100 t轉(zhuǎn)爐氧槍噴頭參數(shù)優(yōu)化實踐

梁祥遠，王興，金龍

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

供氧是氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼整個吹煉過程的中心環(huán)節(jié)，影響吹煉熔時和鋼水成分，對去除鋼中有害雜質(zhì)和有害元素非常關(guān)鍵。氧槍是煉鋼中關(guān)鍵的供氧裝備，氧槍能把氧氣通過強壓噴進熔池中，達到提高鋼水溫度、除碳及去夾雜的目的。噴頭是構(gòu)成氧槍的重要部件，氧槍噴頭不但要求冶金效果好，而且要有較高的高溫耐蝕性和抗變形能力。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠100 t轉(zhuǎn)爐用氧槍供氧強度較小，吹煉時間長，不利于熔池的攪拌，使吹煉終點氧含量高，增加鋼鐵料的同時增加了脫氧合金的消耗。因此，對該轉(zhuǎn)爐氧槍噴頭參數(shù)進行了優(yōu)化，縮短了供氧時間，降低了鋼鐵料的消耗。

1　轉(zhuǎn)爐及氧槍工藝參數(shù)

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠二分廠現(xiàn)有3座100 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，轉(zhuǎn)爐主要技術(shù)參數(shù)見表1，氧槍噴頭原設(shè)計參數(shù)見表2。

2　存在問題

由于鐵水條件、廢鋼及冷料原材料的變化、操作者的更換以及爐齡的增長均導(dǎo)致爐膛內(nèi)襯的形狀發(fā)生變化，而且一個氧氣總管道先后供氧給各轉(zhuǎn)爐，造成各轉(zhuǎn)爐供氧壓力不同。上述原因?qū)е略鯓寚婎^使用過程中出現(xiàn)以下問題。

（1）供氧時間較長，供氧強度較小

表1　轉(zhuǎn)爐主要技術(shù)參數(shù)

表2　氧槍噴頭原設(shè)計參數(shù)

供氧量為18 500～19 500 m3/h，供氧強度為3.16 m3/（t·min），平均供氧時間在 16 min 以上，冶煉周期在33 min以上，轉(zhuǎn)爐供氧時間已經(jīng)滿足不了連鑄機恒拉速的要求。

（2）跑渣、噴濺、粘煙罩頻率高

由于氧槍的各參數(shù)與爐膛形狀不匹配，有時前期來渣特別快，壓入的爐料立即以低溫黑熔渣從爐口緩慢涌出，很難將爐渣壓入爐內(nèi)。中期爐內(nèi)溫度提高，爐內(nèi)碳反應(yīng)劇烈，造成了高溫渣的涌出，增加了鋼鐵料的消耗。吹煉過程中沖擊面積小，過程化渣效果差，易噴濺，吹煉損耗大，而且容易粘煙罩導(dǎo)致生產(chǎn)事故。

（3）氧槍槍齡短

由于原來氧槍參數(shù)不合理，冶煉過程化渣困難，熔渣中期容易出現(xiàn)返干。隨著轉(zhuǎn)爐爐齡的增長，化渣效果變差，經(jīng)常出現(xiàn)前期跑渣后，氧槍粘鐵，中期返干沒有爐渣，氧氣流股直接吹到鋼水面上導(dǎo)致氧槍粘鋼。操作時必須抬高槍位重新化渣，結(jié)果加劇了氧氣射流對爐襯的侵蝕。氧槍粘鋼粘鐵侵蝕噴頭部位，降低槍齡。

（4）濺渣護爐效果不理想

由于氧槍參數(shù)不合理，導(dǎo)致熔渣過稀，濺渣護爐時增加了氮氣的消耗，延長了濺渣時間，結(jié)果影響爐襯，增加了爐襯維護費用。

3　氧槍噴頭參數(shù)優(yōu)化

3.1　原氧槍噴頭參數(shù)分析

（1） 供氧量

根據(jù)馬赫數(shù)M=1.99，查等熵流表得出P出/P0=0.129 8，由于噴頭出口壓力P出即爐膛壓力近似于大氣壓力，所以計算得設(shè)計壓力（閥后）P0=0.79 MPa，根據(jù)下列公式計算供氧量[1]:

式中，CD為修正系數(shù)，取0.96；A0為喉口斷面積，本噴頭為 3 017.54 mm2；P0為設(shè)計氧壓，0.79 MPa；T0為氧氣滯止溫度，本噴頭取293 K。

通過計算得原噴頭供氧量Q=14 400 m3/h。

目前實際使用供氧量為20 000 m3/h，超過設(shè)計供氧量的28%，嚴(yán)重超出設(shè)計能力上限，造成了噴濺、脫磷困難、供氧時間長等問題。因此可適當(dāng)提高設(shè)計供氧量，增加供氧強度，達到減少噴濺、提高脫磷率的目的。

（2） 沖擊深度

沖擊深度受氧槍噴頭參數(shù)影響較大，根據(jù)弗林公式計算沖擊深度 h[2]:

式中,P0為氧氣滯止壓力，為 7.9 kg／cm2；D0為氧槍喉口直徑，為31 mm；H為操作槍位，cm。

根據(jù)公式（2），過程操作槍位H為150 cm時，計算沖擊深度h為71.8 cm，當(dāng)熔池深度為125 cm時，沖擊比（沖擊深度與熔池深度比值）為57.4%；拉碳槍位H為105 cm時，沖擊深度為85.1 cm，沖擊比為68.1%。射流對熔池沖擊深度過大，對爐底沖刷比較嚴(yán)重。脫碳速度快，渣中氧化鐵消耗速度快，容易造成爐渣返干，易噴濺。

3.2　新噴頭參數(shù)優(yōu)化

3.2.1喉口直徑

馬赫數(shù)過大，易出現(xiàn)噴濺，增加熱損失、渣鐵料消耗及鐵損，且易損壞轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯和爐底；馬赫數(shù)較低，射流攪拌作用減弱，氧氣利用率降低，渣中含鐵增高，亦引起噴濺[2]。綜合考慮，為縮短供氧時間，提高噴頭使用壽命，減少噴濺，取馬赫數(shù)2.02，因此設(shè)計滯止壓力為0.84 MPa。適當(dāng)提高供氧強度，選用氧氣流量21 000 m3/h，增加喉口直徑，根據(jù)式（1），計算得新噴頭喉口直徑為34.1 mm。

3.2.2出口直徑

根據(jù)馬赫數(shù)為 2.02，查表得 A出/A喉=1.716，因此，可計算新噴頭出口直徑為44.7 mm。

3.2.3中心傾角

射流對熔池有一定的沖擊深度和沖擊面積，在保證沖擊深度的前提下，適當(dāng)增加噴頭中心傾角，沖擊面積增大，氧氣射流的化渣能力增強，脫磷效果好。因此，新噴頭的中心傾角較原噴頭增加0.5°，即確定為 12.5°。

3.2.4射流沖擊深度及操作槍位

計算可知，當(dāng)過程沖擊比達到60%時，新噴頭的沖擊深度為75 cm，過程操作槍位為166 cm；當(dāng)拉碳沖擊比達到69%時，新噴頭的沖擊深度為86.25 cm，過程操作槍位為123 cm。新噴頭的操作槍位較原噴頭提高10%～17%，有利于提高噴頭壽命，沖擊面積增加有利于脫磷。優(yōu)化后氧槍噴頭參數(shù)見表3。

表3　優(yōu)化后氧槍噴頭參數(shù)

4　工業(yè)試驗結(jié)果

4.1　氧氣消耗

相同的工況氧壓條件下，新噴頭的動能較原噴頭的大。因此，新噴頭對熔池的攪拌能力大，沖擊深度深，氧氣的利用率也高。對優(yōu)化后的噴頭進行跟蹤試驗 并對比優(yōu)化前的，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前的耗氧量波動范圍為52～57 m3/t，離散度較大，且平均值較高。優(yōu)化后，耗氧量變化比較平穩(wěn)，基本在51～54 m3/t，而且平均耗氧量比較低。耗氧量約降低了1.81 m3/t，平均降低6%。

4.2　終點鋼水磷含量

優(yōu)化后的氧槍噴頭對熔池的沖擊面積增大，加快了轉(zhuǎn)爐的成渣速度，改善了熔渣的流動性，提高了轉(zhuǎn)爐脫磷的動力學(xué)條件，加速了石灰的熔化，因此有利于前期脫磷反應(yīng)的進行，提高了轉(zhuǎn)爐吹煉終點磷的合格率。圖1為氧槍噴頭優(yōu)化前后脫磷效果的對比。由圖1看出，噴頭優(yōu)化前，鋼水中磷含量波動很大，而且終點鋼水磷含量值較高，最高達到0.035%左右；噴頭優(yōu)化后，終點鋼水中磷含量波動范圍較窄，而且終點鋼水磷含量最高達0.025%左右，比改進前降低了0.010%。提高了一拉率，減少了點吹次數(shù)，降低鋼鐵料消耗。

4.3　供氧時間及噴頭壽命

圖1　氧槍噴頭優(yōu)化前后脫磷效果對比

優(yōu)化后的噴頭氧氣出口動能較大，且供氧強度增加，對熔池物料與鋼水的攪拌更加均勻，鋼水的氧化性降低，既減少了鐵損，又降低了氧氣消耗。圖2為噴頭優(yōu)化前后供氧時間對比。

圖2　噴頭優(yōu)化前后供氧時間對比

由圖2看出，優(yōu)化前噴頭的平均吹氧時間約15.7 min，優(yōu)化后約為14.0 min，吹氧時間縮短約100 s。使用新噴頭后，氧槍操作槍位提高約200 mm，減少了高溫熔渣和鋼水對噴頭的輻射量，噴頭使用壽命由原來的500爐次提高到570爐次。氧槍噴頭優(yōu)化前后粘鋼對比見圖3。

圖3　噴頭優(yōu)化前后粘鋼對比

4.4　濺渣護爐

爐渣的耐火度由終渣的成分決定，對耐火度有影響的主要組分是MgO、FeO和堿度。氧槍噴頭優(yōu)化后，不定時采集轉(zhuǎn)爐耳軸和渣線部位的終渣分析，結(jié)果為 ω（CaO）:38%～45%、ω（SiO2）:11%～15%、ω（MgO）:8%～12%、ω（FeO）:18%～25%，完全滿足濺渣護爐的要求。濺渣護爐效果試驗的數(shù)據(jù)為所選區(qū)域內(nèi)25個測量點的平均厚度值，留渣量、氮氣壓力、流量等其它參數(shù)基本相同。通過數(shù)據(jù)的對比分析，結(jié)果是射流速度相同的情況下，優(yōu)化后噴頭的濺渣護爐效果更佳。由于氧槍流量提高了2 000 m3/h以上，因而濺渣護爐的時間明顯縮短。濺渣時能夠觀察到大塊渣滴飛濺出爐口，說明濺渣效果大大改善。噴頭優(yōu)化后，轉(zhuǎn)爐噸鋼成本有所下降，減少了耐火材料的消耗。

4.5　對渣中FeO含量的影響

圖4為氧槍噴頭優(yōu)化前后對渣中FeO含量影響對比。從圖4中可以看出，優(yōu)化前渣中FeO含量主要為24%～28%，優(yōu)化后，渣中FeO含量主要為20%～25%，渣中FeO含量有所降低，減少了熔渣對爐襯的侵蝕。氧槍噴頭優(yōu)化后，吹煉槍位和氧槍的供氧壓力都得到改善。優(yōu)化后的新型四孔拉瓦爾氧槍使用以來，因為成渣質(zhì)量提高，終點鋼水中磷、硫含量明顯降低。爐內(nèi)反應(yīng)平穩(wěn)，成渣速度快，“返干”現(xiàn)象減少。

圖4　氧槍噴頭優(yōu)化前后渣中FeO含量影響對比

4.6　對終渣堿度的影響

氧槍噴頭優(yōu)化前，轉(zhuǎn)爐終渣堿度平均為2.5～3.0，優(yōu)化后，轉(zhuǎn)爐終渣堿度平均為3.0～3.5，合適的堿度范圍明顯改善轉(zhuǎn)爐渣的流動性及冶煉效果。優(yōu)化后的氧槍噴頭改善了化渣效果，由于適宜的沖擊深度和較大的沖擊面積，使渣中FeO的含量明顯提高。根據(jù)石灰熔化成渣的原理，F(xiàn)eO能夠有效降低爐渣生成物的熔點，在石灰渣化的過程中，快速地促進石灰熔解，因而增加熔煉前期的去磷、硫效果。在實際操作中，可相應(yīng)減少石灰加入量，減少渣量，實現(xiàn)少渣冶煉，降低鋼鐵料消耗。

5　結(jié)語

針對鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠二分廠100 t轉(zhuǎn)爐供氧時間長、噸鋼耗氧量大、鋼鐵料消耗高等問題，優(yōu)化了原氧槍噴頭參數(shù)，包括喉口直徑、出口直徑、中心傾角及氧槍槍位控制等，優(yōu)化后，供氧時間縮短約100 s，新噴頭使用壽命由500爐次提高到570爐次。改善了前期化渣效果，終點鋼水磷含量降低了0.010%。吹煉終點供氧強度增加，加強了熔池的攪拌，降低了轉(zhuǎn)爐終渣FeO含量，F(xiàn)eO平均含量由24.2%降低到22.8%，而且FeO含量波動小，降低了鋼鐵料消耗。