轉(zhuǎn)爐煉鋼擋渣工藝的應(yīng)用及效益

天津天鋼聯(lián)合鋼鐵有限公司 林建筑

轉(zhuǎn)爐煉鋼擋渣工藝的應(yīng)用及效益

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1 概述

隨著用戶(hù)對(duì)鋼材質(zhì)量要求的日益提高，需要不斷提高鋼水質(zhì)量，減少轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)的下渣量是改善鋼水質(zhì)量的一個(gè)重要手段。在轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)中，爐內(nèi)冶煉時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熔融狀態(tài)的爐渣，這些爐渣會(huì)隨著轉(zhuǎn)爐的出鋼流入鋼包中，造成以下不利影響：影響鋼包和轉(zhuǎn)爐出鋼口耐火材料的壽命；爐渣中硫、磷等有害成分重新滲透到鋼水中，影響鋼坯質(zhì)量；增加爐后鐵合金的消耗；增加鋼中夾雜物，降低鋼水質(zhì)量；增加后續(xù)工序中合成渣的用量；增加后步精煉工序處理時(shí)間。因此轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)，要采用擋渣出鋼工藝嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)爐的下渣量（即隨鋼水流入鋼包中的渣量）。

2 擋渣工藝和擋渣設(shè)備的選擇

2.1 擋渣出鋼的必要性

轉(zhuǎn)爐煉鋼中，鋼水的合金化大都在鋼包中進(jìn)行，而轉(zhuǎn)爐內(nèi)的高氧化性渣流入鋼包會(huì)導(dǎo)致鋼液與鋼渣發(fā)生氧化反應(yīng)，造成合金元素收得率降低，并使鋼水產(chǎn)生回磷和夾雜物增多。同時(shí)，爐渣也對(duì)鋼包內(nèi)襯產(chǎn)生侵蝕，特別在鋼水進(jìn)行吹氬等精煉處理時(shí)，要求鋼包中爐渣FeO重量低于2%時(shí)才有利于提高精煉效果。

擋渣出鋼是在轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)要求少渣或無(wú)渣出鋼，其目的是有利于準(zhǔn)確控制鋼水成分，有效地減少回磷，提高合金元素的收得率，減少合金消耗；對(duì)于采用鋼包作為爐外精煉容器來(lái)說(shuō)，利于降低鋼包耐火材料侵蝕，明顯地提高鋼包壽命；也提高轉(zhuǎn)爐出鋼口耐火材料的壽命，減少后續(xù)工序中合成渣的用量，縮短后步精煉工序處理時(shí)間，因此轉(zhuǎn)爐應(yīng)該采用擋渣出鋼。

2.2 擋渣方法的選擇

為提高轉(zhuǎn)爐擋渣效果，國(guó)內(nèi)外在擋渣技術(shù)方面進(jìn)行了深入研究，自1970年日本發(fā)明擋渣球擋渣出鋼以來(lái)，各國(guó)為完善擋渣技術(shù)，發(fā)明了十幾種擋渣方法。擋渣出鋼的方法有：（1）出鋼前期擋渣；（2）出鋼中、后期擋渣；（3）出鋼后期擋渣；（4）出鋼后擋渣。

出鋼前期擋渣的方法有：（1）擋渣帽擋渣；（2）擋渣料法。

出鋼中、后期擋渣的方法有：（1）投放擋渣球擋渣；（2）投放擋渣錐擋渣；（3）投放擋渣塞（棒、標(biāo)）擋渣；（4）智能擋渣球擋渣；（5）出鋼口吹氣干擾渦流法擋渣；（6）避渣罩法擋渣；（7）電磁法擋渣；（8）均流出鋼口法擋渣。

出鋼后期擋渣的方法有：（1）氣動(dòng)擋渣；（2）滑板法擋渣（也稱(chēng)液壓擋渣閘）。

出鋼后擋渣有：擋渣罐擋渣法。

另外，還有一些擋渣方法，如：三孔出鋼法、真空吸渣法、氣動(dòng)撇渣法、扒渣法等，未能廣泛應(yīng)用。

目前常用的擋渣出鋼法是（1）耐材制品擋渣；（2）氣動(dòng)擋渣；（3）液壓擋渣閘擋渣。

氣動(dòng)擋渣是80年代中期奧鋼聯(lián)開(kāi)發(fā)成功的。它采用電子示渣器對(duì)鋼流監(jiān)測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)信號(hào)用氣動(dòng)裝置將耐火材料塞子封堵出鋼口。擋渣設(shè)備處于爐口極為惡劣的高溫狀態(tài)下，易于損壞，不便維修，價(jià)格昂貴，以及氣源、管線(xiàn)在爐身、耳軸中布置不便，不能適應(yīng)老爐改造等原因的局限，在國(guó)內(nèi)未能推廣使用。

傳統(tǒng)的擋渣工藝，是采用投放擋渣球擋出鋼。擋渣球通常采用鐵絲吊掛伸入爐內(nèi)，在高溫下鐵絲熔斷，使球落入爐內(nèi)，或者采用簡(jiǎn)單機(jī)械讓擋渣球在溜槽內(nèi)滑動(dòng)，拋入爐內(nèi)。由于擋渣球通常是以隨波逐流的方式到達(dá)出鋼口，而往往由于鋼渣粘性大，擋渣球不能到達(dá)出鋼口，或者不能有效地在鋼水將流盡時(shí)堵住出鋼口，因而擋渣球擋渣出鋼通常有效率低于70%,由于擋渣球擋渣出鋼的低效率，國(guó)內(nèi)一些廠家也試圖從改進(jìn)擋渣球的形狀等方面入手，提高擋渣效果。但由于擋渣工藝、擋渣設(shè)備、擋渣工藝材料的的一體化解決方案的問(wèn)題，始終效果不盡人意。

1987年Michael D.Labate總結(jié)了西德?lián)踉粼诿绹?guó)的使用的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)明了具有擋渣和抑制渦流雙重功能擋渣塞。在轉(zhuǎn)爐出鋼后期，將擋渣棒導(dǎo)向棒部分在爐內(nèi)插入出鋼口，半球部分懸浮于鋼水與渣液界面上；當(dāng)鋼水流將盡時(shí)，半球擋渣棒適時(shí)堵住出鋼口，從而防止渣液流入鋼水包。這項(xiàng)新工藝顯著地降低了鋼水中硫、磷的含量，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)降低了能耗，減少了鋼水的溫度損失，增加了操作的安全性。該裝置呈陀螺形，粗端有3個(gè)凹槽、6個(gè)棱角，能夠破壞鋼水渦流，減少卷渣。其比重與擋渣球相近，在4.4～4.7g/m3之間，能浮于鋼渣界面，伴隨出鋼過(guò)程，逐漸堵住出鋼口，實(shí)現(xiàn)抑制渦流和擋渣的作用。該法擋渣成功率可達(dá)96%左右。

2000年以后，盧森堡、德國(guó)、日本等國(guó)家鋼鐵企業(yè)在轉(zhuǎn)爐上用大型鋼包滑動(dòng)水口擋渣，與一些示渣法相結(jié)合，可以有效地控制下渣量，并能準(zhǔn)確控制出鋼時(shí)間。這種方法擋渣效果好，但其成本較高。同時(shí)，由于出鋼口所在的特定位置，使得安裝與拆卸均不方便，且易受吹煉期間噴濺的影響。該裝置設(shè)備復(fù)雜、成本較高，只適用于120t以上的大轉(zhuǎn)爐，并冶煉高品種鋼。

以下是擋渣球擋渣、氣動(dòng)擋渣、擋渣塞擋渣、液壓擋渣閘擋渣的比較：

類(lèi) 別 擋渣成功率 擋渣有效率 回磷(%) 渣厚(mm) 運(yùn)行成本 故障率擋渣球擋渣 70～75 70 0.005～0.01 150～200 低 低氣動(dòng)擋渣 95 90 0.005～0.008 ～100 高 高擋渣塞擋渣 99 96 0.001～0.002 ～50 低 低液壓擋渣閘 99 99 0.001～0.002 20～40 高 低

根據(jù)天津天鋼聯(lián)合鋼鐵有限公司轉(zhuǎn)爐容量和冶煉鋼種要求以及現(xiàn)有轉(zhuǎn)爐使用擋渣出鋼的實(shí)踐，我們?cè)诩磳⑼度氲娜?20t轉(zhuǎn)爐中選用前期擋渣帽加中、后期投放擋渣塞方法進(jìn)行擋渣。

2.3 擋渣設(shè)備的選擇

前期擋渣通常采用人工將擋渣帽塞入出鋼口。

中、后期擋渣通常采用擋渣塞投放裝置投放擋渣塞。

擋渣塞投放裝置從安裝形式上分地面軌道型和空中懸掛型，地面軌道型是安裝在爐后平臺(tái)的軌道上，空中懸掛型是吊在爐后平臺(tái)的上一層鋼平臺(tái)下。

兩種形式各有優(yōu)、缺點(diǎn)：

2.3.1 地面軌道型占用爐后平臺(tái)靠后側(cè)的一定空間，空中懸掛型雖不占用地面空間，但是懸掛在爐后平臺(tái)上方，影響上部通行空間。

2.3.2 地面軌道型設(shè)備重量輕，爐后平臺(tái)不需要任何改造；而空中懸掛型則重量重，則需對(duì)上層平臺(tái)進(jìn)行加固改造，否則無(wú)法使用。

2.3.3 地面軌道型安裝、調(diào)試、使用、調(diào)整、檢修和維護(hù)均在地面完成，非常方便簡(jiǎn)捷，安全可靠。尤其在調(diào)整、檢修方面，地面軌道型無(wú)論在是否停爐的狀況均可進(jìn)行，但空中懸掛型則需在停爐條件下進(jìn)行，否則爐后空中惡劣環(huán)境（高煤氣、高溫）對(duì)檢修人員是個(gè)危險(xiǎn)。

2.3.4 在設(shè)備定位精度方面，地面軌道型采用全剛性聯(lián)接機(jī)構(gòu)，整個(gè)設(shè)備是一個(gè)剛性體，而且在三維方向均可調(diào)整并精確定位。而空中懸掛型由于前端為鏈條聯(lián)接，卷?yè)P(yáng)機(jī)傳動(dòng)，整個(gè)設(shè)備前端是柔性的，無(wú)法達(dá)到高定位精度的要求。

2.3.5 在極端事故處理能力方面，地面軌道型強(qiáng)于空中懸掛型。例如在停電或電機(jī)缺相情況下（此時(shí)懸臂桿在爐內(nèi)）地面軌道型地面軌道型完全能夠在地面通過(guò)操作解決問(wèn)題，而空中懸掛型則無(wú)法解決。

2.3.6 從夾持擋渣棒的位置方面，地面軌道型在爐后平臺(tái)后端側(cè)面安裝夾持，而懸掛型則必須在爐口安裝，這對(duì)夾棒操作人員的安全造成威脅。

2.3.7 地面軌道型為機(jī)電儀一體化設(shè)備，與工廠的交接只有一處，只需工廠提供動(dòng)力電源、氣源即可。而懸掛型則涉及上層平臺(tái)負(fù)荷設(shè)計(jì)，操作臺(tái)的安放及動(dòng)力線(xiàn)、氣源的布置，涉及面較廣，檢修維護(hù)困難。

2.3.8 在投放原理上兩者有本質(zhì)的區(qū)別：地面軌道型是通過(guò)機(jī)械手將擋渣棒插入出鋼口后釋放，而懸掛型則是在出鋼口的上方釋放，將擋渣棒自由落體掉到出鋼口，兩者在實(shí)踐過(guò)程中命中率有較大差別。

馬鋼一煉鋼1#轉(zhuǎn)爐安裝了懸掛型擋渣塞投放裝置，由于無(wú)法連續(xù)正常運(yùn)行，命中率不高。因此2#、3#轉(zhuǎn)爐選用地面軌道型擋渣塞投放裝置。

綜上所述，設(shè)計(jì)決定選用地面軌道型擋渣塞投放裝置。

3 地面軌道型擋渣裝置的性能特點(diǎn)

3.1 擋渣的準(zhǔn)確性

擋渣塞準(zhǔn)確、定點(diǎn)插入出鋼口是實(shí)現(xiàn)預(yù)期擋渣效果的保證。擋渣塞由于帶一個(gè)導(dǎo)向棒的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)爐搖爐出鋼時(shí)，Φ140mm直徑的出鋼口浸淹在鋼水之下，投放擋渣塞時(shí)，導(dǎo)向棒能否準(zhǔn)確地插入出鋼口中對(duì)其擋渣效率影響較大。

轉(zhuǎn)爐每80～200爐更換出鋼口，出鋼口具體位置隨更換出鋼口而變化，但在爐役期內(nèi)變化不大。我們采用以下三項(xiàng)措施以確保擋渣塞的導(dǎo)向棒能準(zhǔn)確地插入出鋼口。

3.1.1 利用高控制精度的接近開(kāi)關(guān)可以在三維方向進(jìn)行調(diào)整并且精確定位，保證投放點(diǎn)隨出鋼口位置變化而變化；

3.1.2 采用獨(dú)立的車(chē)載液壓系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確地控制各動(dòng)作；

3.1.3 采取具有“二次定位”功能液壓鎖緊裝置將行走小車(chē)與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)鎖緊連成一體，防止機(jī)構(gòu)運(yùn)行中的動(dòng)作偏移，保證運(yùn)行位置的重復(fù)性。

3.2 擋渣塞投放裝置的安全、可靠性

擋渣塞投放車(chē)設(shè)計(jì)上在機(jī)械、電控、軟件方面采取了有效的措施。

擋渣塞投放車(chē)在轉(zhuǎn)爐一個(gè)冶煉周期內(nèi)工作時(shí)間極短,其在待投位置到投放結(jié)束返回原始位置,不到1min。

擋渣塞投放車(chē)懸臂桿采用了獨(dú)立的空氣冷卻系統(tǒng),避免了機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)冷卻空氣流量自動(dòng)降低,造成主要組成部件易損和工作不可靠的缺陷。

擋渣塞投放車(chē)軟件方面考慮系統(tǒng)的多路保護(hù)控制。從目前使用廠家看，至今無(wú)任何故障發(fā)生。

擋渣塞投放車(chē)針對(duì)轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)工作環(huán)境惡劣，擋渣塞投放車(chē)在一個(gè)極短工作時(shí)間內(nèi)有可能出現(xiàn)極端的情況,在設(shè)計(jì)上考慮了嚴(yán)格的人身和設(shè)備安全措施。

3.3 擋渣棒投放裝置的易用性

在操作方式上設(shè)計(jì)了車(chē)上載人程序自動(dòng)操作和手動(dòng)操作兩種方式,機(jī)旁程序自動(dòng)操作方式,共三種操作方式。擋渣棒投放車(chē)機(jī)械易損件、易耗件少,電氣元件全部采用國(guó)外著名廠、商產(chǎn)品。調(diào)整簡(jiǎn)單,轉(zhuǎn)爐更換出鋼口后,操作工可根據(jù)新出鋼口位置在車(chē)后作定點(diǎn)調(diào)整。

4 擋渣出鋼的效益分析

天津天鋼聯(lián)合鋼鐵有限公司在即將投入的三座120t轉(zhuǎn)爐設(shè)計(jì)上采用新型擋渣工藝，對(duì)于提高鋼包壽命、延長(zhǎng)爐齡有著可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4.1 減少了鋼包中的爐渣量和鋼水回磷量。國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠家的使用結(jié)果表明，擋渣出鋼后，進(jìn)入鋼包的爐渣量減少，鋼水回磷量降低。不擋渣出鋼時(shí)，爐渣進(jìn)入鋼包的渣層厚度一般為100～140mm，鋼水回磷量0.004%～0.006%；采用擋渣出鋼后,進(jìn)入鋼包的渣層厚度減少為40～80mm,鋼水回磷量0.002%～0.0034%。

按未使用該工藝廢品率平均（P含量過(guò)高）每月2 爐計(jì)算：FI=120×2×12×500=144（萬(wàn)元）

4.2 提高了合金收得率。擋渣出鋼，使高氧化性爐渣進(jìn)入鋼包的數(shù)量減少，從而使加入的合金在鋼包中的氧化損失降低。特別是對(duì)于中、低碳鋼種，合金收得率將大大提高。不擋渣出鋼時(shí)，錳的收得率為80～84%，硅的收得率為70%～80%；采用擋渣出鋼后，錳的收得率為84～90%，硅的收得率為80%～90%。

采用擋渣出鋼工藝，噸鋼可節(jié)約合金消耗約1kg/t，合金按7000元/t，年產(chǎn)鋼水按300萬(wàn)t/a計(jì)算：F2=300×0.001×7000=2100（萬(wàn)元）

4.3 降低了鋼水中的夾雜物含量。鋼水中的夾雜物，大多來(lái)自脫氧產(chǎn)物，特別是對(duì)于轉(zhuǎn)爐煉鋼在鋼包中進(jìn)行合金化操作時(shí)更是如此。攀鋼對(duì)鋼包渣中TFe量與夾雜廢品情狀進(jìn)行了調(diào)查，其結(jié)果是：不擋渣出鋼時(shí)，鋼包渣中W(TFe)為14.4%，經(jīng)吹氬處理后渣中W(TFe)為2.6%，這說(shuō)明渣中11.9%的W(TFe)將合金元素氧化生成了大量氧化物夾雜，使廢品率達(dá)2.3%。采用擋渣出鋼后，鋼包中加入覆蓋渣的W(TFe)為 3.61，吹氬處理后渣中 W(TFe)為4.01，基本無(wú)多大的變化，其廢品率僅為0.049%。由此可見(jiàn)，防止高氧化性爐渣進(jìn)入包內(nèi)，可有效地減少鋼水中的合金元素氧化，降低了鋼水中的夾雜物含量。

4.4 提高了鋼包使用壽命。目前我國(guó)的鋼包內(nèi)襯多采用黏土磚和鋁鎂材料，由于轉(zhuǎn)爐終渣的高堿度和高氧化性，將侵蝕鋼包內(nèi)襯，鋼包使用使命降低。采用擋渣出鋼后，減少了爐渣進(jìn)入鋼包的數(shù)量，同時(shí)還加入了低氧化性、低堿度的覆蓋渣，這樣減少了爐渣對(duì)鋼包的侵蝕，提高了鋼包使用壽命。

由于采用了新型的擋渣工藝，可提高鋼包壽命5%，更換一次鋼包需耐材20t，3800元/t，澆注料12t，每噸1300元/t，鋼包壽命按80爐，年產(chǎn)鋼水按300萬(wàn)t/a，可節(jié)約耐材費(fèi)用計(jì)算如下：4.5經(jīng)濟(jì)效益

按此計(jì)算，全年可節(jié)約2387.125萬(wàn)元。

更為突出的是，由于該工藝的使用，為我公司潔凈鋼生產(chǎn)提供了有利的保證，更為今年高品種鋼提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。