溅渣护炉技术

溅渣护炉技术1．溅渣护炉技术的发展和特点1.1发展概况1.2技术特点2．溅渣护炉工艺和实践2.1基本原理和操作方法2.2基本工艺参数2.3溅渣护炉和冶炼工艺的相互影响3．溅渣护炉技术的基础研究3.1炉渣成分和结构的变化3.2溅渣层与炉衬的结合机理3.3溅渣层的抗侵蚀性4．溅渣护炉带来的问题5.溅渣护炉的经济效益发展概况炉龄是转炉炼钢一项综合性技术经济指标。提高炉龄不仅可以降低耐火材料消耗、提高作业率、降低生产成本，而且有利于均衡组织生产，促进生产的良性循环。转炉炉衬工作在高温、高氧化性条件下，通常以0.2—0.8mm／炉的速度被侵蚀。为保证转炉正常生产和提高炉衬寿命，如采用焦油白云石砖、轻烧油浸白云石砖，贴补、喷补、摇炉挂渣等措施，使炉龄提高到1000炉以上。发展概况进入80年代，转炉普遍采用镁碳砖，综合砌炉，使用活性石灰造渣，改进操作，采用挂渣、喷补相结合的护炉方法，使转炉炉龄又有明显提高。溅渣护炉是近年来开发的一项提高炉龄的新技术。该技术最先是在美国共和钢公司的大湖分厂(GreatLakes)，由普莱克斯(Praxair)气体有限公司开发的。1991年，美国LTV公司的印地安那哈的厂用溅渣作为全面护炉的一部分。1994年9月该厂232t顶吹转炉的炉衬寿命达到15658炉，喷补料消耗降到0.38kg／t钢，喷补料成本节省66％，转炉作业率由1984年的78％提高到1994年的97％。发展概况美国内陆钢公司炉龄已超过20000炉。加拿大、英国、日本等也已相继投入试验和应用。我国从1994年开始转炉溅渣护炉试验，采用和发展的速度很快。鞍钢、首钢、宝钢、武钢、太钢等一些转炉厂采用溅渣护炉技术，炉龄大幅度提高，取得了明效果。其中，宝钢、首钢炉龄已逾万炉。技术特点1)操作简便根据炉渣粘稠程度调整成分后，利用氧枪和自动控制系统，改供氧气为供氮气，即可降枪进行溅渣操作；2)成本低充分利用了转炉高碱度终渣和制氧厂副产品氮气，加少量调渣剂(如菱镁球、轻烧白云石等)就可实现溅渣，还可以降低吨钢石灰消耗；3)时间短一般只需3—4min即可完成溅渣护炉操作，不影响正常生产；4)溅渣均匀覆盖在整个炉膛内壁上，基本上不改变炉膛形状；技术特点5)工人劳动强度低，无环境污染；6)炉膛温度较稳定，炉衬砖无急冷急热的变化；7)由于炉龄提高，节省修砌炉时间，对提高钢产量和平衡、协调生产组织有利；8)由于转炉作业率和单炉产量提高，为转炉实现“二吹二”或“一吹一”生产模式创造了条件。基本原理和操作方法溅渣补炉的基本原理是在转炉出钢后，调整终渣成分，并通过喷枪向渣中吹氮气，使炉渣溅起并附着在炉衬上，形成对炉衬的保护层，减轻炼钢过程对炉衬的机械冲刷和化学侵蚀，从而达到保护炉衬、提高炉龄的目的。如：太钢目前的三段溅渣法(前期不溅，中期间隔溅，后期炉炉溅)，溅渣时炉衬最大平均侵蚀速度为0.095mm／炉，相当于不溅渣时侵蚀速度的1／3。溅渣（a）与未溅渣（b）时残留炉衬对比图4409炉1196炉基本原理和操作方法溅渣护炉操作步骤如下：1)将钢出尽后留下全部或部分炉渣；2)观察炉渣稀稠、温度高低，决定是否加入调渣剂，井观察炉衬侵蚀情况；3)摇动炉子使炉渣涂挂到前后侧大面上；4)下枪到预定高度，开始吹氮、溅渣，使炉衬全面挂上渣后，将枪停留在某一位置上，对特殊需要溅渣的地方进行溅渣；5)溅渣到所需时间后，停止吹氮，移开喷枪；基本原理和操作方法6)检查炉衬溅渣情况，是否尚需局部喷补，如已达到要求，即可将渣出到渣罐中，溅渣操作结束。如何有效地利用高速氮气射流将炉渣均匀地喷溅在炉衬表面，是溅渣护炉的技术关键，其效果取决于：熔池内留渣量和渣层厚度；熔渣的物化性质，包括成分、熔点、过热度、表面张力和粘度；溅渣气体的动力学参数，包括喷吹压力和流量，枪位及喷枪孔数和夹角等。基本工艺参数1)熔池内的合适渣量按照溅渣实践，对于出钢量在65—70t的太钢转炉，附着在炉衬上的炉渣重量为2t左右。根据冷态试验结果，各种顶吹气体流量条件下，均以11％渣量溅渣效果最好。图2为溅渣量与顶枪枪位、气体流量及渣量之间的关系。目前，鞍钢三炼钢厂渣量控制在80--110kg／t钢，溅渣效果良好。国内几家钢厂溅渣实践和效果表明，渣量在100kg／t较为合适。溅渣量与顶枪枪位、气体流量及渣量之间的关系(顶枪夹角14.5°)a—渣量8%；b—渣量11%；c—顶吹气体流量26.8m3/h顶吹气体流量：1-19.2m3/h；2-23.0m3/h；3-26.8m3/h基本工艺参数2)炉渣性质(1)渣成分减少炉衬侵蚀的重要措施是提高渣中MgO含量。当渣中MgO达到饱和时，炉衬中MgO溶解量就会减少，炉衬寿命提高。渣中MgO含量与炉渣碱度有关，在终渣碱度(GaO／SiO2)为3左右、MgO含量8％左右就可以保证MgO达到饱和。渣中FeO的矿物组成大多为各类低熔点铁酸盐，而且FeO含量越高，铁酸盐就越多，渣流动性就越好，对炉衬侵蚀作用加大且不容易附着在炉衬上。操作中必须严格控制渣中FeO含量。基本工艺参数(2)炉渣粘度若炉渣粘度大，则渣稠不易溅起，溅渣量迅速下降，稠渣则在炉衬上的附着力差；粘度小，渣稀，溅渣覆盖较易，但覆盖层较薄，摇炉有挂渣流落现象，需加渣料调整以保证炉渣粘度适当。(3)调渣剂溅渣层抗侵蚀能力是影响护炉效果的重要因素。提高渣的熔化温度，有利于提高护炉效果。为此，需加入调渣剂，使炉渣改质，以满足提高熔化温度的需要。化学成分对熔化性温度有重要影响。基本工艺参数在一定碱度下，提高渣中TFe含量将使炉渣熔化温度明显下降。在正常条件下，渣中TFe控制在15％一20%时，炉渣熔化性温度波动在1720—1780℃；据研究，在TFe为20％和碱度为2.1—3.8时，控制渣中MgO含量在8％一10％范围，将使炉渣熔化性温度降低至最低点(1700—1725℃)，不利用溅渣护炉。在TFe=20％、碱度为3.0—3.8时，渣中最佳MgO含量应不小于12％，这时，熔化性温度可达到1800—1870℃。此外，调渣剂在渣中能产生弥散固相质点，从而提高了渣与炉衬的结合能力。基本工艺参数3)氮气压力和流量高压氮气是溅渣的动力，其压力、流量直接影响溅渣效果。按照各厂溅渣经验，氮气压力一般与氧气压力接近时，可取得较好效果。4)顶吹喷枪工艺参数(1)枪位枪位对溅渣高度有明显影响，最佳枪位应根据自身条件在实践中确定。如图，不同顶气流量下，最大溅渣量与一定枪位对应，枪位过高或过低都使溅渣量减少。对50t转炉的冷态模拟研究也表明，最大溅渣量与最佳枪位相对应，溅渣枪位应控制在1600—1800mm，若要增加转炉上部挂渣厚度，可适当降低枪位。基本工艺参数模拟研究认为，不同高度条件下溅渣量的分布基本相似，随着溅渣高度的升高，溅渣量逐渐减少；当炉渣平均喷吹高度hs与熔池直径D之比hs／D≤1.0时，溅渣量占总渣量的30％一60%，随着高度的增加，溅渣量迅速降低。当hs/D≥1.0以后，随高度增加溅渣量减少的速率下降，溅渣量占总渣量的0％--20％。当hs／D≤1.0时，溅渣以渣液面波动为主，溅渣量大，并随溅渣高度增加而迅速下降；当hs/D≥1.0时，溅渣主要通过反射的高速氮气射流夹带的渣液为主，溅渣量低，但随高度增加溅渣量衰减比较缓慢。基本工艺参数(2)喷枪夹角12°喷孔夹角喷枪溅渣效果优于14.5°夹角喷枪，这一结果也与国外推荐值吻合。5)复吹转炉底气对溅渣的影响对鞍钢转炉的实验室冷态模拟研究表明，在顶枪枪位提高到一定距离后，复吹转炉溅渣量比顶吹转炉多，而且溅渣量更集中于耳轴部位，这说明复吹转炉对炉渣涌起有推动作用，对炉渣溅起有利，如图所示。溅渣护炉存在的问题之一是炉底上涨、底吹喷孔堵塞，这一问题在国内外均未得到很好解决。底气对转炉溅渣量影响顶枪夹角14.5°，顶吹气体流量23.0m3/h，渣量11%底吹气体流量：1-0m3/h；2-0.825m3/h;3-1.65m3/h;基本工艺参数6)溅渣时间溅渣时间通常是根据炉子吨位、供气量、炉内渣量、炉渣状况及生产节奏等因素综合考虑，目前我国各钢厂一般吹氮时间为3—5min。吹氮还有冷却炉渣的作用。一般在吹氮的前2min时间内主要是冷却炉渣，因为在这段时间内炉渣还比较稀，即使溅到炉壁上也附挂不好。当吹氮到2min以上时，炉渣才开始大量溅起，可喷溅到炉帽处，倒炉观察时炉衬挂渣情况良好。溅渣时间越长，炉衬挂渣越多，但时间过长会造成炉底、熔池炉壁沾挂渣过多，造成炉底上涨，同时，溅渣时间过长会影响生产节奏。因此，溅渣时间要根据自身具体条件加以确定。溅渣护炉和冶炼工艺的相互影响1)溅渣护炉对冶炼工艺的影响(1)对冶炼操作的影响实践得知，由于溅渣炉底会有上涨现象，因此枪位控制要比未溅渣炉役相应提高，以避免造成喷溅、炉渣返干和增加氧气消耗量。(2)对钢中氮含量和质量的影响吹氮溅渣后，主要是防止阀门漏气造成吹炼终点氮含量高。通过对未装溅渣护炉设备和装溅渣护炉设备炉次的终点钢样分析，[N]分别为21.0×10-6和21.5×10-6，两者氮含量水平相当。溅渣护炉和冶炼工艺的相互影响2)冶炼对溅渣的影响(1)冶炼终点温度对溅渣覆盖层的影响温度高对溅渣不利。据统计，采用溅渣护炉技术后出钢温度每降低1℃转炉炉龄可提高120炉。≤1650℃1650-1680℃1680-1700℃＞1700℃溅渣层均匀覆盖炉帽部位无溅渣层，其余位置有溅渣层炉帽、耳轴无溅渣层，出钢面溅渣层仍在侵蚀严重，耳轴以上无溅渣层终点温度对覆盖层的影响溅渣护炉和冶炼工艺的相互影响(2)炉渣氧化性的影响终渣FeO控制在低限，对保护炉衬有利。见下表：（FeO）对溅渣覆盖层的影响（FeO）（FeO）（FeO）≤10%12-15%15-18%基本不侵蚀侵蚀炉帽部分≤1650℃≥1650℃炉帽无溅渣层，耳轴，炉帽以上耳轴薄均无溅渣层溅渣护炉和冶炼工艺的相互影响(3)炉渣粘度渣稀侵蚀严重，渣偏稠不侵蚀而且容易挂上炉壁。(4)炉渣成分为提高溅渣护炉效果，应在适当的范围内，尽量提高Mgo含量及终渣碱度。炉渣成分和结构的变化1)转炉终渣普通铁水转炉终渣(如太钢渣)，碱度为3.3-3.7，渣中全铁为13％～18％。MgO为3％-13％。渣中的硅酸盐相以发达的板条状C3S为主，C2S含量极少。结合相为铁酸二钙(C2F)和RO相，约占总量的15％，结晶的MgO包裹在C3S晶体中或游离在结合相中。对于承钢半钢炼钢终渣，铁酸盐为40％-50％，C2S相只占20％-25％，还有少量未熔MgO颗粒。炉渣成分和结构的变化2)调质渣为了有利溅渣，转炉出钢后往往加调渣剂(例如石灰或镁质材料)，以调整成分和温度。改质后的炉渣往往出现弥散未熔的石灰或MgO颗粒，同时C2S含量增加并发育为良好的板条状。3)溅后渣由于冷却溅后渣岩相结构发生明显变化，C3F被破碎成细小颗粒，均匀弥散在铁酸钙结合相中，使炉渣密度增大。溅渣层与炉衬的结合机理溅渣层与镁碳砖的结合部分为三个区域：烧结层、结合层和溅渣层。其结合机理为：1）在溅渣初期，低熔点流动性好的富铁炉渣沿衬砖表面显微气孔和裂纹向MgO机体内扩散，形成以（MgO·CaO）Fe2O3为主的烧结层；2）随溅渣进行，颗粒状的高熔点氧化物（C3S，C2S和MgO）被溅射到衬砖表面，形成以镶嵌为主的机械结合，同时富铁的低熔点炉渣包裹在砖表面突出的MgO颗粒周围形成的化学结合层；3）随溅渣的进一步进行，大颗粒C3S，C2S和MgO晶团被溅射到结合层表面，并与铁酸钙、RO相结合，冷却固熔形成衬砖表面溅渣层。溅渣层与炉衬的结合机理要使镁碳质耐火材料工作面能有效地形成炉渣涂层，必须使渣与镁砂间有轻微的化学反应，能形成大量对温度十分敏感的RO相，当温度降低时，迅速以固相析出。这样既增加渣粘度，又能成为C2S，G3S进一步析出的形核中心，使渣中高熔点相增加，炉渣迅速变粘，形成炉渣涂层。具体方法为：①在MgO含量饱和(6％-8％)的碱性渣条件下，使MnO控制在6％-7％，以利于MgO为主的RO相形成。溅渣层与炉衬的结合机理②控制渣中的FeOn在15％或稍低的含量。③在含