劉廣強(qiáng)¹ 李俊男²  苑星五² 劉坤²

（1.遼寧科技大學(xué) 土木工程學(xué)院；2.遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院）

摘  要：為進(jìn)一步優(yōu)化和控制氧槍的吹煉性能，研發(fā)了一種260t轉(zhuǎn)爐用新型雙結(jié)構(gòu)氧槍，從理論上對(duì)比了雙結(jié)構(gòu)氧槍和傳統(tǒng)氧槍與熔池作用的沖擊坑特性；將所設(shè)計(jì)的雙結(jié)構(gòu)氧槍應(yīng)用于工業(yè)實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)分析了雙結(jié)構(gòu)氧槍的關(guān)鍵吹煉參數(shù)，并與目前的傳統(tǒng)氧槍的吹煉特性進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示：雙結(jié)構(gòu)氧槍的各項(xiàng)關(guān)鍵吹煉指標(biāo)對(duì)比傳統(tǒng)氧槍優(yōu)勢明顯，其中吹氧時(shí)間平均縮短了近50s，對(duì)熔池的吹煉強(qiáng)度有所提高；脫磷率平均提高3%左右，平均鋼鐵料消耗降低了15 kg/t。

關(guān)鍵詞：雙結(jié)構(gòu)氧槍；轉(zhuǎn)爐；高效率；沖擊坑

1  緒論

在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，高壓氧通過氧槍噴嘴轉(zhuǎn)化為超音速射流，噴射到熔池中。射流的動(dòng)力學(xué)行為對(duì)于供氧和造渣起著重要作用。吹煉過程中復(fù)雜的物理現(xiàn)象與射流對(duì)熔池的沖擊作用密切相關(guān)^[1]。長期以來，對(duì)氧槍多股射流吹煉特性的研究一直是一個(gè)熱點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)氧槍在各種條件下的不斷認(rèn)知以及相關(guān)知識(shí)的不斷積累，為轉(zhuǎn)爐煉鋼做出了重要貢獻(xiàn)^[2]。然而，隨著對(duì)提高生產(chǎn)效率和降低成本的需求不斷增加，此類常規(guī)氧槍由于其固有的特性和操作因素的局限性，已經(jīng)很難為進(jìn)一步優(yōu)化和控制冶金性能提供滿意的解決方案。這也促使人們考慮采用各種新型結(jié)構(gòu)氧槍來改善其吹煉性能，這其中一種雙結(jié)構(gòu)氧槍逐漸受到重視。

雙結(jié)構(gòu)氧槍的特點(diǎn)是其射流噴孔具有兩組不同傾角和不同氣體流量，且兩組噴孔的出口軸心距也不同。因此，與傳統(tǒng)氧槍相比，雙結(jié)構(gòu)氧槍可以提供更廣泛的設(shè)計(jì)參數(shù)?；谒Ｐ蛯?shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，一些研究表明雙結(jié)構(gòu)氧槍在改善冶金性能方面具有巨大的優(yōu)勢和潛在的使用價(jià)值^[3-5]。然而，在工業(yè)生產(chǎn)條件下，雙參數(shù)射流并沒有廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐。

本文的目的是通過工業(yè)實(shí)驗(yàn)獲取關(guān)鍵的冶煉參數(shù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以了解新型雙結(jié)構(gòu)氧槍的吹煉特性，并將結(jié)果與目前的傳統(tǒng)氧槍進(jìn)行比較。

2  噴頭射流與熔池相互作用的理論分析

圖1  沖擊坑深度對(duì)比分析

轉(zhuǎn)爐反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究表明，氧氣射流必須對(duì)熔池產(chǎn)生一定的沖擊深度才能實(shí)現(xiàn)熔池的均勻運(yùn)動(dòng)從而獲得良好的反應(yīng)速率。氧氣射流沖擊熔池的深度是評(píng)價(jià)射流對(duì)熔池作用的重要指標(biāo)。如沖擊力過小，則沖擊深度不夠，熔池吸氧程度降低，氧的利用率和脫碳速度減?。粵_擊力過大，沖擊深度深，則易于損壞爐底和影響化渣。為考察260t轉(zhuǎn)爐用氧槍噴頭射流對(duì)熔池的作用情況，根據(jù)Flinn公式計(jì)算了射流對(duì)熔池的穿透深度^[6]。

                   （1）

式中，ｈ為穿透深度，cm；Ｈ 為槍位高度，cm；θ 為噴孔傾角，°；d_t為喉口直徑，cm；P₀為氧氣滯止壓力，MPa。

對(duì)于雙結(jié)構(gòu)氧槍，大流量，小角度的內(nèi)側(cè)噴孔對(duì)沖擊深度起到主要的作用，因此減少射流的角度，并增大射流流股的流量可以增加沖擊坑的深度。以內(nèi)孔14°，流量比65%為例，則不同槍位下和不同流量下的沖擊坑深度與原五孔氧槍對(duì)比結(jié)果如圖１所示，從圖中可以看出在相同的供氧流量下，隨著槍位的下降沖擊深度越深；槍位一定時(shí)，隨著供氧流量的增大，沖擊深度加深，53000Nm³/h流量下新型雙結(jié)構(gòu)氧槍的沖擊坑深度比傳統(tǒng)氧槍的要深（12.53-14.46）cm。

圖2 沖擊坑面積對(duì)比分析

要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐熔池平穩(wěn)、均勻的運(yùn)動(dòng)，射流除了要對(duì)熔池產(chǎn)生一定的沖擊深度之外還必須要有合適的沖擊面積。根據(jù)熔池反應(yīng)面積與槍位高度和噴頭參數(shù)關(guān)系^[6]，可得出式(2)。

               （2）

式中，Ａ為熔池反應(yīng)面積，m²；Ｒ為反應(yīng)區(qū)半徑，m；Ｌ為噴孔中心與噴頭中心的距離，m；α為氧氣射流膨脹半角，α=9°。根據(jù)式（2）計(jì)算得出氧槍槍位與沖擊面積的關(guān)系如圖2所示。從圖中可見，氧槍槍位越低沖擊面積越小。研究表明，增大氧氣射流對(duì)熔池沖擊面積可加速初期渣的形成，縮短吹煉時(shí)間，同時(shí)快速形成的泡沫渣可對(duì)轉(zhuǎn)爐煙塵起到“過濾”作用，對(duì)飛濺的金屬有一定的緩沖作用，可減少吹煉時(shí)金屬的損失^[7]。因此，冶煉前期在保證合適沖擊深度的同時(shí)適當(dāng)提高氧槍槍位，擴(kuò)大沖擊有利于初期渣快速形成。53000Nm³/h流量下新型雙結(jié)構(gòu)氧槍的沖擊坑面積比傳統(tǒng)氧槍的要大（0.62-1.05）m²。

3  實(shí)驗(yàn)裝備與過程

本實(shí)驗(yàn)所用雙結(jié)構(gòu)氧槍噴頭如圖3所示，該噴頭由中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院鍛造加工，材質(zhì)為純紫銅。尺寸具體見表1。

圖3  雙結(jié)構(gòu)氧槍噴頭結(jié)構(gòu)

表1   260t 轉(zhuǎn)爐用普通氧槍和雙結(jié)構(gòu)氧槍的幾何參數(shù)

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在某鋼廠260t轉(zhuǎn)爐進(jìn)行，轉(zhuǎn)爐爐齡為4000-5000爐。實(shí)驗(yàn)用鐵水成分見表1。數(shù)據(jù)采集包括一個(gè)氧槍壽命周期下的所有有效爐次，冶煉鋼種為低硅鋁鋼，分析的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)包括：吹氧時(shí)間、耗氧和供氧強(qiáng)、鋼鐵消耗量、渣耗以及脫磷率等。同時(shí)將關(guān)鍵參數(shù)與當(dāng)下使用的普通氧槍進(jìn)行對(duì)比。

吹煉過程的關(guān)鍵操作參數(shù)包括：鐵水量裝入230-255t，廢鋼量裝入25-50t，總裝入量控制在280±5t；石灰加入總量的80%～100%在開吹6min內(nèi)加入，石灰石在開吹3min之內(nèi)全部加入，輕燒鎂球在兌鐵結(jié)束之后開吹前一次性加入，保證終點(diǎn)渣中MgO在8%～12%；使用燒結(jié)礦的爐次在前3min內(nèi)全部加完，鐵碳球、菱鎂石加入量不大于1.0噸/批；總管氧壓≥1.4MPa，工作氧壓0.9MPa～1.1MPa，供氧流量為53000Nm³/h；結(jié)合新型氧槍的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開吹槍位變化范圍在2.8m～3.2m；過程槍位在2.4m～2.8m；拉碳槍位2.1m～2.4m，實(shí)際依據(jù)現(xiàn)場有變化。為保證實(shí)驗(yàn)的合理性，預(yù)處理鐵水成分穩(wěn)定，并且新、舊氧槍所用鐵水成分的平均值差別不大，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了有效277爐新型結(jié)構(gòu)氧槍吹煉用鐵水以及300爐舊槍用鐵水，具體見表2所示。

表2 預(yù)處理鐵水成分對(duì)比

4  結(jié)果分析與討論

1）一個(gè)氧槍壽命周期的關(guān)鍵吹煉參數(shù)統(tǒng)計(jì)

吹煉時(shí)間與射流特征以及射流與熔池作用的沖擊坑的形貌密切相關(guān)，良好的射流行為以及合理的沖擊坑形貌是縮短吹煉時(shí)間的前提。比如合理范圍內(nèi)的沖擊坑深度越深，沖擊坑面積越大，則越有利于吹煉過程的開展。而沖擊坑的形狀和尺寸與氧槍噴頭的出口馬赫數(shù)、噴頭出口間距，傾角以及噴口的流量等一系列的設(shè)計(jì)參數(shù)密切相關(guān)。圖4統(tǒng)計(jì)了一個(gè)氧槍壽命周期下的有效吹煉爐次的吹氧時(shí)間，可以發(fā)現(xiàn)，雙結(jié)構(gòu)氧槍的吹氧時(shí)間大多集中在（14-16）min。其中15min以內(nèi)完成吹煉的爐次占到了總爐次的69.7%。

圖4   吹煉時(shí)間統(tǒng)計(jì)

鋼鐵料消耗是鋼鐵冶煉過程中一個(gè)重要的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，占轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)成本的（80-85）%。降低鋼鐵料消耗是目前各鋼鐵企業(yè)降低成本的一個(gè)主要手段。鋼鐵料消耗不僅能反映企業(yè)的煉鋼技術(shù)水平，也反映其相應(yīng)的管理水平，對(duì)企業(yè)的成本控制具有重要意義。對(duì)于新型結(jié)構(gòu)氧槍的鋼鐵料消耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)（如圖5），平均鋼鐵料消耗在1100kg/t，其中1100kg/t以下的爐次數(shù)占到了總爐次數(shù)的58.3%。

圖5   鋼鐵料消耗統(tǒng)計(jì)

供氧強(qiáng)度是指在煉鋼過程中單位時(shí)間對(duì)轉(zhuǎn)爐熔池中每噸鋼水的供氧量。提高大型轉(zhuǎn)爐的供氧強(qiáng)度能夠加快轉(zhuǎn)爐煉鋼的冶煉反應(yīng)速度，改善反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件，使碳氧反應(yīng)加快，使脫硫、脫磷反應(yīng)更接近平衡，從而縮短轉(zhuǎn)爐供氧時(shí)間，提高轉(zhuǎn)爐作業(yè)率，當(dāng)然過高的供氧強(qiáng)度也會(huì)引起吹煉過程中噴濺等問題。因此合理的氧槍設(shè)計(jì)以及正確的氧槍操作規(guī)程是提高供氧強(qiáng)度的有效措施。統(tǒng)計(jì)新型結(jié)構(gòu)氧槍的供氧強(qiáng)度集中在2.9-3.3Nm³/t min，在3.1Nm³/t min以上的爐次占比統(tǒng)計(jì)數(shù)值的52.3%，對(duì)應(yīng)的氧耗在46-49 Nm³/t。

圖6   供氧強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

圖7  氧耗統(tǒng)計(jì)

圖8  脫磷率統(tǒng)計(jì)

鋼中磷含量高時(shí)，會(huì)顯著降低鋼的韌性和塑性，產(chǎn)生脆性現(xiàn)象。為有效解決轉(zhuǎn)爐脫磷難題，國內(nèi)眾多鋼鐵企業(yè)對(duì)轉(zhuǎn)爐脫磷工藝進(jìn)行廣泛的研究與實(shí)踐，取得了一定的實(shí)際效果。從轉(zhuǎn)爐脫磷的工藝來看，使用新型氧槍的脫磷率穩(wěn)定在（83-87）%，這表明新槍的脫磷效果較好。

2）吹煉特性對(duì)比

冶煉過程與出鋼成分和終點(diǎn)渣成分密切相關(guān)，鋼液的溫度以及成分達(dá)到所煉鋼種的要求不同都會(huì)對(duì)冶煉過程產(chǎn)生不同影響，由于本實(shí)驗(yàn)冶煉鋼種相同，因此在出鋼成分上差別不大，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了有效277爐新型結(jié)構(gòu)氧槍吹煉用鐵水以及300爐原槍用鐵水，新槍與原槍的吹煉終渣成分的均值見表3，出鋼成分見表4，可以發(fā)現(xiàn)終渣成分和出鋼成分都很相近，無明顯差別。

表3 終渣成分的平均值對(duì)比

表4出鋼成分的平均值對(duì)比

圖9 原槍與新槍的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

對(duì)比原5孔氧槍，雙結(jié)構(gòu)氧槍的平均吹氧時(shí)間縮短了近50s，脫磷率略有提高。主要原因在于雙結(jié)構(gòu)氧槍噴頭的雙角度、雙流量的布置特點(diǎn)。大流量小傾角內(nèi)置噴頭，提高了射流對(duì)熔池的沖擊強(qiáng)度，從而縮短了吹氧時(shí)間；小流量大傾角外置噴頭，增加了射流流股的融合距離，減緩了流股的速度衰減從而形成了更大的沖擊面積，保證了化渣效果。提高大型轉(zhuǎn)爐的供氧強(qiáng)度能夠有效提高轉(zhuǎn)爐效率，得益于吹煉時(shí)間的縮短，雙結(jié)構(gòu)氧槍的氧耗有所下降，供氧強(qiáng)度比原5孔氧槍提高了0.16m³/(t·min)。新型雙結(jié)構(gòu)氧槍的平均鋼鐵料消耗比原5孔氧槍的降低了15kg/t，這與新槍良好的化渣效果密不可分，此外新槍在減小爐外噴濺上的優(yōu)勢也是導(dǎo)致鋼鐵料消耗指標(biāo)的重要原因。

5  結(jié)論

1）采用雙參數(shù)設(shè)計(jì)的氧槍在沖擊坑深度和沖擊坑寬度上都比傳統(tǒng)氧槍具有一定優(yōu)勢，這對(duì)于提高射流的攪拌強(qiáng)度同時(shí)提高化渣效果具有積極的效果。

2）一個(gè)氧槍壽命周期的關(guān)鍵吹煉參數(shù)統(tǒng)計(jì)表明雙結(jié)構(gòu)氧槍的適用性較強(qiáng)，關(guān)鍵指標(biāo)具有優(yōu)勢。

3）與傳統(tǒng)氧槍相比，雙結(jié)構(gòu)氧槍的吹氧時(shí)間平均縮短了近50s；脫磷率平均提高3%左右，各別鋼種可到達(dá)7%，脫磷效果優(yōu)秀；平均鋼鐵料消耗降低了15kg/t；供氧強(qiáng)度提高了0.16m³/(t·min)。

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2017YFC0805100）, 遼寧省教育廳項(xiàng)目（2020LNQN12）

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