转炉溅渣护炉系统优化技术基础理论研究

    摘要

    在“转炉溅渣护炉系统优化技术开发”项目中,着重进行了熔池溅渣动力学、溅渣层粘结机理、炉渣对溅渣层的蚀损机理及合理的终渣成分控制等基础理论方面的研究工作。介绍了上述几项研究工作的初步结果。

    1前言

    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。

    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。

    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:

    (1)熔池溅渣动力学的研究；

    (2)溅渣层与炉衬的结合机理;

    (3)溅渣层的浸蚀试验;

    (4)合理的终渣成分控制。

    2熔池溅渣动力学的研究

    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:

    (1)熔池内留渣量和渣层厚度;

    (2)熔渣的物理状态:炉渣熔点、过热度、表面张力与粘度;

    (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。

    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。

    2.1水模型测定

    (1)喷吹工艺对溅渣高度的影响

    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。

    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。

    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)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)喷吹压力与枪位的影响

    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。

    2.2理论分析

    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:

    E∑=Es+EI+Eб+ER

    (1)

    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。

    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)。

    3溅渣层与炉衬结合机理与抗浸蚀性能

    3.1溅渣过程中炉渣成分和结构的变化

    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。

    (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。

    (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。

    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。

    (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。

    (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。

    3.2溅渣层与炉衬的结合机理

    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。

    岩相分析结果证明,溅渣沿纵向分布很不均匀:

    (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。

    (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)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。

    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。

    溅渣层与Mg-C砖的结合部可细分为三个区域:

    (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。

    (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。

    (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。

    通过上述分析,推论出溅渣层与炉衬砖的结合机理如下:

    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。

    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。

    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。

    3.3溅渣层的浸蚀特性

    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。

    试验结果证明:

    (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。

    (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。

    4适宜溅渣护炉的终渣成分控制

    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。

    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。

    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。

    (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。

    (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。

    (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。

    (4)从溅渣护炉的观点出发,最佳的炉渣成分控制为:

    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%)

    该区域内,炉渣的熔化性温度可达到1800~1870℃。

    5结语

    从水模试验、炉渣岩相检验、试验室高温模拟溅渣及理论计算几方面进行了溅渣工艺动力学、炉渣改质、粘结机理、溅渣层的损蚀机理及适宜溅渣的终渣成分等方面的研究工作,取得了初步的结果,有些尚不能得出确切的结论。由于篇幅所限不能详细论述，其中部分工作今后还将深入进行，以期得出更为符合实际得结论。