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转炉溅渣护炉系统优化技术基础理论研究

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发表于 2010-9-12 18:44:13 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  溅渣护炉技术是在转炉吹炼结束后,通过顶吹氧枪高速喷吹氮气射流,冲击残留在熔池内的部分高熔点炉渣,使熔渣均匀地喷溅粘附在转炉炉衬表面,形成炉渣保护层,达到护炉的目的。该技术在美国LTV厂成功后,使转炉炉龄从5000炉提高到15000炉以上,创造了目前世界上最高的转炉炉龄记录。该项先进技术介绍到中国后,我国许多工厂结合本厂的资源、工艺特点,进行开发采用,获得了明显的经济效益。  

2 ^4 T N" ~. R; n/ V) R 8 K, r' p2 r$ m6 f6 M& X+ X

  尽管溅渣护炉技术已经在生产中广泛应用,并获得了巨大的成功。但在溅渣护炉技术的基础理论研究方面,却处于空白状态。最近该方面的研究已经引起国内外广大冶金学者的重视。  

6 `, c5 M/ w2 i: s0 u6 S+ `; T+ ? X' {( d$ n

  本文将简单总结钢铁研总院工艺所在下述领域里的研究结果:   

; d. \5 ]! x T. I5 n/ O# l6 W7 ^2 K1 p2 d2 e

  (1)熔池溅渣动力学的研究;  

4 i4 P& j) r- y5 v- B1 i% Y' _6 I2 z3 x) f! g& [

  (2)溅渣层与炉衬的结合机理;   

. n! l, M: R2 [8 _) W! E $ G" x2 r& k) T' t n# O

  (3)溅渣层的浸蚀试验;   

. R0 L& X h1 i6 F/ ^: b' R 5 v v( J% j% @* d

  (4)合理的终渣成分控制。   

$ c% [4 k* z, K9 L b& ~ ' I4 k; e( c" t. [) j# h

  熔池溅渣动力学的研究

- O% J9 q* }( O 5 s7 Y: B# [" z4 c8 H$ }% S

  如何有效地利用高速氮气射流将炉渣均匀地喷溅在炉衬表面,是溅渣护炉的技术关键。其效果决定于以下控制因素:   

, x) X2 B7 u v2 M( f 9 R$ y" W% s+ o9 M

  (1)熔池内留渣量和渣层厚度;   

6 B" j! N3 a6 Y , Q: y9 G+ R. }1 [8 I

  (2)熔渣的物理状态:炉渣熔点、过热度、表面张力与粘度;   

5 [' G# A8 ^( i5 S( P # r1 l' h: L' Y! C( j' E

  (3)溅渣气动力学参数:喷吹压力、枪位以及喷枪夹角和孔数等。  

/ f2 b7 l! O; Z q( H- S: E1 U9 w) U3 q+ W% Y

  通过水力学模型试验和理论分析,研究了熔池溅渣动力学过程,初步提出优化溅渣的工艺参数。  

, @' f# }' C8 P( s1 F4 d4 h/ c" o3 z7 ]' d/ u

  1水模型测定

c- B6 K+ d" }/ R0 @) ~ 1 T: g1 {" g- U

  (1)喷吹工艺对溅渣高度的影响  

! P4 c6 L M: W; b* T ! [6 Y$ s$ H. y+ z

  1)对不同的介质,不同高度条件下的溅渣量的分布基本相似,随着溅渣高度的升高,溅渣量逐渐降低。  

$ d% Y8 M0 F: y - O, p) i. E% q/ Y. @

  2)当溅渣高度hs/D=1.0时,不同高度下的溅渣量的分布规律发生变化。当hs/D≤l.0时,溅渣量的比例高达总渣量的30%~60%,随着高度的增加,溅渣量将迅速降低。在hs/D≥1.0以后溅渣量随高度增加,溅渣量减少的速率降低。在这一高度的范围内,溅渣量约占溅渣总量的0~20%。由此推论,炉内溅渣存在两个反应区:当hs/D≤1.0时,溅渣以渣液面波动为主,溅渣量大,并随溅渣高度增加迅速降低。当hs/D>1.0时,溅渣主要通过反射的高速氮气射流夹带的渣液为主。溅渣量低,但随高度的增加,溅渣量衰减比较缓慢。  

" c4 Q3 [ e7 L / i" H( V* v5 {6 n$ K

  3)枪位对溅渣高度有较为明显的影响。在同样气源压力下,采用较低的枪位易于造成渣液面的剧烈搅动,有利于转炉下部(hs/D≤1.0)溅渣;高枪位,易于炉渣的破碎、乳化,有利于转炉上部(hs/D>1.0)溅渣。  

# }, I+ u7 |+ K6 H. w4 K% R v 5 p1 @, t* D6 p9 Q

  (2)炉渣物性的影响为了测定炉渣物性对溅渣效果的影响,水模中分别采用水、盐水和水玻璃模拟炉渣。溅渣介质的变化对转炉下部、以渣液面波动为溅渣机制的影响较大。随炉渣密度和粘度的升高,渣液面波动造成溅渣量迅速降低。说明对于密度、粘度较高的炉渣,将消耗更多的射流冲击能才能造成液面的剧烈波动。而对于转炉上部溅渣,溅渣介质的变化对溅渣量的影响不大,说明炉渣表面张力的变化对射流乳化和携带液体炉渣能力影响较小。由于熔池溅渣总量主要决定于下部溅渣(约占60%~70%)量,因而在不同压力和喷吹枪位下,盐水溅渣的总溅渣量明显高于水玻璃。  

, @ M- B) d d9 b) S) u: \1 }$ b- Q* A+ `: r1 m

  (3)喷吹压力与枪位的影响  

! s! d! d7 z( }% v $ @+ j6 A* ~: `: W i

  炉内溅渣决定于两种不同的机制:液面波动溅渣与射流携带溅渣。高枪位利于渣滴的乳化与飞溅,适用于转炉的上部溅渣。低枪位利于熔池波动溅渣,适用于转炉下部溅渣。因此,对于不同的气源压力,有一最佳枪位使两种溅渣机制有机地协调配合,达到最佳的溅渣效果。  

7 Z. B0 c' S" M/ Q4 Y % D5 A! _! P+ L4 D* h0 j

  2理论分析  

( l9 H5 b7 ]0 {( k % k0 g, E# e; c7 s% V

  根据能量守恒定律可以确定氮气射流与渣池间的能量关系:   

; C" _+ h+ \3 t3 z0 C ) ~) }* ]6 A O$ q* H. j& q

  E∑=Es+EI+Eб+ER (1)   

0 \3 \7 n1 [- U, h# E* T . G. W: K! i, R& C5 L6 W, G% W) B

  即喷吹射流的总能量等于射流对熔池作用的表面功Es与射流对熔池的冲击功EI、射流对熔池的搅拌能Eб以及携带渣滴的反射射流的能量ER的总和。  

6 J% h! B+ N( ^2 |+ q) T 0 r& n+ w& {& W# A' H4 n/ w, G/ q' Z

  化简式(1)可求出炉内浅渣平均高度儿与各种工艺参数的关系式(1)。    

7 \- Z+ _ o. m$ g( T3 x " s5 _ [' Y% [+ l/ I1 }# ]4 @

  溅渣层与炉衬结合机理与抗浸蚀性能  

! A" A8 x2 V$ F, x 7 y; n+ R; b( c: l! I5 ?. {7 ?. h

  1溅渣过程中炉渣成分和结构的变化  

L0 _0 _4 _+ p' |, X) X, I / P; ]5 y( u% p( V! p6 v1 K

  冶炼和溅渣过程中,随着炉渣成分的改变,炉渣岩相结构发生很大的变化。  

) n/ d' |+ P: R3 H3 s* g6 R % e/ B9 h- N$ e, @7 T) k

  (1)初期渣:转炉开吹5min,熔池温度约为1420℃,炉渣碱度为R=1.6~1.7,渣中TFe含量较低,MgO含量约为6%~7%,接近或达到饱和值。初期渣矿相组成几乎全部为硅酸盐结构。结晶相为镁硅钙石(3CaO?MgO.2SiO2),结合相为橄榄石[CaO.(Mg、Fe、Mn)O?SiO2]。未发现RO相。MgO、FeO皆赋存于硅酸盐相中。  

) N8 v. U5 Z5 ]" R / a: I! d& l8 c* n- r0 M9 ^

  (2)终点渣:普通转炉终渣(如太钢渣),碱度为3.3~3.7。渣中全铁波动在13%~18%。渣中MgO的饱和浓度为3%~4%,但实际中MgO含量达到3%~13%,超过饱和溶解度值。终渣硅酸盐相以发达的板条状C3S为主,C2S含量极少。结合相为铁酸二钙(C2F)和RO相,约占总量的15%。结晶的MgO包裹在C3S晶体中或游离的结合相中。  

2 R! N. y" c# \- P2 L! Q0 D 7 e" t q: g2 w" t* V$ ~

  采用半钢冶炼的终渣(如承钢终渣),铁酸盐高达40%~50%,C2S相只占20%~25%,还有少在量未熔的MgO颗粒。  

/ j3 e. ?) W6 H$ N" |1 ^6 ?& m/ f/ k3 w- L O/ V' Q, V

  (3)改质渣:转炉出钢后,如果出钢温度过高、溅渣粘度较低时,往往需要添加少量石灰或续质材料调整炉渣成分和温度,以利于溅渣护炉。改质炉渣中往往出现弥散未熔的石灰或MgO颗粒。同时C2S含量增加并发育为良好的板条状。  

- f! n8 D3 \0 }, t1 I4 J' @2 o2 U3 v 5 R& c$ r; @. U( r* B

  (4)溅后渣:溅渣后由于气流的冷却作用,使炉渣的岩相结构发生了明显的改变。粗大发育良好的板条状C3F被破碎成细小的颗粒,均匀弥散地分布于铁酸钙结合相中,使炉渣的密度增高。  

% A: x$ F, n) s9 s3 s8 W/ C- X* a# `3 e

  2溅渣层与炉衬的结合机理  

$ ~& y7 I( Y1 ?8 X2 }7 Z R& H% ? , \: w+ |) t" {% m n

  为了研究溅渣层与炉衬耐火材料的结合机理,在试验室内进行了小型柑埚溅渣试验。溅渣后的柑埚在炉内缓冷后纵向剖开进行岩相观察。  

4 U8 T* O( J& ~0 `7 d$ ^* h + f# a, B4 Q4 Y0 S

  岩相分析结果证明,溅渣沿纵向分布很不均匀:   

# v# V" _8 A, ^6 L; U% r! B & U& R. `. h5 e( l6 z' @, C

  (1)由渣池向上,柑埚侧壁上的溅渣层由厚逐渐变薄,上部溅渣层的厚度仅为0.1~0.5mm;而柑埚下部是较厚的密实溅渣层。  

r' g* s& g* \. r + U. C$ A$ I' \) ?

  (2)上部溅渣层颜色黑亮有金属光泽;下部渣层颜色暗,表面粗糙,有表面显微裂纹和气孔。  

- X, x# n# K4 [& g! O* N+ r4 n' j, ?2 J; e

  (3)从渣池底部向上连续溅渣层的矿物组成,发现随高度的增加,溅渣层的矿物组成逐渐发生明显的变化。在柑埚的底部,被气流破碎的粒状C3S和C2S以及结晶MgO颗粒富集在铁酸盐结合相内。  

- O1 J9 f( _2 U* |" \ 1 ?2 A. t7 E1 G# @, A6 e1 v4 [* c

  随溅渣高度的增加,高熔点氧化物(C3S、C2S和MgO颗粒)逐渐减少,铁相增加。在柑埚上部形成以铁酸盐为主的低熔点溅渣层。  

! t: g O7 y9 e( h: K3 P9 p) X & ^; Z3 E4 }) i( }

  溅渣层与Mg-C砖的结合部可细分为三个区域:   

* }4 z2 L; O' ]# l, y H . }3 O3 s0 A! K: v% u

  (1)烧结层:铁酸钙盐C2F沿续碳砖表面的显微气孔和裂纹,向致密的MgO机体内扩散。溶解与Mg0颗粒反应生成铁续橄榄石(MgO-Fe2O3)烧结层。  

$ K3 ~3 h9 D, b2 \1 l3 k9 B( f' O: ?7 X9 V5 `+ h

  (2)结合层:在溅渣层一MgC砖表面,溅渣层中的铁酸钙将砖衬中突出的MgO颗粒包裹起来,形成镇铁橄榄石的化学结合。同时,溅渣层中C3S、C2S和MgO颗粒在气流的作用下镶嵌在粗糙的耐火衬表面,形成机械结合。  

- c+ r1 T- w/ e; U/ u4 ~4 p! g" H 5 r- ~9 `* Q2 {( ~1 U C/ P p2 `, q

  (3)溅渣层:以粗大的高熔点颗粒状C3S、C2s和MgO晶团为骨架,固溶在R0相和铁酸钙结合相中。  

6 j8 Y- m2 }! T" A5 n7 ]' t3 x1 M9 B( {

  通过上述分析,推论出溅渣层与炉衬砖的结合机理如下:   

' i+ ]# ^3 ]' U9 H$ X Z9 ] * E$ \0 J9 p9 A* \8 i! c% h7 o4 d/ @) @

  在溅渣初期,低熔点流动性强的富铁炉渣首先溅射到炉衬表面,沿衬砖表面显微气孔和裂纹向MgO机体内扩散,形成以(MgO?CaO)Fe2O3为主的烧结层。  

' T+ S( A6 j# r; M% q* n, F: ^; z 4 }0 C! _- h" x! R; ~( Q& T8 W

  随溅渣的继续,颗粒状的高熔点氧化物(C3S、C2S和MgO)被气流溅射到炉衬砖表面,形成以镶嵌为主的机械结合。同时富铁的低熔点炉渣包裹在耐火砖表面突出的MgO颗粒周围形成化学结合层。  

: z- K* {( V# l5 ~$ T6 X i9 ? 3 @" k) v) u/ v; G* g- M- X

  随着溅渣的进一步进行,使大颗粒C3S、C2S和MgO晶团溅射到结合层表面并与铁酸钙RO相相结合,冷却固溶形成衬砖表面溅渣层。  

1 ~+ _. ~: Y3 O$ }, l& {* B; \9 m1 j $ G+ _* `) r2 ?" E" P# e3 g

  3溅渣层的浸蚀特性  

, Z% z7 w1 ~! a. x, _; Q8 \ - I) T) A: |, _' |3 c

  为了研究溅渣层的抗浸蚀性能,在试验室内测定了两种合成渣在初渣和终渣条件下的浸蚀速度。  

; o* U s/ q/ O" @ k7 C1 |. I0 j s2 v: d) y- w0 _3 Z t! q" g

  试验结果证明:   

# E; o6 U7 h8 y u 1 J2 X; s" s4 ~& K

  (1)溅渣层对转炉初期渣有较强的抗浸蚀能力,能够起到保护炉衬的作用。  

: p! v. E$ l8 n1 N$ _2 u0 { : A7 S( A5 ^ l8 B+ j; ]" j! H

  (2)溅渣层对高温终渣的抗浸蚀能力很差。进一步提高溅渣层的熔点是提高溅渣层抗浸蚀能力的关键。同时,在生产实践中坚持一炉一溅和低温出钢,将有利于提高溅渣护炉的效果。   

' K4 o0 }$ K1 Y [) K( D2 ]' k . C" f3 j, h4 y6 M; z/ }

  适宜溅渣护炉的终渣成分控制  

% ^3 t8 B- B, l# c" k' s- F # A$ t6 F5 _7 C4 J

  试验证明,高温熔化将造成溅渣层的严重浸蚀。因此,改变炉渣成分,进一步提高炉渣的熔化性温度,有利于溅渣护炉。  

6 D$ [; y9 a% u' l4 M5 v- N 1 \ w6 W0 ]2 @8 F% X/ _

  在一定的碱度条件下,提高渣中TFe含量将使炉渣熔化性温度明显降低。而碱度变化对炉渣熔化性温度影响不大。在正常炼钢条件下,控制渣中TFe=15%~20%,炉渣熔化性温度波动在1720~1780℃之间。  

& O& w1 `4 B: ` S4 T ( N# [$ p* O1 E9 e; V/ _) k$ l

  在渣中TFe=20%的前提下,改变渣中MgO含量和炉渣碱度,可以调整炉渣的熔化性温度。  

% k- m& ^ o7 ]7 _ / j; D+ F6 o; T

  (1)当渣中MgO含量小于8%时,对同一碱度,随MgO含量的增加,炉渣熔化性温度降低。在此范围内,增加MgO含量有利于熔池化渣,不利于溅渣护炉。当渣中MgO含量大于8%以后,对于确定的碱度,增加MgO含量有利于提高炉渣的熔化性温度。  

' U7 p* V7 L% ^4 J% M" k! s6 o" h. s; m' X

  (2)当MgO含量小于8%时,对同一MgO含量,提高炉渣碱度,将降低炉渣熔化性温度;当M束。含量大于8%以后,对同一MgO含量,提高炉渣碱度,会提高炉渣熔化性温度。  

( X1 J! m! |4 f- x5 |) s' M ) i+ C: ]4 f9 A/ @5 W

  (3)对于正常炉渣碱度范围(R=2.1~3.8),控制炉渣MgO含量为8%~10%,将使炉渣熔化性温度降低至最低点(l700~1725℃),不利于溅渣护炉。  

* G, v: N0 c5 L0 O( D; R 2 d K4 K! w3 i! `) q- a% B5 R

  (4)从溅渣护炉的观点出发,最佳的炉渣成分控制为:   

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  低碱度、低MgO含量区域(R=2.l~2.4;MgO≤4%、TFe=20%)   高碱度、低MgO含量区域(R=3.0~3.8;Mg0≥l2%、TFe=20%)   

$ E: M; K3 ~& Q9 B0 z 5 F; u8 {. @7 ^5 H, d& I4 M, J

  该区域内,炉渣的熔化性温度可达到1800~1870℃。   

: B5 M) t/ Z7 X# b" p+ { \' N6 V- I- y2 b, ~/ \5 H ; @' T3 v3 X9 h, J 7 s* M. @1 Q7 N7 t* }) u0 Y
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