溅渣护炉技术

1 前言

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 (Great Lakes ) ，由普莱克斯 (Praxair) 气体有限公司开发的。

1991 年，美国 LTV 公司的印地安那哈的厂用溅渣作为全面护炉的一部分。在转 炉出钢后留下部分终渣，将渣粘度和氧化镁调整到适当范围，用氧枪喷吹氮气， 使炉渣溅到炉壁上，达到补炉目的。该方法具有炉龄长、生产率高、节省耐火材

料、操作简便等优点。 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 1984 年的

78% 提高到 1994年的 97%。

我国从 1994 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炉技术，炉龄大幅度提高，取得

了明效果。其中，宝钢、首钢炉龄已逾万炉。 溅渣护炉技术的应用对提高我国 转炉炉龄具有重要意义。

2 溅渣护炉的基本原理

在转炉出完钢后加入调渣剂 , 使其中的 Mg与炉渣产生化学反应 , 生成一系列

高熔点物质 , 被通过氧枪系统喷出的高压氮气喷溅到炉衬的大部分区域或指定区

域,粘附于炉衬内壁逐渐冷凝成固态的坚固保护渣层 ,并成为可消耗的耐材层。 转

炉冶炼时 ,保护层可减轻高温气流及炉渣对炉衬的化学侵蚀和机械冲刷 , 以维护

炉衬、提高炉龄并降低耐材包括喷补料等消耗。 氧气顶吹转炉溅渣护炉是在转炉

出钢后将炉体保持直立位置 ,利用顶吹氧枪向炉内喷射高压氮气 (1.0MPa) , 将炉 渣喷溅在炉衬上。渣粒是以很大冲击力粘附到炉衬上 , 与炉壁结合的相当牢固 , 可以有效地阻止炉渣对炉衬的侵蚀。 复吹转炉溅渣护炉是将顶吹和底吹均切换成 氮气,

从上、下不同方向吹向转炉内炉渣 ,将炉渣溅起粘结在炉衬上以实现保护炉 衬的目的。 2.1 溅渣护炉主要工艺因素

2.1.1 合理选择炉渣并进行终渣控制

炉渣选择着重是选择合理的渣相熔点。 影响炉渣熔点的物质主要有 FeO、MgO 和炉渣碱度。渣相熔点高可提高溅渣层在炉衬的停留时间 ,提高溅渣效果 , 减少溅 渣频率,实现多炉一溅目标。由于 FeO易与 CaO和 MnO等形成低熔点物质 ,并由 MgO和 FeO的二元系相图可以看出 , 提高 MgO的含量可减少 FeO相应产生的低熔 点物质数量 , 有利于炉渣熔点的提高。从溅渣护炉的角度分析 , 希望碱度高一点 , 这样转炉终渣 C2S及 C3S之和可以达到 70%～75%。这种化合物都是高熔点物质 , 对于提高溅渣层的耐火度有利。但是 ,碱度过高 ,冶炼过程不易控制 ,反而影响脱 磷和脱硫效果 , 且造成原材料浪费 ,还容易造成炉底上涨。实践证明 , 终渣碱度控 制在 2.8 ～3.2 为好。由于溅渣层对转炉初渣具有很强的抗侵蚀能力 , 而对转炉终 渣的高温侵蚀的抵抗能力很差 , 转炉终渣对溅渣层的侵蚀机理主要表现为高温熔

化,因此合理控制转炉终渣 , 尽可能提高终渣的熔化温度是溅渣护炉的关键环节。

合理控制终渣应着重从终渣的 MgO含量和 FeO含量着手。

2.1.2 终渣 MgO含量的控制

终渣MgO含量的控制在一定条件下提高终渣 MgO含量, 可进一步提高炉渣的 熔化温度 , 这种高熔点炉渣在冶炼初期产生的溅渣层减轻了渣对炉衬的机械冲刷 ,

并与渣中 SiO2 、FeO反应,避免了渣对炉衬的化学侵蚀 ;在冶炼中期 ,溅渣层中的

MgO与炉渣中的 FeO生成高熔点物质 , 在下一次溅渣操作中成为溅渣层的主要组

成部分;同时由于溅渣层被反复利用 ,减少了炼钢中造渣剂的使用 , 降低了生产和 操作成本。因此,终渣 MgO含量应在保证出钢温度前提下超过饱和值 ,但含量也不 宜过高,以免增加溅渣护炉成本 , 一般控制在 9%～10%。调渣剂国外一般在出钢后 加入, 国内由于转炉操作水平较低 ,炉况不稳定 ,终渣成分变化大 ,且出钢后加入 调渣剂化渣不彻底 , 因此大多数钢厂在冶炼初期便加入化渣剂 , 以轻烧白云石为 主, 亦有采用镁质冶金石灰或菱镁矿作为化渣剂的。

2.1.3 终渣 FeO控制

在溅渣护炉技术中 , 渣中 FeO含量的多少起着截然相反的作用 : 渣中 FeO含量 高,炉渣的熔点低、流动性好 ,容易沿衬砖内细小气孔和裂纹渗透和扩散 , 有利于

溅渣层与炉衬砖的结合 , 保护炉衬不受侵蚀。但是随着渣中 FeO含量增高 , 由于溅

渣层内 FeO会与 MgO反应使溅渣层中 MgO相减少, 导致溅渣层熔点降低 ,不利于溅 渣层寿命提高。 国内操作一般控制在 20%以下, 国外由于调渣剂在出钢后加入 ,所 以 FeO含量很高。一般认为只要在溅渣前把渣中 MgO含量调整在合适的范围内 , 对终渣氧化铁含量并不须特殊处理 , 即终渣氧化铁无论高低都可取得较好的溅渣 护炉效果。但如果终渣氧化铁含量很低 , 渣中铁酸钙少 , 故应在保证足够的耐火度 的情况下 ,降低渣中 MgO含量,这样溅渣护炉的成本较低 , 容易取得高炉龄。从操 作上讲,在同样温度、碱度和 MgO条件下,氧化铁含量低 ,渣的粘度大 ,起渣快,可

以减少溅渣时间 , 而不影响溅渣效果。

2.1.4 合理控制留渣量

在溅渣护炉中 , 转炉留渣量的多少不仅是溅渣护炉本身重要的工艺参数 , 而 且决定了溅渣层的厚度。合理的留渣量一方面要保证炉渣在炉衬表面形成 10～

20mm溅渣层 ,另一方面随炉内留渣量的增加 ,炉渣的可溅性增强 , 对溅渣操作有

利。转炉上部溅渣主要依靠氮气射流对熔池炉渣的溅射而获得。渣量少 , 渣层过

薄,气流易于穿透渣层 ,削弱气流对于渣层的乳化和破碎作用 , 不利于转炉上部溅

渣。转炉留渣量过大 ,在溶池内易形成浪涌 , 同样不利于转炉上部溅渣。 即便强化

了转炉上部溅渣的效果 ,也往往造成炉口粘渣变小 ,影响正常的冶炼操作。 溅渣的

厚度:渣量过少,溅渣层过薄,且不均匀,将影响溅渣护炉的效果。 根据钢铁研究总 院得出的公式 , 合理的留渣量为 [10,11]:Qs =0.301Wn 式中 Qs-转炉单炉留渣 量,t ;W-

转炉公称吨位 ,t ;n- 系数,取值为 0.583 ～0.650 。

2.1.5 合理控制出钢温度

用溅渣护炉工艺后 , 转炉出钢温度对炉龄的影响非常明显。随着出钢温度的

降低,炉龄与出钢温度的关系为 N=208529～ 12019t 。其中 N为炉龄,t 为出钢温度。 在同样的溅渣技术条件下 ,每降低出钢温度一度 ,将提高炉龄 121炉。因此 ,合理 控制转炉出钢温度 , 对采用溅渣护炉工艺的转炉进一步提高炉龄有重要意义。

2.1.6 枪位控制

枪位应按照早化渣 , 化好渣, 保证溅渣厚度和溅渣面积的原则确定。 高枪位易 于炉渣的破碎和乳化 ,有利于转炉上部的溅渣。 当枪位过高时 ,炉渣溅到炉膛位置 较低, 还容易冲刷已溅到炉墙上的炉渣 , 更容易引起炉底上涨。 低枪位易于造成渣 液面剧烈波动 , 对渣的冲击面积小 , 冲击深度增大 , 供给的能量大部分消耗于熔池 内部, 有利于转炉的下部溅渣 , 同时由于渣滴能量大 ,也可溅到炉口。溅渣时枪位 控制要根据炉渣的流动性和所要溅的部位而定。通常情况采取前高后低方法 , 既 保证了炉渣的形成 ,溅渣效果也好 , 且可防止炉底上涨。

2.2 技术特点

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、 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。

3 溅渣护炉技术在我国的应用前景

3.1 用溅渣护炉技术的必要性应用 目前我国转炉炉龄的总体水平与国外相比还有较大的差距。 只有宝钢、武钢、 太钢等少数钢厂炉龄较高。 多数多数钢厂的炉龄在 1000～2000次的范围内 , 部分 钢厂的炉龄低于 1000 次。炉衬砖和补炉料消耗高 , 修炉时间长、作业率低。中、 小型转炉钢厂采用的贴砖补炉法有耐火材料消耗高、 补炉时间长、 劳动强度大等 缺点。上述问题的存在 , 使炉衬材料费用在转炉钢成本中所占比例增力。

由于溅渣护炉具有投资少、见效快、应用范围广和易于掌握等优点 , 推广这

项技术对于提高我国转炉炉龄有重要作用

3.2 应用溅渣护护技术的几个问题

3.2.1 溅渣护炉的气源

由于氮气射流不与炉衬耐火材料起化学反应 , 来源充分 , 所以采用氮气作为 喷吹气体。氮气射流对炉渣应有足够的冲击能量 , 在 2～3min 内使炉衬产生足够 的挂渣层厚度。氮气的气体常数为 30.28kg ·m/(kg ·K), 稍高于氧。根据可压缩 热力学原理 , 对于同一喷头 , 在相同滞止压力下 , 氮气的流量为氧气的 1.07 倍。氮 气可以在氧枪喷孔出口处产生超音速射流。由于氮气压力低于氧 , 其流股在喷管

出口处属于过膨胀射流。 与正常射流相比 , 其射流中心的速度衰减快 , 流股向氧枪

中心线方向偏移量大。

3.2.2 渣中氧化镁含量

吹炼过程中造高氧化镁渣可以减少炉渣对炉衬的侵蚀。 当渣中 MgO含量超过

一定值后 , Mgo 可在炉衬表面上沉淀。 LTV 钢公司终渣 MgO可以达到 10%～13%。

MgO在渣中饱和溶解度随着渣中 SiO2 和 FeO含量的增加而增加。 渣中的 MnO、A12O3 都有增加 MgO饱和溶解度的作用。

吹炼过程中加轻烧白云石或镁质石灰都可提高渣中 MgO含量。终渣 MgO含量 达不到溅渣护炉要求时 , 在出钢后可加入含 MgO的添加物。但对其成分、粒度和 加入量都有一定的要求。

3.2.3 转炉出钢温度高

我国的大型转炉厂采用板坯连铸时出钢温度为 1660℃左右 , 比较容易采用

溅渣护炉技术。 中、小型转炉采用小方坯连铸 , 又无钢水加热装置 , 其出钢温度达

1700～1730℃。通常转炉终渣熔点为 1400～1450℃左右 , 过热度为 250～300℃,

这时炉渣的粘度低 , 不能粘结在炉衬上。必须采取降温措施。

3.2.4 溅渣护炉对炼钢冶金过程的影响

炉壁上的挂渣层自吹炼开始即起着保护炉衬的作用。 由于高温及炉渣的化学