引言
轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐技術(shù)源自于美國共和鋼公司，我國從1994年開始引進(jìn)并進(jìn)行試驗，通過該技術(shù)，大幅提高了轉(zhuǎn)爐爐齡、耐材消耗、轉(zhuǎn)爐作業(yè)率等技術(shù)指標(biāo)，為我國鋼鐵冶金事業(yè)的發(fā)展壯大做出了突出貢獻(xiàn)。經(jīng)過廣大冶金科技工作者不斷的研究和實踐，形成了一系列比較完備的留渣、調(diào)渣和濺渣工藝制度，甚至部分新建轉(zhuǎn)爐為了更好的發(fā)揮濺渣護(hù)爐的效果，專門配備了濺渣氧槍，進(jìn)一步為濺渣操作提供了可靠的設(shè)備保障。
濺渣護(hù)爐技術(shù)的核心是確保熔渣“濺的起、粘的住、耐侵蝕”，以此為依據(jù)針對不同公稱容量的轉(zhuǎn)爐制定了科學(xué)的留渣量、濺渣時間、濺渣槍位等工藝參數(shù)，但是結(jié)果卻不盡人意，表現(xiàn)為爐體溫度異常波動、爐襯各部位侵蝕不均衡，嚴(yán)重的影響到脫磷效果不能一倒出鋼。出現(xiàn)此情況的主要問題點是爐渣成分的變化使得爐渣物理特性發(fā)生變化，尤其是在采用“少渣、低鐵耗冶煉操作”時，終渣FeO、CaO和MgO成分的不合理，導(dǎo)致熔渣熔點低、過稀從而造成濺渣效果出現(xiàn)較大波動，同時由于爐內(nèi)沒有濺渣層，在低R爐渣操作條件下又對脫磷效率帶來極大的影響，又被迫采取增大石灰量、高槍位化渣脫磷的補(bǔ)救措施，周而復(fù)始的惡性循環(huán)導(dǎo)致爐況惡化。據(jù)此有的煉鋼廠提出了調(diào)渣工藝并開發(fā)出改善爐渣成分的改質(zhì)劑，實踐證明加入的調(diào)渣劑若要改變終渣的性質(zhì)，使之滿足濺渣護(hù)爐的要求，需要一定的時間和溫度，而在“快節(jié)奏煉鋼”和“高壓氮氣對爐渣降溫”兩個條件限制下，很難達(dá)到終渣改質(zhì)的要求。針對上述情況，無錫新三洲特鋼煉鋼廠借鑒氣-固噴射技術(shù)，將“塊狀”改質(zhì)劑變?yōu)椤胺蹱睢?，在出鋼過程中直接噴入到爐渣中，在不影響生產(chǎn)節(jié)奏的情況下將異常熔渣進(jìn)行改質(zhì)，改善濺渣護(hù)爐效果，同時實現(xiàn)了在“少渣、快節(jié)奏冶煉”工藝條件下的轉(zhuǎn)爐脫磷效果，實現(xiàn)了消耗成本和爐況穩(wěn)定雙豐收。
1.噴吹粉劑的可行性分析
氣—固噴射技術(shù)，即利用氮氣（或氬氣、壓縮空氣）為載氣，通過氣-固噴吹系統(tǒng)，向冶金熔池內(nèi)噴入冶煉所需的特定粉劑進(jìn)行冶煉的一種冶金方法。氣-固噴射技術(shù)改變了傳統(tǒng)的以“塊料”和“批料”加入冶金物料的方法，氣-粉通常以高速射流的形式射入熔池內(nèi)部，不僅能夠高效供給冶金反應(yīng)物質(zhì)，也可以大幅度強(qiáng)化熔池攪拌，為冶煉反應(yīng)創(chuàng)造良好的熱力學(xué)、動力學(xué)條件。
電弧爐煉鋼的冶煉過程中，由于受到鋼渣界面積和擴(kuò)散傳質(zhì)速度的限制，反應(yīng)速度較慢，導(dǎo)致電弧爐煉鋼有一個很長的冶煉期。采用噴射冶金技術(shù)，把碳粉、造渣劑、脫氧劑、稀土粉劑等以粉末狀熔劑直接噴入鋼液，能夠加快界面?zhèn)髻|(zhì)速度，增加熔劑和鋼液的反應(yīng)面積，加速反應(yīng)，解決了電弧爐冶煉過程中的兩個限制環(huán)節(jié)，大大提高冶煉效率，縮短冶煉時間，因此得到了廣泛應(yīng)用。
用氮氣（或壓縮空氣、氬氣）作載體，向熔池內(nèi)噴吹粉料，粉料的比表面積可以達(dá)到500-2000cm2/g，當(dāng)粉料噴入鋼液后，因粉料與鋼液的接觸面積大大增加，有助于冶金反應(yīng)的快速發(fā)生。噴粉罐內(nèi)的粉料在靜壓力和松動器產(chǎn)生的局部流態(tài)化的作用下，隨著載流氣體，通過管道噴入溶池，氣體的溫度將從278K迅速提高到1873K，因而氣泡體積也將隨之在瞬間膨脹6倍，且隨著氣泡上浮鋼水靜壓力減小，氣泡將進(jìn)一步增大。因此粉料出噴口必須具有足夠的動量，否則無法通過氣泡突破鋼液和氣泡之間的界面張力，隨著氣泡的上升而帶到爐渣，影響冶金效果。同時，為了保證爐渣具備足夠的脫磷能力，需要提前確定爐渣的成分，按照一定的成分比例將熔劑噴入熔池內(nèi)，快速形成具備較高脫磷能力的爐渣，達(dá)到快速冶煉的目的。
2.噴吹粉劑對爐渣進(jìn)行改質(zhì)改善濺渣護(hù)爐效果
研究表明，塊狀石灰和鎂球（或含MgO改質(zhì)劑）熔化與已經(jīng)形成的熔渣成為一體，首要條件是溫度。隨著溫度的升高，其溶解速度顯著增大，M.Matsushima認(rèn)為石灰和鎂球溶解是一個擴(kuò)散控速的反應(yīng)。溫度越高擴(kuò)散系數(shù)越大，溶解速度增加。而且一定成分的熔渣當(dāng)升高溫度時能改善其流動性。這是因為升高溫度可提供更多液體流動所需要的粘流活化能而且能使某些復(fù)雜的復(fù)合陰離子解體，或使固體微粒熔化。其二熔渣中必須有較高的FeO。當(dāng)熔渣中FeO達(dá)到20%以上時可顯著降低熔渣的黏度，使得邊界厚度層δ減小，根據(jù)石灰溶解速率方程，δ減小傳質(zhì)系數(shù)K增大，石灰的溶解速度增大，促進(jìn)石灰的溶解。根據(jù)傳統(tǒng)理論，F(xiàn)eO可以滲透到2CaO·SiO2殼和CaO之間，形成一個富FeO層，削弱了石灰表面吸附2CaO·SiO2殼的條件，再通過爐渣運(yùn)動將2CaO·SiO2殼揭開，起到破殼的作用。
濺渣時高壓氮氣對熔渣的快速冷卻和熔渣中20%的FeO這2個條件，決定了固有的濺渣加入改質(zhì)劑工藝，不能確保在3min的濺渣時間內(nèi)對熔渣進(jìn)行有效的改質(zhì)達(dá)到滿足濺渣護(hù)爐成分的要求。爐后出鋼過程中噴吹粉劑技術(shù)，沒有氮氣對熔渣進(jìn)行降溫，也沒有形成2CaO·SiO2殼需要大量的FeO進(jìn)行溶解破壞的過程，突破了渣中SiO2、FeO等向石灰（或鎂球）界面擴(kuò)散，CaO（或MgO）向渣中擴(kuò)散，在渣—石灰（或鎂球）界面處SiO2、FeO與石灰中的CaO（或鎂球渣的MgO）發(fā)生反應(yīng)形成反應(yīng)層，反應(yīng)產(chǎn)物向渣中遷移從而促進(jìn)石灰（或鎂球）溶解的理論，因此噴入的粉劑在高溫熔渣的作用下迅速熔化并根據(jù)需求完成了對熔渣的改質(zhì)。我們根據(jù)濺渣護(hù)爐熔渣的成分和物理特性的要求，建立了轉(zhuǎn)爐渣料加入量、終點控制（溫度和成分）、終渣成分預(yù)判、噴吹粉劑成分配比、噴吹量的數(shù)學(xué)模型，按照目的要求對熔渣進(jìn)行改質(zhì)，并在工藝要求的時間內(nèi)完成“濺的起、粘的住、耐侵蝕”的濺渣任務(wù)，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐爐體溫度的穩(wěn)定和爐型尺寸的規(guī)則。新三洲煉鋼廠轉(zhuǎn)爐熔池大面溫度穩(wěn)定控制在300-340℃，小面溫度280-320℃，見下圖。
3.噴吹粉劑改善脫磷效率
脫磷反應(yīng)的總反應(yīng)方程式如式（1）所示：
（1）
從熱力學(xué)角度來看，磷在渣-鋼間的分配與3個因素密切相關(guān)，分別是爐渣的氧化性，爐渣堿度和鋼水溫度。Healy提出了磷分配比和鋼水溫度以及成分之間的關(guān)系，如式（2）所示：
（2）
（1）爐渣堿度對脫磷的影響
爐渣堿度對于脫磷的影響如圖5所示，隨著堿度的增加，磷分配比呈現(xiàn)非常明顯的增加趨勢，并且在低堿度時尤為明顯。爐渣中CaO的活度增加不僅有利于脫磷，同時Ca2+能與PO3- 4結(jié)合，使PO3- 4穩(wěn)定的存在于爐渣中防止回磷。然而爐渣堿度過高，也會帶來渣量大，易噴濺，鐵損高，石灰利用率低等問題。國內(nèi)普遍認(rèn)為在氧化期將爐渣堿度控制在2.2~2.5之間既能夠取得較好的脫磷效果，又避免了石灰的浪費(fèi)。
圖5 爐渣堿度與P容量的關(guān)系
（2）爐渣氧化性對脫磷的影響
高氧化性能夠提高脫磷效果，然而當(dāng)FeO含量高于某個臨界值時，再增加FeO含量，脫磷效率增加不明顯甚至反而會下降，這是由于渣中較高含量的FeO將稀釋渣中的CaO濃度，降低CaO的脫磷作用。通常將渣中氧化鐵含量控制在15%~20%就可以充分滿足脫磷的要求。
（3）熔池溫度對脫磷率的影響
脫磷反應(yīng)是一個放熱反應(yīng)，低溫有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行，對于電爐來說經(jīng)過熔化期后熔池溫度普遍能夠達(dá)到1500℃以上，在實際生產(chǎn)條件下要考慮到爐渣必須具備一定的流動性，溫度低于1550℃，鋼渣的流動性較差，不利于[P]向爐渣中的擴(kuò)散遷移。溫度超過1600℃，由于溫度較高，鋼種的碳氧化加速，阻礙了磷與氧的反應(yīng)，因此，通常將溫度控制在1550~1580℃之間，此時脫磷反應(yīng)能夠同時具備較好的動力學(xué)和熱力學(xué)條件，有利于脫磷。
圖7 熔池溫度與P容量的關(guān)系
基于以上脫磷的熱力學(xué)研究，通過噴吹粉劑將熔渣進(jìn)行改質(zhì)，使其充分滿足轉(zhuǎn)爐吹煉前期脫磷的成分要求，同時噴吹粉劑后改善熔渣黏度使之更加復(fù)合濺渣護(hù)爐的要求，保證了爐膛內(nèi)部均勻且一定厚度的濺渣層。實踐證明，應(yīng)用此技術(shù)后，在石灰消耗20Kg/t的情況下，轉(zhuǎn)爐冶煉HRB400E連鑄坯P成分穩(wěn)定控制在0.035%以下，脫磷率達(dá)到80%以上。
4.噴吹粉劑降低渣料消耗
研究表明，純氣體噴吹情況下，氣流速度在噴嘴出口處產(chǎn)生劇烈波動后進(jìn)入射流核心段，之后氣流速度迅速衰減。氣-固噴射情況下，氣流速度在噴嘴出口處產(chǎn)生陡降后緩慢降至與粉粒速度一致，然后進(jìn)入射流核心段，與純氣體噴吹相比，射流核心段氣體射流速度慢，核心段長度長，最后粉氣流速度緩慢衰減。氣-固噴射中氣體速度要比純氣體噴吹的衰減緩慢，主要是因為在粉氣流衰減過程中，部分動能從粉粒向氣體發(fā)生轉(zhuǎn)變，進(jìn)而減緩了氣流的衰減速度。噴吹速度是影響噴粉冶金工藝效果的重要因素之一。粉劑粒度對氣-固噴射的影響也比較大，隨著粉劑粒度的增加，粉粒的最大速度逐漸降低，主要是因為在氣流帶動作用下，氣體的動能轉(zhuǎn)化為粉粒的動能，單個粉劑顆粒的粒度增加，其質(zhì)量相應(yīng)增加，因此其最大速度降低。另外，隨著粉劑粒度的增加，粉劑的發(fā)散程度逐漸降低，其主要原因在于單個顆粒粒度大，其慣性勢能大，因此粉氣流的發(fā)散度降低。因此在氣-固噴射反應(yīng)過程中對于固體粉劑粒度的選擇是十分重要的。
根據(jù)此理論基礎(chǔ)開發(fā)的滿足氣—固噴射技術(shù)的粉劑，通過粉劑粒度、成分配比、載體壓力等工藝參數(shù)控制，與傳統(tǒng)的“塊狀”石灰、鎂球等造渣料相比，在相同的溫度條件下，粉劑由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的時間縮短，CaO、MgO等的利用率提高。對濺渣時使用石灰、鎂球進(jìn)行調(diào)渣和爐后出鋼過程中使用噴吹粉劑改質(zhì)兩種工藝處理后的熔渣進(jìn)行分析，噴吹粉劑后熔渣中未發(fā)現(xiàn)游離態(tài)的CaO和MgO顆粒，而使用石灰或鎂球調(diào)渣后的熔渣中存在大量的白色顆粒物，掃描電鏡放大500倍后的顆粒形貌見下圖。
最外層的成分與初渣成分一致為渣化層；中間層主要是渣中FeO、SiO2、CaO、MgO的反應(yīng)生成物Ca2SiO4、Mg2SiO4、CaO·2FeO等為反應(yīng)層；最里面是渣中MnO、FeO向內(nèi)部延孔隙和裂紋擴(kuò)散使石灰或鎂球變質(zhì)的變質(zhì)層。實踐證明，使用噴吹粉劑技術(shù)后，在同等的溫度條件下有效提高了石灰和鎂球的利用率，尤其是在全留渣操作模式下能夠使用最少的渣料、在最短的時間內(nèi)形成合適R和MgO的低溫前期渣進(jìn)行脫磷和護(hù)爐。與傳統(tǒng)的造渣工藝相比，新三洲煉鋼廠實現(xiàn)了石灰16-18Kg/t、鎂球5-7Kg/t的渣料消耗，同時穩(wěn)定控制爐渣R：2.2-2.5、MgO：8-10%、FeO：15-20%。
5.綜述
無錫新三洲特鋼煉鋼廠充分利用北京科技大學(xué)包燕平教授科研團(tuán)隊的技術(shù)平臺，發(fā)揮自身的主動創(chuàng)新能動性，開發(fā)的轉(zhuǎn)爐復(fù)合噴吹技術(shù)，在確保爐況穩(wěn)定、爐襯壽命的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低渣料和鋼鐵料消耗、提高廢鋼比、縮短冶煉周期等方面，為建筑鋼筋生產(chǎn)企業(yè)低成本生產(chǎn)戰(zhàn)略提供了全方位的技術(shù)改進(jìn)方案。實踐證明，實施此項技術(shù)后，爐體溫度穩(wěn)定控制在340℃以內(nèi)，2021年10月7日和11月15日進(jìn)行爐役檢修的2座轉(zhuǎn)爐爐齡分別達(dá)到了19562爐和19451爐，爐役期間鐵耗分別達(dá)到743Kg/t和745Kg/t，渣中FeO：15-20%，總渣料消耗25Kg/t以內(nèi)，2021年轉(zhuǎn)爐鋼鐵料消耗1051Kg/t。
參考文獻(xiàn)：
1.《轉(zhuǎn)爐石灰溶解機(jī)理研究與分析》冶金信息導(dǎo)刊，2012
2.《煉鋼過程氣-固混合噴射動力學(xué)特性研究》[J].煉鋼,2021
