 5 ～ 4. 5 min;

(3) 溅渣方式: 放钢末期，从炉后用管道喷入炉内1 ～ 2 kg /t 焦末进行渣脱氧，下枪开氮后加入 1 ～ 2 kg /t轻烧白云石，枪位采用高枪位逐步压枪的方式溅渣。

如图 12 所示。

3 实践结果

3. 1 炉衬侵蚀对比

采取了解决措施方案后，对比前代炉役，炉龄稳定受控，全炉役炉底透气砖清晰可见。

3. 1. 1 炉底对比( 炉龄 3 800 炉)

(1) 前代炉役炉底高低不平，透气砖位置不明显;底吹利用率低。

(2) 当代炉役炉底厚度均匀，透气砖位置侵蚀明显，但侵蚀比较均匀。

(3) 环缝式底吹侵蚀速度较毛细管慢，有利于提高经 济 炉 龄。环 缝 式 底 吹 3 872 炉 时，侵 蚀 速 度:0. 056 mm /炉; 毛细管式底吹 3 876 炉时，侵蚀速度:0. 066 mm /炉。如图 13 所示。

3. 1. 2 炉身对比( 炉龄 3 800 炉)

(1) 前代炉役炉帽粘钢粘渣严重，除小面三角区外其他位置偏厚，小面三角区侵蚀明显较快。

 (2) 当代炉役整体厚度均匀，大面变薄，小面侵蚀减弱。整体炉型由前代“葫芦状”转变为“圆桶状”。

如图 14 所示。

3. 2 经济指标对比

通过不断的摸索和研究，采取解决措施方案后取得了阶段性的成果，炉型稳定受控，各项经济技术指标明显提升。当前废钢比较上代炉役平均升高 4% ，终点过吹更为严重，但从各项指标看，钢铁料消耗( ＲECC)同比降低 4. 8 kg /t，终渣全铁降低 3. 1% ，耐材成本降低 1. 17 元/t。

4 结 语

通过对底吹元件更换、底吹砖长度更改及炉底梅花桩布局设计、氧枪喷头参数配合底吹设定、溅渣护炉式调整、轻补炉底的应用，有效地提升了转炉生产能力、钢水质量，降低了生产成本，延长了经济炉役周期。

( 1) 冶炼周期缩短: 现炉役前 6 000 炉龄冶炼周期为 36. 54 min，比上代炉役前 6 000 炉龄冶炼周期为44. 74 min 低 8. 2 min。

( 2) 钢水质量提升: 静态脱磷率: 现炉役静态脱磷率 70. 8% ，比上炉役 66. 3% 高 4. 5% 。

( 3) 生产成本降低: 钢铁料消耗: 现炉役钢铁料消耗为 1 071. 5kg /t，比上炉役1 076. 3kg /t 降低 －4. 8 kg /t。终渣全铁: 现炉役 18. 4% ，比上炉役 22. 2% 低 3. 8% 。耐材成本: 补炉料成本降低 1. 17 元/t。

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