轉爐煉鋼噴濺現象的成因分析和預防措施

王慧

摘 要：噴濺是氧氣頂吹轉爐吹煉過程中經常出現的一種現象。對噴濺發生的原因進行了闡述，并結合長鋼的實際生產狀況介紹了預防噴濺發生的措施。

關鍵詞：轉爐；噴濺；碳氧反應；熔渣

中圖分類號：TF713 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）17-0002-02

在轉爐煉鋼吹煉的過程中，總會有一部分金屬被消耗，我們把這一部分消耗的數量稱為吹損。目前，在整個鋼鐵行業處于“嚴冬”的情況下，各種原材料價格都在上漲，而鋼材的價格卻不升反降。對轉爐煉鋼來說，降本增效就是要減少吹損的數量。吹損主要是氧化損失，其次是由于控制不當而產生噴濺造成的機械損失。氧化損失是不可避免的，而機械損失是可以通過控制噴濺現象而減少的。

噴濺是氧氣頂吹轉爐吹煉過程中出現的一種現象，通常人們把隨爐氣攜走、從爐口溢出或噴出爐渣和金屬的現象稱為噴濺。它不僅會對環境造成污染，惡化煉鋼的經濟技術指標，降低產量，同時，還會造成設備的損壞。

1 噴濺的危害及成因分析

1.1 噴濺的危害

發生噴濺時，噴濺物夾帶有金屬，增加了金屬的損失，金屬損失量在0.5%～5%，避免噴濺就等于增加了鋼產量。同時，噴濺物中還帶有大量的熔渣，熔渣被帶出爐外，爐內渣量減少會直接影響吹煉過程中硫、磷的去除。另外，噴出的熔渣和金屬帶走了大量的熱量，加大了熱量的損失，以致于工作人員很難控制溫度和鋼的成分，進而影響操作的穩定性。噴濺會加劇爐襯沖刷、侵蝕的程度，進而引發氧槍黏鋼、燒槍等事故，這樣不僅會降低爐齡，而且還會影響造渣操作。噴濺還會使爐口和煙罩掛鐵掛渣，增加人工清渣的工作量。噴濺的同時會冒煙，對環境造成污染。

1.2 噴濺產生的原因

在吹煉的過程中，由于氧氣流股對熔池的沖擊和脫碳反應產生的大量CO氣體逸出，所以，爐渣和金屬液飛濺的情況是不可避免的。在正常情況下，金屬液飛濺的高度一般不會超出爐口，不會形成噴濺，但是，在脫碳反應加劇的情況下，如果在短時間里轉爐內產生大量的CO氣體，那么向爐口排出的氣體就會成倍地增加，也就是會發生爆發性的碳氧反應，將爐渣和金屬液帶出爐外，從而發生噴濺。

轉爐常見的噴濺主要分為爆發性噴濺、泡沫性噴濺和金屬噴濺三種類型。

1.2.1 爆發性噴濺產生的原因

熔池內碳氧反應不均衡發展，會瞬時產生大量的CO氣體，這是發生爆發性噴濺的根本原因。脫碳是煉鋼的主要任務之一，在脫碳的過程中，可以攪動熔池內的物質，讓其中的成分和溫度均勻分布，進而加大鋼渣界面，加速物理化學反應的進行，同時，充分的攪動有利于非金屬夾雜物的上浮和有害氣體的排出。碳氧反應對煉鋼任務的完成起著非常重要的作用。

碳氧反應的方程式為：[C]+（FeO）={CO}+[Fe].

這是一個是吸熱反應，反應速度受熔池碳含量、渣中TFe含量和溫度的共同影響。由于操作的原因，熔池驟然冷卻，抑制了正在激烈進行的碳氧反應，供入的氧氣生成了大量的（FeO）并聚積。當熔池溫度再度升高到一定程度（一般在1 470 ℃以上），（FeO）聚積到20%以上時，碳氧反應重新以更猛烈的速度進行，瞬間從爐口排出大量具有巨大能量的CO氣體，同時，還挾帶著一定量的鋼水和熔渣，形成較大的噴濺。在生產過程中，有時會遇到這種情況，比如在長鋼煉鋼廠，由于煉鋼工的失誤，頭批渣料還沒有來得及化開就加入二批渣料，二批渣料加入得過早，抑制了爐溫的上升，也就是抑制了上述碳氧反應的進行。可這時氧槍仍然在不斷地向熔池供氧，這些氧都轉化為了熔渣中的氧（FeO），當熔渣的氧化性過高，熔池溫度達到上述碳氧反應的溫度時，就會發生爆發性的碳氧反應，從而發生噴濺。

有時候爆發性噴濺的威力是很大的，它不僅僅會損壞設備，還會造成一定的人員傷亡。2014-01-16，長鋼煉鋼廠8號轉爐，由于倒渣時沒有倒干凈，上一爐爐渣的高溫、高氧化性和高堿度為脫碳反應的進行創造了非常有利的條件，在兌下一爐鐵水的過程中，短時間內就發生了爆發性的碳氧反應，瞬間產生了大量的CO氣體，從而發生噴爆事故，造成一死一傷的嚴重后果。

1.2.2 泡沫性噴濺產生的原因

轉爐煉鋼能夠在短短20～30 min內完成一爐鋼的吹煉，這與泡沫渣的形成有非常緊密的關系。在轉爐煉鋼的過程中，氧氣流股的沖擊作用能夠將金屬液和熔渣擊碎，濺出許多小液滴，液滴一部分被裹入爐氣并隨爐氣一起運動，一部分返回熔池參加循環運動。同時，氧氣流股本身也被擊碎，與碳氧反應產物匯集在一起形成了大量的小氣泡，這樣氣、渣、金屬組成了三相乳化液，即泡沫渣。熔池中幾乎所有的金屬液都會經歷液滴過程，有的甚至會經歷多次液滴過程。由于泡沫渣的存在大大增加了氣、渣、金屬的反應界面，所以，它加快了轉爐煉鋼的反應速度。金屬中2/3的碳是在泡沫渣中脫除的。

如果轉爐內存在大量的泡沫渣，泡沫渣就會對氣體的排出起到一定的阻礙作用。因此，在熔渣中就會滯留大量的氣體，使渣面不斷上漲，當爐渣接近爐口時，只要有一個不大的推力，爐渣就會夾帶著金屬液從爐口噴出，形成噴濺。當鐵水中硅、磷的含量較高時，硅、磷氧化就會產生大量的SiO2和P2O5，這時候就必須要增加石灰的加入量來平衡爐渣的堿度，進而增加渣量，增厚渣層，再加上SiO2和P2O5是爐渣的表面活性物質，能夠降低爐渣表面的張力，促進爐渣起泡。另外，煉鋼是一個氧化性的氣氛，熔渣中的（FeO）含量較高，也就是熔渣的氧化性較好，而（FeO）也是爐渣的表面活性物質，它能夠促進爐渣起泡。因此，泡沫渣過多是發生泡沫性噴濺的根本原因。

1.2.3 金屬噴濺產生的原因

當渣中的TFe含量過低時，熔渣化不開，就會析出高熔點的化合物，使熔渣變得黏稠、流動性變差，這就是通常所說的爐渣“返干”。熔池被氧流吹開后，熔渣不能及時返回覆蓋液面，由于碳氧反應生成的CO氣體排出，便會帶動金屬液滴飛出爐口，形成金屬噴濺。

當長時間進行低槍位操作時，比如在冶煉中期為了加快脫碳反應而采用低槍位，就會消耗掉爐渣中大量的（FeO），導致爐渣中的（FeO）含量降低。低槍位時間長了，爐渣就會變得黏稠，開始“返干”，這時候就極容易發生金屬噴濺。

2 噴濺的預防及處理

通過上述分析可知，預防噴濺的關鍵在于吹煉操作。為了有效地減少和預防噴濺的發生，在進行吹煉操作時，要注意處理好以下幾個方面。

2.1 抓好裝入制度

抓好裝入制度主要包括以下幾點：①嚴格按照已經制定好的工藝操作規程、制度控制好溫度曲線，根據鐵水的成分調節好鐵水廢鋼比，使碳氧反應均勻、持續地進行，避免爆發性的碳氧反應的發生。②控制裝入量。最好采用分階段的定量裝入方式，避免超裝，防止熔池過深、爐容比過小，防止金屬噴濺現象的發生。③改善鐵水的成分，減少煉鋼渣量。控制好鐵水中的硅、磷含量，最好采用鐵水預處理三脫技術。如果沒有鐵水預處理設施，可以在吹煉的過程中倒出部分酸性泡沫渣再次造新渣，采用雙渣操作法可以避免泡沫性噴濺的發生。④采用合理的爐型。爐容比不得過小，一般控制在0.9～1.05 m3/t之間，高寬比一般為1.6～1.7，但是，也不能一味強調采用較大的高寬比來控制噴濺。長鋼的生產實踐證明，增加爐子高度是減少噴濺和提高鋼液收得率的有效措施，但是，轉爐的高寬比會隨著轉爐爐容的增大而減小。⑤及時處理爐底上漲的情況。經常測量爐底液面，可以防止槍位控制不當的情況，從而減少金屬噴濺的發生。

2.2 合理的供氧制度

2.2.1 控制供氧強度

在吹煉時，供氧強度不能過大，以免使脫碳速度過快，液面上漲嚴重，造成大噴濺。但是，供氧強度過小又會延長吹煉時間。通常在化好渣、不噴濺的情況下，要盡可能提高供氧的強度。目前，長鋼的供氧強度通常在3.0～4.5 m3/t·min。

2.2.2 正確控制槍位

因為槍位的高低與渣中TFe含量的多少有直接的關系，降低槍位，脫碳速度加快，消耗渣中的（FeO），導致TFe含量減少；相反，提高槍位，脫碳速度減慢，使渣中的（FeO）含量累積，使TFe含量增加。渣中TFe含量積聚容易產生泡沫性噴濺，渣中TFe含量過低容易引發金屬噴濺。所以，正確控制槍位的原則就是根據吹煉過程中的具體情況及時進行相應的調整，控制渣中TFe的含量，力爭做到既不出現泡沫性噴濺，也不產生金屬性噴濺。

在吹煉前期，采用較高的槍位操作控制渣中TFe的含量，可以及時調整爐渣的流動性。如果槍位過低，不僅會因為渣中（FeO）含量低在石灰表面形成高熔點、致密的2CaO·SiO2，阻礙石灰的熔化，還會由于爐渣未能很好地覆蓋熔池表面而產生金屬噴濺，當然，前期槍位也不宜長時間過高，以免發生泡沫噴濺。在吹煉中期，由于脫碳速度較快，熔渣極易“返干”，為了使渣中TFe的含量足夠，避免發生金屬噴濺，所以，此時應采用先低后高的槍位模式。在吹煉過程接近終點時，應適當降槍，加強對熔池中相關物質的攪拌，使熔池中物質的溫度和成分均勻化，同時，降低終渣中的TFe含量，提高金屬和合金的收得率，減輕對爐襯的侵蝕。

2.3 合理的造渣制度

造渣制度主要包括以下三點：①在滿足去除磷、硫的前提下，最好采用小渣量操作，并適時地加入二批料，最好是分小批多次加入，這樣熔池的溫度不會明顯降低，有利于消除因二批料過量加入冷卻熔池而造成的爆發性噴濺。②提高石灰的質量，最好采用活性石灰，這樣有利于石灰的渣化。③如果采用留渣操作，在兌鐵前一定要采用稠化爐渣的措施，可以在其中加入石灰，防止發生爆發性噴濺。在濺渣護爐后，如果爐渣沒有倒凈，在兌鐵的過程中也有可能會引發噴濺。

2.4 噴濺的處理

在吹煉過程中，一旦發生噴濺，不要輕易降槍，因為降槍后碳氧反應會更加劇烈，反而會加劇噴濺。此時，可以適當提槍，這樣一方面可以緩和碳氧反應，降低熔池的升溫速度；另一方面，可以借助氧氣流股的沖擊作用吹開熔渣，有利于氣體的排出。

3 結論

在吹煉的過程中，只要根據原料的實際情況制訂科學、合理的裝入制度、供氧制度、造渣制度，并遵循工藝操作規程中的升溫趨勢，就能夠在保證完成煉鋼任務的同時，避免、減少噴濺的發生，從而為冶金企業的增產、增效提供強有力的保證。

參考文獻

[1]張巖，張紅文.氧氣轉爐煉鋼工藝與設備[M].北京：冶金工業出版社，2010.

[2]劉根來.煉鋼原理與工藝[M].北京：冶金工業出版社，2004.

〔編輯：白潔〕

BOF Splash Phenomenon Causes Analysis and Preventive Measures

Wang Hui

Abstract： BOF splash is a phenomenon that often appears during blowing. For reasons expounded splash occurs， combined with the actual situation of long steel production introduced measures to prevent splashing occurred.

Key words： converter； splash； carbon-oxygen reaction； slag