長爐齡高氧化性條件下轉(zhuǎn)爐穩(wěn)定生產(chǎn)實踐

任 濤, 劉 林,馮 超, 朱 榮, 楊華鵬

(1.北京科技大學(xué), 北京 100083; 2.日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司,山東 日照 276800)

鋼鐵行業(yè)積極響應(yīng)國家綠色煉鋼、降低碳排放政策,近年來廢鋼單耗不斷提升,鐵水熱量不足,終點(diǎn)過吹導(dǎo)致耐材侵蝕加劇[1],護(hù)爐時間長、鋼水脫磷難、低碳鋼碳控制不穩(wěn)定、耐材成本高[2]、噴濺等問題凸顯。

鋼水產(chǎn)量的提升和質(zhì)量的穩(wěn)定來源于轉(zhuǎn)爐爐型的穩(wěn)定和復(fù)吹效率的提高,結(jié)合生產(chǎn)實際,煉鋼區(qū)域從這兩方面入手,不斷摸索,對護(hù)爐模式和底吹系統(tǒng)進(jìn)行不斷的優(yōu)化和總結(jié),力求開發(fā)出一套適用于當(dāng)前生產(chǎn)狀態(tài)下的經(jīng)濟(jì)質(zhì)量爐齡控制模式。

1 背 景

1.1 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)/質(zhì)量性能指標(biāo)(攻關(guān)前指標(biāo))

攻關(guān)前主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo):鋼鐵料消耗1 076.3 kg/t、碳氧積30.3、終渣TFe22.2%、濺渣時間6.9 min、靜態(tài)脫磷率66.3%、一倒率95.4%、耐材成本2.37元/t。

1.2 主要問題或差距

(1)爐齡要求較高,爐齡按照>10 000爐控制。爐底侵蝕嚴(yán)重,無法滿足高爐齡要求,爐齡2 000爐開始采取漲爐底操作方式,轉(zhuǎn)爐爐底吹效果開始變差,在爐役后期底吹透氣性更差,特別在廢鋼單耗較高的生產(chǎn)狀態(tài)下爐內(nèi)動力學(xué)條件不足,噴濺比例升高、脫磷效果差、廢鋼熔化不均勻、碳控制不穩(wěn)定[3]。

(2)生產(chǎn)主要鋼種為低碳低磷鋼種,且由于熱量不足終點(diǎn)過氧化嚴(yán)重,耐材侵蝕加劇,補(bǔ)爐頻次及濺渣時間長,爐型不穩(wěn)定,產(chǎn)能受限[4]。

2 問題解決方案

2.1 透氣元件形式優(yōu)化

原有底吹透氣磚為毛細(xì)管透氣磚,其特點(diǎn)是分散供氣,但單管尺寸小、氣流強(qiáng)度低易被覆蓋。環(huán)縫式透氣磚特點(diǎn)是單管氣流強(qiáng)度大,不容易堵塞。計劃將底吹透氣磚更改為環(huán)縫式透氣磚,增大底吹氣量調(diào)節(jié)性,從根本上解決透氣磚容易被覆蓋導(dǎo)致爐役中后期透氣不良,底吹效果差的問題[5]。底吹磚結(jié)構(gòu)示意如圖1和圖2所示。

圖1 毛細(xì)管透氣磚

圖2 環(huán)縫管透氣磚

2.2 底吹磚長度及爐底磚優(yōu)化

增長底吹透氣磚長度,減少永久層厚度,通過加長工作層的長度,延長底吹磚的使用壽命[6]。砌筑方案如圖3和圖4所示。

圖3 底吹磚950 mm永久層3層

圖4 底吹磚1 300 mm永久層2層

利用梅花樁特性,通過樁間隙填充熔渣,增加爐底的抗沖擊能力,進(jìn)一步延長底吹磚使用壽命。如圖5和圖6所示。

圖5 常規(guī)底吹布局

圖6 梅花樁底吹布局

2.3 根據(jù)碳氧積變化底吹強(qiáng)度動態(tài)調(diào)整

常規(guī)狀態(tài)下底吹強(qiáng)度控制:0.065→0.054→0.097 m3/(t·min)。根據(jù)底吹裸露不明顯,上調(diào)整底吹強(qiáng)度,保證底吹效果;底吹裸露明顯,碳氧積低于22×10-4,下調(diào)底吹強(qiáng)度,保證爐底侵蝕速度受控[7]。爐底控制常態(tài)如圖7所示。

圖7 濺渣后底吹形貌

2.4 氧槍噴頭選定及流場模擬

眾所周知,復(fù)合吹煉增加了底部供氣,加強(qiáng)了轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼水的攪拌力,使轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼水成分和溫度的不均勻性得到有效改善,碳氧反應(yīng)更進(jìn)一步接近平衡,避免了鋼水過氧化,提高了轉(zhuǎn)爐脫磷和脫硫的能力[8]。所以頂吹和底吹的匹配度至關(guān)重要。

2.4.1 噴頭選型

針對不同工況選用了幾種氧槍噴頭參數(shù)作為基礎(chǔ)常用參數(shù)如表1所示。

表1 常用氧槍噴頭參數(shù)

2.4.2 復(fù)吹流場模擬

1)條件設(shè)定[9]

入口:頂吹:383.35 m/s(65 000 m3/h);

底吹:81.24 m/s(180 m3/h)×8;

出口:標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;

表面張力:1.3 N/m;

接觸角:150°。

2)材質(zhì)設(shè)定

頂吹/底吹(空氣):密度1.225 kg/m3,選擇密度不變做模擬;

鋼水:密度7 000 kg/m3。

3)鋼水表面形貌

吹氣流使鋼水表面形成沖擊坑,沖擊坑周圍形成凸起。同時底吹氣泡上浮,使液面表面氣泡溢出位置形成凸起與噴濺。如圖8所示,沖擊坑深度約0.6 m(約總深度1/3)。

圖8 鋼水表面形貌

4)底吹氣泡形貌

底吹氣體形成氣泡上浮,受入口角度和鋼水流動影響,氣泡上浮路徑向中心略傾斜。如圖9所示。

圖9 底吹氣泡形貌

由于設(shè)置氣體密度不變,因此氣泡體積不變。若設(shè)置氣泡密度可變,則氣泡在上浮過程中會發(fā)生膨脹。但氣泡上浮與鋼水流動基本規(guī)律相同,模擬結(jié)果可用于規(guī)律分析研究。

5)鋼水流場形貌

xy截面,鋼水表面因頂吹氣流作用,鋼水從中心流向周圍,再形成流向中心的環(huán)流。

yz截面,因頂吹和底吹共同作用,鋼水在底吹氣流兩側(cè)分別形成環(huán)流。

同時鋼水液面流速最高,爐壁附近流速低。鋼水內(nèi)部流場主要受底吹影響,如圖10所示。

圖10 鋼水流場形貌

通過圖11可以基本判定爐內(nèi)鋼水的混合程度:鋼水總體流動與混合很充分,僅底部中心與側(cè)面爐壁附近流速較低。

圖11 鋼水流速云圖

因此有兩個鋼水混勻程度評價指標(biāo):①鋼水平均流速:此時為0.195 m/s;②鋼水低流速分布區(qū)域大小:通過xy或yz兩個截面流速云圖判斷,如圖11所示。

綜上所述,若鋼水平均流速較高,且流速分布均勻,低速區(qū)域較小,則可判斷此時工藝對鋼水混勻效果更好。

2.5 濺渣方式優(yōu)化

2.5.1 原濺渣模式

原濺渣模式參數(shù)如下:

(1)調(diào)渣劑:輕燒鎂球+生白云石;

(2)濺渣時長:6～7 min;

(3)濺渣方式:開氮后加入3～5 kg/t生白云石+1.6 kg/t輕燒鎂球,槍位采用低槍位起渣+高槍位逐步壓槍的方式濺渣。

(4)存在缺陷:濺渣時間長,爐底上漲嚴(yán)重,熔池侵蝕嚴(yán)重。

2.5.2 優(yōu)化后濺渣模式

優(yōu)化后濺渣模式參數(shù)如下[10]:

(1)調(diào)渣劑:焦粉+輕燒白云石;

(2)濺渣時長:3.5～4.5 min;

(3)濺渣方式:放鋼末期,從爐后用管道噴入爐內(nèi)1～2 kg/t焦末進(jìn)行渣脫氧,下槍開氮后加入1～2 kg/t輕燒白云石,槍位采用高槍位逐步壓槍的方式濺渣。如圖12所示。

圖12 濺渣槍位前后對比

3 實踐結(jié)果

3.1 爐襯侵蝕對比

采取了解決措施方案后,對比前代爐役,爐齡穩(wěn)定受控,全爐役爐底透氣磚清晰可見。

3.1.1 爐底對比(爐齡3 800爐)

(1)前代爐役爐底高低不平,透氣磚位置不明顯;底吹利用率低。

(2)當(dāng)代爐役爐底厚度均勻,透氣磚位置侵蝕明顯,但侵蝕比較均勻。

(3)環(huán)縫式底吹侵蝕速度較毛細(xì)管慢,有利于提高經(jīng)濟(jì)爐齡。環(huán)縫式底吹3 872爐時,侵蝕速度:0.056 mm/爐;毛細(xì)管式底吹3 876爐時,侵蝕速度:0.066 mm/爐。如圖13所示。

圖13 爐底侵蝕速度對比

3.1.2 爐身對比(爐齡3 800爐)

(1)前代爐役爐帽粘鋼粘渣嚴(yán)重,除小面三角區(qū)外其他位置偏厚,小面三角區(qū)侵蝕明顯較快。

(2)當(dāng)代爐役整體厚度均勻,大面變薄,小面侵蝕減弱。整體爐型由前代“葫蘆狀”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皥A桶狀”。如圖14所示。

圖14 措施實施前后爐襯侵蝕對比

3.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

通過不斷的摸索和研究,采取解決措施方案后取得了階段性的成果,爐型穩(wěn)定受控,各項經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)明顯提升。當(dāng)前廢鋼比較上代爐役平均升高4%,終點(diǎn)過吹更為嚴(yán)重,但從各項指標(biāo)看,鋼鐵料消耗(RECC)同比降低4.8 kg/t,終渣全鐵降低3.1%,耐材成本降低1.17元/t。

4 結(jié) 語

通過對底吹元件更換、底吹磚長度更改及爐底梅花樁布局設(shè)計、氧槍噴頭參數(shù)配合底吹設(shè)定、濺渣護(hù)爐方式調(diào)整、輕補(bǔ)爐底的應(yīng)用,有效地提升了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)能力、鋼水質(zhì)量,降低了生產(chǎn)成本,延長了經(jīng)濟(jì)爐役周期。

(1)冶煉周期縮短:現(xiàn)爐役前6 000爐齡冶煉周期為36.54 min,比上代爐役前6 000爐齡冶煉周期為44.74 min低8.2 min。

(2)鋼水質(zhì)量提升:靜態(tài)脫磷率:現(xiàn)爐役靜態(tài)脫磷率70.8%,比上爐役66.3%高4.5%。

(3)生產(chǎn)成本降低:鋼鐵料消耗:現(xiàn)爐役鋼鐵料消耗為1 071.5kg/t,比上爐役1 076.3kg/t降低-4.8 kg/t。終渣全鐵:現(xiàn)爐役18.4%,比上爐役22.2%低3.8%。耐材成本:補(bǔ)爐料成本降低1.17元/t。