轉爐冶煉高鈦鐵水的噴濺原因及控制

陳柏宇，齊志宇，朱國強，潘統(tǒng)領，丁宇

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

1 發(fā)生噴濺的原因分析

轉爐冶煉高鈦鐵水時發(fā)生的噴濺有三種：爆發(fā)性噴濺、泡沫性噴濺和金屬噴濺。對四分廠發(fā)生噴濺的38個爐次進行統(tǒng)計發(fā)現，爆發(fā)性噴濺6爐，泡沫性噴濺29爐，金屬噴濺3爐。結合轉爐冶煉過程分析噴濺原因如下。

（1） 吹煉前期

吹煉前期是指轉爐吹煉開始到Ti、Si、Mn等元素的氧化反應已基本結束的2～4 min內。在此期間C-O反應速度決定了氧化鐵的積累或消耗。爐內溫度越高，C-O反應驅動力越大，渣中FeO消耗越大，反之則易積累。吹煉前期C-O反應受其他元素氧化影響，反應速度較慢，這段時期渣中積累了一定的FeO，Ti、Si氧化時釋放出大量的熱量，有利于化渣，并且使爐內溫度迅速升高。C-O反應驅動力變大，熔池中C開始劇烈氧化，由于此時為C-O反應提供氧的不僅是從氧槍中吹入的氧氣，還有渣中積累的FeO提供的較多的附加供氧量，因此C-O反應會瞬間產生大量的氣體，造成爆發(fā)性噴濺。

（2）吹煉中期

吹煉中期噴濺的發(fā)生有兩種情況：一種是渣中FeO積累過多引起的泡沫性噴濺；一種是爐渣返干后調整過度引發(fā)的噴濺。

①吹煉中期渣中FeO含量高，有利于化渣，加快成渣速度。由于冶煉高鈦鐵水渣量大、爐渣易于泡沫化，因此，如果轉爐內積聚過多的FeO會加劇泡沫渣的產生，如不采取措施控制，會造成持續(xù)的泡沫性噴濺。

②為防止持續(xù)泡沫性噴濺，吹煉中期會采取加料擊破渣層，同時，嘗試降槍來降低渣中FeO含量以遏制爐渣泡沫化。降低槍位后，爐內發(fā)生的氧化反應為直接氧化反應，其結果就是渣中無法積累FeO，析出大量高熔點物質使泡沫渣破碎，加上熔渣內TiO與石灰中CaO結合生成高熔點化合物，使熔渣黏度變大，容易出現嚴重返干，因此，應當采取提高槍位同時加入化渣物料的方法來減輕返干。在軟吹和降溫的作用下，渣中FeO含量增加，熔渣中高熔點物質因熔點降低而熔化，爐內返干現象逐漸消失。但軟吹的時間需要加以控制，如果時間過長，會使渣中積累過量的FeO，此時一旦降槍，過量的供氧量會加速C-O反應產生大量的CO氣體，造成噴濺。

（3） 吹煉末期

吹煉末期爐內C-O反應平緩，爐渣泡沫化程度略有減輕，因此這一階段正常操作時發(fā)生噴濺的幾率很低。若發(fā)生，一般是由于人為操作不當導致，如碳含量判斷不準確就降槍拉碳，劇烈的碳氧反應會造成嚴重的金屬噴濺。

2 影響噴濺的因素

（1）大量的CO氣體

轉爐內C-O反應發(fā)生在氧流沖擊的凹坑處和乳化渣系中，熔池內會因碳氧反應不均衡而瞬時產生大量的CO氣體。研究表明，當脫碳速度為（0.4～0.6）%/min時，熔池內每秒中排出的CO氣體的體積是鋼水體積的3～4倍，此時爐內又形成了一定厚度的泡沫渣層，大量的CO氣體使渣面迅速上漲到爐口，引發(fā)噴濺。因此，急劇的碳氧反應容易造成爐渣噴濺。

（2）爐渣泡沫化

熔渣的物理特性中，影響熔渣泡沫化的主要是表面張力σ與黏度η的比值。表面張力小意味著生成氣泡的能耗小，氣泡容易生成，已發(fā)泡熔渣的自由能也較小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高，即不容易消泡，泡沫的壽命較長。黏度對熔渣泡沫化的影響主要反映在氣泡通過渣層的速度和氣泡消泡的速度。熔渣黏度大，則氣泡在渣中停留的時間就會變長，這意味著氣泡的穩(wěn)定性高，即熔渣容易發(fā)泡；同時熔渣黏度大還能使氣泡從渣液排出的速度變慢。由此可知，表面張力小、黏度大的熔渣更容易泡沫化。冶煉高鈦鐵水時，由于渣中TiO含量較高，造成爐渣黏度增大，因此，轉爐冶煉高鈦鐵水過程中極易形成泡沫渣。

轉爐煉鋼過程中，氧氣流股沖擊金屬液和熔渣，使得三者均被擊碎并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。由于泡沫渣增加三者的反應界面，因此它可以加快爐內的反應速度。高鈦鐵水中 Ti、Si、P 含量高時， 渣中 TiO、SiO、PO含量較高，而SiO、PO是表面活性物質，能降低熔渣表面張力，TiO可以增加熔渣黏度，可以穩(wěn)定泡沫渣。需要注意的是此時含有 TiO、SiO、PO的爐渣為酸性渣，需要向爐內加入更多的白灰來保證爐渣的堿度，這就造成爐內渣量大、渣層厚度增加，嚴重時能夠上漲到爐口，在碳氧反應的作用下，推動爐渣從爐口噴出，引起噴濺。

（3）渣中FeO的含量

渣中FeO含量影響噴濺主要有以下兩方面原因：一方面吹煉初期爐渣中積聚過多的FeO，當熔池溫度達到C-O反應的臨界溫度時，由于渣中FeO過高，熔池中會發(fā)生劇烈的碳氧反應，如果處理不當，容易產生爆發(fā)性噴濺；另一方面爐渣中的FeO含量過低會使爐渣中有高熔點物質析出，造成化渣不良，形成返干，發(fā)生金屬噴濺。

3 控制措施及效果

（1）控制鐵水條件

鐵水中Ti、Si含量直接影響渣量進而影響噴濺的發(fā)生幾率。 實踐表明，鐵水 ω[Si]+ω[Ti]≥0.7%時易發(fā)生噴濺，因此，在生產條件允許的情況下，可采取高、低硅鐵水兌折方式來降低硅含量。如果條件不允許，則采取雙渣法操作，將脫硅、脫鈦后的爐渣倒掉再重新進行造渣。

（2）控制氧槍槍位

轉爐底吹能夠加強熔池內部攪拌，促進熔池內部反應的進行。觀察實際生產情況發(fā)現，冶煉高鈦鐵水時，根據轉爐底吹狀態(tài)控制氧槍槍位能夠避免噴濺的發(fā)生。圖1為冶煉高鈦鐵水時氧槍槍位的控制曲線。由圖1看出，底吹狀態(tài)良好時，適當提高槍位；底吹狀態(tài)不好時，適當降低槍位。

圖1 冶煉高鈦鐵水時氧槍槍位的控制曲線Fig.1 Control Curves for Position of Oxygen Lance in Smelting Hot Metal with High Titanium

底吹狀態(tài)良好時，吹煉前期化渣和升溫速度快，會提前到達C-O反應期，要在此前根據火焰情況或煤氣分析儀中CO提升速率判斷時機適當提槍，能夠有效避免爆發(fā)性噴濺的發(fā)生。吹煉中期由于底吹的原因，如果槍位過低會使熔池內的FeO消耗過快，造成返干，嚴重的返干容易誘發(fā)金屬噴濺，因此還要時刻關注渣化情況。冶煉高鈦鐵水升溫速度快，渣量大，同時在良好的底吹作用下，強攪拌加速化渣，很容易形成嚴重的泡沫渣。發(fā)現泡沫渣有上漲到爐口的趨勢要及時降槍，減少渣中FeO的生成。由于頂底復吹作用容易擊破泡沫渣層，可有效減少泡沫渣噴濺。

底吹狀態(tài)不好時（幾乎無可視底槍），吹煉前期由于沒有底吹的作用，需要適當降槍提升攪拌力，到達C-O反應期前抬槍避免發(fā)生劇烈反應。由于高鈦鐵水的特性，很容易形成泡沫渣，沒有底吹的作用下，很難破開渣層，所以吹煉中期在泡沫渣豐富時應反復嘗試低槍位加入壓渣物料操作，通過消耗渣中FeO來遏制泡沫渣噴濺。待緩和后適當抬槍避免返干引發(fā)金屬噴濺。

吹煉后期除了繼續(xù)去除P、S外，還要調整好爐渣的氧化性和流動性，目的是均勻熔池鋼液成分和溫度，穩(wěn)定火焰，便于準確地控制終點。此時必須放緩壓槍的速度，切忌過快，避免引起噴濺。

（3）噴濺的處理

吹煉過程中一旦發(fā)生噴濺，要及時果斷處理。不同的噴濺處理方式也不同：發(fā)生爆發(fā)性噴濺時，要馬上抬槍，緩解劇烈的碳氧反應；發(fā)生泡沫渣噴濺則需要適當提槍，同時加入少量石灰石或生白云石等壓渣物料破開渣層，使渣中氣體排出。

采取上述控制措施后，四分廠轉爐冶煉高鈦鐵水時發(fā)生噴濺的現象明顯減少，對采取措施后的36個爐次進行跟蹤統(tǒng)計，噴濺發(fā)生的幾率為16%，均為可控的泡沫性噴濺，保證了生產的順行。

4 結語

分析認為，大量的CO氣體、爐渣泡沫化、渣中FeO含量高是導致鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠四分廠260 t頂底復吹轉爐冶煉高鈦鐵水時發(fā)生噴濺的主要原因。通過采取高、低硅鐵水兌折或雙渣法冶煉，根據轉爐底吹狀態(tài)調整氧槍槍位后，噴濺發(fā)生的幾率由40%降為16%，而且可控，保證了生產的順行。