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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。  

! I% u: V( } C 5 w" X$ M' k# c

  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。  

8 w% |4 O7 e) [2 o 7 X* [7 x6 I/ b8 s' o5 J& J+ R

  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:   

+ G2 k1 u* u9 E" q* z. `* c3 B 1 q8 ^4 n2 s. l$ H; {( D

  (1)熔池溅渣动力学的研究;  

$ `# p5 _' i. @: x- J4 O - J% I/ X0 n e2 w5 u7 x

  (2)溅渣层与炉衬的结合机理;   

8 i: s5 e0 X9 w. q8 E. V 6 P3 v9 i% J% c- D( I# n

  (3)溅渣层的浸蚀试验;   

6 u# I( j1 ~4 ?- d# l! A- q$ c! f+ z- R" N8 j0 B( i, z; l

  (4)合理的终渣成分控制。   

0 ]8 W; l" s, D/ k( U% c 0 q9 o" p7 r/ |* _: Q

  熔池溅渣动力学的研究

; J0 \- Y0 s( N2 l+ `, g6 M' T" M 5 Z( d- n4 b- D# b4 N, Q

  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:   

: s3 ]. r$ M7 K1 [1 m* C# G2 o, W' M/ q; [( Z' \7 V

  (1)熔池内留渣量和渣层厚度;   

6 j+ G6 c& x- `7 C ! j7 R: g {6 p# [; l& o* p% Q

  (2)熔渣的物理状态:炉渣熔点、过热度、表面张力与粘度;   

" y& P2 h4 y' l' _/ R2 H Z$ y7 ], o) d% V( x; H; h% l

  (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。  

; B$ Y. q0 P) @ r0 \, Z A* Q' @- W

  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。  

( t, I- Z$ X( @ w# k6 C) o: h4 R3 ^# j# l s

  1水模型测定

8 G* D2 {# k, W$ e L + T9 j) u3 ^ K7 M

  (1)喷吹工艺对溅渣高度的影响  

; r0 x% y. p: w! I % A, ?6 x6 X, |! @* b- W

  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。  

) @1 q" i3 @ k8 s 8 a# x) d. `8 c1 a8 \" I& v

  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。  

5 |) B; X6 L5 A6 s; m. U$ [* G ; F5 k# l$ f# z% Z, q* b& B+ P, u

  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。  

2 c* X5 ~+ |! [" A9 k - W3 k2 B& i6 p

  (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。  

3 Y7 F) F8 [+ p8 n+ A$ A2 z- \ ' m: h$ F: F) u! E8 G+ I0 B! C

  (3)喷吹压力与枪位的影响  

# c" l4 w) S- { C- h1 T; K _( P. ?; y; R8 }

  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。  

$ O* Z i/ B, G& [ D: o' Q 6 ^3 q" I% ?, V7 ]5 F

  2理论分析  

& o& N, o. Q" j $ E: {9 I( k7 w3 n6 H$ {

  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:   

- g; B3 ]; F) s7 S/ N; R) K 8 J B. V, Z3 W! f

  E∑=Es+EI+Eб+ER (1)   

) k, K6 ^3 }1 ]( P) ~# @ ' r* Y5 H, L2 ?) E8 W

  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。  

! b! v2 D6 S8 B $ t. u2 c0 B- J

  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)。    

; q. l) Z! O3 @7 P8 I# i+ B 4 v0 N/ N$ n# D1 F

  溅渣层与炉衬结合机理与抗浸蚀性能  

7 C8 `" Q6 P: r4 W8 v5 ~7 v6 t; `' r2 E M/ d T ?5 i( O) W

  1溅渣过程中炉渣成分和结构的变化  

* t# r2 Q9 E. x; G, X9 `) P8 `* \ ; l$ i" u8 I9 _. Z- l

  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。  

) a/ w" O' Q( s( [% c3 {- \ H0 V. t' {

  (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。  

( m* Q2 l3 T4 r# p" G0 U4 M3 t! m% {0 B5 Y) E/ S

  (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。  

/ f- W1 v) |2 o : `# Q& M8 a3 |: {

  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。  

6 X+ l/ C6 I# ]* t$ d : A8 H' { A% k6 a% X( N, @5 Z

  (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。  

0 N4 C3 D% n" ^2 H' P r3 y" n7 X) F1 g4 V& ^

  (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。  

( }' g3 y6 u8 A, G: H! T. R / z/ b; {: K9 `+ m

  2溅渣层与炉衬的结合机理  

; X( ~: E& z& V 1 U- g/ Y9 Y. n+ d) n, H/ x

  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。  

, d! l- V- @& T3 I0 R# O2 G8 F ( O7 q, f r: A% s4 H u: [$ Z

  岩相分析结果证明,溅渣沿纵向分布很不均匀:   

) y' }& w% h$ B0 X 3 d) e9 B2 w9 j4 X, i5 O" s: o. l

  (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。  

8 N. T- m. Q( E5 h( q: N2 J6 x , Y; \- K5 l, k4 P5 B

  (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。  

3 k6 |8 v' @- y# Z1 b5 C " h) U6 Z; q. q7 R6 S& U/ h

  (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。  

# \* ^" ]2 ?6 p, w' J $ z3 X; S& ^# J% q! [2 n

  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。  

( v% V' y. G0 J6 u$ ?3 W- d/ H- F' m# ]( q$ Y% a

  溅渣层与Mg-C砖的结合部可细分为三个区域:   

7 T. L/ `: l! k ) X+ p$ G* Z! t l/ x) p

  (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。  

- z2 |1 x- t% E$ @" l9 h & W9 J4 h, M W9 R

  (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。  

H5 {" a' I% k0 Z6 Q8 c- O2 I1 X2 I& e) r! [6 z3 O! C1 f) o

  (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。  

! }$ {' }; Z9 V- r, G7 d. w. M6 p' X 6 [# s ~. s% i

  通过上述分析,推论出溅渣层与炉衬砖的结合机理如下:   

. u- a1 z+ ^9 Y x: A" Q( O, y K/ D8 ^8 n/ `

  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。  

: y1 d4 }# [9 [* f3 h5 F : @& Q5 g7 S4 _6 x

  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。  

* Y$ s6 L, }+ _3 F+ h! N" b! M( v$ R% R

  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。  

2 i- Y4 j* V6 F1 g. n4 M- |8 H1 N' Q* ^ N- G, B

  3溅渣层的浸蚀特性  

8 u5 u `2 ^% V# g. c0 G % L$ B) s+ p0 I2 I# j

  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。  

- V/ q y' i# L/ G3 _ $ U2 A2 @; W- u9 s. {

  试验结果证明:   

3 p- g" S' \& d: _) T$ v$ j * `% i" [" c+ s! w& W

  (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。  

& @# W2 n. A: t% z$ S7 R 7 I9 O# R+ Z& ^7 I6 ]

  (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。   

" J) d5 ^1 }8 @1 f2 {# q , g G, h2 ]8 H9 f

  适宜溅渣护炉的终渣成分控制  

# x- V" Z. z$ o: u# }; C! N& s ! R/ P# E5 z% _# Q u

  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 Y3 j9 ?6 a: t+ w" T+ O( f- E' `6 d ) P& m; K3 s6 {! D# E' b# @

  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。  

% _, }' j, E3 x/ Y5 D ; g: z% w6 N, u5 g; @$ }

  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。  

8 o0 O& ^# s* J3 l4 q$ e" J/ Q / [ R$ g' A6 E

  (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。  

) k" ` `; N" g4 t( z 8 i0 |5 G, g- y6 `

  (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。  

! f2 N1 [, d u# W y # F* A. ?6 A: a* C4 R

  (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。  

* J- k; x c5 Z/ G p" x 1 p* C9 Q) N i% `: w6 Z/ s

  (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%)   

- P& `& U# i9 M8 N/ |0 `( b& P( ?+ K8 t' t* P

  该区域内,炉渣的熔化性温度可达到1800~1870℃。   

, g9 L# Q8 y {; t) [3 e6 [ : {- y% H, G( n - x6 r, I/ m+ N4 r" a+ A0 E' R ! S% a( `6 [4 o- s" Z4 t* n' }" F/ B
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