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转炉留渣安全操作研究与实践探讨

王羽，王安军，商勇，林利平

(武钢炼钢总厂二分厂，湖北武汉430083)

摘 要：结合武钢炼钢总厂二分厂的现状，对留渣操作的热力学和动力学条件进行分析，总结出了安全留渣的工艺参数，并制定和实施了安全留渣操作措施，为实现具有显著效益的留渣炼钢工艺提供了可靠性依据。

关 键 词：转炉炼钢；安全留渣；经济效益

转炉炼钢生产中，通常有3种造渣操作，即单渣操作、双渣操作和留渣操作。单渣操作工艺比较简单，冶炼时间短，劳动条件好。双渣操作是指在吹炼过程分一次或几次除去1/2～2/3的炉渣，然后加渣料重新造渣。其优点是可以消除大渣量引起的喷溅，获得较好的去除磷、硫的效果，减轻炉渣对炉衬的侵蚀。留渣操作是指将上炉部分或全部炉渣留下供下炉使用。这种造渣操作具有一系列的优点，但其最大不足是在兑铁过程中容易产生喷溅，从而危及炉前工人及设备的安全。所以控制留渣操作所产生的兑铁喷溅也就十分必要。

武钢炼钢总厂二分厂有3座公称容量为80t的转炉，2011年之前一直采用的是单渣操作和双渣操作，熔剂消耗非常高，石灰单耗达58kg/t，轻烧单耗26kg/t，萤石单耗5kg/t。2011年钢铁市场萎缩，钢材价格持续走低，为了提高盈利能力，必须降低生产成本，武钢炼钢总厂二分厂对留渣操作进行理论分析并进行实践，采取一定的措施做到安全留渣，熔剂单耗大幅度降低。

1 转炉安全留渣的热力学条件分析

转炉留渣操作有时在兑入铁水时会发生大喷渣，其原因是上一炉终渣中的(O)扩散到铁水中后与铁水中的[C]发生剧烈的碳氧反应引起的。然而铁水中还含有[Si]，在一定条件下碳氧反应可以被抑制。这个条件是把温度控制在某个临界值以下，临界温度可以通过热力学计算求出来的。计算方法如下：

取R=3.0，w(FeO)为15%，查表得a(SiO2)为0.0001，

故：ΔG=131100-73.618T   (5)

要限制铁水中碳元素的氧化，必须使ΔG≥0，即满足：

131100-73.618T≥0，T≤1781K=1508℃时，铁水和上一炉的炉渣接触，硅的氧化限制了碳的激烈氧化。当前转炉大部分实现了溅渣护炉，溅渣后炉渣温度均低于1500℃。因此可以说留渣操作是完全可行的。

2 转炉安全留渣的动力学条件分析

2.1 炉渣的黏度对安全留渣操作的影响

炉渣的黏度直接影响着氧、铁元素的扩散，炉渣的黏度与自扩散系数的关系可由下式表示：

D=KT/6πη   (6)

式中：K为波茨曼常数；T为绝对温度；η为黏度。

而扩散系数与反应速度成正比，因而，当反应处于扩敞区时，提高炉渣的黏度，可以降低化学反应的速度，从而使喷溅临界温度升高，留渣操作的安全性提高。

2.2 铁水兑入速度

当发生喷溅时，炉口处的气体速度很高，部分炉渣由气体携带喷出炉外。根据流体力学，此时气体的流速可按牛顿公式进行计算。

vs=5.45{ds(ρs-ρ)/ρ｝0.5(7)

式中：vs为炉渣的悬浮速度，m/s；ρs为炉渣的密度，3000kg/m3；ρ为气体的密度，0.35kg/m3(1300℃，0.15MPa)；ds为炉渣的粒径，0.01m。

炉口处CO的流量为：

mCO=vsπr2炉口ρ

设铁水中[C]含量的3.5%被氧化，则临界兑铁速度为：

υFe=(12×mCO)/(28×0.035)=244kg/s。以临界兑铁速度兑铁12s后，炉渣中的(FeO)质量分数降到5%，即可正常兑入。

3 安全留渣工艺的操作

2011年以前，不留渣的操作步骤为：加废钢-兑铁-吹炼-出钢-溅渣-倒渣-加废钢。留渣工艺操作步骤为：加废钢-兑铁-吹炼-出钢-溅渣(不倒渣)-加石灰-加废钢，具体操作如下。

3.1 溅渣降低炉渣温度

出完钢后必须溅渣，调入300kg(3.8kg/t)调渣剂，确保炉渣溅干，溅渣之后的炉渣温度一般在1500℃左右。

3.2 加石灰降温稠化炉渣

溅渣结束加入1t(12.7kg/t)石灰，炉渣温度可降低100℃左右，由于炉渣温度下降，炉渣的相组成发生变化，固相质点大量析出，炉渣稠化，黏度增加降低，扩散速度降低，从而缓解碳氧反应速度，有利于控制炉渣喷溅。溅渣结束不加石灰和加入1t石灰的炉渣照片如图1、图2所示，比例为1∶30。

3.3 来回摇炉确认炉渣粘稠

加入石灰后，来回摇炉，在摇炉过程中，操作工到炉前平台确认渣况粘稠。

3.4 加入废钢降低炉渣温度

向炉内加入废钢8t(101kg/t)，可使炉渣温度降低200℃左右，加上加入石灰的温降100℃，炉渣温度可从1500℃左右降至1200℃左右。

由于温度下降，根据三元相图，液相减少50%，固相量增加1倍以上，其组成为3CaO·SiO2+CaO，炉渣显著稠化。而且，在铁水兑入时，由于废钢的存在，减缓了铁水对炉渣的冲击，阻碍了铁水与炉渣的混合，铁水与炉渣的反应面积大大减小，对碳氧反应速度起到了缓解和抑制作用。

3.5 铁水的兑入要求

如前所述，兑铁初期，临界兑铁速度244kg/s。实际生产中，为确保安全，兑铁速度控制在200kg/s，经15s后，炉渣的(FeO)浓度可降低至5%，之后正常兑铁。

4 生产实践

2011年1—7月处于实验摸索阶段，共留渣836炉，8月开始进行大规模留渣操作，从未发生过兑铁喷溅事故。具体数据如表1所示，随着留渣比例的不断提高，熔剂单耗不断降低，与2011年前不留渣的水平相比，2012年6月的熔剂单耗大幅度降低，石灰单耗降低了12.5kg/t，轻烧单耗降低了2.4kg/t，萤石单耗降低了2.75kg/t，降低生产成本的效果显著。

5 结语

1)留渣操作时，通过溅渣、加石灰、加废钢等措施可使炉渣温度从1500℃降低至1200℃左右，再通过来回摇炉，稠化炉渣，降低开始兑铁的速度，可确保留渣兑铁时绝对安全。

2)采用留渣操作法是一种具有明显经济效益的冶炼工艺，与不留渣相比，石灰单耗降低12.5kg/t，轻烧单耗降低2.4kg/t，萤石单耗降低2.75kg/t。

参 考 文 献

[1]   曲英.炼钢学原理[M].北京：冶金工业出版社，1987.

[2]   苏天森，刘浏，王维兴.转炉溅渣护炉技术[M].北京：冶金工业出版社，1999.

[3]   陈家祥.炼钢常用数据图表[M].北京：冶金工业出版社，1980.

[4]   李诗久.工程流体力学[M].北京：机械工业出版社，1980.