转炉冶炼供氧机制及效果

转炉用氧是氧气转炉炼钢最重要的操作，是控制整个吹炼过程的主导因素，并且直接影响转炉的冶炼效果和钢水质量。本文主要介绍梅钢150t转炉用氧的实践，通过不断优化转炉过程枪位控制、造渣制度、喷头参数、供氧强度、供氧压力，提高转炉各项技术经济指标，降低生产成本，提高钢水质量。

1梅钢转炉工艺条件

1．1铁水条件

梅钢炼钢厂投产之初，高炉配矿中大部分使用梅山铁矿，而梅山铁矿磷含量较高，使得铁水磷含量也较高，属于中磷铁水。随着低磷进口矿配比的增加，使得铁水磷含量有所降低，但高于0．13%，仍属于中磷铁水。表1列出了梅钢转炉所用铁水条件。

1．2转炉主要技术参数

梅钢现有3座150t顶底复吹转炉，其主要技术参数见表2。

1．3氧气气源

根据报导，氧枪喷头的马赫数Ma=2．0～2．3［1］，既可节省氧气又可以获得稳定的操作，但是必须采用合理的管道设计，保证足够的氧气压力能。梅钢炼钢厂的氧气由426mm的干管输送1号、2号转炉，325mm的干管输送3号转炉，到达厂区后改为250mm的干管进入氧气减压阀站。为了保证氧气供应设置了8个1000m3的储气球罐，以保证吹炼时压力平稳，从而达到最佳的吹炼效果。梅钢炼钢厂设计的总管压力为1．8MPa，实际压力为1．4～1．6MPa。

2梅钢转炉供氧制度分析

供氧是转炉炼钢最重要的操作，是控制整个吹炼过程的主导因素，直接影响到冶炼效果和转炉冶炼周期。供氧制度主要包括确定合理的氧枪喷头参数、供氧强度、供氧压力、枪位控制。

2．1氧枪喷头参数

2．1．1冶金效果

梅钢炼钢厂铁水含磷量处于中磷铁水水平，投产初期铁水磷在0．25%左右，为了得到良好的脱磷效果，氧枪喷头设计为6孔16．5°，马赫数2．3，该喷头具有良好的造渣脱磷效果，但是由于喷孔中心线夹角和马赫数偏大导致喷孔边缘烧损严重，针对该喷孔的弱点将喷孔的夹角改为16°，马赫数2．05～2．10，参数修改后烧损现象基本消除，在造渣脱磷方面同样能够满足钢种需要，但是该喷头对转炉熔池的侵蚀较严重，导致转炉耐材消耗较高。随着高炉配矿比例的改变，梅钢的铁水磷逐渐降低，目前基本稳定在0．15%～0．18%，转炉脱磷的难度下降，因此认为适当降低喷头中心线夹角，将喷头调整为5孔喷头以减轻对转炉熔池部位的侵蚀。表3列出了用5孔氧枪喷头和6孔氧枪喷头冶炼时炉渣成分、造渣料消耗、氧气消耗、钢水氧化性、脱磷效果、回磷等冶金效果的对比。从表3数据可以看出，5孔喷头相对6孔喷头具有如下优势:1)5孔喷头的氧气利用系数明显高于6孔喷头，平均炉耗氧量较6孔喷头少200Nm3左右;2)碳氧积、终点氧含量明显低于6孔喷头，说明该喷头具有较好的动力学条件;3)渣中全铁较6孔喷头降低1．1%，降低了炉渣的氧化性，从而减少了吹损和脱氧合金的消耗;4)在轻烧镁球加入量相同的情况下，能够获得较高的渣中氧化镁，有利于提高炉渣耐火度和溅渣效果;5)5孔喷头的石灰单耗小于6孔喷头，但渣中CaO含量和炉渣碱度均高于6孔喷头，表明石灰熔解程度和石灰利用率提高。

2．1．2炉衬状况

氧枪喷头的夹角大小主要影响转炉的化渣状况、炉渣的全铁含量和转炉炉衬安全。中心线夹角和喉口直径的大小会影响转炉的吹炼枪位，较大的中心线夹角为了提高氧气射流与钢液面的接触面积，有利于化渣，但是氧气射流的搅拌能力降低，因此吹炼时枪位会相对低一些，同时较低的枪位会对转炉熔池产生较大的冲刷。因此，在能够满足冶金效果的同时要考虑中心线夹角，以保护转炉熔池，提高炉龄。5孔喷头对中心线夹角和喉口直径等喷头参数进行了调整，吹炼枪位较6孔氧枪枪位有所提高，而且获得了较好的搅拌能力，较好的动力学条件加速了吹炼后期的脱碳速度，加快了钢渣的界面反应，使得在吹炼末期渣中的氧消耗得较快。同时由于终点炉渣氧化性减弱，渣中MgO含量增加，炉渣黏度提高，从而减少了炉渣对炉衬的侵蚀，有利于提高溅渣护炉效果。5孔喷头和6孔喷头冶炼时炉衬厚度变化情况见图1，从图1可以看出，使用5孔氧枪喷头后，在喷补料消耗相同的前提下东、西熔池的炉衬厚度明显上升。

2．1．3喷头寿命

梅钢铁水为中磷铁水，转炉冶炼时渣量较大，渣面较高，导致喷头损坏的主要原因为喷头端面粘冷钢。由于多孔喷头射流的中间部位存在一定范围的负压区，泡沫渣及夹带的金属液滴熔渣被不断吸入，当具有氧化性的高温金属液滴粘附在喷头端面的一瞬间，铜呈熔融状态，钢与铜形成Fe－Cu固溶体，一方面使喷头的导热性减弱，另一方面使得喷头的熔点降低，从而使得喷头损坏、漏水［2］。喷头的射流特性对喷头是否容易粘钢及喷头寿命长短有重要影响。表4为5孔喷头寿命和6孔喷头寿命对比。从表4可以看出5孔喷头寿命明显大于6孔喷头寿命，接近于2倍;6孔喷头冶炼时3号炉的喷头寿命大于其它2座转炉。这可以从枪位和氧气射流特性进行分析。5孔喷头较6孔喷头的冲击深度深，在冶炼时枪位也相应较高;3号炉氧枪枪位标高较其它2座转炉高约15cm。而枪位高，射流负压区距离液面较远，溅起的金属液滴和熔渣很难进入负压区，避免粘附在喷头端部。另外5孔喷头的射流特性较6孔喷头有很大不同，其形成的负压区范围小于6孔喷头，即使在相同枪位冶炼时，5孔喷头距离液面也较6孔喷头远。从5孔喷头的下线情况来看，喷头端部较为干净，未粘有冷钢或粘的冷钢较少，熔蚀较轻，这也验证了前面的分析，因此优化喷头参数有助于提高喷头寿命。

2．2供氧强度

供氧强度的大小严格根据转炉的吨位、炉容比来确定。供氧强度过大，易造成严重的喷溅;供氧强度过小，则延长吹氧时间，导致冶炼周期延长，影响产能的发挥。合适的供氧强度不但能够缩短吹氧时间，而且能够提高脱碳深度，达到降低氧气消耗的目的，因此在不产生严重喷溅的情况下，应该采取较大的供氧强度。5孔氧枪喷头冶炼时氧气流量为30000Nm3/h和32000Nm3/h时的相关技术指标见表5，其中采用30000Nm3/h的为1号转炉，采用32000Nm3/h的为2号转炉。从表5可以看出，供氧强度在转炉相同工况的前提下，氧气消耗差别是比较明显的，较大的供氧强度吨钢耗氧量较低。梅钢目前32000Nm3/h的供氧强度相比30000Nm3/h的供氧强度吨钢耗氧量低近2Nm3/t，同时吹氧时间明显减少，缩短了转炉冶炼周期。

2．3氧气压力

供氧压力应保证使氧气射流出口速度达到超音速，并使喷头出口处氧压稍高于炉膛内炉气压力，这样才能获得有效氧气射流动能。梅钢转炉氧枪喷头入口处设计滞止压力为大于0．8MPa，吹炼时氧气工作压力为1．0MPa左右。

2．4氧枪枪位

氧枪枪位是供氧制度的一个重要参数，确定氧枪枪位主要考虑2个因素:一是要有一定的冲击面积;二是要有一定的冲击深度。氧气射流的冲击深度h可根据弗林公式［3］确定:冲击深度h=346．7×P×D喉÷槡H+3．81(1)式(1)中:H为操作枪位，cm;P为使用压力，MPa;D喉为喉口直径，cm。

对于中磷铁水要考虑较大的冲击面积以利于化渣，另外还要保证较好的搅拌性能促进钢渣界面反应，提高脱磷、脱碳效率。氧气射流的穿透深度与熔池深度要有合适的比例，保证转炉吹炼的稳定，冲击深度比应该在0．7左右且小于0．8。根据梅钢炼钢厂氧枪喷头的参数计算，6孔喷头的最低枪位在1．5m，5孔喷头的最低枪位在1．6m。在炉役的中后期冶炼枪位要适当高出5～10cm，原因是在炉役后期转炉炉膛变大，熔池深度变浅，为了保证合理的穿透深度，因此要适当提高氧枪枪位，防止穿透深度过深对炉底侵蚀严重，以及影响造渣效果而影响脱磷，目前炼钢厂熔池冲击深度比基本在0．7左右。经过现场实践获得了较好的冶炼效果。

梅钢炼钢厂氧枪操作采用恒压变枪位控制，通过调整枪位来控制转炉的化渣速度和炉渣中的全铁含量，前期枪位控制在1．7～1．8m，中后期枪位控制在1．7～2．1m，终点拉碳枪位1．5～1．6m，压枪拉碳时间控制在500Nm3左右的氧气耗量，以保证终点获得较好的终渣成分、稳定的终点碳和温度。加料采用2～3批的加入模式，目的是为了早化渣有利于脱磷反应。

3结语

1)在中磷铁水冶炼条件下，减小喷头中心线夹角，将马赫数控制在2．05～2．10，喷头孔数由6孔改为5孔，能显著提高转炉冶金效果，如每炉钢耗氧量降低200Nm3，渣中TFe降低1．1%，碳氧积降低4．82，终渣MgO增加0．34%，终渣碱度提高0．4。2)采用5孔喷头后，转炉炉衬得到有效改善，东、西熔池厚度较6孔喷头有较大提升。3)采用5孔喷头冶炼时，枪位较6孔喷头高，射流负压区离液面较远，从而有利于减少喷头粘渣或粘钢，喷头寿命可达500炉，提高近250炉左右。4)提高供氧强度能缩短冶炼周期，降低氧气单耗。5)6孔喷头的最低枪位为1．5m，5孔喷头的最低枪位为1．6m，终点压枪时间控制在500Nm3氧量左右。