100 t转炉氧枪喷头参数优化实践

梁祥远，王兴，金龙

（鞍钢股份有限公司炼钢总厂，辽宁 鞍山 114021）

供氧是氧气转炉炼钢整个吹炼过程的中心环节，影响吹炼熔时和钢水成分，对去除钢中有害杂质和有害元素非常关键。氧枪是炼钢中关键的供氧装备，氧枪能把氧气通过强压喷进熔池中，达到提高钢水温度、除碳及去夹杂的目的。喷头是构成氧枪的重要部件，氧枪喷头不但要求冶金效果好，而且要有较高的高温耐蚀性和抗变形能力。鞍钢股份有限公司炼钢总厂100 t转炉用氧枪供氧强度较小，吹炼时间长，不利于熔池的搅拌，使吹炼终点氧含量高，增加钢铁料的同时增加了脱氧合金的消耗。因此，对该转炉氧枪喷头参数进行了优化，缩短了供氧时间，降低了钢铁料的消耗。

1　转炉及氧枪工艺参数

鞍钢股份有限公司炼钢总厂二分厂现有3座100 t顶底复吹转炉，转炉主要技术参数见表1，氧枪喷头原设计参数见表2。

2　存在问题

由于铁水条件、废钢及冷料原材料的变化、操作者的更换以及炉龄的增长均导致炉膛内衬的形状发生变化，而且一个氧气总管道先后供氧给各转炉，造成各转炉供氧压力不同。上述原因导致原氧枪喷头使用过程中出现以下问题。

（1）供氧时间较长，供氧强度较小

表1　转炉主要技术参数

表2　氧枪喷头原设计参数

供氧量为18 500～19 500 m3/h，供氧强度为3.16 m3/（t·min），平均供氧时间在 16 min 以上，冶炼周期在33 min以上，转炉供氧时间已经满足不了连铸机恒拉速的要求。

（2）跑渣、喷溅、粘烟罩频率高

由于氧枪的各参数与炉膛形状不匹配，有时前期来渣特别快，压入的炉料立即以低温黑熔渣从炉口缓慢涌出，很难将炉渣压入炉内。中期炉内温度提高，炉内碳反应剧烈，造成了高温渣的涌出，增加了钢铁料的消耗。吹炼过程中冲击面积小，过程化渣效果差，易喷溅，吹炼损耗大，而且容易粘烟罩导致生产事故。

（3）氧枪枪龄短

由于原来氧枪参数不合理，冶炼过程化渣困难，熔渣中期容易出现返干。随着转炉炉龄的增长，化渣效果变差，经常出现前期跑渣后，氧枪粘铁，中期返干没有炉渣，氧气流股直接吹到钢水面上导致氧枪粘钢。操作时必须抬高枪位重新化渣，结果加剧了氧气射流对炉衬的侵蚀。氧枪粘钢粘铁侵蚀喷头部位，降低枪龄。

（4）溅渣护炉效果不理想

由于氧枪参数不合理，导致熔渣过稀，溅渣护炉时增加了氮气的消耗，延长了溅渣时间，结果影响炉衬，增加了炉衬维护费用。

3　氧枪喷头参数优化

3.1　原氧枪喷头参数分析

（1） 供氧量

根据马赫数M=1.99，查等熵流表得出P出/P0=0.129 8，由于喷头出口压力P出即炉膛压力近似于大气压力，所以计算得设计压力（阀后）P0=0.79 MPa，根据下列公式计算供氧量[1]:

式中，CD为修正系数，取0.96；A0为喉口断面积，本喷头为 3 017.54 mm2；P0为设计氧压，0.79 MPa；T0为氧气滞止温度，本喷头取293 K。

通过计算得原喷头供氧量Q=14 400 m3/h。

目前实际使用供氧量为20 000 m3/h，超过设计供氧量的28%，严重超出设计能力上限，造成了喷溅、脱磷困难、供氧时间长等问题。因此可适当提高设计供氧量，增加供氧强度，达到减少喷溅、提高脱磷率的目的。

（2） 冲击深度

冲击深度受氧枪喷头参数影响较大，根据弗林公式计算冲击深度 h[2]:

式中,P0为氧气滞止压力，为 7.9 kg／cm2；D0为氧枪喉口直径，为31 mm；H为操作枪位，cm。

根据公式（2），过程操作枪位H为150 cm时，计算冲击深度h为71.8 cm，当熔池深度为125 cm时，冲击比（冲击深度与熔池深度比值）为57.4%；拉碳枪位H为105 cm时，冲击深度为85.1 cm，冲击比为68.1%。射流对熔池冲击深度过大，对炉底冲刷比较严重。脱碳速度快，渣中氧化铁消耗速度快，容易造成炉渣返干，易喷溅。

3.2　新喷头参数优化

3.2.1喉口直径

马赫数过大，易出现喷溅，增加热损失、渣铁料消耗及铁损，且易损坏转炉内衬和炉底；马赫数较低，射流搅拌作用减弱，氧气利用率降低，渣中含铁增高，亦引起喷溅[2]。综合考虑，为缩短供氧时间，提高喷头使用寿命，减少喷溅，取马赫数2.02，因此设计滞止压力为0.84 MPa。适当提高供氧强度，选用氧气流量21 000 m3/h，增加喉口直径，根据式（1），计算得新喷头喉口直径为34.1 mm。

3.2.2出口直径

根据马赫数为 2.02，查表得 A出/A喉=1.716，因此，可计算新喷头出口直径为44.7 mm。

3.2.3中心倾角

射流对熔池有一定的冲击深度和冲击面积，在保证冲击深度的前提下，适当增加喷头中心倾角，冲击面积增大，氧气射流的化渣能力增强，脱磷效果好。因此，新喷头的中心倾角较原喷头增加0.5°，即确定为 12.5°。

3.2.4射流冲击深度及操作枪位

计算可知，当过程冲击比达到60%时，新喷头的冲击深度为75 cm，过程操作枪位为166 cm；当拉碳冲击比达到69%时，新喷头的冲击深度为86.25 cm，过程操作枪位为123 cm。新喷头的操作枪位较原喷头提高10%～17%，有利于提高喷头寿命，冲击面积增加有利于脱磷。优化后氧枪喷头参数见表3。

表3　优化后氧枪喷头参数

4　工业试验结果

4.1　氧气消耗

相同的工况氧压条件下，新喷头的动能较原喷头的大。因此，新喷头对熔池的搅拌能力大，冲击深度深，氧气的利用率也高。对优化后的喷头进行跟踪试验 并对比优化前的，结果发现，优化前的耗氧量波动范围为52～57 m3/t，离散度较大，且平均值较高。优化后，耗氧量变化比较平稳，基本在51～54 m3/t，而且平均耗氧量比较低。耗氧量约降低了1.81 m3/t，平均降低6%。

4.2　终点钢水磷含量

优化后的氧枪喷头对熔池的冲击面积增大，加快了转炉的成渣速度，改善了熔渣的流动性，提高了转炉脱磷的动力学条件，加速了石灰的熔化，因此有利于前期脱磷反应的进行，提高了转炉吹炼终点磷的合格率。图1为氧枪喷头优化前后脱磷效果的对比。由图1看出，喷头优化前，钢水中磷含量波动很大，而且终点钢水磷含量值较高，最高达到0.035%左右；喷头优化后，终点钢水中磷含量波动范围较窄，而且终点钢水磷含量最高达0.025%左右，比改进前降低了0.010%。提高了一拉率，减少了点吹次数，降低钢铁料消耗。

4.3　供氧时间及喷头寿命

图1　氧枪喷头优化前后脱磷效果对比

优化后的喷头氧气出口动能较大，且供氧强度增加，对熔池物料与钢水的搅拌更加均匀，钢水的氧化性降低，既减少了铁损，又降低了氧气消耗。图2为喷头优化前后供氧时间对比。

图2　喷头优化前后供氧时间对比

由图2看出，优化前喷头的平均吹氧时间约15.7 min，优化后约为14.0 min，吹氧时间缩短约100 s。使用新喷头后，氧枪操作枪位提高约200 mm，减少了高温熔渣和钢水对喷头的辐射量，喷头使用寿命由原来的500炉次提高到570炉次。氧枪喷头优化前后粘钢对比见图3。

图3　喷头优化前后粘钢对比

4.4　溅渣护炉

炉渣的耐火度由终渣的成分决定，对耐火度有影响的主要组分是MgO、FeO和碱度。氧枪喷头优化后，不定时采集转炉耳轴和渣线部位的终渣分析，结果为 ω（CaO）:38%～45%、ω（SiO2）:11%～15%、ω（MgO）:8%～12%、ω（FeO）:18%～25%，完全满足溅渣护炉的要求。溅渣护炉效果试验的数据为所选区域内25个测量点的平均厚度值，留渣量、氮气压力、流量等其它参数基本相同。通过数据的对比分析，结果是射流速度相同的情况下，优化后喷头的溅渣护炉效果更佳。由于氧枪流量提高了2 000 m3/h以上，因而溅渣护炉的时间明显缩短。溅渣时能够观察到大块渣滴飞溅出炉口，说明溅渣效果大大改善。喷头优化后，转炉吨钢成本有所下降，减少了耐火材料的消耗。

4.5　对渣中FeO含量的影响

图4为氧枪喷头优化前后对渣中FeO含量影响对比。从图4中可以看出，优化前渣中FeO含量主要为24%～28%，优化后，渣中FeO含量主要为20%～25%，渣中FeO含量有所降低，减少了熔渣对炉衬的侵蚀。氧枪喷头优化后，吹炼枪位和氧枪的供氧压力都得到改善。优化后的新型四孔拉瓦尔氧枪使用以来，因为成渣质量提高，终点钢水中磷、硫含量明显降低。炉内反应平稳，成渣速度快，“返干”现象减少。

图4　氧枪喷头优化前后渣中FeO含量影响对比

4.6　对终渣碱度的影响

氧枪喷头优化前，转炉终渣碱度平均为2.5～3.0，优化后，转炉终渣碱度平均为3.0～3.5，合适的碱度范围明显改善转炉渣的流动性及冶炼效果。优化后的氧枪喷头改善了化渣效果，由于适宜的冲击深度和较大的冲击面积，使渣中FeO的含量明显提高。根据石灰熔化成渣的原理，FeO能够有效降低炉渣生成物的熔点，在石灰渣化的过程中，快速地促进石灰熔解，因而增加熔炼前期的去磷、硫效果。在实际操作中，可相应减少石灰加入量，减少渣量，实现少渣冶炼，降低钢铁料消耗。

5　结语

针对鞍钢股份有限公司炼钢总厂二分厂100 t转炉供氧时间长、吨钢耗氧量大、钢铁料消耗高等问题，优化了原氧枪喷头参数，包括喉口直径、出口直径、中心倾角及氧枪枪位控制等，优化后，供氧时间缩短约100 s，新喷头使用寿命由500炉次提高到570炉次。改善了前期化渣效果，终点钢水磷含量降低了0.010%。吹炼终点供氧强度增加，加强了熔池的搅拌，降低了转炉终渣FeO含量，FeO平均含量由24.2%降低到22.8%，而且FeO含量波动小，降低了钢铁料消耗。