梅鋼250噸轉爐氧槍噴頭優化與應用*

2021-05-18 06:06:48肖玖倫王多剛

現代冶金 2021年1期

肖玖倫，王多剛

(1.上海梅山鋼鐵股份有限公司煉鋼廠，江蘇南京 210039； 2.寶鋼股份研究院梅鋼技術中心，江蘇南京 210039)

引言

上海梅山鋼鐵股份有限公司(以下簡稱“梅鋼”)250噸轉爐的氧槍噴頭為鍛壓組合式，噴頭的目標使用壽命為450爐。隨著轉爐廢鋼比的增加，轉爐熱量不足帶來的問題日益突出。近期，廢鋼比達到18%-20%，噸鋼礦石用量<8 kg，轉爐冶煉過程化渣困難，噴頭漏水情況時有發生，漏水頻次達到每萬爐23次，噴頭使用壽命低至350爐，安全生產風險增大。唐鋼長材部65 t轉爐[1]和鞍鋼100 t轉爐[2]，通過提高噴頭馬赫數，改善了化渣效果，提高了噴頭使用壽命。武鋼250 t轉爐[3]，采用鍛壓組合噴頭，改善了冶煉指標和噴頭使用壽命。馬鋼300 t轉爐[4]和首鋼100 t轉爐[5]，通過增大噴頭喉口、出口直徑，穩定了轉爐操作。淮鋼特鋼100 t轉爐[6]，通過減小噴頭馬赫數，并增大噴孔夾角，改善了化渣效果。武鋼80 t轉爐[7]，將噴頭孔數由4孔優化為5孔，加快了成渣速度和減少了噴濺。此外，攀鋼、天鋼和邯寶轉爐[8-10]等對噴頭做了優化，均取得了不錯的效果。可見，由轉爐冶煉的實際情況出發，優化氧槍噴頭參數，可以改善轉爐冶煉效果和提高噴頭使用壽命。

1 現狀分析

梅鋼二煉鋼廠2座250 t轉爐的冶煉參數如表1所示。2019年氧槍噴頭使用壽命降低至350爐，每月噴頭漏水次數約4次。經噴頭損毀原因的統計分析，發現主要原因如下：

(1)拉碳的槍位低。冶煉含磷鋼種時，如箱板鋼、花紋板鋼，轉爐輔料加入量少，噸鋼石灰和輕燒白云石的用量<30 kg，渣量少，渣層薄，冶煉終點為了快速脫碳，拉碳的槍位往往較低，造成噴頭被高溫的鋼水熔損，如圖1所示。

(2)冶煉返干。冶煉過程化渣困難，返干嚴重并造成金屬噴濺，噴頭局部粘結冷鋼，形成不易脫落的Fe-Cu固溶體，導致該部位傳熱性能變差，逐漸熔損，如圖2所示。

(3)爆發性噴濺。由于轉爐熱量不足，礦石用量少，冶煉過程化渣困難。吹煉槍位偏高，渣中聚集的FeO太多，碳氧反應集中爆發引發噴濺，導致噴頭大面積粘結鋼渣而損毀，如圖3所示。

(4)氧氣射流突變。氧槍噴孔出口處由于粘渣或粘鋼，超聲速氧氣射流遇到障礙物形成激波，射流方向發生轉變，噴頭端面被氧氣射流燒損，如圖4所示。

表1 二煉鋼廠冶煉參數

圖1 高溫鋼水熔損的噴頭

圖2 局部粘鋼熔損的噴頭

圖3 大面積粘結鋼渣熔損的噴頭

圖4 氧氣射流燒損的噴頭

2 氧槍噴頭設計

梅鋼250 t轉爐的氧槍噴頭為環6孔設計，且噴孔的夾角大，噴頭中間部位的負壓區相對較大。轉爐吹煉過程中化渣不良，在激烈的碳氧反應和氧氣射流的共同作用下，鋼水穿入負壓區，擊中噴頭的端面，熔化噴頭的銅質表層，并粘結在噴頭上。因此縮小負壓區的空間，能有效降低噴頭粘鋼的傾向[11]。結合原環6孔噴頭的冶煉情況，設計了由圓周上5個孔加1個中心孔的氧槍噴頭(以下簡稱“5+1”孔噴頭)。

2.1 工況參數

保持氧槍網管的工況參數不變，對氧槍噴頭參數進行優化。噴頭中心孔的主要作用是消除噴頭鼻尖的負壓區空間，降低噴頭的粘鋼傾向；并考慮中心氧氣射流對爐底的沖刷，中心孔的氧氣流量占比應小一些，以保持中心孔氧氣射流與環孔射流到達熔池液面的速度基本相等。減小氣流對熔池液面的交互作用，可以有效降低噴濺；同時，噴頭馬赫數的選擇要匹配250噸轉爐的供氧強度。為此，設計噴頭中心孔的馬赫數為2.08、圓周孔的馬赫數為2.06，中心噴孔的喉口面積占總噴孔喉口面積的12.5%。根據轉爐透氣磚的位置布置，圓周噴孔的中心夾角為14°-17°，氧氣射流的沖擊面和底吹攪拌面可以達到較好的匹配，形成最佳的攪拌作用效果。工況參數如下：

設計供氧量Q：52000 m3/h；

氧氣工作壓力P0：0.93 MPa；

冷卻水流量：360 m3/h；

中心孔Ma= 2.08、圓周孔Ma=2.06；

圓周噴孔傾角：15°。

2.2 噴頭參數

2.2.1 喉口面積

(1)

Ah=π×dh2/4

(2)

式中Q為供氧量;CD為噴孔流量系數，取值為0.95；Ah為喉口面積；P0為氧氣工作壓力，考慮氧氣在管道內的壓力損失為10%-12%，噴頭處的實測壓力為0.82-0.84 MPa，取值為0.83 MPa；T0為氧氣滯止溫度，取值為300 K；dh為喉口直徑。

2.2.2 喉口段長度和擴張段長度

Lh=(0.5-1)dh

(3)

Lk=(dc-dh)/(2tanα)

(4)

式中Lh為喉口的長度；Lk為噴孔擴張段的長度；dc為噴孔出口處的直徑；α為噴孔擴張段的錐角，取值為4°。

2.2.3 冶煉基準槍位

H=1.15×(35-50)×dh

(5)

式中H為轉爐冶煉過程的基準槍位。

根據氣體絕熱函數表，由式(1)-(5)得到“5+1”孔噴頭的參數如表2所示。

表2 “5+1”孔噴頭的設計參數

3 應用效果

3.1 噴頭使用壽命

“5+1”孔噴頭在不同使用爐數時的端面情況如圖5所示。除噴孔之間有少量的熔損外，“5+1”孔噴頭端面的總體情況良好。噴孔出口外沿沒有明顯擴孔，也沒有明顯的氧氣流燒損噴頭的現象。“5+1”孔噴頭與原6孔噴頭相比，轉爐冶煉過程的溢渣情況得到明顯改善，噴濺渣的產生量少了20%以上；噴頭端面的熔損情況得到顯著的改善，噴頭漏水由每萬爐23次降低至每萬爐8次；噴頭的使用壽命大幅提高，由350次提高至465次。