210 噸轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹工藝

王鵬飛

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司煉鋼部，山東 日照 276800）

鋼材是世界上應(yīng)用最廣泛的金屬材料，是現(xiàn)代化建設(shè)不可或缺的物資。我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量自 1996 年以來(lái)一直保持世界排名第一，2018 年全國(guó)粗鋼產(chǎn)量 9.28 億 t，2019 年預(yù)計(jì)為 9.8 億 t，是名副其實(shí)的鋼鐵大國(guó)，也是全球鋼材生產(chǎn)最主要力量[1]。

煉鋼是把生鐵放到煉鋼爐內(nèi)按一定工藝熔煉得到鋼的工藝，1952 年頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法問(wèn)世并迅速推廣全球，其煉鋼主要攪拌動(dòng)力仍是碳氧反應(yīng)產(chǎn)生的沸騰，但是頂吹末期脫碳效率降低，熔池?cái)嚢鑿?qiáng)度變?nèi)?，?duì)于逐漸大型化的轉(zhuǎn)爐顯得力不從心。20 世紀(jì) 80 年代初頂?shù)讖?fù)吹煉鋼法在世界上普遍推廣，已經(jīng)成為現(xiàn)代化轉(zhuǎn)爐煉鋼主要工藝之一，本文通過(guò)某 210 噸轉(zhuǎn)爐對(duì)頂?shù)讖?fù)吹工藝進(jìn)行介紹和討論。

1 頂?shù)讖?fù)吹工藝特點(diǎn)

頂吹法工藝優(yōu)點(diǎn)：投資成本較低，吹煉效率高，適用品種多，熱效率高，可以與連續(xù)鑄鋼相匹配。缺點(diǎn)是吹煉前期化渣較慢，后期熔池內(nèi)上下層溫差較大 ；冶煉超低碳鋼比較困難，過(guò)氧化現(xiàn)象嚴(yán)重；煉鋼渣中FeO高，容易發(fā)生噴濺不良行為[2]。

底吹法產(chǎn)生的攪拌力大，熔池內(nèi)部溫差較小，熔池接近平衡狀態(tài)，過(guò)氧化程度低。但是底吹法的 CO 燃燒率小，很難生成泡沫渣，前期脫磷較困難。

頂?shù)讖?fù)吹工藝是從轉(zhuǎn)爐的爐頂向鋼液中吹氧氣的同時(shí)，同時(shí)從爐底吹入其他氣體進(jìn)行吹煉的轉(zhuǎn)爐煉鋼方法[3]。它綜合了頂吹法和底吹法兩種煉鋼方法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又在一定程度上彌補(bǔ)了這兩種方法的不足[4]。在我國(guó)煉鋼小轉(zhuǎn)爐主要采用LD 煉鋼工藝，某 210 噸轉(zhuǎn)爐屬于大中型轉(zhuǎn)爐，故采用頂?shù)讖?fù)吹工藝。

2 頂?shù)讖?fù)吹工藝原理

2.1 頂?shù)讖?fù)吹設(shè)備

210 噸頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化如圖 1，在頂吹轉(zhuǎn)爐的底部安裝吹氣噴嘴系統(tǒng)，可以吹入氧氣等氣體或粉劑，煉鋼過(guò)程按照冶金要求來(lái)調(diào)節(jié)底吹氣體流量用來(lái)改變?nèi)鄢財(cái)嚢锠顟B(tài)。

圖1 頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐結(jié)構(gòu)

2.2 熔池?cái)嚢?/h3>

在頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中，熔池?cái)嚢璧膭?dòng)力主要是頂吹氧氣、底吹氣體和碳氧反應(yīng)沸騰，其中碳氧沸騰的攪拌力大小決定于脫碳速率，頂吹氧氣和底吹氣體產(chǎn)生的攪拌力都可以根據(jù)冶金要求而進(jìn)行調(diào)節(jié)。影響頂吹氧氣攪拌功率的最主要因素是氧槍的高度 ( 或氧壓 )，影響底吹氣體攪拌功率的最主要因素是氣體流量。研究表明底吹氣體進(jìn)行攪拌效果比頂吹氧氣更明顯，熔池?cái)嚢栊Ч梢酝ㄟ^(guò)復(fù)吹氣體混合時(shí)間和底吹氣量所占比例的關(guān)系，見(jiàn)圖 2。

圖2 底吹氣體對(duì)熔池的攪拌效果

由圖 2 可知，提高底吹氣體量的比例可以明顯縮短混合均勻所需的時(shí)間，說(shuō)明底吹對(duì)熔池?cái)嚢璧淖饔糜绊懨黠@。底吹氣體量比例低于 20% 時(shí)，可以通過(guò)改變頂吹槍的高度（LH）調(diào)節(jié)熔池的攪拌能力 ；當(dāng)?shù)状禋怏w量達(dá)到 20% 以后，熔池的攪拌和混合完全決定于底吹氣流量。行業(yè)上按照底吹氣體流量的大小，將頂?shù)讖?fù)吹煉轉(zhuǎn)爐分作強(qiáng)攪拌和弱攪拌兩大類，一般底吹氣體強(qiáng)度大于 0.5m/(min·t) 和底吹石灰粉的轉(zhuǎn)爐稱為強(qiáng)攪拌復(fù)吹轉(zhuǎn)爐，其他的稱為弱攪拌復(fù)吹轉(zhuǎn)爐。復(fù)合吹煉工藝與底吹氣體強(qiáng)度對(duì)熔池?cái)嚢璧挠绊戧P(guān)系見(jiàn)圖3，由圖可見(jiàn)用時(shí)最長(zhǎng)的是頂吹工藝（LD 法），混合時(shí)間一般在90s ～ 120s，用時(shí)最少的是底吹工藝（OBM 法），混合時(shí)間在10s ～ 20s。其他復(fù)合吹煉工藝混合時(shí)間在二者之間，并且底吹供氣強(qiáng)度越大，熔池?cái)嚢栊Ч矫黠@。

圖3 吹煉工藝、底吹氣體強(qiáng)度的攪拌效果

2.3 底吹氣體種類

底吹氣體常用的有氬（Ar）、氮（N2）、氧（O2）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）以及天然氣等，每種氣體的特性和成本上有區(qū)別，根據(jù)復(fù)吹轉(zhuǎn)爐實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行選用。（1）氮（N2）。氮?dú)鈱?duì)于煉鋼來(lái)說(shuō)可以看作是惰性氣體，對(duì)轉(zhuǎn)爐耐火材料和底吹噴嘴的侵蝕較輕，加上成本較低，是最廣泛應(yīng)用的底吹氣體。但是氮?dú)饽苋苡阡撘褐袑?dǎo)致鋼中氮含量增加，鋼中含氮量與鋼液吸氮速率與 CO氣泡脫氮速率決定。

（2）氬（Ar）。氬氣是一種稀有氣體，是真正的惰性氣體，基本不溶于鋼液，轉(zhuǎn)爐煉鋼、爐外精煉和保護(hù)澆鑄都要用到。因?yàn)闅鍤獬杀据^高，一般到吹煉末期以及后攪拌時(shí)，才使用氬作為底吹氣體。

（3）二氧化碳（CO2）。二氧化碳與鋼液中的碳發(fā)生反應(yīng) ：CO2+[C]=2CO，體積迅速帶動(dòng)熔池?cái)嚢?，并還起到一定的冷卻作用，且對(duì)鋼的質(zhì)量無(wú)害。二氧化碳來(lái)源廣成本低，也被廣泛應(yīng)用，但是高溫下的CO2有弱氧化性，對(duì)轉(zhuǎn)爐耐火材料的侵蝕危害比氮?dú)鈬?yán)重。

（4）一氧化碳（CO）。一氧化碳對(duì)熔池?cái)嚢枳饔门c碳氧沸騰一樣，但 CO是毒性強(qiáng)，使用過(guò)程必須保證整個(gè)管路系統(tǒng)特密閉，維修管路也要先排空一氧化碳，因此出于安全考慮很少使用。

（5）氧（O2）。底吹氧氣可以攪拌也能參與冶金化學(xué)反應(yīng)，有利于控制轉(zhuǎn)爐熔體冶金過(guò)程，例如在冶煉超低碳鋼時(shí)，必須底吹氧氣。注意底吹氧氣時(shí)四周必須同時(shí)吹入天然氣等可裂解的氣體包圍局部冷卻噴嘴區(qū)，也可以使用可分解的粉劑如石灰石等進(jìn)行冷卻保護(hù)。

3 頂?shù)讖?fù)吹的類型

頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝名稱多種，原理方法大同小異，各有特點(diǎn)，一般根據(jù)頂?shù)状笛趿康谋壤M(jìn)行分類。

（1）LD-KG，LBE，LD-OTB，NK-CB，LD-AB 工藝。底吹惰性氣體攪拌熔池，底吹氣體主要是氬氣、氮?dú)夂投趸?。其中N2會(huì)導(dǎo)致是鋼液含氮量增加，要根據(jù)冶煉鋼種需求慎重使用。

底吹 Ar和CO2可代替N2作為攪拌氣體，在吹煉全程或只在后期使用，必要時(shí)吹煉完畢后繼續(xù)底吹氬氣 3min ～ 5min，用于除氮，促進(jìn)冶金反應(yīng)平衡。

（2）BSC-BAP，LD-OB，LD-HC，STB 及 STB-P 和 STB-S 等工藝。底吹氧氣或氧化性氣體來(lái)攪拌熔池。底部必須采用雙套管噴嘴，使用保護(hù)性氣體屏蔽氧化性氣體，避免氧化性氣體與轉(zhuǎn)爐耐火材料接觸造成侵蝕[5]。

（3）K-BOP、OBM 工藝。工藝底部吹氧氣量比例 40% 以下，底部供氧量及噴嘴數(shù)少，轉(zhuǎn)爐底部結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)化。底部吹氧氣有利于脫碳，可用于冶煉超低碳鋼種。

（4）OBM-S，KMS，Hoogovens-BSC，ALCI 等工藝。增加爐氣在爐內(nèi)的二次燃燒措施，有效克服 OBM 工藝缺點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐設(shè)計(jì)必須根據(jù)公司產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要進(jìn)行工藝種類選擇。

（2）根據(jù)所冶煉鋼的種類選擇底部吹氣的類別，從而確定采用何種工藝，注意分配頂?shù)籽鯕獗壤?/p>

（3）若采用底部通吹O2等氧化性氣體攪拌熔池，必須同時(shí)吹入保護(hù)性氣體，降低對(duì)轉(zhuǎn)爐耐火材料的侵蝕。若底部吹N2則要考慮鋼種對(duì)氮的控制要求，必要時(shí)吹入氬氣除氮。

（4）頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐可以根據(jù)訂單的需求，進(jìn)行不同工藝的改造，可以適用絕大部分煉鋼需求，煉鋼行業(yè)應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展和研究的工藝。