260 t轉(zhuǎn)爐經(jīng)濟(jì)爐齡探索實(shí)踐

陳晨，于海岐，趙自鑫，馬寧，王富亮，周景輝，李超

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007）

轉(zhuǎn)爐經(jīng)濟(jì)爐齡是指成本最低、效益最大的爐齡，即轉(zhuǎn)爐從冶煉第一爐鋼水到停爐大修期間，生產(chǎn)率最高、鋼水質(zhì)量最好、維護(hù)及大修成本最低時(shí)所冶煉鋼水的爐數(shù)。目前，國內(nèi)對(duì)180 t轉(zhuǎn)爐經(jīng)濟(jì)爐齡研究已有報(bào)道，如鞍鋼180 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐最佳目標(biāo)經(jīng)濟(jì)爐齡定為4 500爐，為實(shí)現(xiàn)全爐役有效復(fù)吹，制定了該爐齡下爐體和復(fù)吹系統(tǒng)維護(hù)方案，采用該方案實(shí)踐后，爐齡達(dá)到4 401爐[1]。寧鋼綜合考慮冶煉工藝指標(biāo)（包括鋼水收得率、鋼產(chǎn)量、終點(diǎn)氧、耗氧量、碳溫雙命中率）和轉(zhuǎn)爐維護(hù)運(yùn)行等因素后，初步測(cè)算其180 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐經(jīng)濟(jì)爐齡約為7 000爐[2]。但尚無260 t轉(zhuǎn)爐的經(jīng)濟(jì)爐齡報(bào)道。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司（以下簡(jiǎn)稱“鲅魚圈”）共有3座260 t轉(zhuǎn)爐，運(yùn)行10年來，出現(xiàn)了爐役后期碳氧積高、鋼鐵料消耗高、脫氧成本高、爐襯磚薄等問題。本文以鲅魚圈260 t M轉(zhuǎn)爐第14爐役（以下簡(jiǎn)稱“M14”）的生產(chǎn)實(shí)際為例，分析轉(zhuǎn)爐爐齡的增長對(duì)碳氧積、轉(zhuǎn)爐綜合效益、轉(zhuǎn)爐爐襯厚度等的影響，探索出合適的經(jīng)濟(jì)爐齡。

1 轉(zhuǎn)爐主要工藝裝備

鲅魚圈轉(zhuǎn)爐爐體及氧槍主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 轉(zhuǎn)爐爐體及氧槍主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main Technical Parameters for Converter Body and Oxygen Lance

2 經(jīng)濟(jì)爐齡的研究

鲅魚圈M14于2019年9月13日開爐，2020年9月14日停爐，運(yùn)行12個(gè)月，累計(jì)生產(chǎn)8 269爐，產(chǎn)量213.7萬t。統(tǒng)計(jì)了M14碳氧積、鋼鐵料消耗等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)隨轉(zhuǎn)爐爐齡的增加，碳氧積和鋼鐵料消耗情況、轉(zhuǎn)爐經(jīng)濟(jì)效益變化進(jìn)行了分析，旨在找出適合的經(jīng)濟(jì)爐齡。

2.1 爐齡對(duì)底吹效果的影響

轉(zhuǎn)爐底吹效果直接影響到鋼水質(zhì)量及物料消耗，碳氧積是衡量轉(zhuǎn)爐底吹狀態(tài)的直接指標(biāo)。碳氧積低時(shí)，底吹效果好，熔池?cái)嚢鑿?qiáng)，促進(jìn)鋼渣液面反應(yīng)更加接近平衡狀態(tài)，鋼水成分均勻，鋼中氧含量低，鋼水質(zhì)量好，反之，消耗增加，鋼水質(zhì)量降低。

2.1.1 碳氧積隨爐齡變化的分析

統(tǒng)計(jì)M14碳氧積隨爐齡增長的變化情況，如圖1所示。由圖1可以看出，隨著爐齡的增加，碳氧積顯著上升，爐齡在5 000爐以內(nèi)時(shí)，碳氧積穩(wěn)定控制在0.002 2以下，爐齡達(dá)到5 000爐以上時(shí)，碳氧積增加趨勢(shì)非常明顯，最高達(dá)到了0.002 4，底吹效果變差。

圖1 碳氧積隨爐齡增長的變化情況Fig.1 Changes of Product of Carbon Content and Oxygen Content with Campaign Life Growing

2.1.2 鋼鐵料消耗隨爐齡變化的分析

統(tǒng)計(jì)2020年1-9月在不同碳氧積狀態(tài)下，同一鋼種（SPHC）的鋼鐵料消耗見表2所示。由表2可以看出，隨著碳氧積的增加，鋼鐵料消耗也增加。由此推斷，當(dāng)爐齡超過5 000爐后碳氧積明顯增加，鋼鐵料消耗會(huì)顯著增加。

表2 不同碳氧積下鋼鐵料消耗Table 2 Consumption of Charging Materials under Different Products of Carbon Content and Oxygen Content

2.1.3 終點(diǎn)氧與脫氧成本變化的分析

爐役后期，底吹效果差，碳氧積高，終點(diǎn)氧增高。統(tǒng)計(jì)2020年同一鋼種（SPHC）在不同終點(diǎn)氧含量條件下的脫氧成本見表3所示。

表3 不同終點(diǎn)氧含量條件下的脫氧成本Table 3 Deoxidation Cost under Different Oxygen Content at End Point

轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，轉(zhuǎn)爐內(nèi)存在著直接傳氧與間接傳氧兩種途徑，直接傳氧是氧氣被鋼液直接吸收；間接傳氧是氧氣通過熔渣傳入金屬液中，熔池表面的金屬液被大量氧化而形成高氧化鐵熔渣是傳氧的良好載體。轉(zhuǎn)爐冶煉過程以間接傳氧為主，冶煉過程鋼和渣中的氧處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，相互傳導(dǎo)過程中，轉(zhuǎn)爐復(fù)吹效果好，熔池?cái)嚢鑿?qiáng)，促進(jìn)鋼渣界面反應(yīng)更接近平衡狀態(tài)，可以顯著降低鋼水和熔渣中的過剩氧含量，碳氧積高時(shí)，鋼渣中的過剩氧高，鋼和渣中的氧含量高。

由表3計(jì)算得出，終點(diǎn)氧平均每增加0.01%，終渣TFe平均增加0.34%，理論鋁耗平均約增加0.13 kg/t，脫氧成本平均約增加1.8元/t。

2.2 爐齡對(duì)轉(zhuǎn)爐綜合效益的影響

綜合不同爐齡條件下轉(zhuǎn)爐碳氧積的變化，以及由此而帶來的鋼鐵料與脫氧合金成本的變化，統(tǒng)計(jì)M14不同階段轉(zhuǎn)爐鋼鐵料成本和合金消耗成本，計(jì)算出轉(zhuǎn)爐綜合效益，圖2為轉(zhuǎn)爐綜合效益與爐齡的關(guān)系。

圖2 轉(zhuǎn)爐綜合效益與爐齡的關(guān)系Fig.2 Relationship between Comprehensive Benefits of Converter and Its Campaign Life

從圖2可以看出，轉(zhuǎn)爐復(fù)吹綜合效益隨著轉(zhuǎn)爐爐齡的增加呈降低趨勢(shì)，爐齡超過5 000爐時(shí)，由于復(fù)吹效果變差，復(fù)吹綜合效益明顯降低，經(jīng)計(jì)算，與5 000爐之前相比，平均噸鋼效益降低2.2元。由此判斷，單純從綜合效益考慮，轉(zhuǎn)爐爐齡控制在4 500～5 500為宜。

3 襯磚安全爐齡的研究

鲅魚圈轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯的工作層全部砌筑鎂碳磚，鎂碳磚中含有相當(dāng)數(shù)量的石墨碳，它與熔渣的潤濕性較差，阻礙著熔渣向磚體內(nèi)的滲透，所以鎂碳磚的使用壽命較長。轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，鎂碳磚表面的碳首先受到氧化性熔渣TFe等氧化物、供入的氧、爐氣中的CO2等氧化性氣氛的氧化作用以及高溫下MgO的還原作用，使鎂碳磚表面形成脫碳層。由于碳的氧化脫除，磚體組織結(jié)構(gòu)松動(dòng)脆化，受爐液的流動(dòng)沖刷發(fā)生流失而被蝕損。隨著冶煉爐數(shù)的不斷增加，鎂碳磚經(jīng)過氧化-脫碳-沖蝕逐步侵蝕[3]，轉(zhuǎn)爐工作層厚度逐漸減薄。因此，經(jīng)濟(jì)爐齡的制訂還要綜合考慮整個(gè)爐役期間爐襯的安全。

3.1 轉(zhuǎn)爐爐襯厚度與爐齡的關(guān)系

鲅魚圈轉(zhuǎn)爐耳軸固定在南北方向，東大面為受鐵、廢鋼面，西大面為出鋼面，爐底布置10支底槍，東、西大面以及爐底為主要侵蝕部位，統(tǒng)計(jì)M14整個(gè)爐役的激光測(cè)厚結(jié)果，得出爐襯厚度與爐齡的關(guān)系如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)爐爐襯厚度與爐齡的關(guān)系Fig.3 Relationship between Converter Lining Thickness and Its Campaign Life

從圖3可以看出，受全爐役底吹的影響，爐底侵蝕最為嚴(yán)重，東西大面侵蝕速度總體相當(dāng)。6 000爐時(shí)補(bǔ)爐底料所以爐底厚度趨勢(shì)虛高，實(shí)際上這一階段爐底侵蝕速度加快，到7 000爐時(shí)爐底厚度表現(xiàn)得急劇降低。主要原因是爐齡增加后，底槍裸露，氣泡反擊、水錘沖刷現(xiàn)象嚴(yán)重，底吹元件周圍耐火材料形成凹坑，并且凹坑逐漸加深，對(duì)流傳熱差，加劇了爐底侵蝕。

3.2 停爐后爐襯及殘磚厚度檢測(cè)

停爐后爐襯各部位測(cè)厚結(jié)果如表4所示。

表4 爐襯測(cè)厚結(jié)果Table 4 Thickness Measurement Results of Converter Lining mm

從表4的測(cè)厚結(jié)果看，轉(zhuǎn)爐爐襯各部位工作層厚度均顯著減小，尤其是爐底，其厚度遠(yuǎn)低于報(bào)警值（500 mm）。

對(duì)停爐后的爐襯殘磚實(shí)際厚度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果底槍座磚厚度為380 mm，實(shí)際爐底工作層厚度僅為200 mm（爐底砌筑共兩層：報(bào)警層和工作層，前者砌筑兩層鎂磚共180 mm，后者砌筑鎂碳磚厚1 300 mm），存在極大的漏鋼隱患。

通過以上分析可以得出，從爐襯安全的角度考慮，爐齡5 000～6 000比較適合，結(jié)合轉(zhuǎn)爐的綜合效益后認(rèn)為，經(jīng)濟(jì)爐齡應(yīng)控制在5 000～5 500，可保證全爐役底吹，此時(shí)爐襯厚度為550～700 mm（由圖3得出），計(jì)算平均碳氧積為0.002 2。

4 經(jīng)濟(jì)爐齡的保障措施

濺渣護(hù)爐是利用高壓氮?dú)獾拇禐R使MgO含量達(dá)到飽和或過飽和的煉鋼終點(diǎn)渣在爐襯表面形成一層高熔點(diǎn)的熔渣層，并與爐襯很好的粘接附著。通過濺渣形成的濺渣層耐蝕性較好，同時(shí)可以抑制爐襯磚表面氧化脫碳，又能減輕高溫熔渣對(duì)爐襯的侵蝕沖刷，從而保護(hù)爐襯磚，提高爐襯壽命。但是，濺渣時(shí)部分熔渣附著于爐襯表面，剩余部分都集中在了爐底，與爐底的鎂碳磚結(jié)合，會(huì)引起爐底的上漲。復(fù)吹工藝濺渣時(shí)，底部仍然供氣，上、下吹入的都是冷風(fēng)，爐溫有所降低，導(dǎo)致熔渣進(jìn)一步變粘；高熔點(diǎn)晶體發(fā)育長大，并包圍著MgO晶體或固體顆粒，形成了堅(jiān)硬的致密層，在底部供氣不當(dāng)時(shí)會(huì)加劇爐底的長高[3]。為了穩(wěn)定煉鋼操作，并兼顧保護(hù)爐襯與控制碳氧積，根據(jù)轉(zhuǎn)爐鋼水液位高度（BL值），采取了不同的濺渣護(hù)爐措施。

（1）當(dāng)BL值小于180 cm時(shí)，爐底較薄，此時(shí)存在爐底底槍處漏鋼風(fēng)險(xiǎn)，為保證爐底安全，制訂漲爐底方案：①冶煉過程加入2 t白云石，如果溫度不夠可以少加3 t廢鋼；②濺渣時(shí)加入500 kg白云石或1 t輕燒白云石來漲爐底；③出鋼溫度高于1 710℃時(shí)，濺渣結(jié)束后爐子在零位停1 min。采取上述方案可以逐步提高爐底厚度，在保證底吹效果的情況下，實(shí)現(xiàn)爐底安全。

（2）當(dāng)BL值在 231～250 cm時(shí)，爐底較厚，底槍易堵塞，影響冶煉效果，采取降爐底方案：① 停止鋪大面工作；② 采用吹爐底操作，根據(jù)生產(chǎn)間隙每班吹兩次；③吹爐底操作要點(diǎn)為濺渣結(jié)束后，將爐渣全部倒掉，氧槍選用“維修”方式，在操作臺(tái)上將氧槍降到下極限槍位，氧氣流量調(diào)至45 000 m3/h，吹1 min。吹完?duì)t底要檢查爐襯。采取上述方案可以避免爐底的進(jìn)一步增高，減少底槍堵塞幾率，保證底吹效果。

（3）當(dāng)BL值大于250 cm時(shí)，此時(shí)底槍存在堵死的可能，必須對(duì)爐底進(jìn)行處理，措施有：① 必須安排化爐底；②留渣量要求為出鋼結(jié)束后不濺渣，留三之一的爐渣；③ 化渣操作為氧槍選擇“手動(dòng)”工作方式，氧氣流量為40 000 m3/h；④ 在操作臺(tái)上按動(dòng) “下降按鈕”逐漸將氧槍降至要求的槍位，化爐底控槍方案見表5；⑤化完?duì)t底要進(jìn)行濺渣操作，濺渣過程中加入1 t礦石，保證爐渣降溫；⑥化完?duì)t底后要仔細(xì)檢查爐襯各部分狀態(tài)是否滿足要求。采取上述方案可將爐底厚度維護(hù)在230 cm以下，保證可視底槍數(shù)量，保障底吹效果。

表5 化爐底控槍方案Table 5 Scheme for Controlling Oxygen Lance in Removing Slag Accumulated at Converter Bottom

5 結(jié)論

結(jié)合鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司260 t轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)實(shí)際，研究了碳氧積與爐齡的關(guān)系、碳氧積與鋼鐵料消耗的關(guān)系及終點(diǎn)氧與脫氧成本的關(guān)系，得出轉(zhuǎn)爐綜合效益與爐齡的關(guān)系，并制定了濺渣護(hù)爐措施。

（1）隨著轉(zhuǎn)爐爐齡的增加，轉(zhuǎn)爐碳氧積顯著升高，復(fù)吹綜合效益逐漸降低，爐襯厚度逐漸減薄。爐齡超過5 000爐后，碳氧積最高增加了0.000 2，復(fù)吹綜合效益降低了2.2元/t，轉(zhuǎn)爐爐底厚度遠(yuǎn)低于報(bào)警值（500 mm）。

（2）綜合考慮運(yùn)行成本和爐襯安全，建議260 t轉(zhuǎn)爐爐齡控制在5 000～5 500爐，可保證全爐役底吹，此時(shí)爐襯厚度為550～700 mm，平均碳氧積為0.002 2。當(dāng)鋼水液位高度BL值小于180 cm時(shí)，執(zhí)行漲爐底濺渣方案，大于230 cm時(shí)，執(zhí)行降爐底濺渣方案。