轉(zhuǎn)爐底吹工藝在遷鋼的應(yīng)用及優(yōu)化

劉芳

轉(zhuǎn)爐底吹工藝在遷鋼的應(yīng)用及優(yōu)化

劉芳

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京100176)

介紹了轉(zhuǎn)爐底吹工藝的概況和特點(diǎn)，詳細(xì)論述了轉(zhuǎn)爐底吹氣體、供氣元件及工藝流程的選擇方法及優(yōu)缺點(diǎn)。其在遷鋼210t轉(zhuǎn)爐上的應(yīng)用表明，底吹閥門站管路的布置和閥門的優(yōu)化設(shè)計取得了良好的使用效果和經(jīng)濟(jì)效益。

轉(zhuǎn)爐;底吹工藝;管路布置

0 前言

我國轉(zhuǎn)爐底吹技術(shù)近幾十年取得了很大進(jìn)步，轉(zhuǎn)爐底吹氣源已有N2、Ar、O2、CO2等多種氣源，底吹供氣元件也多樣化，通過對供氣元件的材質(zhì)、成型工藝、結(jié)構(gòu)、供氣元件保護(hù)磚的改進(jìn)，并且優(yōu)化了轉(zhuǎn)爐爐底砌筑工藝、復(fù)吹工藝及維護(hù)制度，從而大大提高了轉(zhuǎn)爐復(fù)吹系統(tǒng)的壽命。例如鞍鋼AFC復(fù)吹系統(tǒng)底槍的平均壽命已達(dá)1350爐;武鋼采用復(fù)吹氣源Ar-N2切換的工藝，使供氣元件的壽命已與爐齡同步，其中爐襯侵蝕量為0.2 mm/爐;寶鋼采用的LD-CB工藝，爐襯平均侵蝕量為0.35 mm/爐。國內(nèi)很多企業(yè)還開發(fā)了復(fù)吹供氣系統(tǒng)的設(shè)計軟件、多種氣源的底吹供氣元件的設(shè)計和制造技術(shù)，其中某些供氣元件的理化指標(biāo)已達(dá)到國外同類產(chǎn)品的水平。

遷鋼210 t轉(zhuǎn)爐成功的底吹工藝優(yōu)化及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，使我國的轉(zhuǎn)爐底吹工藝更加成熟，值得在今后的設(shè)計及工程建設(shè)、系統(tǒng)改進(jìn)時加以推廣和借鑒。

1 轉(zhuǎn)爐底吹工藝的選擇

轉(zhuǎn)爐頂吹氧氣對熔池攪拌而言，存在攪拌死區(qū)，從而造成熔池成分和溫度不均勻，且爐襯的侵蝕也很不均勻，尤其在爐役后期爐容比增大時尤為突出。二十世紀(jì)七十年代誕生了頂?shù)讖?fù)合吹煉工藝，經(jīng)過幾十年的實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐，頂?shù)讖?fù)吹工藝已基本成熟，即轉(zhuǎn)爐在冶煉過程中爐頂頂吹O2配合爐底底吹惰性氣體，對熔池進(jìn)行均勻攪拌，可使熔池反應(yīng)接近平衡，不僅提高鋼水質(zhì)量，降低噸鋼成本，還可增加轉(zhuǎn)爐的靈活性和適應(yīng)性，提高轉(zhuǎn)爐熔化廢鋼的能力，從而可按市場廢鋼和鐵水價格的變化靈活改變?nèi)霠t廢鋼量，從而獲得經(jīng)濟(jì)效益。

隨著轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐技術(shù)大大提高了轉(zhuǎn)爐爐齡，轉(zhuǎn)爐底吹供氣元件的布置形式、數(shù)量、結(jié)構(gòu)和材質(zhì)則成為影響轉(zhuǎn)爐全爐復(fù)吹的關(guān)鍵，底部供氣元件是底吹工藝的技術(shù)核心。

1.1 轉(zhuǎn)爐底吹氣體的選擇

轉(zhuǎn)爐底吹氣體的種類有很多，例如N2、Ar、O2、CO2、CO、混合氣CxHy(N2+Ar、CO2+N2等)、CaCO3粉和天然氣等。國內(nèi)煉鋼廠通常選擇惰性氣體氮?dú)夂蜌鍤庾鳛榈状禋怏w，例如武鋼、太鋼、首鋼等，也有部分煉鋼廠選擇二氧化碳作為底吹氣體，例如鞍鋼、寶鋼的某些轉(zhuǎn)爐鋼廠。我國部分煉鋼廠轉(zhuǎn)爐復(fù)吹類型和底吹氣體如表1所示。

轉(zhuǎn)爐復(fù)吹系統(tǒng)如何選擇底吹氣體，應(yīng)綜合考慮底吹氣體對鋼水質(zhì)量、生產(chǎn)成本、耐材壽命的影響以及氣體來源等因素。不同底吹氣體的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表1 我國部分煉鋼廠轉(zhuǎn)爐復(fù)吹類型和底吹氣體Tab.1The type of combined blowing of converter and bottom gas in some steelmaking plant domestic

表2 各底吹氣體的優(yōu)缺點(diǎn)Tab.2The merit and demerit of some bottom gas

1.2 轉(zhuǎn)爐底吹供氣元件的選擇

轉(zhuǎn)爐底吹技術(shù)的發(fā)展過程實(shí)質(zhì)上就是底吹供氣元件的改進(jìn)和完善的過程。底吹供氣元件可分為噴嘴和磚型兩大類，其中噴嘴型分為:單管型，套管型，環(huán)縫型(單環(huán)縫型、雙環(huán)縫型);磚型分為:彌散型，縫隙式組合磚，直孔型，多孔型MHP，環(huán)縫管式直孔磚，類環(huán)縫式噴嘴。表3對比了幾種典型的底吹供氣元件的特點(diǎn)。

轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)不僅選擇好底吹氣體，還應(yīng)根據(jù)底吹氣體選擇合適的底吹供氣元件、底吹閥門室的供氣流程布置和儀表閥門，這樣才能增強(qiáng)底吹熔池攪拌，提升底吹系統(tǒng)的使用壽命，也會對冶煉鋼種的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生一定的影響。

1.3 轉(zhuǎn)爐底吹工藝流程優(yōu)缺點(diǎn)

轉(zhuǎn)爐底吹工藝流程為:底吹氣體在底吹閥門站經(jīng)壓力和流量調(diào)節(jié)后通過轉(zhuǎn)爐托圈耳軸上的旋轉(zhuǎn)接頭供給轉(zhuǎn)爐爐底的各個透氣元件，在冶煉時，底吹氣體通過透氣元件吹入熔池。南鋼和武鋼的轉(zhuǎn)爐底吹供氣系統(tǒng)，如圖1、2所示。

底吹閥門站內(nèi)為底吹系統(tǒng)供氣管路、控制、檢測儀表用氣管和儀表閥門的組合?？刂崎y門的遠(yuǎn)傳信號輸入設(shè)在轉(zhuǎn)爐主控室，并在操作臺上進(jìn)行顯示。閥門站內(nèi)主氣源有壓力調(diào)節(jié)，快速切斷，壓力檢測等控制措施;主氣源分配給若干支管，支管上均分別安裝有流量檢測、調(diào)節(jié)，壓力測量等控制措施。

圖1 南鋼轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)圖Fig.1The system diagram of converter bottom blowing in Nangang

圖2 武鋼轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)圖Fig.2The system diagram of converter bottom blowing in Wusteel

2 底吹工藝在遷鋼轉(zhuǎn)爐上的應(yīng)用及優(yōu)化

遷鋼第二煉鋼廠共有兩座210 t轉(zhuǎn)爐，轉(zhuǎn)爐配置底吹系統(tǒng)，底吹系統(tǒng)中含有一個底吹閥門室，底吹攪拌用惰性氣體為氮?dú)夂蜌鍤猓嗷デ袚Q，這兩種氣體在底吹閥門室經(jīng)壓力和流量調(diào)節(jié)后，由各供氣管路，經(jīng)由轉(zhuǎn)爐耳軸處的旋轉(zhuǎn)接頭，供給轉(zhuǎn)爐爐底的各透氣元件。

此套底吹系統(tǒng)采用大幅度可調(diào)多點(diǎn)底吹工藝，有自動和手動兩種供氣調(diào)節(jié)方式，以自動調(diào)節(jié)為主，可實(shí)現(xiàn)主控室計算機(jī)自動化控制。

2.1 遷鋼第二煉鋼廠210 t轉(zhuǎn)爐主要參數(shù)

轉(zhuǎn)爐主要技術(shù)參數(shù)

每爐平均出鋼量/t210

每爐最大出鋼量/t220

爐身外徑Φ/mm8 160

爐體總高/mm11 172

爐體砌磚后爐容/m3201.9

爐容比0.96

爐膛內(nèi)徑/mm5 800

熔池直徑/mm5 632

熔池深度/mm1 660

爐口直徑/mm3 220

出鋼口與水平夾角/(°)10

爐殼與托圈連接方式彈簧板連接

修爐方式上修

2.2 遷鋼210t轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)布置及優(yōu)化

遷鋼第二煉鋼廠復(fù)吹閥門室設(shè)置在兩座210 t轉(zhuǎn)爐之間，位于10.6 m轉(zhuǎn)爐主操作平臺下方，閥門室地坪標(biāo)高5.0 m，占地127.5 m2(7.5 m× 17 m)，內(nèi)設(shè)6個復(fù)吹分配器，每3個分配器對應(yīng)一座轉(zhuǎn)爐供氣，每個分配器分出4路支管，即一座轉(zhuǎn)爐共計有12路底吹支管，通過轉(zhuǎn)爐耳軸處的旋轉(zhuǎn)接頭，與轉(zhuǎn)爐底部的供氣元件相連。復(fù)吹閥門室系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 遷鋼轉(zhuǎn)爐復(fù)吹閥門室系統(tǒng)圖Fig.3The system diagram of converter bottom blowing in Qiangang

轉(zhuǎn)爐底吹攪拌用惰性氣體為N2和Ar，相互切換，底吹攪拌氣體供給參數(shù)如下:

供氣壓力(閥門站入口)

Ar/MPa1.7～2.5

最低壓力/MPa1.0

噸鋼設(shè)計供氣強(qiáng)度

Ar/Nm3·min－10.03～0.15

N2/Nm3·min－10.03～0.15

預(yù)留最大供氣強(qiáng)度/Nm3·min－10.25～0.3

供氣時間

Ar/min·爐－115～17

N2/min·爐－121～23

遷鋼210 t轉(zhuǎn)爐爐底底吹磚的布置選用12塊底吹磚，按轉(zhuǎn)爐耳軸中心線對稱布置，如圖4所示。這種布置使得底吹更加均勻穩(wěn)定，同時考慮到在個別底吹磚發(fā)生故障時，底吹仍然可以工作，并在氣路設(shè)計及研發(fā)時，采用高壓氣體進(jìn)入復(fù)吹閥門室，經(jīng)調(diào)壓后進(jìn)行底吹操作，這樣在底吹磚發(fā)生堵塞時，可將該氣路調(diào)節(jié)到高壓狀態(tài)，將底吹磚的堵塞吹開。

圖4 遷鋼轉(zhuǎn)爐底吹元件位置分布圖Fig.4The layout of converter’s bottom blown elements in Qiangang

遷鋼底吹系統(tǒng)選用了雙環(huán)縫式底槍，雙環(huán)縫式供氣元件的縫隙較小，能長期在氣源低壓、小流量的情況下工作，且不易堵塞，若意外堵塞時，將底吹氣源壓力調(diào)大即可吹開，并能在冶煉初期快速形成爐渣蘑菇頭。

在氣路的設(shè)計及研發(fā)上，管道的旁通氣路閥門為外螺紋針型截止閥，而傳統(tǒng)的設(shè)計大多使用的為普通截止閥，如上文中南京鋼廠和武鋼的轉(zhuǎn)爐底吹供氣系統(tǒng)圖所示。針型截止閥是一種可以精確調(diào)整的閥門，比其他類型的閥門能夠承受更大的壓力，且密封性能好。在轉(zhuǎn)爐底吹過程中將供氣強(qiáng)度調(diào)節(jié)到較小時，使用針型截止閥可使管路不會產(chǎn)生瞬時“真空”，避免了對管路上的計器儀表的損害，提高了底吹的可靠性和儀表的使用壽命。此外，針型截止閥還具有安裝拆卸方便，針連接緊固，有利于防火、防爆，耐壓能力高，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。即使針型截止閥密封面損壞，也只需要更換密封零件，即可繼續(xù)使用。

遷鋼底吹吹系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大壓力、大調(diào)節(jié)比、持續(xù)穩(wěn)定的供氣特點(diǎn)，保證透氣元件在濺渣護(hù)爐條件下能持續(xù)穩(wěn)定暢通供氣;同時底吹氣量在吹煉過程中可快速調(diào)節(jié)，氮?dú)?、氬氣可快速自動切換，適應(yīng)各鋼種的生產(chǎn)冶煉。

2.3 使用效果和經(jīng)濟(jì)效益分析

2009年10月遷鋼第二煉鋼廠轉(zhuǎn)爐投產(chǎn)，并實(shí)現(xiàn)了頂?shù)讖?fù)吹冶煉工藝，且復(fù)吹效果良好。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的底吹系統(tǒng)，在生產(chǎn)中運(yùn)行可靠。

遷鋼采用轉(zhuǎn)爐復(fù)吹工藝，縮短了轉(zhuǎn)爐冶煉周期、改善了轉(zhuǎn)爐化渣條件，從而取得了較為明顯的冶金效果和經(jīng)濟(jì)效益，主要有以下幾點(diǎn):

(1)冶煉終點(diǎn)鋼水的［%C］［%O］為0.258%～0.267%，接近于1700℃時［%C］［%O］的平衡值00.257%;

(2)冶煉終點(diǎn)鋼水中氮含量典型值為2.6× 10－7和2.4×10－7。

(3)由于底吹氣體具有強(qiáng)攪拌作用，使熔池中［C］和［O］反應(yīng)趨于平衡，鋼水中的［O］含量下降。同時，熔池攪拌促進(jìn)爐渣中(FeO)同熔池中的碳等元素反應(yīng)，使渣中(FeO)下降。在相同冶煉條件的爐次中，頂?shù)讖?fù)吹爐次較頂吹爐次渣中(FeO)含量明顯下降。

(4)Mn的氧化還原反應(yīng)主要發(fā)生在鋼渣界面，由于頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐爐渣中的氧化鐵含量比頂吹轉(zhuǎn)爐的低，鋼中Mn的氧化量減少，所以，頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)［Mn］相對提高，頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐的終點(diǎn)［Mn］磷含量平均為0.103%，頂吹轉(zhuǎn)爐的終點(diǎn)［Mn］磷含量平均為0.079%，終點(diǎn)Mn提高降低了Mn合金消耗，從而節(jié)約了鐵合金。

(5)轉(zhuǎn)爐底吹元件壽命已實(shí)現(xiàn)與轉(zhuǎn)爐爐齡同步，轉(zhuǎn)爐平均爐齡6 900爐，最長爐齡能達(dá)到7 600爐。

(6)遷鋼轉(zhuǎn)爐底吹的設(shè)計優(yōu)化，使轉(zhuǎn)爐的底吹系統(tǒng)更加穩(wěn)定。轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)的使用可使冶煉成本降低，按t鋼成本降低5元計算，遷鋼第二煉鋼廠年產(chǎn)鋼水370萬t，年經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)1 850萬元。

3 結(jié)束語

由于頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐綜合了頂吹轉(zhuǎn)爐反應(yīng)速度快，底吹轉(zhuǎn)爐吹煉平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，同時避免了頂吹轉(zhuǎn)爐易噴濺、底吹轉(zhuǎn)爐不易化渣的缺點(diǎn)，所以大型轉(zhuǎn)爐煉鋼廠均采用了該項(xiàng)工藝。

遷鋼復(fù)吹工藝上供氣壓力、供氣元件的優(yōu)化從設(shè)計和生產(chǎn)實(shí)踐上為生產(chǎn)縮短了冶煉周期，降低了復(fù)吹系統(tǒng)供氣元件的損耗，減少鐵損，提高了冶煉效率和成本，值得在今后的設(shè)計及工程建設(shè)、系統(tǒng)改進(jìn)時加以推廣和借鑒，使我國的轉(zhuǎn)爐復(fù)吹工藝更加成熟。

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Application and majorization of converter bottom blowing in Qian’an steelmaking

LIU Fang
(MCC Capital Engineering＆Research Incorporation Limited，Beijing 100176，China)

The profile and characteristic of the converter bottom blowing are introduced and analyzed in details．Discussed the selection methods of bottom gas，blowing elements and technological process．Analyzed the advantage and disadvantage for each method．The application of bottom blowing in 210 t converter of Qian’an Steelmaking showed that good using effects and economic benefits were achieved by the rational layout of pipe route in valve station and the optimization design of the valve in bottom blowing system．

converter;bottom blowing;layout of pipe route

TF748

A

1001－196X(2017)01－0024－05

2016－03－16;

2016－04－18

國家自然科學(xué)基金(51374022)

作者簡介:劉芳(1984－)，女，工程師，研究方向:煉鋼工藝設(shè)計與研發(fā)，鋼鐵工程項(xiàng)目控制管理。