转炉二次燃烧氧枪技术研究进展

郑淑国，朱苗勇

（东北大学冶金学院，辽宁 沈阳 110819）

废钢作为炼钢原料之一，是一种可无限循环使用的绿色载能资源。我国炼钢的废钢比与发达国家相比还有较大差距，随着我国碳达峰工作的推进，各大钢铁企业都在大力提高废钢比。目前，我国电炉钢的比例还不到10%，转炉流程仍是我国产钢的主流程，且转炉流程添加废钢成本优势明显领先电炉。通常采用的转炉提高废钢比的手段主要有废钢预热（铁水包预热、转炉炉前及炉后预热、合金预热等）和转炉加入补热剂（焦炭、焦丁、FeSi、SiC 等）， 但这两项技术均有一定的不足：前者需要专门的加热设备，后者往往以牺牲钢水质量为代价。因此有必要开发高效、清洁的转炉流程提高废钢比技术。

转炉二次燃烧氧枪技术是一种补热不污染钢液的清洁热补偿技术，1970年，Shepherd首次提出双流道二次燃烧氧枪的概念。1978年卢森堡阿尔贝德公司（ARBED）首次完成双流道二次燃烧氧枪的工业应用试验研究。1983年钢铁研究总院在国内首先进行了双流道二次燃烧氧枪的热模拟试验，此后，首钢、攀钢、鞍钢和南京钢厂与科研单位、大专院校合作，对二次燃烧氧枪进行了广泛研究。尽管国内外已对转炉二次燃烧氧枪技术进行了大量研究，且有的已达到工业应用水平，但目前关于该技术在大工业生产中规模化应用的报道很少。本文针对转炉二次燃烧氧枪的原理、分类及工业应用研究进展进行阐述，对二次燃烧氧枪技术进行深入研究，为该技术的大生产规模化应用提供理论基础。

1 转炉二次燃烧氧枪原理及分类

1.1 转炉二次燃烧氧枪原理

转炉二次燃烧氧枪是在传统炼钢氧枪的基础上，通过设计合理的副孔，使主孔射出的氧气射流进行脱碳反应，利用副孔射出的氧气射流与炉内一氧化碳燃烧产生大量的热量，使转炉自身热量得到较充分利用，进而提高转炉废钢比。转炉内二次燃烧是一个复杂的非稳态多相反应，其与氧气流股的形态、脱碳反应以及一氧化碳燃烧成二氧化碳反应的平衡等有关。图1为二次燃烧氧枪原理示意图。

图1 二次燃烧氧枪原理示意图Fig.1 Principle Schematic Diagram for Secondary Combustion Oxygen Lance

1.2 转炉二次燃烧氧枪分类

转炉二次燃烧氧枪分为双流道和单流道两类氧枪。

1.2.1 双流道二次燃烧氧枪

双流道二次燃烧氧枪的特点是主、副氧孔均由独立的氧道控制，主氧流和副氧流的氧气流量、氧气压力可在不同冶炼时期分别进行控制。主孔喷出的氧气流股主要进行脱碳及搅拌熔池，副孔氧气流股主要进行一氧化碳的二次燃烧放热。图2为典型的双流道二次燃烧氧枪喷头示意图，其枪体部分由四层钢管组成，最内层为主氧流道，次内层为副氧流道，第三层为冷却水进水管道，最外层为冷却水回水管道。副氧孔在主氧孔上方约1 m，该枪头的安装、制造均比较复杂，且成本较高。

图2 典型的双流道二次燃烧氧枪喷头示意图Fig.2 Schematic Diagram for Nozzles of Typical Double Channel Secondary Combustion Oxygen Lance

图3为一种简易结构双流道二次燃烧氧枪喷头示意图。与图2所示的典型双流道二次燃烧氧枪喷头相比，该喷头的副孔流股仍能独立控制流量，但副孔与主孔在同一枪头断面上。该枪头结构简单，生产成本低，但二次燃烧率会有所下降。

图3 简易结构双流道二次燃烧氧枪喷头示意图Fig.3 Schematic Diagram for Nozzles of Double Channel Secondary Combustion Oxygen Lance with Simple Structure

综合来看，双流道二次燃烧氧枪具有二次燃烧率较高的优点，但其结构比较复杂，制作困难，需对原氧枪的供氧系统（枪体、管路、配重、仪表等）进行改造，投资成本高，不适合大生产推广应用。

1.2.2 单流道二次燃烧氧枪

单流道二次燃烧氧枪的特点是主、副氧孔共用一个氧道，氧气流分别从主孔和副孔喷入熔池。与双流道二次燃烧氧枪一样，主孔氧气射流进行脱碳升温及搅拌熔池；副孔氧气流股主要进行二次燃烧放热，但其主、副孔氧气的流量及压力无法单独控制。图4为单流道二次燃烧氧枪喷头示意图。

图4 单流道二次燃烧氧枪喷头示意图Fig.4 Schematic Diagram for Nozzles of Single Channel Secondary Combustion Oxygen Lance

由图4看出，其枪体部分为三层钢管结构，只有一个氧道，中心管供氧，中间环缝通入冷却水，最外层管道回水。该喷头具有结构简单，投资少，见效快的优点。

综上所述，与双流道二次燃烧氧枪相比，单流道二次燃烧氧枪只需将普通氧枪喷头更换为二次燃烧氧枪喷头，无需对原有枪体进行改造，也不需要增加氧道、阀门及仪表。可见单流道二次燃烧氧枪技术适合大生产推广应用。

2 二次燃烧氧枪技术工业应用新进展

2.1 二次燃烧氧枪技术大生产工业应用研究

笔者针对国内某钢厂120 t转炉研究设计出适合大生产应用的单流道二次燃烧氧枪，并在该转炉实现了大生产应用。对普通氧枪和二次燃烧氧枪各取典型的30炉工业生产数据进行对比分析，为该技术在大生产中全面推广应用提供依据。

2.1.1 二次燃烧氧枪技术对废钢比的影响

分析现场炼钢过程中加入冷料后的熔池温度情况，得到入炉冷料与熔池温降的关系见表1。对比分析采用二次燃烧氧枪前后的入炉冷料、铁水及转炉终点数据，得出采用二次燃烧氧枪后，熔池钢水温度平均提升约30℃，相应可提高入炉废钢比约1.5%。

表1 入炉冷料与熔池温降的关系Table 1 Relationship between Cold Burden Charged into Converter and Temperature Drop of Molten Pool

2.1.2 二次燃烧氧枪技术对冶炼过程枪位变化影响

统计单炉冶炼过程中枪位改变频率对比如图5所示。

图5 单炉冶炼过程枪位改变频率对比Fig.5 Comparison of Change Frequency of Lance Positions during Steel-making by Single Converter

由图5可以看出，与普通氧枪相比，采用二次燃烧氧枪后，枪位变动次数减少约33%，冶炼过程枪位更平稳。这是由于采用二次燃烧氧枪后，化渣速度快，化渣平稳，化渣时间减少，熔池温度均匀上升，无需对枪位进行过多变动。可见，二次燃烧氧枪较普通氧枪的枪位控制更平稳，无需频繁变换枪位。

2.1.3 二次燃烧氧枪技术对终渣碱度的影响

二次燃烧氧枪和普通氧枪采用的是同样的渣料加入制度，各取典型炉次的终渣碱度对比如图6所示。由图6可以看出，采用二次燃烧氧枪的转炉炉渣碱度高于普通氧枪。这是因为二次燃烧氧枪化渣效果好，故其终点渣碱度更高。

图6 终渣碱度对比Fig.6 Comparison of Basicity for Final Slag

2.2 二次燃烧氧枪转炉大废钢比技术工业试验研究

利用二次燃烧氧枪，通过加入杂质含量少的某专用煤补充热量，开展了单转炉超40%大废钢比技术的大生产试验研究，试验效果良好，为基于二次燃烧氧枪的单转炉大废钢比技术的大生产规模应用奠定了基础。

试验废钢总重量为59.04 t，铁水加入量为83 t。表2为入炉铁水及转炉终点钢水的成分和温度，表3为二次燃烧氧枪单转炉大废钢比技术的主要参数和指标。

表2 入炉铁水及转炉终点钢水的成分和温度Table 2 Compositions in Both Hot Metal Charged into Converter and Molten Steel at End Point and Their Temperatures

表3 二次燃烧氧枪单转炉大废钢比技术的主要参数和指标Table 3 Main Parameters and Indexes for Secondary Combustion Oxygen Lance Technology with High Scrap Ratio for Single Converter

由表2可以看出，基于二次燃烧氧枪的单转炉大废钢比条件下，转炉终点温度为1 598℃，脱磷率约为92.9%，完全满足冶炼终点的要求。

由表3看出，在没有废钢预热前提下，单转炉废钢比达到41.6%，铁水消耗降至671 kg/t。可见，该技术有很好的冶炼效果，具有大生产应用的可行性。需要说明的是，该技术是从技术角度突破了40%的单转炉大废钢比，但实际生产中要综合考虑废钢成本、加入专用煤成本、转炉冶炼周期等，权衡得出最佳的单转炉废钢比，而不应盲目追求单转炉过高的废钢比。

3 结语

转炉二次燃烧氧枪技术是一种可有效提高转炉废钢比的清洁热补偿技术，与双流道二次燃烧氧枪相比，单流道二次燃烧氧枪只需将普通氧枪喷头更换为二次燃烧氧枪喷头，无需对原有枪体进行改造，具有结构简单，投资少，见效快的优点，适合大生产推广应用。研究表明，采用二次燃烧氧枪加补热剂的单转炉大废钢比条件下（41.6%），转炉终点温度达到1 598℃，脱磷率约为92.9%，完全满足冶炼终点要求。但实际生产中，要综合考虑废钢成本、加入专用煤成本、转炉冶炼周期等，权衡得出最佳的单转炉废钢比，而不应盲目追求单转炉过高的废钢比。