转炉溅渣护炉系统优化技术基础理论研究

溅渣护炉技术是在转炉吹炼结束后，通过顶吹氧枪高速喷吹氮气射流，冲击残留在熔池内的部分高熔点炉渣，使熔渣均匀地喷溅粘附在转炉炉衬表面，形成炉渣保护层，达到护炉的目的。该技术在美国LTV厂成功后，使转炉炉龄从5000炉提高到15000炉以上，创造了目前世界上最高的转炉炉龄记录。该项先进技术介绍到中国后，我国许多工厂结合本厂的资源、工艺特点，进行开发采用，获得了明显的经济效益。　　 尽管溅渣护炉技术已经在生产中广泛应用，并获得了巨大的成功。但在溅渣护炉技术的基础理论研究方面，却处于空白状态。最近该方面的研究已经引起国内外广大冶金学者的重视。　　 本文将简单总结钢铁研总院工艺所在下述领域里的研究结果： 　　 (1)熔池溅渣动力学的研究；　　 (2)溅渣层与炉衬的结合机理； 　　 (3)溅渣层的浸蚀试验； 　　 (4)合理的终渣成分控制。 　　 熔池溅渣动力学的研究　　 如何有效地利用高速氮气射流将炉渣均匀地喷溅在炉衬表面，是溅渣护炉的技术关键。其效果决定于以下控制因素： 　　 (1)熔池内留渣量和渣层厚度； 　　 (2)熔渣的物理状态：炉渣熔点、过热度、表面张力与粘度； 　　 (3)溅渣气动力学参数：喷吹压力、枪位以及喷枪夹角和孔数等。　　 通过水力学模型试验和理论分析，研究了熔池溅渣动力学过程，初步提出优化溅渣的工艺参数。　　 1 水模型测定　　 (1)喷吹工艺对溅渣高度的影响　　 1)对不同的介质，不同高度条件下的溅渣量的分布基本相似，随着溅渣高度的升高，溅渣量逐渐降低。　　 2)当溅渣高度hs/D=1.0时，不同高度下的溅渣量的分布规律发生变化。当hs/D≤l.0时，溅渣量的比例高达总渣量的30%~60%，随着高度的增加，溅渣量将迅速降低。在hs/D≥1.0以后溅渣量随高度增加，溅渣量减少的速率降低。在这一高度的范围内，溅渣量约占溅渣总量的0~20%。由此推论，炉内溅渣存在两个反应区：当hs/D≤1.0时，溅渣以渣液面波动为主，溅渣量大，并随溅渣高度增加迅速降低。当hs/D>1.0时，溅渣主要通过反射的高速氮气射流夹带的渣液为主。溅渣量低，但随高度的增加，溅渣量衰减比较缓慢。　　 3)枪位对溅渣高度有较为明显的影响。在同样气源压力下，采用较低的枪位易于造成渣液面的剧烈搅动，有利于转炉下部(hs/D≤1.0)溅渣；高枪位，易于炉渣的破碎、乳化，有利于转炉上部(hs/D>1.0)溅渣。　　 (2)炉渣物性的影响为了测定炉渣物性对溅渣效果的影响，水模中分别采用水、盐水和水玻璃模拟炉渣。溅渣介质的变化对转炉下部、以渣液面波动为溅渣机制的影响较大。随炉渣密度和粘度的升高，渣液面波动造成溅渣量迅速降低。说明对于密度、粘度较高的炉渣，将消耗更多的射流冲击能才能造成液面的剧烈波动。而对于转炉上部溅渣，溅渣介质的变化对溅渣量的影响不大，说明炉渣表面张力的变化对射流乳化和携带液体炉渣能力影响较小。由于熔池溅渣总量主要决定于下部溅渣(约占60%~70%)量，因而在不同压力和喷吹枪位下，盐水溅渣的总溅渣量明显高于水玻璃。　　 (3)喷吹压力与枪位的影响　　 炉内溅渣决定于两种不同的机制：液面波动溅渣与射流携带溅渣。高枪位利于渣滴的乳化与飞溅，适用于转炉的上部溅渣。低枪位利于熔池波动溅渣，适用于转炉下部溅渣。因此，对于不同的气源压力，有一最佳枪位使两种溅渣机制有机地协调配合，达到最佳的溅渣效果。　　 2 理论分析　　 根据能量守恒定律可以确定氮气射流与渣池间的能量关系： 　　 E∑=Es+EI+Eб+ER (1) 　　 即喷吹射流的总能量等于射流对熔池作用的表面功Es与射流对熔池的冲击功EI、射流对熔池的搅拌能Eб以及携带渣滴的反射射流的能量ER的总和。　　 化简式(1)可求出炉内浅渣平均高度儿与各种工艺参数的关系式(1)。　　　　 溅渣层与炉衬结合机理与抗浸蚀性能　　 1 溅渣过程中炉渣成分和结构的变化　　 冶炼和溅渣过程中，随着炉渣成分的改变，炉渣岩相结构发生很大的变化。　　 (1)初期渣：转炉开吹5min，熔池温度约为1420℃，炉渣碱度为R=1.6~1.7，渣中TFe含量较低，MgO含量约为6%~7%，接近或达到饱和值。初期渣矿相组成几乎全部为硅酸盐结构。结晶相为镁硅钙石(3CaO?MgO.2SiO2)，结合相为橄榄石[CaO.(Mg、Fe、Mn)O?SiO2]。未发现RO相。MgO、FeO皆赋存于硅酸盐相中。　　 (2)终点渣：普通转炉终渣(如太钢渣)，碱度为3.3~3.7。渣中全铁波动在13%~18%。渣中MgO的饱和浓度为3%~4%，但实际中MgO含量达到3%~13%，超过饱和溶解度值。终渣硅酸盐相以发达的板条状C3S为主，C2S含量极少。结合相为铁酸二钙(C2F)和RO相，约占总量的15%。结晶的MgO包裹在C3S晶体中或游离的结合相中。　　 采用半钢冶炼的终渣(如承钢终渣)，铁酸盐高达40%~50%，C2S相只占20%~25%，还有少在量未熔的MgO颗粒。　　 (3)改质渣：转炉出钢后，如果出钢温度过高、溅渣粘度较低时，往往需要添加少量石灰或续质材料调整炉渣成分和温度，以利于溅渣护炉。改质炉渣中往往出现弥散未熔的石灰或MgO颗粒。同时C2S含量增加并发育为良好的板条状。　　 (4)溅后渣：溅渣后由于气流的冷却作用，使炉渣的岩相结构发生了明显的改变。粗大发育良好的板条状C3F被破碎成细小的颗粒，均匀弥散地分布于铁酸钙结合相中，使炉渣的密度增高。　　 2 溅渣层与炉衬的结合机理　　 为了研究溅渣层与炉衬耐火材料的结合机理，在试验室内进行了小型柑埚溅渣试验。溅渣后的柑埚在炉内缓冷后纵向剖开进行岩相观察。　　 岩相分析结果证明，溅渣沿纵向分布很不均匀： 　　 (1)由渣池向上，柑埚侧壁上的溅渣层由厚逐渐变薄，上部溅渣层的厚度仅为0.1~0.5mm；而柑埚下部是较厚的密实溅渣层。　　 (2)上部溅渣层颜色黑亮有金属光泽；下部渣层颜色暗，表面粗糙，有表面显微裂纹和气孔。　　 (3)从渣池底部向上连续溅渣层的矿物组成，发现随高度的增加，溅渣层的矿物组成逐渐发生明显的变化。在柑埚的底部，被气流破碎的粒状C3S和C2S以及结晶MgO颗粒富集在铁酸盐结合相内。　　 随溅渣高度的增加，高熔点氧化物(C3S、C2S和MgO颗粒)逐渐减少，铁相增加。在柑埚上部形成以铁酸盐为主的低熔点溅渣层。　　 溅渣层与Mg-C砖的结合部可细分为三个区域： 　　 (1)烧结层：铁酸钙盐C2F沿续碳砖表面的显微气孔和裂纹，向致密的MgO机体内扩散。溶解与Mg0颗粒反应生成铁续橄榄石(MgO-Fe2O3)烧结层。　　 (2)结合层：在溅渣层一MgC砖表面，溅渣层中的铁酸钙将砖衬中突出的MgO颗粒包裹起来，形成镇铁橄榄石的化学结合。同时，溅渣层中C3S、C2S和MgO颗粒在气流的作用下镶嵌在粗糙的耐火衬表面，形成机械结合。　　 (3)溅渣层：以粗大的高熔点颗粒状C3S、C2s和MgO晶团为骨架，固溶在R0相和铁酸钙结合相中。　　 通过上述分析，推论出溅渣层与炉衬砖的结合机理如下： 　　 在溅渣初期，低熔点流动性强的富铁炉渣首先溅射到炉衬表面，沿衬砖表面显微气孔和裂纹向MgO机体内扩散，形成以(MgO?CaO)Fe2O3为主的烧结层。　　 随溅渣的继续，颗粒状的高熔点氧化物(C3S、C2S和MgO)被气流溅射到炉衬砖表面，形成以镶嵌为主的机械结合。同时富铁的低熔点炉渣包裹在耐火砖表面突出的MgO颗粒周围形成化学结合层。　　 随着溅渣的进一步进行，使大颗粒C3S、C2S和MgO晶团溅射到结合层表面并与铁酸钙RO相相结合，冷却固溶形成衬砖表面溅渣层。　　 3 溅渣层的浸蚀特性　　 为了研究溅渣层的抗浸蚀性能，在试验室内测定了两种合成渣在初渣和终渣条件下的浸蚀速度。　　 试验结果证明： 　　 (1)溅渣层对转炉初期渣有较强的抗浸蚀能力，能够起到保护炉衬的作用。　　 (2)溅渣层对高温终渣的抗浸蚀能力很差。进一步提高溅渣层的熔点是提高溅渣层抗浸蚀能力的关键。同时，在生产实践中坚持一炉一溅和低温出钢，将有利于提高溅渣护炉的效果。 　　 适宜溅渣护炉的终渣成分控制　　 试验证明，高温熔化将造成溅渣层的严重浸蚀。因此，改变炉渣成分，进一步提高炉渣的熔化性温度，有利于溅渣护炉。　　 在一定的碱度条件下，提高渣中TFe含量将使炉渣熔化性温度明显降低。而碱度变化对炉渣熔化性温度影响不大。在正常炼钢条件下，控制渣中TFe=15%~20%，炉渣熔化性温度波动在1720~1780℃之间。　　 在渣中TFe=20%的前提下，改变渣中MgO含量和炉渣碱度，可以调整炉渣的熔化性温度。　　 (1)当渣中MgO含量小于8%时，对同一碱度，随MgO含量的增加，炉渣熔化性温度降低。在此范围内，增加MgO含量有利于熔池化渣，不利于溅渣护炉。当渣中MgO含量大于8%以后，对于确定的碱度，增加MgO含量有利于提高炉渣的熔化性温度。　　 (2)当MgO含量小于8%时，对同一MgO含量，提高炉渣碱度，将降低炉渣熔化性温度；当M束。含量大于8%以后，对同一MgO含量，提高炉渣碱度，会提高炉渣熔化性温度。　　 (3)对于正常炉渣碱度范围(R=2.1~3.8)，控制炉渣MgO含量为8%~10%，将使炉渣熔化性温度降低至最低点(l700~1725℃)，不利于溅渣护炉。　　 (4)从溅渣护炉的观点出发，最佳的炉渣成分控制为： 　　 低碱度、低MgO含量区域(R=2.l~2.4；MgO≤4%、TFe=20%) 　　高碱度、低MgO含量区域(R=3.0~3.8；Mg0≥l2%、TFe=20%) 　　 该区域内，炉渣的熔化性温度可达到1800~1870℃。 　　 结语 　　 从水模试验、炉渣岩相检验、试验室高温模拟溅渣及理论计算几方面进行了溅渣工艺动力学、炉渣改质、粘结机理、溅渣层的损蚀机理及适宜溅渣的终渣成分等方面的研究工作，取得了初步的结果，有些尚不能得出确切的结论。由于篇幅所限不能详细论述，其中部分工作今后还将深入进行，以期得出更为符合实际得结论。