梅鋼250噸轉爐氧槍噴頭優(yōu)化與應用*

肖玖倫， 王多剛

(1.上海梅山鋼鐵股份有限公司煉鋼廠， 江蘇 南京 210039； 2.寶鋼股份研究院梅鋼技術中心， 江蘇 南京 210039)

引 言

上海梅山鋼鐵股份有限公司(以下簡稱“梅鋼”)250噸轉爐的氧槍噴頭為鍛壓組合式，噴頭的目標使用壽命為450爐。隨著轉爐廢鋼比的增加，轉爐熱量不足帶來的問題日益突出。近期，廢鋼比達到18%-20%，噸鋼礦石用量<8 kg，轉爐冶煉過程化渣困難，噴頭漏水情況時有發(fā)生，漏水頻次達到每萬爐23次，噴頭使用壽命低至350爐，安全生產(chǎn)風險增大。唐鋼長材部65 t轉爐[1]和鞍鋼100 t轉爐[2]，通過提高噴頭馬赫數(shù)，改善了化渣效果，提高了噴頭使用壽命。武鋼250 t轉爐[3]，采用鍛壓組合噴頭，改善了冶煉指標和噴頭使用壽命。馬鋼300 t轉爐[4]和首鋼100 t轉爐[5]，通過增大噴頭喉口、出口直徑，穩(wěn)定了轉爐操作?；翠撎劁?00 t轉爐[6]，通過減小噴頭馬赫數(shù)，并增大噴孔夾角，改善了化渣效果。武鋼80 t轉爐[7]，將噴頭孔數(shù)由4孔優(yōu)化為5孔，加快了成渣速度和減少了噴濺。此外，攀鋼、天鋼和邯寶轉爐[8-10]等對噴頭做了優(yōu)化，均取得了不錯的效果。可見，由轉爐冶煉的實際情況出發(fā)，優(yōu)化氧槍噴頭參數(shù)，可以改善轉爐冶煉效果和提高噴頭使用壽命。

1 現(xiàn)狀分析

梅鋼二煉鋼廠2座250 t轉爐的冶煉參數(shù)如表1所示。2019年氧槍噴頭使用壽命降低至350爐，每月噴頭漏水次數(shù)約4次。經(jīng)噴頭損毀原因的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)主要原因如下：

(1)拉碳的槍位低。冶煉含磷鋼種時，如箱板鋼、花紋板鋼，轉爐輔料加入量少，噸鋼石灰和輕燒白云石的用量<30 kg，渣量少，渣層薄，冶煉終點為了快速脫碳，拉碳的槍位往往較低，造成噴頭被高溫的鋼水熔損，如圖1所示。

(2)冶煉返干。冶煉過程化渣困難，返干嚴重并造成金屬噴濺，噴頭局部粘結冷鋼，形成不易脫落的Fe-Cu固溶體，導致該部位傳熱性能變差，逐漸熔損，如圖2所示。

(3)爆發(fā)性噴濺。由于轉爐熱量不足，礦石用量少，冶煉過程化渣困難。吹煉槍位偏高，渣中聚集的FeO太多，碳氧反應集中爆發(fā)引發(fā)噴濺，導致噴頭大面積粘結鋼渣而損毀，如圖3所示。

(4)氧氣射流突變。氧槍噴孔出口處由于粘渣或粘鋼，超聲速氧氣射流遇到障礙物形成激波，射流方向發(fā)生轉變，噴頭端面被氧氣射流燒損，如圖4所示。

表1 二煉鋼廠冶煉參數(shù)

圖1 高溫鋼水熔損的噴頭

圖2 局部粘鋼熔損的噴頭

圖3 大面積粘結鋼渣熔損的噴頭

圖4 氧氣射流燒損的噴頭

2 氧槍噴頭設計

梅鋼250 t轉爐的氧槍噴頭為環(huán)6孔設計，且噴孔的夾角大，噴頭中間部位的負壓區(qū)相對較大。轉爐吹煉過程中化渣不良，在激烈的碳氧反應和氧氣射流的共同作用下，鋼水穿入負壓區(qū)，擊中噴頭的端面，熔化噴頭的銅質表層，并粘結在噴頭上。因此縮小負壓區(qū)的空間，能有效降低噴頭粘鋼的傾向[11]。結合原環(huán)6孔噴頭的冶煉情況，設計了由圓周上5個孔加1個中心孔的氧槍噴頭(以下簡稱“5+1”孔噴頭)。

2.1 工況參數(shù)

保持氧槍網(wǎng)管的工況參數(shù)不變，對氧槍噴頭參數(shù)進行優(yōu)化。噴頭中心孔的主要作用是消除噴頭鼻尖的負壓區(qū)空間，降低噴頭的粘鋼傾向；并考慮中心氧氣射流對爐底的沖刷，中心孔的氧氣流量占比應小一些，以保持中心孔氧氣射流與環(huán)孔射流到達熔池液面的速度基本相等。減小氣流對熔池液面的交互作用，可以有效降低噴濺；同時，噴頭馬赫數(shù)的選擇要匹配250噸轉爐的供氧強度。為此，設計噴頭中心孔的馬赫數(shù)為2.08、圓周孔的馬赫數(shù)為2.06，中心噴孔的喉口面積占總噴孔喉口面積的12.5%。根據(jù)轉爐透氣磚的位置布置，圓周噴孔的中心夾角為14°-17°，氧氣射流的沖擊面和底吹攪拌面可以達到較好的匹配，形成最佳的攪拌作用效果。工況參數(shù)如下：

設計供氧量Q：52000 m3/h；

氧氣工作壓力P0：0.93 MPa；

冷卻水流量：360 m3/h；

中心孔Ma= 2.08、圓周孔Ma=2.06；

圓周噴孔傾角：15°。

2.2 噴頭參數(shù)

2.2.1 喉口面積

(1)

Ah=π×dh2/4

(2)

式中Q為供氧量;CD為噴孔流量系數(shù)，取值為0.95；Ah為喉口面積；P0為氧氣工作壓力，考慮氧氣在管道內的壓力損失為10%-12%，噴頭處的實測壓力為0.82-0.84 MPa，取值為0.83 MPa；T0為氧氣滯止溫度，取值為300 K；dh為喉口直徑。

2.2.2 喉口段長度和擴張段長度

Lh=(0.5-1)dh

(3)

Lk=(dc-dh)/(2tanα)

(4)

式中Lh為喉口的長度；Lk為噴孔擴張段的長度；dc為噴孔出口處的直徑；α為噴孔擴張段的錐角，取值為4°。

2.2.3 冶煉基準槍位

H=1.15×(35-50)×dh

(5)

式中H為轉爐冶煉過程的基準槍位。

根據(jù)氣體絕熱函數(shù)表，由式(1)-(5)得到“5+1”孔噴頭的參數(shù)如表2所示。

表2 “5+1”孔噴頭的設計參數(shù)

3 應用效果

3.1 噴頭使用壽命

“5+1”孔噴頭在不同使用爐數(shù)時的端面情況如圖5所示。除噴孔之間有少量的熔損外，“5+1”孔噴頭端面的總體情況良好。噴孔出口外沿沒有明顯擴孔，也沒有明顯的氧氣流燒損噴頭的現(xiàn)象。“5+1”孔噴頭與原6孔噴頭相比，轉爐冶煉過程的溢渣情況得到明顯改善，噴濺渣的產(chǎn)生量少了20%以上；噴頭端面的熔損情況得到顯著的改善，噴頭漏水由每萬爐23次降低至每萬爐8次；噴頭的使用壽命大幅提高，由350次提高至465次。

圖5 “5+1”孔噴頭使用情況

3.2 爐襯侵蝕

將原6孔噴頭優(yōu)化為“5+1”孔噴頭，最大的特點是噴頭中心開了一個孔，中心孔與爐底垂直，可能會增大爐底的侵蝕速度。通過轉爐爐襯的數(shù)據(jù)測量，兩種噴頭對不同部位爐襯的侵蝕速度，如表3所示。

表3 爐襯的侵蝕速度/(mm·爐-1)

由表3可見，“5+1”孔噴頭對左熔池、前大面和后大面的侵蝕速度要高于原來的6孔噴頭的水平；而“5+1”孔噴頭對右熔池、前熔池和后熔池的侵蝕速度要低于原來的6孔噴頭的水平；對爐底的侵蝕速度，兩種噴頭基本一致?？傮w而言，“5+1”孔噴頭對爐襯的侵蝕速度與原來的6孔噴頭對爐襯的侵蝕速度基本相當。

3.3 冶煉指標

選取原6孔噴頭和現(xiàn)“5+1”孔噴頭的冶煉數(shù)據(jù)進行對比，并作出直方圖，轉爐終點磷、錳和氧含量分別如圖6-8所示，爐渣中的全鐵含量如圖9所示。

使用現(xiàn)在的“5+1”孔噴頭與原來的6孔噴頭的冶煉指標相比，轉爐終點磷含量由0.0154%降低至0.0143%，下降0.0011%；轉爐終點錳含量由0.070%

圖6 轉爐終點磷含量

圖7 轉爐終點錳含量

圖8 轉爐終點氧含量

圖9 爐渣中的全鐵含量

提高至0.079%，提高0.009%；轉爐終點氧含量由0.0534%降低至0.0503%，下降0.0031%；轉爐終點渣中全鐵含量由18%降低至17.55%，下降0.45%。同時，由于供氧流量提高了，每爐的吹氧時間縮短0.22 min。

4 結束語

梅鋼250噸轉爐的氧槍噴頭由原6孔優(yōu)化為“5+1”孔，取得了較好的冶煉效果。主要結論如下：

(1)提高了噴頭使用壽命。噴頭端面的熔損得到有效控制，噴頭漏水由每萬爐23次降低至每萬爐8次，使用壽命由350次提高至465次。

(2)改善了轉爐冶煉指標。轉爐終點磷含量下降了0.0011%、錳含量提高了0.009%、氧含量下降了0.0031%，轉爐終點渣中全鐵含量下降了0.45%。

(3)提高了轉爐冶煉效率?？s短了更換氧槍的時間，且供氧流量由51000 m3/h提高至52000 m3/h，每爐的吹氧時間縮短0.22 min。