轉(zhuǎn)爐二次燃燒氧槍技術(shù)研究進(jìn)展

鄭淑國，朱苗勇

（東北大學(xué)冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

廢鋼作為煉鋼原料之一，是一種可無限循環(huán)使用的綠色載能資源。我國煉鋼的廢鋼比與發(fā)達(dá)國家相比還有較大差距，隨著我國碳達(dá)峰工作的推進(jìn)，各大鋼鐵企業(yè)都在大力提高廢鋼比。目前，我國電爐鋼的比例還不到10%，轉(zhuǎn)爐流程仍是我國產(chǎn)鋼的主流程，且轉(zhuǎn)爐流程添加廢鋼成本優(yōu)勢明顯領(lǐng)先電爐。通常采用的轉(zhuǎn)爐提高廢鋼比的手段主要有廢鋼預(yù)熱（鐵水包預(yù)熱、轉(zhuǎn)爐爐前及爐后預(yù)熱、合金預(yù)熱等）和轉(zhuǎn)爐加入補熱劑（焦炭、焦丁、FeSi、SiC 等）， 但這兩項技術(shù)均有一定的不足：前者需要專門的加熱設(shè)備，后者往往以犧牲鋼水質(zhì)量為代價。因此有必要開發(fā)高效、清潔的轉(zhuǎn)爐流程提高廢鋼比技術(shù)。

轉(zhuǎn)爐二次燃燒氧槍技術(shù)是一種補熱不污染鋼液的清潔熱補償技術(shù)，1970年，Shepherd首次提出雙流道二次燃燒氧槍的概念。1978年盧森堡阿爾貝德公司（ARBED）首次完成雙流道二次燃燒氧槍的工業(yè)應(yīng)用試驗研究。1983年鋼鐵研究總院在國內(nèi)首先進(jìn)行了雙流道二次燃燒氧槍的熱模擬試驗，此后，首鋼、攀鋼、鞍鋼和南京鋼廠與科研單位、大專院校合作，對二次燃燒氧槍進(jìn)行了廣泛研究。盡管國內(nèi)外已對轉(zhuǎn)爐二次燃燒氧槍技術(shù)進(jìn)行了大量研究，且有的已達(dá)到工業(yè)應(yīng)用水平，但目前關(guān)于該技術(shù)在大工業(yè)生產(chǎn)中規(guī)模化應(yīng)用的報道很少。本文針對轉(zhuǎn)爐二次燃燒氧槍的原理、分類及工業(yè)應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行闡述，對二次燃燒氧槍技術(shù)進(jìn)行深入研究，為該技術(shù)的大生產(chǎn)規(guī)模化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 轉(zhuǎn)爐二次燃燒氧槍原理及分類

1.1 轉(zhuǎn)爐二次燃燒氧槍原理

轉(zhuǎn)爐二次燃燒氧槍是在傳統(tǒng)煉鋼氧槍的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計合理的副孔，使主孔射出的氧氣射流進(jìn)行脫碳反應(yīng)，利用副孔射出的氧氣射流與爐內(nèi)一氧化碳燃燒產(chǎn)生大量的熱量，使轉(zhuǎn)爐自身熱量得到較充分利用，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比。轉(zhuǎn)爐內(nèi)二次燃燒是一個復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)多相反應(yīng)，其與氧氣流股的形態(tài)、脫碳反應(yīng)以及一氧化碳燃燒成二氧化碳反應(yīng)的平衡等有關(guān)。圖1為二次燃燒氧槍原理示意圖。

圖1 二次燃燒氧槍原理示意圖Fig.1 Principle Schematic Diagram for Secondary Combustion Oxygen Lance

1.2 轉(zhuǎn)爐二次燃燒氧槍分類

轉(zhuǎn)爐二次燃燒氧槍分為雙流道和單流道兩類氧槍。

1.2.1 雙流道二次燃燒氧槍

雙流道二次燃燒氧槍的特點是主、副氧孔均由獨立的氧道控制，主氧流和副氧流的氧氣流量、氧氣壓力可在不同冶煉時期分別進(jìn)行控制。主孔噴出的氧氣流股主要進(jìn)行脫碳及攪拌熔池，副孔氧氣流股主要進(jìn)行一氧化碳的二次燃燒放熱。圖2為典型的雙流道二次燃燒氧槍噴頭示意圖，其槍體部分由四層鋼管組成，最內(nèi)層為主氧流道，次內(nèi)層為副氧流道，第三層為冷卻水進(jìn)水管道，最外層為冷卻水回水管道。副氧孔在主氧孔上方約1 m，該槍頭的安裝、制造均比較復(fù)雜，且成本較高。

圖2 典型的雙流道二次燃燒氧槍噴頭示意圖Fig.2 Schematic Diagram for Nozzles of Typical Double Channel Secondary Combustion Oxygen Lance

圖3為一種簡易結(jié)構(gòu)雙流道二次燃燒氧槍噴頭示意圖。與圖2所示的典型雙流道二次燃燒氧槍噴頭相比，該噴頭的副孔流股仍能獨立控制流量，但副孔與主孔在同一槍頭斷面上。該槍頭結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，但二次燃燒率會有所下降。

圖3 簡易結(jié)構(gòu)雙流道二次燃燒氧槍噴頭示意圖Fig.3 Schematic Diagram for Nozzles of Double Channel Secondary Combustion Oxygen Lance with Simple Structure

綜合來看，雙流道二次燃燒氧槍具有二次燃燒率較高的優(yōu)點，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制作困難，需對原氧槍的供氧系統(tǒng)（槍體、管路、配重、儀表等）進(jìn)行改造，投資成本高，不適合大生產(chǎn)推廣應(yīng)用。

1.2.2 單流道二次燃燒氧槍

單流道二次燃燒氧槍的特點是主、副氧孔共用一個氧道，氧氣流分別從主孔和副孔噴入熔池。與雙流道二次燃燒氧槍一樣，主孔氧氣射流進(jìn)行脫碳升溫及攪拌熔池；副孔氧氣流股主要進(jìn)行二次燃燒放熱，但其主、副孔氧氣的流量及壓力無法單獨控制。圖4為單流道二次燃燒氧槍噴頭示意圖。

圖4 單流道二次燃燒氧槍噴頭示意圖Fig.4 Schematic Diagram for Nozzles of Single Channel Secondary Combustion Oxygen Lance

由圖4看出，其槍體部分為三層鋼管結(jié)構(gòu)，只有一個氧道，中心管供氧，中間環(huán)縫通入冷卻水，最外層管道回水。該噴頭具有結(jié)構(gòu)簡單，投資少，見效快的優(yōu)點。

綜上所述，與雙流道二次燃燒氧槍相比，單流道二次燃燒氧槍只需將普通氧槍噴頭更換為二次燃燒氧槍噴頭，無需對原有槍體進(jìn)行改造，也不需要增加氧道、閥門及儀表。可見單流道二次燃燒氧槍技術(shù)適合大生產(chǎn)推廣應(yīng)用。

2 二次燃燒氧槍技術(shù)工業(yè)應(yīng)用新進(jìn)展

2.1 二次燃燒氧槍技術(shù)大生產(chǎn)工業(yè)應(yīng)用研究

筆者針對國內(nèi)某鋼廠120 t轉(zhuǎn)爐研究設(shè)計出適合大生產(chǎn)應(yīng)用的單流道二次燃燒氧槍，并在該轉(zhuǎn)爐實現(xiàn)了大生產(chǎn)應(yīng)用。對普通氧槍和二次燃燒氧槍各取典型的30爐工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，為該技術(shù)在大生產(chǎn)中全面推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

2.1.1 二次燃燒氧槍技術(shù)對廢鋼比的影響

分析現(xiàn)場煉鋼過程中加入冷料后的熔池溫度情況，得到入爐冷料與熔池溫降的關(guān)系見表1。對比分析采用二次燃燒氧槍前后的入爐冷料、鐵水及轉(zhuǎn)爐終點數(shù)據(jù)，得出采用二次燃燒氧槍后，熔池鋼水溫度平均提升約30℃，相應(yīng)可提高入爐廢鋼比約1.5%。

表1 入爐冷料與熔池溫降的關(guān)系Table 1 Relationship between Cold Burden Charged into Converter and Temperature Drop of Molten Pool

2.1.2 二次燃燒氧槍技術(shù)對冶煉過程槍位變化影響

統(tǒng)計單爐冶煉過程中槍位改變頻率對比如圖5所示。

圖5 單爐冶煉過程槍位改變頻率對比Fig.5 Comparison of Change Frequency of Lance Positions during Steel-making by Single Converter

由圖5可以看出，與普通氧槍相比，采用二次燃燒氧槍后，槍位變動次數(shù)減少約33%，冶煉過程槍位更平穩(wěn)。這是由于采用二次燃燒氧槍后，化渣速度快，化渣平穩(wěn)，化渣時間減少，熔池溫度均勻上升，無需對槍位進(jìn)行過多變動。可見，二次燃燒氧槍較普通氧槍的槍位控制更平穩(wěn)，無需頻繁變換槍位。

2.1.3 二次燃燒氧槍技術(shù)對終渣堿度的影響

二次燃燒氧槍和普通氧槍采用的是同樣的渣料加入制度，各取典型爐次的終渣堿度對比如圖6所示。由圖6可以看出，采用二次燃燒氧槍的轉(zhuǎn)爐爐渣堿度高于普通氧槍。這是因為二次燃燒氧槍化渣效果好，故其終點渣堿度更高。

圖6 終渣堿度對比Fig.6 Comparison of Basicity for Final Slag

2.2 二次燃燒氧槍轉(zhuǎn)爐大廢鋼比技術(shù)工業(yè)試驗研究

利用二次燃燒氧槍，通過加入雜質(zhì)含量少的某專用煤補充熱量，開展了單轉(zhuǎn)爐超40%大廢鋼比技術(shù)的大生產(chǎn)試驗研究，試驗效果良好，為基于二次燃燒氧槍的單轉(zhuǎn)爐大廢鋼比技術(shù)的大生產(chǎn)規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

試驗廢鋼總重量為59.04 t，鐵水加入量為83 t。表2為入爐鐵水及轉(zhuǎn)爐終點鋼水的成分和溫度，表3為二次燃燒氧槍單轉(zhuǎn)爐大廢鋼比技術(shù)的主要參數(shù)和指標(biāo)。

表2 入爐鐵水及轉(zhuǎn)爐終點鋼水的成分和溫度Table 2 Compositions in Both Hot Metal Charged into Converter and Molten Steel at End Point and Their Temperatures

表3 二次燃燒氧槍單轉(zhuǎn)爐大廢鋼比技術(shù)的主要參數(shù)和指標(biāo)Table 3 Main Parameters and Indexes for Secondary Combustion Oxygen Lance Technology with High Scrap Ratio for Single Converter

由表2可以看出，基于二次燃燒氧槍的單轉(zhuǎn)爐大廢鋼比條件下，轉(zhuǎn)爐終點溫度為1 598℃，脫磷率約為92.9%，完全滿足冶煉終點的要求。

由表3看出，在沒有廢鋼預(yù)熱前提下，單轉(zhuǎn)爐廢鋼比達(dá)到41.6%，鐵水消耗降至671 kg/t。可見，該技術(shù)有很好的冶煉效果，具有大生產(chǎn)應(yīng)用的可行性。需要說明的是，該技術(shù)是從技術(shù)角度突破了40%的單轉(zhuǎn)爐大廢鋼比，但實際生產(chǎn)中要綜合考慮廢鋼成本、加入專用煤成本、轉(zhuǎn)爐冶煉周期等，權(quán)衡得出最佳的單轉(zhuǎn)爐廢鋼比，而不應(yīng)盲目追求單轉(zhuǎn)爐過高的廢鋼比。

3 結(jié)語

轉(zhuǎn)爐二次燃燒氧槍技術(shù)是一種可有效提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比的清潔熱補償技術(shù)，與雙流道二次燃燒氧槍相比，單流道二次燃燒氧槍只需將普通氧槍噴頭更換為二次燃燒氧槍噴頭，無需對原有槍體進(jìn)行改造，具有結(jié)構(gòu)簡單，投資少，見效快的優(yōu)點，適合大生產(chǎn)推廣應(yīng)用。研究表明，采用二次燃燒氧槍加補熱劑的單轉(zhuǎn)爐大廢鋼比條件下（41.6%），轉(zhuǎn)爐終點溫度達(dá)到1 598℃，脫磷率約為92.9%，完全滿足冶煉終點要求。但實際生產(chǎn)中，要綜合考慮廢鋼成本、加入專用煤成本、轉(zhuǎn)爐冶煉周期等，權(quán)衡得出最佳的單轉(zhuǎn)爐廢鋼比，而不應(yīng)盲目追求單轉(zhuǎn)爐過高的廢鋼比。