強底吹供氣工藝對轉爐終點碳氧反應的影響★

魏 哲

（山西工程職業學院， 山西 太原 030009）

目前，我國鋼鐵行業正處于產能產量雙重限制，原材料成本上漲[1-2]，節能增效是企業謀生存、求發展的重要舉措。目前長壽命轉爐復吹冶煉工藝是現代煉鋼必須采取的先進技術，在頂底復吹工藝實踐中，底吹供氣系統發揮著關鍵性的技術作用[3]。頂底復吹轉爐現多采用彌撒式透氣磚作為底吹供氣元件，由于供氣強度小，雖然爐役前期底吹效果較好，但是爐役中后期透氣磚易堵塞，造成爐底高，底部串氣，既不利于熔池攪拌降低碳氧積，又容易加大對耳軸等部位的爐襯侵蝕，造成爐齡縮短，爐況變差，輔料消耗增加，復吹的優勢不能充分發揮。

為延長爐底底吹壽命，降低碳氧積，降低鋼鐵料消耗，保證經濟爐齡，某煉鋼廠針對轉爐爐底供氣模式進行了自主創新，本文通過研究底吹元件供氣原理、分析不同供氣元件優缺點，通過設計計算和不斷試驗研究，開發了一種新型180 t 轉爐用的“中心管+環管”強底吹供氣工藝，并將該工藝應用到實際生產中，碳氧積水平達到國內領先水平，經濟效益明顯提高。

1 底吹供氣元件設計

1.1 底吹供氣元件的設計方案

為了提高轉爐的脫碳效率，均勻熔池內液態金屬的溫度，增加[P]、[S]等有害元素的脫除速度，目前，大多數轉爐均采用了底吹氣體攪拌的形式。常見底吹供氣元件一般采用狹縫、彌散透氣磚、環縫、中心管的形式，采用中心管時一般使用中心管內填耐火材料的形式，不具備中心管通氣能力[4-6]。為提高轉爐供氣強度，使用的“中心管+環管”底吹供氣元件，設計了五種不同尺寸參數的BOF 轉爐底吹“中心管+環管”供氣元件，如表1 所示。

表1 五種不同“中心管+環管”方案的尺寸參數表

根據出口速度相當的情況下，流量、壓力及截面積之間的關系：

式中：P為壓力，MPa；A為截面積，mm2；Q為流量，m3/min。

根據該公式可以計算得出不同內徑、外徑下的環截面積、內截面積和總面積。其中現有的彌散式透氣磚總面積為282.6 mm2。

1.2 180 t 轉爐底吹供氣元件的工業試驗方案

從上述底吹氣體元件的設計方案中，確定了中心管、環管的尺寸和合理的底吹布置結構后，對某鋼廠現有的兩座180 t 轉爐強底吹供氣元件進行了兩種不同方案的工業試驗，具體改造方案如表2 所示。

表2 兩種不同方案的工業試驗表

2 結果與分析

2.1 中心管與環管尺寸參數的確定

下頁圖1 和圖2 分別表示不同中心管內徑下中心管與環管中流量與壓力的關系，從圖中的計算和實際結果看，不同的條件下的差異較大。根據圖中流量與壓力關系，達到相同壓力內徑7 mm 中心管所需流量最小，現實際用180 t 轉爐底吹總管最大流量30 m3/min，能夠滿足內徑7 mm 中心管壓力要求，綜合考慮選取1#方案中心管內徑7 mm 所需流量與現有管路壓力和流量匹配，底吹供氣強度可由0.03 m3/（min·t）提高至0.17 m3/（min·t）。

圖1 不同中心管內徑下中心管流量與壓力關系

圖2 不同中心管內徑下環管流量與壓力關系

對“中心管+環管”底吹供氣元件進行測試，環管、中心管的流量與壓力均呈線性關系如圖3、圖4所示，環管流量壓力回歸方程式為y=1.067x+0.096 5；從中心管的壓力與總流量看，總流量最大為23m3/min，回歸方程式為：y=11.166x+1.345 3。根據測試結果和回歸方程式，環管及中心管的流量與壓力的最大值與最小值如表3 所示。

圖3 環管流量與壓力的關系

圖4 中心管流量與壓力的關系

表3 中心管、環管流量壓力值

復吹轉爐溶池混勻時間不僅與頂槍供氣強度、槍位以及底吹氣體供氣強度有關，更重要地是與底槍布置位置有關系。底槍在爐底的0.4D～0.6D圓周上以偏心布置或非對稱集中布置，有利于縮短溶池混勻時間。因此，選取爐底0.4D～0.6D范圍內不同位置布置底吹元件。

2.2 工業試驗強底吹供氣模式吹煉終點碳氧積比較

強底吹供氣模式下，采用轉爐前期脫磷技術后，對2 個180 t 轉爐爐座終點碳氧積進行了比較。圖5和圖6 分別代表1#BOF 和2#BOF 轉爐工業試驗后碳氧積情況。

圖5、圖6 中對比了1#轉爐每次冶煉碳鋼階段的碳氧積，碳氧積過程有所波動，但整體控制水平比較好，1#BOF 轉爐爐齡3 500 次，使用透氣磚時，碳氧積平均為0.002 789，使用新型“中心管+環管”強底吹供氣模式后碳氧積平均為0.001 858，下降到原來的66.6%；2#BOF 轉爐爐齡1 000 次，原底吹使用透氣磚時碳氧積平均為0.002 437，底吹供氣模式采用中心管+環管方式后，平均碳氧積為0.001 772，下降到原來的72.7%，因此，工業試驗的方案一要好于方案二。兩種方案中碳氧積均低于0.002 0，這與國內其它鋼鐵企業相比，碳氧積標準已經達到國內領先水平，這說明該改造方案行之有效[7-8]。

圖5 1#BOF 改造前后碳氧積

圖6 2#BOF 改造后碳氧積

2.3 經濟效益

本項目在2020 年2 月至9 月在煉鋼現場穩定應用，創造了較大的經濟效益。2020 年終點氧降低后鋁耗下降，具體情況如下表4，其中鋁單價11 元/kg，脫氧鋁耗0.33 kg/（×10-6），爐產量190 t。

表4 鋁耗降低量對比表

1）鋁耗降低效益。產量/爐產量×終點氧降低量×鋁單價×脫氧鋁耗=（0.11×547493.2+0.33×889 57.4+0.28×114 504.5+0.27×874 82.3）×11 =211.84萬元。

2）鋼鐵料消耗降低效益。鋼鐵料消耗降低值×產量×鋼水價格=（1068.2-106 6.58）kg/t×254.9 萬t×2.3 元/kg=949.76 萬元。

合計效益=211.84+949.76=1161.6 萬元。

故本研究從2020 年2 月到9 月，在現場應用創造的效益1161.6 萬元。

3 結論

1）本文創新性的開發出具有單獨供氣的“中心管+環管”底吹供氣元件，通過設計計算確定“中心管”內徑7 mm，“環管”縫隙1 mm，確定了合理的底吹布置結構。

2）通過試驗研究確定180 t 轉爐合理的底吹元件為6 個，選取爐底0.4D～0.6D范圍內不同位置布置，滿足了轉爐大流量底吹要求，底吹強度由0.03 m3/（min·t）提高到0.25 m3/（min·t）。

3）大幅提高熔池鋼水攪拌強度，有效地促進煉鋼碳氧反應的進行，碳氧積明顯下降，均小于達到0.002 0，達到國內領先水平，同時，減少輔料消耗，創造較高的經濟效益。