260 t轉爐經濟爐齡探索實踐

陳晨，于海岐，趙自鑫，馬寧，王富亮，周景輝，李超

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007）

轉爐經濟爐齡是指成本最低、效益最大的爐齡，即轉爐從冶煉第一爐鋼水到停爐大修期間，生產率最高、鋼水質量最好、維護及大修成本最低時所冶煉鋼水的爐數。目前，國內對180 t轉爐經濟爐齡研究已有報道，如鞍鋼180 t頂底復吹轉爐最佳目標經濟爐齡定為4 500爐，為實現全爐役有效復吹，制定了該爐齡下爐體和復吹系統維護方案，采用該方案實踐后，爐齡達到4 401爐[1]。寧鋼綜合考慮冶煉工藝指標（包括鋼水收得率、鋼產量、終點氧、耗氧量、碳溫雙命中率）和轉爐維護運行等因素后，初步測算其180 t頂底復吹轉爐經濟爐齡約為7 000爐[2]。但尚無260 t轉爐的經濟爐齡報道。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司（以下簡稱“鲅魚圈”）共有3座260 t轉爐，運行10年來，出現了爐役后期碳氧積高、鋼鐵料消耗高、脫氧成本高、爐襯磚薄等問題。本文以鲅魚圈260 t M轉爐第14爐役（以下簡稱“M14”）的生產實際為例，分析轉爐爐齡的增長對碳氧積、轉爐綜合效益、轉爐爐襯厚度等的影響，探索出合適的經濟爐齡。

1 轉爐主要工藝裝備

鲅魚圈轉爐爐體及氧槍主要技術參數見表1。

表1 轉爐爐體及氧槍主要技術參數Table 1 Main Technical Parameters for Converter Body and Oxygen Lance

2 經濟爐齡的研究

鲅魚圈M14于2019年9月13日開爐，2020年9月14日停爐，運行12個月，累計生產8 269爐，產量213.7萬t。統計了M14碳氧積、鋼鐵料消耗等基礎數據，對隨轉爐爐齡的增加，碳氧積和鋼鐵料消耗情況、轉爐經濟效益變化進行了分析，旨在找出適合的經濟爐齡。

2.1 爐齡對底吹效果的影響

轉爐底吹效果直接影響到鋼水質量及物料消耗，碳氧積是衡量轉爐底吹狀態的直接指標。碳氧積低時，底吹效果好，熔池攪拌強，促進鋼渣液面反應更加接近平衡狀態，鋼水成分均勻，鋼中氧含量低，鋼水質量好，反之，消耗增加，鋼水質量降低。

2.1.1 碳氧積隨爐齡變化的分析

統計M14碳氧積隨爐齡增長的變化情況，如圖1所示。由圖1可以看出，隨著爐齡的增加，碳氧積顯著上升，爐齡在5 000爐以內時，碳氧積穩定控制在0.002 2以下，爐齡達到5 000爐以上時，碳氧積增加趨勢非常明顯，最高達到了0.002 4，底吹效果變差。

圖1 碳氧積隨爐齡增長的變化情況Fig.1 Changes of Product of Carbon Content and Oxygen Content with Campaign Life Growing

2.1.2 鋼鐵料消耗隨爐齡變化的分析

統計2020年1-9月在不同碳氧積狀態下，同一鋼種（SPHC）的鋼鐵料消耗見表2所示。由表2可以看出，隨著碳氧積的增加，鋼鐵料消耗也增加。由此推斷，當爐齡超過5 000爐后碳氧積明顯增加，鋼鐵料消耗會顯著增加。

表2 不同碳氧積下鋼鐵料消耗Table 2 Consumption of Charging Materials under Different Products of Carbon Content and Oxygen Content

2.1.3 終點氧與脫氧成本變化的分析

爐役后期，底吹效果差，碳氧積高，終點氧增高。統計2020年同一鋼種（SPHC）在不同終點氧含量條件下的脫氧成本見表3所示。

表3 不同終點氧含量條件下的脫氧成本Table 3 Deoxidation Cost under Different Oxygen Content at End Point

轉爐冶煉過程中，轉爐內存在著直接傳氧與間接傳氧兩種途徑，直接傳氧是氧氣被鋼液直接吸收；間接傳氧是氧氣通過熔渣傳入金屬液中，熔池表面的金屬液被大量氧化而形成高氧化鐵熔渣是傳氧的良好載體。轉爐冶煉過程以間接傳氧為主，冶煉過程鋼和渣中的氧處于動態平衡狀態，相互傳導過程中，轉爐復吹效果好，熔池攪拌強，促進鋼渣界面反應更接近平衡狀態，可以顯著降低鋼水和熔渣中的過剩氧含量，碳氧積高時，鋼渣中的過剩氧高，鋼和渣中的氧含量高。

由表3計算得出，終點氧平均每增加0.01%，終渣TFe平均增加0.34%，理論鋁耗平均約增加0.13 kg/t，脫氧成本平均約增加1.8元/t。

2.2 爐齡對轉爐綜合效益的影響

綜合不同爐齡條件下轉爐碳氧積的變化，以及由此而帶來的鋼鐵料與脫氧合金成本的變化，統計M14不同階段轉爐鋼鐵料成本和合金消耗成本，計算出轉爐綜合效益，圖2為轉爐綜合效益與爐齡的關系。

圖2 轉爐綜合效益與爐齡的關系Fig.2 Relationship between Comprehensive Benefits of Converter and Its Campaign Life

從圖2可以看出，轉爐復吹綜合效益隨著轉爐爐齡的增加呈降低趨勢，爐齡超過5 000爐時，由于復吹效果變差，復吹綜合效益明顯降低，經計算，與5 000爐之前相比，平均噸鋼效益降低2.2元。由此判斷，單純從綜合效益考慮，轉爐爐齡控制在4 500～5 500為宜。

3 襯磚安全爐齡的研究

鲅魚圈轉爐內襯的工作層全部砌筑鎂碳磚，鎂碳磚中含有相當數量的石墨碳，它與熔渣的潤濕性較差，阻礙著熔渣向磚體內的滲透，所以鎂碳磚的使用壽命較長。轉爐冶煉過程中，鎂碳磚表面的碳首先受到氧化性熔渣TFe等氧化物、供入的氧、爐氣中的CO2等氧化性氣氛的氧化作用以及高溫下MgO的還原作用，使鎂碳磚表面形成脫碳層。由于碳的氧化脫除，磚體組織結構松動脆化，受爐液的流動沖刷發生流失而被蝕損。隨著冶煉爐數的不斷增加，鎂碳磚經過氧化-脫碳-沖蝕逐步侵蝕[3]，轉爐工作層厚度逐漸減薄。因此，經濟爐齡的制訂還要綜合考慮整個爐役期間爐襯的安全。

3.1 轉爐爐襯厚度與爐齡的關系

鲅魚圈轉爐耳軸固定在南北方向，東大面為受鐵、廢鋼面，西大面為出鋼面，爐底布置10支底槍，東、西大面以及爐底為主要侵蝕部位，統計M14整個爐役的激光測厚結果，得出爐襯厚度與爐齡的關系如圖3所示。

圖3 轉爐爐襯厚度與爐齡的關系Fig.3 Relationship between Converter Lining Thickness and Its Campaign Life

從圖3可以看出，受全爐役底吹的影響，爐底侵蝕最為嚴重，東西大面侵蝕速度總體相當。6 000爐時補爐底料所以爐底厚度趨勢虛高，實際上這一階段爐底侵蝕速度加快，到7 000爐時爐底厚度表現得急劇降低。主要原因是爐齡增加后，底槍裸露，氣泡反擊、水錘沖刷現象嚴重，底吹元件周圍耐火材料形成凹坑，并且凹坑逐漸加深，對流傳熱差，加劇了爐底侵蝕。

3.2 停爐后爐襯及殘磚厚度檢測

停爐后爐襯各部位測厚結果如表4所示。

表4 爐襯測厚結果Table 4 Thickness Measurement Results of Converter Lining mm

從表4的測厚結果看，轉爐爐襯各部位工作層厚度均顯著減小，尤其是爐底，其厚度遠低于報警值（500 mm）。

對停爐后的爐襯殘磚實際厚度進行了測量，結果底槍座磚厚度為380 mm，實際爐底工作層厚度僅為200 mm（爐底砌筑共兩層：報警層和工作層，前者砌筑兩層鎂磚共180 mm，后者砌筑鎂碳磚厚1 300 mm），存在極大的漏鋼隱患。

通過以上分析可以得出，從爐襯安全的角度考慮，爐齡5 000～6 000比較適合，結合轉爐的綜合效益后認為，經濟爐齡應控制在5 000～5 500，可保證全爐役底吹，此時爐襯厚度為550～700 mm（由圖3得出），計算平均碳氧積為0.002 2。

4 經濟爐齡的保障措施

濺渣護爐是利用高壓氮氣的吹濺使MgO含量達到飽和或過飽和的煉鋼終點渣在爐襯表面形成一層高熔點的熔渣層，并與爐襯很好的粘接附著。通過濺渣形成的濺渣層耐蝕性較好，同時可以抑制爐襯磚表面氧化脫碳，又能減輕高溫熔渣對爐襯的侵蝕沖刷，從而保護爐襯磚，提高爐襯壽命。但是，濺渣時部分熔渣附著于爐襯表面，剩余部分都集中在了爐底，與爐底的鎂碳磚結合，會引起爐底的上漲。復吹工藝濺渣時，底部仍然供氣，上、下吹入的都是冷風，爐溫有所降低，導致熔渣進一步變粘；高熔點晶體發育長大，并包圍著MgO晶體或固體顆粒，形成了堅硬的致密層，在底部供氣不當時會加劇爐底的長高[3]。為了穩定煉鋼操作，并兼顧保護爐襯與控制碳氧積，根據轉爐鋼水液位高度（BL值），采取了不同的濺渣護爐措施。

（1）當BL值小于180 cm時，爐底較薄，此時存在爐底底槍處漏鋼風險，為保證爐底安全，制訂漲爐底方案：①冶煉過程加入2 t白云石，如果溫度不夠可以少加3 t廢鋼；②濺渣時加入500 kg白云石或1 t輕燒白云石來漲爐底；③出鋼溫度高于1 710℃時，濺渣結束后爐子在零位停1 min。采取上述方案可以逐步提高爐底厚度，在保證底吹效果的情況下，實現爐底安全。

（2）當BL值在 231～250 cm時，爐底較厚，底槍易堵塞，影響冶煉效果，采取降爐底方案：① 停止鋪大面工作；② 采用吹爐底操作，根據生產間隙每班吹兩次；③吹爐底操作要點為濺渣結束后，將爐渣全部倒掉，氧槍選用“維修”方式，在操作臺上將氧槍降到下極限槍位，氧氣流量調至45 000 m3/h，吹1 min。吹完爐底要檢查爐襯。采取上述方案可以避免爐底的進一步增高，減少底槍堵塞幾率，保證底吹效果。

（3）當BL值大于250 cm時，此時底槍存在堵死的可能，必須對爐底進行處理，措施有：① 必須安排化爐底；②留渣量要求為出鋼結束后不濺渣，留三之一的爐渣；③ 化渣操作為氧槍選擇“手動”工作方式，氧氣流量為40 000 m3/h；④ 在操作臺上按動 “下降按鈕”逐漸將氧槍降至要求的槍位，化爐底控槍方案見表5；⑤化完爐底要進行濺渣操作，濺渣過程中加入1 t礦石，保證爐渣降溫；⑥化完爐底后要仔細檢查爐襯各部分狀態是否滿足要求。采取上述方案可將爐底厚度維護在230 cm以下，保證可視底槍數量，保障底吹效果。

表5 化爐底控槍方案Table 5 Scheme for Controlling Oxygen Lance in Removing Slag Accumulated at Converter Bottom

5 結論

結合鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司260 t轉爐的生產實際，研究了碳氧積與爐齡的關系、碳氧積與鋼鐵料消耗的關系及終點氧與脫氧成本的關系，得出轉爐綜合效益與爐齡的關系，并制定了濺渣護爐措施。

（1）隨著轉爐爐齡的增加，轉爐碳氧積顯著升高，復吹綜合效益逐漸降低，爐襯厚度逐漸減薄。爐齡超過5 000爐后，碳氧積最高增加了0.000 2，復吹綜合效益降低了2.2元/t，轉爐爐底厚度遠低于報警值（500 mm）。

（2）綜合考慮運行成本和爐襯安全，建議260 t轉爐爐齡控制在5 000～5 500爐，可保證全爐役底吹，此時爐襯厚度為550～700 mm，平均碳氧積為0.002 2。當鋼水液位高度BL值小于180 cm時，執行漲爐底濺渣方案，大于230 cm時，執行降爐底濺渣方案。