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钢包整体式透气砖改造实践

赵彦华，李江红，刘利国

(邯郸钢铁集团公司三炼钢厂，河北邯郸；056015)

摘 要：邯钢三炼钢厂投产后采用分体式单透气砖，存在透气率低、安全性差等问题。通过研究钢包底吹氩的原理、底吹位置的确定，并提出整体式透气砖工艺优化方案，钢包透气率达到99．97％以上，钢包包龄提高到100炉。

关 键 词：钢包底吹氩；透气砖；透气率

1  前言

邯钢三炼钢厂自1997年年底投产后，采用钢包底吹氩+LF炉的炉外精炼装置，取得了较好的精炼效果。此种处理模式的关键是钢包底吹气正常。我厂钢包采用分体式单透气砖，存在着透气砖泥缝钻钢的安全隐患及透气率较低的不足之处，为此，2007年初我们对钢包进行整体式透气砖改造，消除泥缝钻钢的隐患，提高钢包透气率及包龄。本文着重研究钢包底吹氩的原理、底吹位置的确定，整体式透气砖设计方案，并提出工艺操作优化方案，确保透气性良好，从而充分发挥钢包底吹氩+LF炉处理模式的优势，提高产品质量。

2  钢包底吹氩的原理

钢包底吹氩气搅拌，可以用肖泽强等人提出的全浮力模型[1]来定量描述钢包内钢液的运动规律。吹气搅拌的原理可以这样来解释：吹入钢水的气体形成气泡而上浮，由于气体的浮力和膨胀功，会抽引相当于气体体积50~100倍的钢水做循环流动，从而产生强烈的搅拌作用。在某一临界值之内，这种搅拌强度是随吹气量的增加而增加的，由于连续向钢包吹气，钢水则不断被搅拌和翻动，这样就形成了钢包冶金所必须的动力学条件。氩气是一种惰性气体，从钢包底部吹入钢液后，形成大量小气泡，氩气气泡形成一个个“真空室”，使钢中[H][N]进入气泡，降低其含量，并可进一步除去钢中的[O]，同时，氩气气泡在钢液中上浮而引起钢液强烈搅拌，提供了气相成核和夹杂物颗粒碰撞的机会，有利于气体和夹杂物的排除，并使钢液的温度和成分均匀[2]。

3  钢包底吹氩位置确定

为确定合适的底吹氩位置，我厂进行了直口钢包水模试验。试验表明，在我厂钢包及钢水条件下，底吹位置在距包底中心1／2半径处，钢水混匀时间最短。因此，整体式双透气砖位置为：1#透气砖沿原位置向圆心缩小150mm，2#透气砖以钢包竖轴为轴与1#透气砖位置对称。

4  底吹氩精炼能力

4．1  使用条件

平均出钢量G=115t

氩气温度T0=298K

钢液温度T1=1873K

钢水深度h=2．8m

大气压pa=0．101MPa

钢水密度ρ=7000kg／mm3

氩气流量Q=10L／s

氩气压力P0=1．2MPa

4．2  搅拌能力的计算

在钢包底部靠近透气砖外的氩气温度由T0急剧上升到钢液温度T1所做的膨胀功：

E1=Q122．4×R×(T1－T0)=5845．8W

气体上浮过程中，由于钢液的静压力不断减小而使气体所做的膨胀功：

E2=Q／22．4×R×T1×lnP0／pa=17205．5W

浮力所做的功：

E3=E2=17205．5W

喷出气体的动能E4及等温膨胀功E5可忽略不计。

则气体对钢液所做的功：

E=E2+E3=34411W

比搅拌功率：

ε=E／G=299．2W／t

混匀时间：

t=800×ε-0.4=82s

当P0=0．6MPa，Q=1．5L／s(软吹)时，混匀时间为200s。

5  整体式透气砖设计方案

5．1  结构特点

整体式透气砖结构特点：透气砖芯与座砖结合成为一个整体，砖芯埋入座砖内部，内部透气砖芯底部高于座砖底部25mm，并且砖芯与座砖之间设有金属锚钩相连接，增加结合的牢固性，同时透气砖芯与座砖之间没有火泥缝，减少安全隐患，提高了安全系数。

在透气座砖四周加台阶，确保钢液顺着包底砖～填缝料~座砖任意二者之间的缝隙向下渗透时会发生方向改变，停止渗透杜绝渗钢。

5．1．1  透气砖芯的改进

将透气砖小头端面由Φ100mm扩至Φ120mm，便于透气砖狭缝布置。

5．1．2  钢包底吹模式

由底吹氩精炼能力计算可知，单透气砖底吹氩可满足我厂正常精炼时底吹搅拌的要求，因此，我厂采取单吹模式，另一块整体式透气砖备用。

5．2  钢包底吹氩装置优化方案

在钢包底部，安装1#、2#透气砖金属弯管并保持其位置惟一，通过金属软管将1#、2#透气砖分别与1#、2#透气砖金属弯管及快速接头相连接。

6  改造过程中出现的问题

6．1  透气砖狭缝渗钢造成不透气事故。

6．2  透气座砖断裂造成不透气事故。

6．3  钢包各部位耐材寿命不匹配。双透气砖钢包使用33~35炉后，钢包渣线砖残厚约130~150mm，再砌双透气砖时因渣线原因造成透气砖寿命偏低。

7  钢包整体式透气砖工艺操作优化方案

7．1  严格执行出钢过程钢包底吹气工艺操作制度。钢包座在转炉钢包车上，插枪接通底吹系统(但不吹气)，在线快速烘烤。转炉出钢前30~60秒开始吹氩。如果吹氩时间过长，透气砖狭缝因长时间冷却而收缩，易造成狭缝处碎裂，严重者将导致渗钢现象。

7．2  转炉严格按温度制度出钢，防止出低温钢。不能及时进精炼的钢水应接通临时吹氩点，小流量间断吹气，防止长时间不吹气造成的透气砖不透气事故。

7．3  确保底吹压力大于最低压力Pmin。

Pmin=Pa+ρgh+P损

式中Pa——钢液面上气相压力

ρg h——钢液和渣层的压力

P损——供氩管道和透气砖中的压力损失

加强检查，确保各管路及金属软管接头处无漏气现象。

7．4  出钢或精炼结束后应缓慢关闭氩气阀门。

采用在钢包底吹金属弯管上安装单向逆止阀的方式，当关闭氩气阀门后，单向逆止阀关闭，透气砖底吹弯管内留有一定压力的氩气与钢液静压力及大气压相平衡，防止钢水以正压力进入狭缝导致渗钢，并可防止钢水反向冲击对透气砖的损毁。

7．5  控制透气砖狭缝厚度在0．15~0．20mm之间，防止狭缝渗钢。为增加透气量，可选择增加狭缝数量的方法[3]。现狭缝数量由原来的36条增加到48条，透气量(0．3MPa)由平均20Nm3／h增大至平均26Nm3／h。

7．6  提高透气座砖质量，尤其是高温抗折强度、抗冲刷及热震稳定性。优化修砌工艺，在透气座砖与包底砖之间打结刚玉填缝料，减少包底砖热应力对透气座砖的剪切力，防止透气座砖断裂造成钢包不透气事故。表1为改进后透气座砖理化指标。

7．7  加强热修操作及钢包周转管理。钢包浇钢完毕，必须及时倒浇余。空包到热修位后，插上要使用的单侧透气砖快速接头，用中压氮气测试透气砖流量，若达到使用流量要求，则可不作处理或轻处理；若流量不能满足要求，则采用烧氧反吹措施：接通中压氮气反吹，用氧气吹扫透气砖表面的残钢残渣，直至透气砖流量达到使用要求。优化周转钢包使用管理，双透气砖钢包根据包龄单、双数对应使用1#、2#透气砖，科学合理使用透气砖，满足生产需要。

7．8  优化钢包修砌方案。根据双透气砖侵蚀速度(平均1．6m／炉)，计划使用33~35炉，保透气砖安全使用(透气砖残厚≥180mm)，此时钢包渣线砖残厚约130~150mm，砌包时使用单透气砖，再使用20炉左右(单透气砖平均侵蚀速度1．4mm／炉，透气砖残厚≥180mm)甩包返修，使钢包各部位耐材合理匹配，达到钢包安全使用的目的。

7．9  确保红包、净包出钢。当透气砖吃损深时，非红包出钢，包底易形成冷钢堵塞透气砖表面，导致透气量小或不透气。

7．10  转炉、精炼位确认使用热修处理后透气性良好的单侧透气砖。

7．11  钢包吹气搅拌氩气纯度应为99．99％，其含氧量应严格控制在国家规定的8ppm以下。含氧量严重超标的氩气在通过透气砖工作面时，由于氧气在透气砖工作面助熔将加速透气砖高温熔损，轻者造成透气砖寿命普遍降低，严重者将导致透气砖钻钢事故。

8  结论

通过对钢包底吹氩的原理分析、利用水模确定合理的底吹位置，有针对性地提出钢包整体式透气砖工艺优化措施，用以指导生产。

我厂严格工艺操作，钢包透气率达到了99．97％以上。钢包整体式双透气砖改造后采用单吹法，钢包一次包龄由改造前的平均20炉提高到平均34炉，确保了红包出钢，便于转炉、精炼控制好钢水温度。

同时，由于适当增大透气量及透气率的不断提高，LF炉处理CSP钢水平均精炼时间降为30min，脱硫率平均达到75％以上，CSP钢种平均S含量为0．0062％，最低可达0．001％；提高合金收得率，成分、温度均匀化，钢水质量大幅度提高，取得较好的冶金效果及经济效益。

参 考 文 献：

[1]   徐增殷，炉外精炼，冶金工业出版社，1994．59—62．

[2]   夏杰生．炼钢—连铸新技术800问．冶金工业出版社．2004．157．

[3]   周建安，朱苗勇，潘时松．狭缝式透气砖内气流速度分布规律及阻力研究[J]．炼钢，2007，(1)：19—20．