130 t轉(zhuǎn)爐低鐵耗氧槍優(yōu)化研究

陳小龍，廖廣府

(寶武集團(tuán) 鄂鋼公司煉鋼廠，湖北 鄂州 436002)

隨著國(guó)家對(duì)鋼鐵行業(yè)進(jìn)行雙控管理，低鐵鋼比是低碳冶金技術(shù)在長(zhǎng)流程工藝的探索與實(shí)踐。轉(zhuǎn)爐氧槍是將低速高壓的氧氣通過(guò)噴頭轉(zhuǎn)換成高速低壓噴射進(jìn)熔池，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)完成脫C、P、S等任務(wù)[1-3]。隨著鐵鋼比的降低，氧槍對(duì)廢鋼的熔化，過(guò)程吹煉穩(wěn)定性，終點(diǎn)命中率和鋼鐵料消耗影響越來(lái)越大[2-4]。文章從氧槍噴頭參數(shù)的設(shè)計(jì)和冶金效果進(jìn)行研究分析，優(yōu)化后的噴頭參數(shù)，轉(zhuǎn)爐噴濺和鋼鐵料消耗改善明顯。

1 概況

某廠130 t轉(zhuǎn)爐使用4孔氧槍?zhuān)阼F耗平均為863 kg/t(鐵耗=鐵水/合格坯產(chǎn)量·1 000)時(shí)，原氧槍噴頭(參數(shù)見(jiàn)表1)平均壽命為45次，氧槍燒槍、粘鋼較為頻繁，轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程氧槍調(diào)整模式采用難度較大的變槍恒壓操作，終點(diǎn)命中率較低，鋼鐵料消耗高達(dá)1 068 kg/t，原氧槍嚴(yán)重制約了轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝技術(shù)指標(biāo)的進(jìn)步和發(fā)展。

表1 原氧槍槍頭參數(shù)

2 氧槍噴頭參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 馬赫數(shù)的選擇

馬赫數(shù)是氣流速度與當(dāng)?shù)販囟葪l件下的音速之比，馬赫數(shù)愈大，氣體表現(xiàn)出的可壓縮性就愈大。生產(chǎn)實(shí)踐證明，過(guò)高的設(shè)計(jì)氧壓，噴濺頻率增多，爐襯侵蝕嚴(yán)重；過(guò)低的設(shè)計(jì)氧壓，熔池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件變差[5]。綜合原材料和設(shè)備條件考慮，氧槍噴頭馬赫數(shù)(M)選擇為2.02。

2.2 氧槍噴頭參數(shù)優(yōu)化

查等熵流表[6]，當(dāng)M=2.02時(shí)，P出/P0=0.123 9，由于爐膛壓力近似于大氣壓力，所以P出為0.102 MPa，則P0為0.82 MPa，在過(guò)程冶煉中避免過(guò)低的壓力吹煉，減少擴(kuò)孔侵蝕，閥后壓力為0.85 MPa～0.92 MPa。

為減少噴濺，選擇五孔氧槍?zhuān)鶕?jù)吹煉周期13.5 min，噸鋼氧耗50 Nm3/t，出鋼量為148 t，計(jì)算出氧氣流量為32 888 Nm3/h，綜合考慮噴濺和化渣效果，選擇五孔氧槍?zhuān)瑔慰籽鯓屃髁? 577 Nm3/h。根據(jù)拉烏爾單個(gè)噴孔流量計(jì)算公式[5-6]：

(1)

A喉=πD喉2/4

(2)

式中：P0—滯止壓力，MPa；

Q—單孔氧氣流量，Nm3/h；

A喉—喉口截面積，m2；

T0—滯止溫度，k；

D喉—喉口直徑，m；

CD—管道修正系數(shù)，一般為0.9～0.95。

計(jì)算得出氧槍噴頭喉口直徑：D喉=42.1 mm(考慮加工精度，喉口直徑取42 mm)。

根據(jù)M=2.02，查等熵流表可知，A出/A喉=1.716，A出=πD出2/4(其中，A出—出口截面積，D出—出口直徑)，計(jì)算氧槍噴頭出口直徑D出=55.2mm(考慮加工精度，出口直徑取55 mm)。

理論的氣體膨脹角為4°～8°，考慮噴頭的穿透能力，取擴(kuò)張角為3.5°，擴(kuò)張段長(zhǎng)度L=(55.2-42.1)/2×tg3.5°=107.1 mm，考慮加工精度，擴(kuò)張段長(zhǎng)度取107 mm。

合理的傾角a與噴孔的數(shù)目n有關(guān)，且隨著噴孔數(shù)目的增加而增大，一般認(rèn)為，射流的綜合特性決定著冶煉的平穩(wěn)性，而射流的綜合特性又與孔傾角密切相關(guān)，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，這里取噴孔夾角為13°。

為減輕噴孔出口氧射流互相摻混，減小氧射流作用熔池疊加沖擊，要求增大端底氧孔分布圓直徑與出口直徑之比，一般在2-4之間，因此D孔= 180 mm。

2.3 氧槍噴頭的沖擊深度

氧氣經(jīng)過(guò)氧槍噴頭形成氧氣射流，沖擊熔池，形成一定深度和面積的沖擊坑，氧氣射流與熔池的相互作用，引起了熔池運(yùn)動(dòng)。很多研究者[6-7]從理論上對(duì)氧氣射流的沖擊深度進(jìn)行了大量研究，得出了許多類(lèi)似的結(jié)果。單孔氧槍沖擊深度的經(jīng)驗(yàn)公式。

L=3.4×P0×D喉/H0.5+0.038 1

(3)

式中：P0—滯止壓力，MPa；

D喉—喉口直徑，mm；

H—氧槍高度，mm。

文章采用某廠多孔氧槍沖擊深度計(jì)算公式。

L=Lh0exp(-0.78H/Lh0)

(4)

Lh0=63.0(K*Q/nD喉)2/3

(5)

式中：H—氧槍槍位，m；

n—孔數(shù)，個(gè)；

K—常數(shù)，取1.0；

Q—噴頭供氧流量，Nm3/h；

Lh0—在槍位H=0時(shí)，沖擊深度，mm；

L—穿透深度，mm。

新氧槍設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2，其沖擊百分比如表3所示。

表2 新氧槍槍頭參數(shù)

表3 五孔氧槍沖擊百分比(%)

3 吹煉方案優(yōu)化

根據(jù)新氧槍噴頭優(yōu)化參數(shù)計(jì)算的沖擊深度，調(diào)整吹煉模型，優(yōu)化前后吹煉模型示意圖如圖1所示。

圖1 吹煉模型示意圖

4 優(yōu)化效果分析

對(duì)優(yōu)化后氧槍的冶金效果進(jìn)行分析總結(jié)，5孔氧槍具有更大的沖擊面積，化渣效果較好，提高了轉(zhuǎn)爐脫磷率。同時(shí)較低的操作槍位，有利于降低渣中TFe，轉(zhuǎn)爐鋼鐵料消耗下降明顯。

4.1 對(duì)脫磷率的影響

優(yōu)化后的氧槍轉(zhuǎn)爐脫磷率對(duì)比如表4所示，優(yōu)化后的氧槍?zhuān)D(zhuǎn)爐脫磷率達(dá)到83.6%，較優(yōu)化前提高4.3%，主要五孔氧槍沖擊面積較大，化渣效果明顯優(yōu)于四孔氧槍?zhuān)黄浯舞F耗降低后，轉(zhuǎn)爐前期溫度低，有利于提高前期脫磷率，過(guò)程返磷較少。

表4 轉(zhuǎn)爐脫磷率對(duì)比

4.2 對(duì)供氧時(shí)間的影響

優(yōu)化后的氧槍對(duì)供氧時(shí)間影響較大，五孔氧槍較四孔氧槍供氧時(shí)間平均縮短1.3 min。首先，五孔氧槍供氧強(qiáng)度達(dá)到4.2 Nm3/(min·t)，較四孔氧槍提高12.8%；五孔氧槍槍位較四孔槍位降低200 mm，具有更深的沖擊深度，熔池內(nèi)的各種化學(xué)反應(yīng)更充分，快速，氧槍利用率提高，供氧時(shí)間縮短；其次鐵耗降低100 kg/t，金屬碳含量減少12%，供氧時(shí)間降低，綜合優(yōu)化前后轉(zhuǎn)爐氧氣單耗節(jié)約3.7 m3/t。

4.3 對(duì)鋼鐵料消耗的影響

優(yōu)化后氧槍吹煉更平穩(wěn)，終點(diǎn)命中率更高，終渣TFe下降明顯，對(duì)鋼鐵料消耗影響顯著。對(duì)優(yōu)化前后轉(zhuǎn)爐終渣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表5所示。可以看出，優(yōu)化后的氧槍?zhuān)D(zhuǎn)爐終渣TFe降低1.85%，可以降低鋼鐵料消耗1.48 kg/t。優(yōu)化后的氧槍?zhuān)禑掃^(guò)程C-O更為平穩(wěn)，大幅減少噴濺，轉(zhuǎn)爐噴濺總渣量由22.1 kg/t降低到13.3 kg/t，可以降低鋼鐵料消耗3.69 kg/t，綜合優(yōu)化氧槍參數(shù)后，轉(zhuǎn)爐鋼鐵料消耗下降5.17 kg/t，與生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)相近。

表5 氧槍優(yōu)化前后對(duì)終渣成分的影響(%)

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)氧槍進(jìn)行五孔優(yōu)化后，冶金效果明顯改善，降低鋼鐵料消耗5.17 kg/t，脫磷效率由原來(lái)的79.3%提高到目前的83.6%，供氧時(shí)間縮短1.3 min，氧氣單耗節(jié)約3.7m3/t，降低煉鋼工序附加成本約20元/t，煉鋼廠的直接經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。