轉爐底吹工藝在遷鋼的應用及優化

劉芳

轉爐底吹工藝在遷鋼的應用及優化

劉芳

(中冶京誠工程技術有限公司，北京100176)

介紹了轉爐底吹工藝的概況和特點，詳細論述了轉爐底吹氣體、供氣元件及工藝流程的選擇方法及優缺點。其在遷鋼210t轉爐上的應用表明，底吹閥門站管路的布置和閥門的優化設計取得了良好的使用效果和經濟效益。

轉爐;底吹工藝;管路布置

0 前言

我國轉爐底吹技術近幾十年取得了很大進步，轉爐底吹氣源已有N2、Ar、O2、CO2等多種氣源，底吹供氣元件也多樣化，通過對供氣元件的材質、成型工藝、結構、供氣元件保護磚的改進，并且優化了轉爐爐底砌筑工藝、復吹工藝及維護制度，從而大大提高了轉爐復吹系統的壽命。例如鞍鋼AFC復吹系統底槍的平均壽命已達1350爐;武鋼采用復吹氣源Ar-N2切換的工藝，使供氣元件的壽命已與爐齡同步，其中爐襯侵蝕量為0.2 mm/爐;寶鋼采用的LD-CB工藝，爐襯平均侵蝕量為0.35 mm/爐。國內很多企業還開發了復吹供氣系統的設計軟件、多種氣源的底吹供氣元件的設計和制造技術，其中某些供氣元件的理化指標已達到國外同類產品的水平。

遷鋼210 t轉爐成功的底吹工藝優化及生產經驗，使我國的轉爐底吹工藝更加成熟，值得在今后的設計及工程建設、系統改進時加以推廣和借鑒。

1 轉爐底吹工藝的選擇

轉爐頂吹氧氣對熔池攪拌而言，存在攪拌死區，從而造成熔池成分和溫度不均勻，且爐襯的侵蝕也很不均勻，尤其在爐役后期爐容比增大時尤為突出。二十世紀七十年代誕生了頂底復合吹煉工藝，經過幾十年的實驗及實踐，頂底復吹工藝已基本成熟，即轉爐在冶煉過程中爐頂頂吹O2配合爐底底吹惰性氣體，對熔池進行均勻攪拌，可使熔池反應接近平衡，不僅提高鋼水質量，降低噸鋼成本，還可增加轉爐的靈活性和適應性，提高轉爐熔化廢鋼的能力，從而可按市場廢鋼和鐵水價格的變化靈活改變入爐廢鋼量，從而獲得經濟效益。

隨著轉爐濺渣護爐技術大大提高了轉爐爐齡，轉爐底吹供氣元件的布置形式、數量、結構和材質則成為影響轉爐全爐復吹的關鍵，底部供氣元件是底吹工藝的技術核心。

1.1 轉爐底吹氣體的選擇

轉爐底吹氣體的種類有很多，例如N2、Ar、O2、CO2、CO、混合氣CxHy(N2+Ar、CO2+N2等)、CaCO3粉和天然氣等。國內煉鋼廠通常選擇惰性氣體氮氣和氬氣作為底吹氣體，例如武鋼、太鋼、首鋼等，也有部分煉鋼廠選擇二氧化碳作為底吹氣體，例如鞍鋼、寶鋼的某些轉爐鋼廠。我國部分煉鋼廠轉爐復吹類型和底吹氣體如表1所示。

轉爐復吹系統如何選擇底吹氣體，應綜合考慮底吹氣體對鋼水質量、生產成本、耐材壽命的影響以及氣體來源等因素。不同底吹氣體的優缺點如表2所示。

表1 我國部分煉鋼廠轉爐復吹類型和底吹氣體Tab.1The type of combined blowing of converter and bottom gas in some steelmaking plant domestic

表2 各底吹氣體的優缺點Tab.2The merit and demerit of some bottom gas

1.2 轉爐底吹供氣元件的選擇

轉爐底吹技術的發展過程實質上就是底吹供氣元件的改進和完善的過程。底吹供氣元件可分為噴嘴和磚型兩大類，其中噴嘴型分為:單管型，套管型，環縫型(單環縫型、雙環縫型);磚型分為:彌散型，縫隙式組合磚，直孔型，多孔型MHP，環縫管式直孔磚，類環縫式噴嘴。表3對比了幾種典型的底吹供氣元件的特點。

轉爐底吹系統不僅選擇好底吹氣體，還應根據底吹氣體選擇合適的底吹供氣元件、底吹閥門室的供氣流程布置和儀表閥門，這樣才能增強底吹熔池攪拌，提升底吹系統的使用壽命，也會對冶煉鋼種的質量和經濟效益產生一定的影響。

1.3 轉爐底吹工藝流程優缺點

轉爐底吹工藝流程為:底吹氣體在底吹閥門站經壓力和流量調節后通過轉爐托圈耳軸上的旋轉接頭供給轉爐爐底的各個透氣元件，在冶煉時，底吹氣體通過透氣元件吹入熔池。南鋼和武鋼的轉爐底吹供氣系統，如圖1、2所示。

底吹閥門站內為底吹系統供氣管路、控制、檢測儀表用氣管和儀表閥門的組合。控制閥門的遠傳信號輸入設在轉爐主控室，并在操作臺上進行顯示。閥門站內主氣源有壓力調節，快速切斷，壓力檢測等控制措施;主氣源分配給若干支管，支管上均分別安裝有流量檢測、調節，壓力測量等控制措施。

圖1 南鋼轉爐底吹系統圖Fig.1The system diagram of converter bottom blowing in Nangang

圖2 武鋼轉爐底吹系統圖Fig.2The system diagram of converter bottom blowing in Wusteel

2 底吹工藝在遷鋼轉爐上的應用及優化

遷鋼第二煉鋼廠共有兩座210 t轉爐，轉爐配置底吹系統，底吹系統中含有一個底吹閥門室，底吹攪拌用惰性氣體為氮氣和氬氣，相互切換，這兩種氣體在底吹閥門室經壓力和流量調節后，由各供氣管路，經由轉爐耳軸處的旋轉接頭，供給轉爐爐底的各透氣元件。

此套底吹系統采用大幅度可調多點底吹工藝，有自動和手動兩種供氣調節方式，以自動調節為主，可實現主控室計算機自動化控制。

2.1 遷鋼第二煉鋼廠210 t轉爐主要參數

轉爐主要技術參數

每爐平均出鋼量/t210

每爐最大出鋼量/t220

爐身外徑Φ/mm8 160

爐體總高/mm11 172

爐體砌磚后爐容/m3201.9

爐容比0.96

爐膛內徑/mm5 800

熔池直徑/mm5 632

熔池深度/mm1 660

爐口直徑/mm3 220

出鋼口與水平夾角/(°)10

爐殼與托圈連接方式彈簧板連接

修爐方式上修

2.2 遷鋼210t轉爐底吹系統布置及優化

遷鋼第二煉鋼廠復吹閥門室設置在兩座210 t轉爐之間，位于10.6 m轉爐主操作平臺下方，閥門室地坪標高5.0 m，占地127.5 m2(7.5 m× 17 m)，內設6個復吹分配器，每3個分配器對應一座轉爐供氣，每個分配器分出4路支管，即一座轉爐共計有12路底吹支管，通過轉爐耳軸處的旋轉接頭，與轉爐底部的供氣元件相連。復吹閥門室系統圖如圖3所示。

圖3 遷鋼轉爐復吹閥門室系統圖Fig.3The system diagram of converter bottom blowing in Qiangang

轉爐底吹攪拌用惰性氣體為N2和Ar，相互切換，底吹攪拌氣體供給參數如下:

供氣壓力(閥門站入口)

Ar/MPa1.7～2.5

最低壓力/MPa1.0

噸鋼設計供氣強度

Ar/Nm3·min－10.03～0.15

N2/Nm3·min－10.03～0.15

預留最大供氣強度/Nm3·min－10.25～0.3

供氣時間

Ar/min·爐－115～17

N2/min·爐－121～23

遷鋼210 t轉爐爐底底吹磚的布置選用12塊底吹磚，按轉爐耳軸中心線對稱布置，如圖4所示。這種布置使得底吹更加均勻穩定，同時考慮到在個別底吹磚發生故障時，底吹仍然可以工作，并在氣路設計及研發時，采用高壓氣體進入復吹閥門室，經調壓后進行底吹操作，這樣在底吹磚發生堵塞時，可將該氣路調節到高壓狀態，將底吹磚的堵塞吹開。

圖4 遷鋼轉爐底吹元件位置分布圖Fig.4The layout of converter’s bottom blown elements in Qiangang

遷鋼底吹系統選用了雙環縫式底槍，雙環縫式供氣元件的縫隙較小，能長期在氣源低壓、小流量的情況下工作，且不易堵塞，若意外堵塞時，將底吹氣源壓力調大即可吹開，并能在冶煉初期快速形成爐渣蘑菇頭。

在氣路的設計及研發上，管道的旁通氣路閥門為外螺紋針型截止閥，而傳統的設計大多使用的為普通截止閥，如上文中南京鋼廠和武鋼的轉爐底吹供氣系統圖所示。針型截止閥是一種可以精確調整的閥門，比其他類型的閥門能夠承受更大的壓力，且密封性能好。在轉爐底吹過程中將供氣強度調節到較小時，使用針型截止閥可使管路不會產生瞬時“真空”，避免了對管路上的計器儀表的損害，提高了底吹的可靠性和儀表的使用壽命。此外，針型截止閥還具有安裝拆卸方便，針連接緊固，有利于防火、防爆，耐壓能力高，使用壽命長等優點。即使針型截止閥密封面損壞，也只需要更換密封零件，即可繼續使用。

遷鋼底吹吹系統可實現大壓力、大調節比、持續穩定的供氣特點，保證透氣元件在濺渣護爐條件下能持續穩定暢通供氣;同時底吹氣量在吹煉過程中可快速調節，氮氣、氬氣可快速自動切換，適應各鋼種的生產冶煉。

2.3 使用效果和經濟效益分析

2009年10月遷鋼第二煉鋼廠轉爐投產，并實現了頂底復吹冶煉工藝，且復吹效果良好。經過優化設計后的底吹系統，在生產中運行可靠。

遷鋼采用轉爐復吹工藝，縮短了轉爐冶煉周期、改善了轉爐化渣條件，從而取得了較為明顯的冶金效果和經濟效益，主要有以下幾點:

(1)冶煉終點鋼水的［%C］［%O］為0.258%～0.267%，接近于1700℃時［%C］［%O］的平衡值00.257%;

(2)冶煉終點鋼水中氮含量典型值為2.6× 10－7和2.4×10－7。

(3)由于底吹氣體具有強攪拌作用，使熔池中［C］和［O］反應趨于平衡，鋼水中的［O］含量下降。同時，熔池攪拌促進爐渣中(FeO)同熔池中的碳等元素反應，使渣中(FeO)下降。在相同冶煉條件的爐次中，頂底復吹爐次較頂吹爐次渣中(FeO)含量明顯下降。

(4)Mn的氧化還原反應主要發生在鋼渣界面，由于頂底復吹轉爐爐渣中的氧化鐵含量比頂吹轉爐的低，鋼中Mn的氧化量減少，所以，頂底復吹轉爐終點［Mn］相對提高，頂底復吹轉爐的終點［Mn］磷含量平均為0.103%，頂吹轉爐的終點［Mn］磷含量平均為0.079%，終點Mn提高降低了Mn合金消耗，從而節約了鐵合金。

(5)轉爐底吹元件壽命已實現與轉爐爐齡同步，轉爐平均爐齡6 900爐，最長爐齡能達到7 600爐。

(6)遷鋼轉爐底吹的設計優化，使轉爐的底吹系統更加穩定。轉爐底吹系統的使用可使冶煉成本降低，按t鋼成本降低5元計算，遷鋼第二煉鋼廠年產鋼水370萬t，年經濟效益可達1 850萬元。

3 結束語

由于頂底復吹轉爐綜合了頂吹轉爐反應速度快，底吹轉爐吹煉平穩的優點，同時避免了頂吹轉爐易噴濺、底吹轉爐不易化渣的缺點，所以大型轉爐煉鋼廠均采用了該項工藝。

遷鋼復吹工藝上供氣壓力、供氣元件的優化從設計和生產實踐上為生產縮短了冶煉周期，降低了復吹系統供氣元件的損耗，減少鐵損，提高了冶煉效率和成本，值得在今后的設計及工程建設、系統改進時加以推廣和借鑒，使我國的轉爐復吹工藝更加成熟。

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Application and majorization of converter bottom blowing in Qian’an steelmaking

LIU Fang
(MCC Capital Engineering＆Research Incorporation Limited，Beijing 100176，China)

The profile and characteristic of the converter bottom blowing are introduced and analyzed in details．Discussed the selection methods of bottom gas，blowing elements and technological process．Analyzed the advantage and disadvantage for each method．The application of bottom blowing in 210 t converter of Qian’an Steelmaking showed that good using effects and economic benefits were achieved by the rational layout of pipe route in valve station and the optimization design of the valve in bottom blowing system．

converter;bottom blowing;layout of pipe route

TF748

A

1001－196X(2017)01－0024－05

2016－03－16;

2016－04－18

國家自然科學基金(51374022)

作者簡介:劉芳(1984－)，女，工程師，研究方向:煉鋼工藝設計與研發，鋼鐵工程項目控制管理。