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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
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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。
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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:
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(1)熔池溅渣动力学的研究;
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(2)溅渣层与炉衬的结合机理; . n! l, M: R2 [8 _) W! E
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(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。
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' 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:
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9 R$ y" W% s+ o9 M (1)熔池内留渣量和渣层厚度;
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, 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
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(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。
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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。
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1水模型测定
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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
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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。
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/ 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
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(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。
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(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。
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% D5 A! _! P+ L4 D* h0 j 2理论分析
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% 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
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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。
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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
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/ 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
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(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
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(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。
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(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。
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2溅渣层与炉衬的结合机理
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, \: 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。
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+ 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。
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+ 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。
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(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* |" \
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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
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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
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(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。
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(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
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(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。
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通过上述分析,推论出溅渣层与炉衬砖的结合机理如下:
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* 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。
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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 \
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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 {
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(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
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# 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。
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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。
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( 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。
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/ 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。
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(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。
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) 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
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(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%)
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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℃。
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