柳鋼120 t轉(zhuǎn)爐氧槍優(yōu)化及應(yīng)用

摘 要：從生產(chǎn)工藝管理、氧槍銅頭材質(zhì)選型、水冷系統(tǒng)、吹煉工藝等方面分析柳鋼120 t轉(zhuǎn)爐氧槍銅頭壽命低的原因，通過采用鍛造銅頭，氧槍快換改造，優(yōu)化噴頭參數(shù)，結(jié)合原材料匹配不同的吹煉模型，規(guī)范開吹工藝操作等管理和技術(shù)措施，氧槍銅頭壽命提高到了479爐，同時經(jīng)濟指標(biāo)有所改善，氧耗降低了1.09 m3/（t·min），脫磷率、石灰消耗、熔劑耗穩(wěn)定，冶煉時間縮短約80 s，終渣TFe下降1.2%。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐；氧槍；銅頭；壽命；快換；鍛造銅頭

Abstract：This article analyzes the reasons for the low service life of oxygen lance copper heads in Liuzhou Iron and Steel's 120 ton converter from the aspects of production process management， material selection of oxygen lance copper heads， water cooling system， and blowing process. By adopting forged copper heads， oxygen lance quick change transformation， optimizing nozzle parameters， combining different blowing models matched with raw materials， and standardizing blowing process operations， the service life of oxygen lance copper heads has been increased to 479 furnaces. At the same time， economic indicators have been improved， oxygen consumption has been reduced by 1.09 m3/（t · min）， dephosphorization rate， lime consumption， and flux consumption have been stabilized， smelting time has been shortened by about 80 seconds， and final slag TFe has decreased by 1.2%.

Key words： converter; oxygen lance; copper head; life; quick change; forged copper head

0 前 言

氧槍是轉(zhuǎn)爐煉鋼的關(guān)鍵設(shè)備，氧槍銅頭壽命能夠反映轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)操作的穩(wěn)定程度、煉鋼產(chǎn)量、質(zhì)量以及生產(chǎn)的安全性，氧槍銅頭參數(shù)影響轉(zhuǎn)爐煉鋼的吹煉效果。柳鋼有三座120 t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，2020年及2021年累計氧槍銅頭壽命（平均為69、89爐）低于國內(nèi)其他同類轉(zhuǎn)爐氧槍銅頭的平均壽命（250爐），氧槍能效值也低，因此，分析影響氧槍噴頭壽命的原因，優(yōu)化氧槍噴頭參數(shù)和冶煉過程工藝參數(shù)，對提高氧槍銅頭壽命、保證轉(zhuǎn)爐吹煉過程穩(wěn)定順行、降低煉鋼工序成本等均具有重要意義。

1 氧槍工況及換槍原因分析

1.1 氧槍使用工況

120 t轉(zhuǎn)爐氧槍槍身直徑245 mm，氧槍銅頭有4孔和5孔兩種類別。轉(zhuǎn)爐爐氧槍水路從二期水處理房（二區(qū)綜合樓背后）的泵組開始流向塔樓五樓，在五樓分一支管路（DN80）流向副槍冷卻水，在氧槍水層分兩支管路（DN200）分別流向兩個工位的氧槍，水泵到氧槍約300 m。氧槍水流量范圍為130 ～ 165 m3/h ，壓力范圍為1.1 ～ 1.2 MPa。氧槍具體參數(shù)、銅頭壽命見表1。

1.2 氧槍能效等級

根據(jù)轉(zhuǎn)爐氧槍能效定值及能效等級（YB/T 4816-2020），轉(zhuǎn)爐氧槍能效按式（1）計算：

式中：Q為轉(zhuǎn)爐氧槍能效值，m3/（t×min）；I為供氧強度，m3/（t×min）；t為供氧時間，min；T為冶煉周期，min。

統(tǒng)計2020及2021年，供氧時間802 s即13.36 min，冶煉周期33.09 min，供氧強度3.63 m3/（t×min），出鋼量平均110 t，按式（1）計算，轉(zhuǎn)爐氧槍能效值為1.438 m3/（t×min），屬于B類等級3，滿足節(jié)能限定值（＞1.31），未達到B類節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)（＞1.45）。

1.3 氧槍更換原因分析

氧槍更換主要是氧槍銅頭粘鋼、槍身粘鋼、銅頭漏水、銅頭達到設(shè)計壽命、銅頭冶金效果差等原因。經(jīng)統(tǒng)計，2021年累計銅頭漏水占比約98.5%，剩余為槍身漏水、焊縫漏水、到達使用壽命等次要因素，因此分析銅頭漏水為氧槍更換主因。

1.3.1 冷卻效果不佳

經(jīng)查閱文獻和氧槍的設(shè)計圖紙，圖紙標(biāo)示的氧槍設(shè)計水量為200 m3/h，壓力1.2 ～ 1.4 MPa ?，F(xiàn)行氧槍水流量150 m3/h，流量偏低。當(dāng)冶煉到達中后期，供氧流量大于25 000 m3/h，氧槍進出水溫差大于20 ℃。氧槍水溫差大，冷卻水受熱量大于設(shè)計冷卻熱量，容易導(dǎo)致氧槍銅頭受到局部冷卻不均。

1.3.2 冶煉工藝影響

1）留渣量過大，濺渣未濺干，鐵水帶渣量大或者廢鋼比高，輕薄料占比多，造成前期點火異常，銅頭漏水占比58.3%。

2）吹煉過程失控，過程及動態(tài)冷料過多，壓槍太快造成銅頭漏水占比16.7%。

3）鐵水硅高溫高熱量富裕，冷卻劑用量量大，過程槍位走低，反應(yīng)劇烈造成鋼液面波動，銅頭漏水占比16.7%。

4）補爐后爐型變化大，液面上升未及時調(diào)整液面，碳氧反應(yīng)激烈噴濺，造成銅頭接觸鋼液燒漏水占比8.3%。

5）為了化渣進行軟吹，氧氣壓力、流量運行偏離銅頭設(shè)計參數(shù)，氧氣流股壓力不足導(dǎo)致中心孔出現(xiàn)負壓。

6）氧槍銅頭參數(shù)設(shè)計不合理，未考慮除塵系統(tǒng)能力，氧氣流量設(shè)計過大，除塵系統(tǒng)設(shè)計能力不匹配，無法及時收集反應(yīng)產(chǎn)生的煙氣，冶煉中期出現(xiàn)爐口冒煙冒火。

2 優(yōu)化措施

2.1 提高冷卻能力

通過氧槍進行水流量試驗以查找出氧槍水流量偏低的原因。表2為試驗的數(shù)據(jù)。

氧槍進水管道為DN200，連接氧槍進水金屬軟管為DN125；氧槍出水管道為DN250，連接氧槍出水金屬軟管為DN125，氧槍水管道上最小的橫截面積12 265.625 mm2。氧槍槍身外管φ245×10、中管φ203×7、內(nèi)管φ159×6，可計算得氧槍槍身進水橫截面積7 391.56 mm2，氧槍槍身出水橫截面積8 195.4 mm2。

氧槍槍身最小橫截面積為7 391.56 mm2，氧槍水金屬軟管橫截面積為12 265.625 mm2，氧槍槍身最小橫截面積只有其0.6倍。

以序號1和3條數(shù)據(jù)對比分析，氧槍系統(tǒng)水路的前端條件相同，不同的地方在于水路末端的橫截面積不同。在將氧槍進出水管直接連通后，水路的橫截面積由7 391.56 mm2（槍身最小橫截面積，暫不考慮氧槍噴頭影響）變?yōu)?2 265.63 mm2，氧槍水流量由原來的158 m3/h提高到了278 m3/h，由此說明泵組和管道可以使氧槍水流量達到200 m3/h以上的要求，但將氧槍進出水管直接連通后壓力較低只有0.91 MPa。

根據(jù)水流量公式Q=S×V=橫截面積×流速，氧槍水流量與氧槍水路的橫截面積和水流速有關(guān)。在橫截面積相同情況下，水流速與壓力成正比關(guān)系，壓力越大水流速越大，水流量也越大。而合理的流速才是影響氧槍噴頭冷卻效果的關(guān)鍵因素。因此想要氧槍噴頭達到更好的冷卻效果，也要考慮氧槍水系統(tǒng)的壓力。

從氧槍水泵房到塔樓五樓，管道長度在300 m以上，試驗氧槍水泵組的出口壓力從1.36 MPa分階段提高到1.56 MPa，結(jié)果見表3，出口水流量從214 m3/h提高到256 m3/h，而在現(xiàn)場氧槍水進口壓力從1.07 MPa提高到1.25 MPa，水流量從158 m3/h提高到214 m3/h，提高水泵壓力可以提高水冷系統(tǒng)能力。

2.2 優(yōu)化氧槍銅頭參數(shù)

2.2.1 采用鍛造銅頭

鍛造工藝是一種利用鍛壓機械對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機械性能、形狀和尺寸鍛件的加工方法，鍛壓（鍛造與沖壓）的兩大組成部分之一。通過鍛造能消除金屬在冶煉過程中產(chǎn)生的鑄態(tài)疏松等缺陷，優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)，同時由于保存了完整的金屬流線，鑄造是指將固態(tài)金屬熔化為液態(tài)倒入特定形狀的鑄型，待其凝固成形的加工方式，鍛件的機械性能一般優(yōu)于同樣材料的鑄件。研究人員通過對鑄造、鍛造在室溫、高溫環(huán)境下對比試驗發(fā)現(xiàn)，鍛造銅的性能要優(yōu)于鑄造銅。因此，氧槍銅頭材質(zhì)可以選擇鑄造銅頭，以適應(yīng)轉(zhuǎn)爐煉鋼復(fù)雜的條件。

2.2.2 氧槍槍身和銅頭改造

目前柳鋼120 t轉(zhuǎn)爐現(xiàn)用氧槍為φ245 mm 氧槍，且該氧槍中心氧管管徑為 159 mm。經(jīng)與同類鋼企對標(biāo)，例如八鋼120 t轉(zhuǎn)爐使用的是φ273 mm五孔氧槍，供氧壓力達到0.85 MPa以上，供氧流量28 000 m3/h。另經(jīng)現(xiàn)場試驗提高供氧強度，在氧槍槍身未做改型的情況下，試驗大流量吹煉，存在氧氣流量和壓力達不到工作壓力，氧氣流股達不到噴射的角度和沖擊深度，氧槍噴頭端部吃損嚴(yán)重的情況。而氧氣壓力不足，槍位降低后，鋼液容易在噴濺等激烈反應(yīng)中被燒漏水。

此外，目前維修鉗工更換氧時間約為100 ～ 120 min，氧槍快換改造后可實現(xiàn) 30 min完成換槍操作，降低職工換槍勞動強度，同時有效減少換槍期間操作存在生產(chǎn)、設(shè)備安全隱患。

因此利用氧槍快換改造，將245 mm四孔氧槍改型到273 mm五孔氧槍具備可行性和必要性。優(yōu)化前后參數(shù)對比見表4，圖1為新五孔氧槍設(shè)計圖，優(yōu)化設(shè)計時放大了噴頭喉口直徑、提高供氧流量、適當(dāng)提高馬赫數(shù)，以適應(yīng)縮短吹氧時間的要求。

為適應(yīng)除塵系統(tǒng)，提高供氧壓力0.5 MPa，運行槍位相對升高，減少鋼渣反彈以及大廢鋼冶煉時候比槍頭觸碰到廢鋼，并且高壓攪拌鋼液更均勻，煙氣產(chǎn)生速率波動小，可減少吹煉中期冒火冒煙現(xiàn)象。

2.3 吹煉工藝優(yōu)化

2.3.1 開吹點火

1）提前開氧和氧氮混合開吹提升開吹點火成功率，開氧點槍位從3 500 mm提升到4 000 mm，同時在開吹氧流量爬坡的60 s時間內(nèi)，程序控制氮氣閥門打開，氧槍同時吹入氮氣，使總流量大于35 000 m3/h，壓力達到1.0 MPa以上，提高沖擊力同時減緩碳氧反應(yīng)，減少泄爆發(fā)生。

2）下槍點火出現(xiàn)異常，爐口無火焰或者火焰發(fā)黑，超過30 s沒有明顯著火跡象，則果斷提槍，刷氮后二次下槍，嚴(yán)禁直接用氧點火；

2.3.2 過程控制

1）吹煉過程槍位嚴(yán)禁一次壓槍幅度＞100 mm，過程氧槍槍位調(diào)節(jié)不得使用設(shè)定槍位一鍵到位。

2）吹煉一級電腦槍位設(shè)定范圍為前面5爐液面均值±150 mm。

3）補爐后，需人工測量液面并根據(jù)新測液面進行設(shè)定。

4）根據(jù)不同鐵水廢鋼比，制定不同的吹煉模型，主要有低硅-高硅鐵水，高-低不同鐵水比等基本吹煉模型。

2.3.3 終點壓槍

1）槍位嚴(yán)禁單次壓槍幅度＞100 mm，壓槍間隔時間大于5 s。

2）壓槍拉碳壓力設(shè)定正常1.0 MPa，不低于0.85 MPa。

2.3.4 數(shù)據(jù)跟蹤

1）出現(xiàn)點火異常爐次，吹煉過程發(fā)生大的噴濺爐次，吹煉過程關(guān)注好水流量差變化，終點提槍后必須將氧槍提出密封口，觀察是否燒槍。

2）吹煉后期爐渣異常，出現(xiàn)明顯化渣果透，終點提槍后必須將氧槍提出密封口，觀察是否燒槍。

3）每次氧槍燒槍后記錄好熔煉號，方便反查水流量變化以及水溫變化。

3 實施效果

通過以上措施，2021年下半年開始氧槍快換改造，2022-2023年取得了較好的效果，噴濺率下降2.56%（見圖2），渣樣Tfe下降1.24%（見表4），供氧時長縮短77 s，轉(zhuǎn)爐吹煉工序經(jīng)濟指標(biāo)對比情況見表4。

噴濺率下降2.56%，鋼水損失率下降，噴濺造成的鋼水翻滾、爐口溢出鋼渣大幅減少，氧槍燒漏風(fēng)險隨之下降。

按式（1）計算氧槍能效等級，數(shù)據(jù)見表7，能效等級1.451 m3/（t×min），達到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)值（＞1.45），屬于節(jié)能型氧槍。

可見，快換氧槍槍體加大后，供水供氧能力提升，供氧時長、氧耗、鋼耗、銅頭壽命、能效等級均有所改善。120 t轉(zhuǎn)爐2022-2023年月產(chǎn)量約2 650爐，銅頭消耗從平均30個/月降低到7個/月，平均每月減少銅頭消耗23個，降低生產(chǎn)過程氧槍漏水的風(fēng)險同時減少了更換氧槍銅頭的勞動強度，節(jié)約人力、設(shè)備成本。

4 結(jié) 語

通過采用鍛造銅頭，氧槍快換改造，優(yōu)化噴頭參數(shù)，結(jié)合原材料匹配不同的吹煉模型，規(guī)范開吹工藝操作等管理和技術(shù)措施，氧槍銅頭壽命提高了390爐，平均壽命到底479爐，同時經(jīng)濟指標(biāo)有所改善，氧耗降低了2.09 m3/t），脫磷率、石灰消耗、熔劑耗略微下降，冶煉時間縮短約70 s，終渣TFe下降1.2%，在氧槍銅頭壽命提升的同時，鋼耗、渣耗和能源介質(zhì)消耗、能效等級等方面也達到了預(yù)期效果。

參考文獻

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[2] 朱苗勇．現(xiàn)代冶金學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

第一作者：何漢，男，37歲，工程師

收稿日期：2024-06-21