新钢：转炉氧枪的技术改造
2010-08-11 08:56 来源： 我的钢铁
摘 要： 就当前氧气顶吹转炉炼钢氧枪采用一级喷枪存在的问题，如：在吹炼的前期和后期，熔池搅拌弱、炉温不均，成份不均、粘枪和烧枪等。研究开发出了二级喷枪吹炼技术。通过对二级喷枪模拟试验，结果得出二级喷枪可使熔池搅拌改善，延长喷枪的使用寿命。
关键词：顶吹氧气转炉炼钢；氧枪；技术改造
氧气顶吹转炉炼钢，在世界上各种炼钢方法中处于重要地位。这是因为其具有优质、高产、低耗、低成本、便于自动控制，而且在炼钢生产中各项技术经济指标显著优于平炉和空气转炉等优点；但此法同样也存在着许多缺点，如：在吹炼的前期和后期，熔池搅拌弱、炉温不均，成份不均、粘枪和烧枪等。它的炼钢特点，是用氧枪强制供氧气将铁水中的C、Si、Mn、P、S等元素快速氧化到吹炼终点要求的氧化反应，然后在吹氧结束后，进行时间很短的脱氧和合金化的还原反应。在整个的氧气顶吹转炉炼钢过程中，氧枪的气体射流对炼钢的物理化学反应、炼钢温度、炉衬寿命、炼钢的造渣等有着重大的影响和相互的作用。当前，炼钢的发展趋势是顶底复合吹炼，这种方法是采用顶吹供氧，完成整个冶炼的供氧任务；底吹供气，以强化熔池搅拌，提高冶金反应速度。但这种炼钢工艺的设备庞大，维护困难。由此可见，进行转炉氧枪技术改造课题的研究，具有迫切需要和实用意义。
1 现有氧气顶吹转炉氧枪的工作特点
江西新余钢铁公司第三炼钢厂顶吹转炉的氧枪，采用的是水冷式氧枪，它是由循环水冷却的喷嘴、枪身和枪尾组成。枪身是采用三根同心无缝钢管焊接而成的；喷嘴采用的是紫铜经锻造后加工切削制成的三孔拉瓦型喷嘴，这种类型的喷嘴由收缩段、临界段、和扩张段三段组成；枪尾采用的是焊接枪尾结构。该氧枪对转炉炼钢的作用是：当上一炉钢出完后，在炉内加入废钢和铁水，造渣材料是在吹炼过程中从烟罩口中加入，然后将炉体的炉口转向垂直位置操作氧枪降下，降到距离金属液面1200mm进行“软吹”，此时氧枪冲击面积大，冲击深度浅，泡沫渣还末形成，氧气射流是直接冲击金属液面，被射流“撕碎”的金属液滴少，熔池的搅拌弱，由氧枪喷嘴喷出的氧气射流氧化了铁水中的铁，生成氧化铁，这样有助于化渣；同样，氧气射流又与铁水中的Si、P、Mn起反应生成了SiO2、Mn02和P2O5；这些氧化物进入渣中后相互作用生成了许多矿物质；随着炉渣中的石灰溶解，由于CaO与SiO2的亲合力比其他氧化物大，形成了硅酸钙。在控制(FeO)在一定范围内后，就可保证石灰(CaO)不断溶解，形成一定碱度、一定数量的泡沫化炉渣。待铁水中的Si被氧化到规定的范围内后，由于Si与O2反应生成SiO2并放出大量的热量，则使得炉温升高，这时就进入了吹炼中期，炉温达到了脱碳所需的炉温(即1480℃)。此时，为了加大供氧，则操作氧枪把氧枪进一步下降到距离金属液面900mm的位置上进行“硬吹”。“硬吹”时冲击深度大，冲击面积小，氧枪供给的氧几乎都消耗在脱碳反应上，C与O2反应生成CO并放出大量的热量；生成的CO上升，又进一步地搅动了熔池搅拌剧烈，易喷溅和粘枪、烧枪。但C、O2和温度分布是不均匀的，在O2气流股冲击区金属的含氧量较高，反应剧烈，炉温高，而C含量较低；而其他部位则与之相反。当C氧化到规定的范围后，吹炼进入了后期，则应操作氧枪把它提升，根据钢液成份和炉温的情况，安排是否进行吹氧，此时熔池搅拌弱。因此，氧枪对转炉炼钢有着至关重要的作用。它与去除铁水中的杂质、炉温、熔池的搅拌、炉龄、喷溅和粘枪、烧枪之间有着密切的关系，所以，合理的氧枪结构和形式可以提高转炉炼钢的效益，为企业带来更大的收益。
2 二级喷射氧枪设计改进的特点及工作原理
通过对现有氧气顶吹转炉的氧枪工作特点的分析，我们可知，这种氧枪具有制造加工简单、操作灵活、安全、更换方便的优点，但它在吹炼时，氧气射流的冲击面积还不够理想，因为在冲击面积的附近，熔池金属液体中的氧含量高、炉温高、传质、传热好。而远离冲击区的部位则不然，传质、传热不好。该氧枪对熔池搅拌是吹炼初期、后期弱，吹炼中期强。这是因为吹炼初期、后期脱碳速度慢，生成的CO少。要克服或减少氧气顶吹转炉炼钢存在的不足之处。我们必须要了解氧气顶吹转炉的炼钢特点，它的固有特点是金属液滴和炉渣液充分混合产生浮浊液，这种浮浊液是有利于传质和增加反应界面。针对顶吹转炉的这一炼钢特点，要使熔池内的成份均匀，炉温均匀则就必须加强熔池搅拌的均匀和强度，使气体射流充分均匀的与熔池中的钢液和炉渣混合，本课题就是基于这一思想对现有氧枪进行设计改造。二级喷射氧枪是在现有氧枪的基础上增加4个喷嘴，在原先的三根同心无缝钢管中，增加一根无缝钢管，内层的两根钢管是进气管，外层的二根钢管是进水管和出水管。具体的结构见图1。
.jpg)
二级喷射氧枪的工作原理：当二级喷射氧枪通人高速气体后，由于有二级喷嘴，一级喷嘴是O2气体的喷嘴，采用三孔拉瓦尔型喷头，它的作用一方面是去除铁水中的杂质，另一方面是起搅拌金属液体的作用。
二级喷嘴位于一级喷嘴的上方700mm位置上，沿圆周均匀分布设有4个单孔喷头，它的主要作用是保护一级喷嘴和起搅拌熔池金属液体的作用，而且二级喷嘴还可以起到去除钢液中的C的作用。这是因为当CO2从四个单孔喷头中吹出超音速CO2气体，射流进入熔池内进行冶炼时，CO2与钢液中的C在高温下会起反应：{CO2}+[C]=2{CO}同时{CO2}还会与[Fe]进行反应：{CO2}+(Fe)=(FeO)+{CO}；虽然这二种反应都是吸热反应，但在转炉炼钢中是有热量富余的，故是可以保证出钢所要求的温度的。在二级喷头的共同作用下，熔池液面被“撕碎”的金属液滴和气体充分混合的浮浊液量增加，促进了熔池内的传质和传热，使化学反应更加均匀。
二级喷射氧枪与原先的三孔拉瓦型喷头的氧枪相比具有如下优点：
(1)气体射流对熔池的冲击面积大；
(2)熔池搅拌的均匀性好和强度高；
(3)减少了粘枪，延长了喷枪使用寿命；
(4)钢液的成份和温度更加均匀；
(5)加工制造简单，操作安全可靠、灵活；
(6)由于气体射流的分散增加了与熔池的接触面积，气体逸出更均匀，吹炼过程就更平稳。
3 二级喷射氧枪工业化生产的可行性
二级喷射氧枪工业化生产的可行性，以及能给企业带来的经济效益，可以从以下方面来分析：
(1)从顶吹转炉炼钢工艺上分析，经改进后的二级喷枪采用了二级喷嘴，增大了气体射流冲击面积。分散了气体射流，使吹炼更加平稳，同时也加强了机械搅拌和保护了喷嘴不被烧坏；使得吹炼的传质和传热得到了大大改善，可缩短吹炼时问，喷枪一级喷嘴距离金属液面最近，它受到了二级喷嘴的气体保护，延长了喷枪的使用寿命；从而提高了冶炼的产量和质量，这样就会给企业带来更大的经济效益。故从顶吹转炉炼钢工艺方面来看，二级喷枪是可行的。
(2)从二级喷枪制造加工和使用的材料分析，二级喷枪是由枪身、喷头和枪尾三部分组成。喷枪的工作环境是在十分恶劣的高温，多尘、和反向炉气的作用下工作的，而且喷头又是距离金属液面最近，经常沉浸在金属-渣-气的浮化液中，所以要求喷头具有很好的导热性材料。二级喷嘴的喷头选用的材料是紫铜，而枪身(是枪头和枪尾之间部分)，它是一个完整的直管，通气管的枪身选用的材料是经过清洗、去污、脱脂后的无缝钢管，因进、出水路之间的压差很小，故分隔进、出水路的中间管采用较轻的钢管。枪尾是联接进、出水管、气管和吊环的部分，它采用的是焊接式的，枪尾的材料是钢管。在上述的二级喷枪使用的材料分析中可知，这些材料是市场上常用的材料，故从二级喷射氧枪选材方面来说，在工业化生产方面是可行的。
在二级喷射氧枪制造加工方面，二级喷射氧枪的结构是一级喷头采用三孔拉瓦尔型喷头，二级喷头采用四个单孔喷头。枪身是由四根同心钢管组成，喷头与枪身的联接是螺纹联接加焊接的方式联接，枪尾与枪身的联接采用焊接，所以，二级喷射氧枪制造简单，无需很高的加工精度，加工成本较低。故从制造加工方面来讲，二级喷射氧枪也是完全可行的。
(3)从二级喷射氧枪操作和使用方面分析，二级喷射氧枪与原有的氧枪相比，二级喷枪只是在原有的氧枪基础上增加了一根通气管和四个单孔喷头，它的重量和体积比原有的氧枪的重量和体积要稍大一些，而它的其余部分是没有什么变动；它的操作使用和原有的氧枪一样，是固定在升降小车上，由升降机械带动升降；这种升降机械有完善的安全装置，可保证二级喷射氧枪在突发情况下如当事故停电时，喷枪可自炉内提出；当钢丝绳等零件破断时，喷枪不会坠人熔池内，以及设有为防止其他事故所必须的电器联锁装置和安全措施。因此，该喷枪操作使用是安全可靠、灵活方便、易实现自动化。从操作使用这一方面来讲，二级喷射氧枪在工业化生产方面同样也是完全可行的。
4 试验方法
由于顶吹氧气转炉炼钢的工作环境，是处在高温、多尘和反向炉气等的共同作用下的相对封闭的恶劣环境。试验无法模拟出顶吹氧气转炉炼钢的工作环境。故本课题的试验，是采用缩小比例的有机玻璃制成的顶吹转炉炉型的模型容器内进行。因为是有机玻璃制成的模型，可以观察到喷枪的工作情况及喷枪与液体的相互作用的情况。虽然模拟试验与实际的转炉工作环境不同，但该模拟试验表现出来的一些规律和性质，仍能对实际的转炉炼钢具有很大的价值。本课题的模拟试验的主要目的，是着眼于考察二级喷射氧枪对冷态水和甘油的相互作用的规律和性质，从而对于那些突出的特点、性质和规律，同样可以引用在顶吹转炉炼钢熔池内的气体射流对液态金属的相互作用，为进一步了解顶吹转炉炼钢熔池内的搅拌运动情况提供重大参考。
5 实验结果
通过实验，观察了水和气体射流的相互作用，但由于水的粘度与液态金属的粘度相差太大，故我们又选用了具有一定粘度的甘油进行同样的实验。通过直接观察“软吹”和“硬吹”二个位置下的实验结果(见图2)与水的实验结果进行比较，结果它们的相互作用的状况是大致相同的；不同点是气体射流冲击甘油的冲击深度，要比冲击水时的冲击深度要浅，且甘油的环流速度比水的环流速度要慢，被击碎的小液滴方面，甘油的小液滴比水的小液滴要少。
.jpg)
6 结束语
通过对转炉炼钢理论、转炉氧枪的技术改造、二级喷枪的冷态模拟试验、及二级喷枪设备的工业化可行性等的研究，可以得出以下结论：
(1)造成氧气顶吹转炉炼钢的炉温不均、成分不均、吹炼前期和后期搅拌弱的主要原因，是气体射流与液态金属的冲击面积和冲击动能的配比还不够合理。造成粘枪和烧枪的主要原因是氧枪的枪头部位是浸没在泡沫渣中。
(2)二级喷射氧枪可使氧气顶吹转炉炼钢的炉温不均、成分不均、吹炼前期和后期搅拌较弱得以改善，二级喷射氧枪喷出的气体射流流股多于原氧枪，使二级喷枪的气体射流与金属液体的冲击面积和冲击动能配比，与原氧枪相比更为合理，并且金属液面上的金属小液滴的数量也多于原氧枪作用下的数量。使吹炼前期和后期熔池搅拌更为均匀，使冶金反应更加均匀充分，使炉温不均、成分不均得以改善；大量的金属小液滴的存在，增大了冶金反应的界面积，加快了传质、传热，可提高炼钢生产率。
(3)二级喷射氧枪可减轻粘枪和烧枪现象。二级喷射氧枪的二级喷头位置设计考虑了粘枪位置和气体射流扩散的因素，将二级喷头的位置设计在一级喷头位置上方700mm的位置上，使一级喷头处在二级喷头的气体射流保护下工作，避开了原氧枪的枪头部位浸没在泡沫渣中工作的状况，从而延长二级喷射氧枪的枪龄。
(4)二级喷射氧枪对转炉炼钢是可行的。一方面，二级喷射氧枪可使冲击面积与冲击动能的配比达到更为合理；另一方面，二级喷射氧枪可使一级喷头与泡沫渣隔离开来，使它受到二级喷头的气体保护，从而延长了喷枪的寿命。
摘自《装备制造技术》2009年第2期
作者 胡宾伟，张香林（新余高等专科学校机电工程系）
编辑 蔚金哲 021-26093241
