转炉冶炼高钛铁水的喷溅原因及控制

陈柏宇，齐志宇，朱国强，潘统领，丁宇

（鞍钢股份有限公司炼钢总厂，辽宁 鞍山 114021）

1 发生喷溅的原因分析

转炉冶炼高钛铁水时发生的喷溅有三种：爆发性喷溅、泡沫性喷溅和金属喷溅。对四分厂发生喷溅的38个炉次进行统计发现，爆发性喷溅6炉，泡沫性喷溅29炉，金属喷溅3炉。结合转炉冶炼过程分析喷溅原因如下。

（1） 吹炼前期

吹炼前期是指转炉吹炼开始到Ti、Si、Mn等元素的氧化反应已基本结束的2～4 min内。在此期间C-O反应速度决定了氧化铁的积累或消耗。炉内温度越高，C-O反应驱动力越大，渣中FeO消耗越大，反之则易积累。吹炼前期C-O反应受其他元素氧化影响，反应速度较慢，这段时期渣中积累了一定的FeO，Ti、Si氧化时释放出大量的热量，有利于化渣，并且使炉内温度迅速升高。C-O反应驱动力变大，熔池中C开始剧烈氧化，由于此时为C-O反应提供氧的不仅是从氧枪中吹入的氧气，还有渣中积累的FeO提供的较多的附加供氧量，因此C-O反应会瞬间产生大量的气体，造成爆发性喷溅。

（2）吹炼中期

吹炼中期喷溅的发生有两种情况：一种是渣中FeO积累过多引起的泡沫性喷溅；一种是炉渣返干后调整过度引发的喷溅。

①吹炼中期渣中FeO含量高，有利于化渣，加快成渣速度。由于冶炼高钛铁水渣量大、炉渣易于泡沫化，因此，如果转炉内积聚过多的FeO会加剧泡沫渣的产生，如不采取措施控制，会造成持续的泡沫性喷溅。

②为防止持续泡沫性喷溅，吹炼中期会采取加料击破渣层，同时，尝试降枪来降低渣中FeO含量以遏制炉渣泡沫化。降低枪位后，炉内发生的氧化反应为直接氧化反应，其结果就是渣中无法积累FeO，析出大量高熔点物质使泡沫渣破碎，加上熔渣内TiO与石灰中CaO结合生成高熔点化合物，使熔渣黏度变大，容易出现严重返干，因此，应当采取提高枪位同时加入化渣物料的方法来减轻返干。在软吹和降温的作用下，渣中FeO含量增加，熔渣中高熔点物质因熔点降低而熔化，炉内返干现象逐渐消失。但软吹的时间需要加以控制，如果时间过长，会使渣中积累过量的FeO，此时一旦降枪，过量的供氧量会加速C-O反应产生大量的CO气体，造成喷溅。

（3） 吹炼末期

吹炼末期炉内C-O反应平缓，炉渣泡沫化程度略有减轻，因此这一阶段正常操作时发生喷溅的几率很低。若发生，一般是由于人为操作不当导致，如碳含量判断不准确就降枪拉碳，剧烈的碳氧反应会造成严重的金属喷溅。

2 影响喷溅的因素

（1）大量的CO气体

转炉内C-O反应发生在氧流冲击的凹坑处和乳化渣系中，熔池内会因碳氧反应不均衡而瞬时产生大量的CO气体。研究表明，当脱碳速度为（0.4～0.6）%/min时，熔池内每秒中排出的CO气体的体积是钢水体积的3～4倍，此时炉内又形成了一定厚度的泡沫渣层，大量的CO气体使渣面迅速上涨到炉口，引发喷溅。因此，急剧的碳氧反应容易造成炉渣喷溅。

（2）炉渣泡沫化

熔渣的物理特性中，影响熔渣泡沫化的主要是表面张力σ与黏度η的比值。表面张力小意味着生成气泡的能耗小，气泡容易生成，已发泡熔渣的自由能也较小，系统的稳定性较高，即不容易消泡，泡沫的寿命较长。黏度对熔渣泡沫化的影响主要反映在气泡通过渣层的速度和气泡消泡的速度。熔渣黏度大，则气泡在渣中停留的时间就会变长，这意味着气泡的稳定性高，即熔渣容易发泡；同时熔渣黏度大还能使气泡从渣液排出的速度变慢。由此可知，表面张力小、黏度大的熔渣更容易泡沫化。冶炼高钛铁水时，由于渣中TiO含量较高，造成炉渣黏度增大，因此，转炉冶炼高钛铁水过程中极易形成泡沫渣。

转炉炼钢过程中，氧气流股冲击金属液和熔渣，使得三者均被击碎并与碳氧反应产物汇集在一起形成了大量的小气泡，这样气、渣、金属组成了三相乳化液，即泡沫渣。由于泡沫渣增加三者的反应界面，因此它可以加快炉内的反应速度。高钛铁水中 Ti、Si、P 含量高时， 渣中 TiO、SiO、PO含量较高，而SiO、PO是表面活性物质，能降低熔渣表面张力，TiO可以增加熔渣黏度，可以稳定泡沫渣。需要注意的是此时含有 TiO、SiO、PO的炉渣为酸性渣，需要向炉内加入更多的白灰来保证炉渣的碱度，这就造成炉内渣量大、渣层厚度增加，严重时能够上涨到炉口，在碳氧反应的作用下，推动炉渣从炉口喷出，引起喷溅。

（3）渣中FeO的含量

渣中FeO含量影响喷溅主要有以下两方面原因：一方面吹炼初期炉渣中积聚过多的FeO，当熔池温度达到C-O反应的临界温度时，由于渣中FeO过高，熔池中会发生剧烈的碳氧反应，如果处理不当，容易产生爆发性喷溅；另一方面炉渣中的FeO含量过低会使炉渣中有高熔点物质析出，造成化渣不良，形成返干，发生金属喷溅。

3 控制措施及效果

（1）控制铁水条件

铁水中Ti、Si含量直接影响渣量进而影响喷溅的发生几率。 实践表明，铁水 ω[Si]+ω[Ti]≥0.7%时易发生喷溅，因此，在生产条件允许的情况下，可采取高、低硅铁水兑折方式来降低硅含量。如果条件不允许，则采取双渣法操作，将脱硅、脱钛后的炉渣倒掉再重新进行造渣。

（2）控制氧枪枪位

转炉底吹能够加强熔池内部搅拌，促进熔池内部反应的进行。观察实际生产情况发现，冶炼高钛铁水时，根据转炉底吹状态控制氧枪枪位能够避免喷溅的发生。图1为冶炼高钛铁水时氧枪枪位的控制曲线。由图1看出，底吹状态良好时，适当提高枪位；底吹状态不好时，适当降低枪位。

图1 冶炼高钛铁水时氧枪枪位的控制曲线Fig.1 Control Curves for Position of Oxygen Lance in Smelting Hot Metal with High Titanium

底吹状态良好时，吹炼前期化渣和升温速度快，会提前到达C-O反应期，要在此前根据火焰情况或煤气分析仪中CO提升速率判断时机适当提枪，能够有效避免爆发性喷溅的发生。吹炼中期由于底吹的原因，如果枪位过低会使熔池内的FeO消耗过快，造成返干，严重的返干容易诱发金属喷溅，因此还要时刻关注渣化情况。冶炼高钛铁水升温速度快，渣量大，同时在良好的底吹作用下，强搅拌加速化渣，很容易形成严重的泡沫渣。发现泡沫渣有上涨到炉口的趋势要及时降枪，减少渣中FeO的生成。由于顶底复吹作用容易击破泡沫渣层，可有效减少泡沫渣喷溅。

底吹状态不好时（几乎无可视底枪），吹炼前期由于没有底吹的作用，需要适当降枪提升搅拌力，到达C-O反应期前抬枪避免发生剧烈反应。由于高钛铁水的特性，很容易形成泡沫渣，没有底吹的作用下，很难破开渣层，所以吹炼中期在泡沫渣丰富时应反复尝试低枪位加入压渣物料操作，通过消耗渣中FeO来遏制泡沫渣喷溅。待缓和后适当抬枪避免返干引发金属喷溅。

吹炼后期除了继续去除P、S外，还要调整好炉渣的氧化性和流动性，目的是均匀熔池钢液成分和温度，稳定火焰，便于准确地控制终点。此时必须放缓压枪的速度，切忌过快，避免引起喷溅。

（3）喷溅的处理

吹炼过程中一旦发生喷溅，要及时果断处理。不同的喷溅处理方式也不同：发生爆发性喷溅时，要马上抬枪，缓解剧烈的碳氧反应；发生泡沫渣喷溅则需要适当提枪，同时加入少量石灰石或生白云石等压渣物料破开渣层，使渣中气体排出。

采取上述控制措施后，四分厂转炉冶炼高钛铁水时发生喷溅的现象明显减少，对采取措施后的36个炉次进行跟踪统计，喷溅发生的几率为16%，均为可控的泡沫性喷溅，保证了生产的顺行。

4 结语

分析认为，大量的CO气体、炉渣泡沫化、渣中FeO含量高是导致鞍钢股份有限公司炼钢总厂四分厂260 t顶底复吹转炉冶炼高钛铁水时发生喷溅的主要原因。通过采取高、低硅铁水兑折或双渣法冶炼，根据转炉底吹状态调整氧枪枪位后，喷溅发生的几率由40%降为16%，而且可控，保证了生产的顺行。