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轉(zhuǎn)爐運(yùn)行中的熔渣濺射技術(shù)

眾所周知，用于生產(chǎn)液態(tài)鋼的氧氣煉鋼轉(zhuǎn)爐中耐火襯的磨損是一個對生產(chǎn)成本影響很大的因素。氧氣轉(zhuǎn)爐耐火襯片的磨損是由轉(zhuǎn)爐內(nèi)發(fā)生的熱、化學(xué)和機(jī)械現(xiàn)象共同造成的。熱效應(yīng)與溫度波動和熱沖擊有關(guān)，而襯里的退化可能是由耐火材料、爐渣和轉(zhuǎn)爐內(nèi)的氣體之間的化學(xué)作用引起的。 機(jī)械方面的影響與廢鋼裝填造成的侵蝕、耐火材料表面和金屬之間的液體運(yùn)動、吹氧以及在耐火材料附近的高溫下氣體運(yùn)動的影響有關(guān)。

通過激光束對耐火材料襯里的磨損曲線監(jiān)測技術(shù)，可以獲得轉(zhuǎn)爐每個區(qū)域的襯里磨損曲線圖。每次吹煉后鋼液流出轉(zhuǎn)爐的區(qū)域，以及由于廢鋼裝填而產(chǎn)生的沖擊區(qū)是最容易退化的地方。有了這些知識，就可以為磨損的區(qū)域制定合適的維修策略，以延長轉(zhuǎn)爐爐襯的運(yùn)動壽命。

耐火材料襯里的維護(hù)和修理技術(shù)包括涂抹爐渣。這是通過對耐火材料進(jìn)行炮擊或?qū)⑷墼鼮R到受損的耐火襯上來完成的。在過去的幾十年里，濺渣技術(shù)已經(jīng)成為延長轉(zhuǎn)爐耐火材料壽命的領(lǐng)先技術(shù)之一。濺渣技術(shù)減少了與爐渣的熱和化學(xué)侵蝕以及機(jī)械沖擊有關(guān)的磨損。在隨后的加熱中，耐火襯上的濺渣層可以作為工作襯層，從而保護(hù)原有的耐火材料。

今天，濺渣已經(jīng)成為一個強(qiáng)有力的工具，不僅可以提高轉(zhuǎn)爐的襯里壽命，而且可以提高轉(zhuǎn)爐的利用率，最大限度地提高產(chǎn)量，同時降低耐火材料和炮擊成本。由于操作簡單，投資小，濺渣已成為提高轉(zhuǎn)爐爐襯壽命的最流行方法。

歷史

濺渣技術(shù)最早是在1970年開發(fā)的，但沒有被大規(guī)模使用。1992年，LTV鋼鐵公司的印第安納港工廠首次報告了使用這種技術(shù)提高襯里壽命的成功。慢慢地，這項(xiàng)技術(shù)被用于世界上的其他鋼鐵熔煉車間。Inland no. 4號轉(zhuǎn)爐車間報告的爐襯壽命為60,000熱度以上。

濺渣的原理和理論方面

濺渣技術(shù)包括通過吹氣槍將氮?dú)獯迪蜣D(zhuǎn)爐的熱面，從而將前次加熱剩下的爐渣濺到上面。它包括通過凍結(jié)轉(zhuǎn)爐壁上的液態(tài)爐渣，將爐渣涂在轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯上。氮?dú)夤?yīng)參數(shù)，即壓力和流速、一般渣子狀況和操作的一致性是濺渣成功的三個主要因素。

較高的鋼渣過熱度（出鋼溫度與最終鋼渣的液相溫度之差）會導(dǎo)致鋼渣變薄，保護(hù)渣層回熔速度加快。因此，合理的出鋼溫度和合理控制轉(zhuǎn)爐渣是濺渣成功的關(guān)鍵。

隨著爐渣和氮?dú)獾南嗷プ饔?，爐渣溫度逐漸降低，這對相位分布產(chǎn)生了實(shí)質(zhì)性的影響，進(jìn)而影響了爐渣的有效粘度。濺渣技術(shù)保護(hù)爐襯的基本原理（圖1）是基于對爐渣粘度的調(diào)整。良好的礦渣飛濺需要對終端礦渣的FeO和MgO濃度和堿性進(jìn)行成分調(diào)整。

圖1 爐渣飛濺的基本原理

爐渣涂層的數(shù)量和位置取決于爐渣球的質(zhì)量和大小、其速度和軌跡角度以及轉(zhuǎn)爐中的氣體流動模式。傳熱會影響爐渣在耐火材料上的附著力。

為了實(shí)現(xiàn)一個有效的工藝，需要控制許多變量。這些變量與爐渣的物理化學(xué)特性（如堿性、粘度和表面張力等）、操作方面（如噴槍高度、氮?dú)獯禋饬髁?、靜態(tài)噴槍或運(yùn)動中的噴槍等）和幾何方面（如噴槍孔的數(shù)量、孔的角度和轉(zhuǎn)爐的尺寸等）有關(guān)。氮?dú)獾膲毫土魉偈怯绊憺R渣效果的關(guān)鍵因素。噴槍位置的控制要根據(jù)熔渣的流動性和濺射位置來進(jìn)行。

在爐渣飛濺中，爐渣的數(shù)量不僅是一個重要的技術(shù)參數(shù)，而且還決定了爐渣飛濺層的厚度。在濺渣過程中，為達(dá)到滿意的覆蓋效果所需的熔渣量取決于轉(zhuǎn)爐的尺寸。它隨著尺寸的增加而增加。隨著前次加熱后留在轉(zhuǎn)爐內(nèi)的爐渣量的增加，爐渣的濺射能力也會增強(qiáng)。這導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐所有區(qū)域的爐渣質(zhì)量都更高，但通常在中心區(qū)域的質(zhì)量更高。這對爐渣飛濺的操作是有利的。

矛頭高度對濺渣過程有明顯的影響，因?yàn)槊^高度會影響到腔體的形狀和波形（圖2）。它還影響到接受渣層的轉(zhuǎn)爐襯里的位置（被涂抹的區(qū)域）。小的噴槍高度會導(dǎo)致熔渣中出現(xiàn)一個很深的空腔和一個大的再循環(huán)區(qū)，這有利于水洗涂層機(jī)制的盛行。大的噴槍高度會促進(jìn)液滴的產(chǎn)生，有利于噴出涂層機(jī)制。 隨著噴槍高度的增加，飛濺會增加，然而，超過一定的噴槍高度值，飛濺會減少。隨著噴槍高度的降低，飛濺量也會增加，這種增加一直持續(xù)到最大值，當(dāng)射流開始過度穿透時達(dá)到頂點(diǎn)，即射流超過渣層并到達(dá)耐火材料。從這一點(diǎn)上看，射流減少了。另外，當(dāng)噴槍較高時，轉(zhuǎn)爐的下部往往有更有效的覆蓋，而上部則發(fā)生相反的趨勢，當(dāng)噴槍處于較低位置時，其覆蓋效果更好。

圖2 噴槍高度對爐渣飛濺的影響

噴槍孔的角度又有相反的表現(xiàn)，即孔的角度越大，轉(zhuǎn)爐下部的濺渣就越密集。當(dāng)噴槍孔相對于垂直方向傾斜時，會產(chǎn)生更大的剪切力，改變空腔的形狀，增加噴射機(jī)制中的熔渣轉(zhuǎn)移，減少速度的垂直分量，但增加其水平分量。這就導(dǎo)致了更多的爐渣撞到爐壁上，而進(jìn)入轉(zhuǎn)爐上部區(qū)域的爐渣數(shù)量減少。

在傾斜噴槍噴嘴孔的情況下，氮?dú)馍淞麟x開噴嘴，以一定的角度（圖2中的α度）進(jìn)入轉(zhuǎn)爐。隨著出口角度的增加，噴射速度的垂直分量減少，水平分量增加。在這種情況下，剪切力增加，并觀察到濺出的熔渣量全面增加。當(dāng)然，當(dāng)角度變得過大，超過臨界值時，射流就不再影響熔渣。臨界角的值取決于噴槍的高度和熔渣的深度。

然而，噴槍孔的角度是一個不容易改變的幾何參數(shù)，它是根據(jù)轉(zhuǎn)爐的孔數(shù)和尺寸來定義的。值得注意的是，增加噴槍孔的數(shù)量，有利于在轉(zhuǎn)爐耐火材料上形成均勻的投射熔渣層。

通常情況下，煉鋼過程中的吹氧和濺渣過程中的吹氮都使用同一個噴槍噴嘴。這些噴槍的設(shè)計一般是為了配合轉(zhuǎn)爐的形狀和煉鋼的要求。如果噴槍孔的角度很窄，那么熔渣飛濺就有可能在轉(zhuǎn)爐的錐體和口部造成堆積。這也會造成噴槍表面的堆積。如果噴管孔角度較寬，那么熔渣就只會濺到轉(zhuǎn)爐的下部。此外，噴嘴孔數(shù)的增加導(dǎo)致從噴嘴中心區(qū)域?yàn)R出的熔渣量較少，但熔渣濺得更均勻。因此，為了在濺渣過程中獲得成功，有必要對噴嘴進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

噴出熔渣的速度和角度取決于射流特性（動量、流速、高度、角度和噴嘴）和腔體的性質(zhì)。關(guān)于氮?dú)饬魉俚挠绊?，可以看出，飛濺的熔渣量隨著吹氣流速的增加而增加。此外，流速的增加導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐的所有區(qū)域都有更多的爐渣沉積。

熔渣中形成的空腔深度取決于氮?dú)鈬娚涞膭恿?。反過來，噴射動量又取決于氮?dú)獾馁|(zhì)量流速和速度。隨著噴射速度的增加，熔渣的飛濺也會增加。低射流速度促進(jìn)了爐渣的攪拌，洗滌涂層機(jī)制占主導(dǎo)地位。高速的氮?dú)鈺?dǎo)致攪拌和火山口的形成。當(dāng)火山口深度達(dá)到一個臨界值時，礦渣液滴被噴出。這是由于高速噴射產(chǎn)生的高剪切力所致。高射流速度也會導(dǎo)致高液滴的產(chǎn)生。因此，在高射流速度的情況下，噴出機(jī)制成為主導(dǎo)?？傊S著射流速度的增加，熔渣涂層的效率也會提高。

爐渣密度影響著爐渣的飛濺過程。爐渣的低密度會產(chǎn)生高的工藝效率。然而，低密度也會促進(jìn)熱吹過程中出現(xiàn)不理想的噴濺現(xiàn)象。高密度會降低濺射過程的效率。然而，這種負(fù)面影響可以通過提高氮?dú)鈬娚渌俣葋淼窒?，這樣就可以提供額外的慣性力。

爐渣粘度的控制對于爐渣噴濺的有效性非常重要。 當(dāng)粘度增加時，熔渣的效率就會下降。這是因?yàn)閷τ谳^高的粘度，需要較高的剪切力來產(chǎn)生熔滴和形成駐波。從這個角度來看，熔融爐渣的低粘度是可取的。但是，不幸的是，低粘度的熔渣對轉(zhuǎn)爐側(cè)壁的附著力很小，容易向下流動。另一方面，熔融爐渣的粘度主要取決于溫度、成分和固相的存在。因此，爐渣通常要經(jīng)過一個調(diào)節(jié)過程，通過添加氧化鎂和氧化亞鐵等材料來優(yōu)化其粘度。礦渣粘度對礦渣飛濺過程的影響可以總結(jié)為：（i）隨著粘度的降低，噴射機(jī)制成為主導(dǎo)；（ii）隨著粘度的增加，洗滌機(jī)制成為主導(dǎo)；（iii）隨著礦渣粘度的降低，礦渣飛濺過程的效率也會提高。

礦渣的高堿度、高氧化鎂含量和低氧化鐵含量有助于礦渣的飛濺。爐渣的低熔點(diǎn)階段富含F(xiàn)eO，作為粘合劑并含有大部分存在的硫，而爐渣的高熔點(diǎn)階段為耐火材料提供必要的保護(hù)。

高熔化溫度和爐渣粘度有利于產(chǎn)生爐渣飛濺效應(yīng)。 礦渣要與氧化鎂飽和，以產(chǎn)生高溫相，增加礦渣粘度。爐渣的高溫相及其冶金性能，以及這些相的數(shù)量是非常重要的。此外，了解液態(tài)爐渣和固相在工藝溫度下的化學(xué)成分，有助于開發(fā)出好的爐渣。此外，為了預(yù)測爐渣的涂層特性，爐渣的物理特性也起著重要作用。爐渣的物理性質(zhì)，特別是表觀粘度，受到固相總量的很大影響。

爐渣飛濺時發(fā)生的現(xiàn)象是附著在襯里表面的爐渣層具有非均勻的相組成。當(dāng)濺渣后轉(zhuǎn)爐下一次加熱時，溫度升高，濺渣層中的低熔點(diǎn)相首先熔化并與高熔點(diǎn)成分分離，并從濺渣層緩慢移動。這個熔融的爐渣層向下流動。保留在襯里表面的熔渣層是高熔點(diǎn)相，這又提高了熔渣飛濺層的耐高溫性。爐渣的這種亞熔化現(xiàn)象，也被稱為選擇性熔化，導(dǎo)致爐渣飛濺層的氧化鎂結(jié)晶。高熔點(diǎn)成分如C2S（硅酸二鈣）等逐漸積累，提高了熔渣飛濺層的耐高溫性，保護(hù)了爐襯。

重要的是，用于噴濺的礦渣含有正確的低熔點(diǎn)和高熔點(diǎn)相混合。低熔點(diǎn)（富含F(xiàn)eO）相能確保爐渣和耐火材料之間有良好的粘合力，而高熔點(diǎn)相能提供抗侵蝕性和熱障。在FeO含量約為13%，且MgO含量過飽和（超過8%的MgO）的情況下，可以獲得良好的爐渣性能，以確保飛濺的爐渣是MgO飽和的而不是CaO飽和的。 爐渣堿度（CaO/SiO2）在2.5的范圍內(nèi)，對爐渣飛濺有好處。

爐渣飛濺層與轉(zhuǎn)爐鎂碳襯砌磚之間的結(jié)合機(jī)制可分為三層，包括（i）爐渣飛濺層，（ii）粘合層，和（iii）燒結(jié)層。主要的三種粘合方法是通過（i）化學(xué)粘合，（ii）機(jī)械和化學(xué)粘合，以及（iii）冷凝燒結(jié)。 在濺渣過程中，濺渣后滲透并填充到磚的表面之間的縫隙中，或與周圍的氧化鎂顆粒反應(yīng)，或通過燒結(jié)層形成鞏固的固溶體。由于燒結(jié)層的存在，菱鎂礦不再松散，從而防止了襯砌磚的腐蝕。同時，熔渣層也減少了轉(zhuǎn)爐吹煉時液態(tài)熔渣對襯砌磚表面的直接侵蝕破壞。

濺渣層對轉(zhuǎn)爐爐渣具有良好的耐腐蝕性。由于轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，初始爐渣的堿度較低，爐渣相主要是硅酸鈣。在此期間，爐渣飛濺層中的高熔點(diǎn)成分C2S為襯里提供了腐蝕保護(hù)。

圖3中給出了爐渣飛濺參數(shù)的典型關(guān)系。這些參數(shù)包括：（i）爐渣行為與溫度的關(guān)系；（ii）固體部分與溫度的關(guān)系；（iii）相分布與溫度的關(guān)系；（iv）有效粘度與固體部分的關(guān)系。

圖3 礦渣飛濺參數(shù)之間的典型關(guān)系

各種參數(shù)對熔渣飛濺的影響見圖4。

圖4 各種參數(shù)對礦渣飛濺的影響

過程

爐渣飛濺的形成有三個階段。這三個階段是：(i)熔融爐渣向轉(zhuǎn)爐壁輸送，(ii)熔融爐渣粘附在側(cè)壁上，以及(iii)爐渣層的凍結(jié)和硬化。關(guān)于熔融爐渣向轉(zhuǎn)爐側(cè)壁的輸送，有兩種機(jī)制，即(i)清洗涂層，和(ii)噴射涂層。第一個機(jī)制是由于熔融爐渣的散裝運(yùn)動而上升到初始水平之上，第二個機(jī)制是由于粘附在容器側(cè)壁上的爐渣液滴的噴射而發(fā)生。

在之前的熱量被挖掘出來后，最終的熔渣有一部分被保留下來，同時熔渣被排出來。然后，加入爐渣調(diào)節(jié)劑，調(diào)整粘度，實(shí)現(xiàn)爐渣的適當(dāng)組成。爐渣調(diào)節(jié)劑彌補(bǔ)了爐渣中的氧化鎂含量，并產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成一系列高熔點(diǎn)化合物。然后用氧槍將高壓氮?dú)獯等霠t內(nèi)，這將導(dǎo)致濺渣和轉(zhuǎn)爐襯里的涂層，濺渣必須在確保轉(zhuǎn)爐內(nèi)的熔渣中沒有鋼的情況下才能進(jìn)行，否則會導(dǎo)致嚴(yán)重的脫殼現(xiàn)象。

濺渣過程的各個步驟是：(i) 在前一次加熱結(jié)束時，鋼液在鋼包中被敲擊，部分熔渣在渣罐中被敲擊，剩余的渣留在轉(zhuǎn)爐中，(ii) 轉(zhuǎn)爐操作員目視檢查渣的狀況，以確定需要添加的調(diào)渣劑的數(shù)量。(iii) 轉(zhuǎn)爐操作員目測轉(zhuǎn)爐襯里，以確定襯里的任何特定區(qū)域是否需要特別注意，(iv) 通過添加所需數(shù)量的調(diào)理劑，對熔渣的溫度、氧化鐵和氧化鎂含量進(jìn)行調(diào)理，(v) 搖動轉(zhuǎn)爐，以便在裝料墊和攻絲墊上涂抹熔渣。(vi) 將氧氣噴槍降至預(yù)定水平，并啟動氮?dú)饬鳎?vii) 通過噴槍噴嘴將高壓氮?dú)獯档秸{(diào)節(jié)劑熔渣上，使其濺到轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯上，并使濺出的熔渣層沉積在內(nèi)襯表面，(viii) 轉(zhuǎn)爐操作員改變噴槍的高度，使熔渣覆蓋整個轉(zhuǎn)爐，或保持在固定位置，使熔渣覆蓋某個特定區(qū)域。(ix) 轉(zhuǎn)爐操作員決定吹氮?dú)獾臅r間，一般從2分鐘到4分鐘不等，(x) 吹完氮?dú)夂?，停止氣體流動，抬起噴槍，(xi) 傾倒剩余的爐渣，以避免轉(zhuǎn)爐底部過量堆積，轉(zhuǎn)爐準(zhǔn)備進(jìn)行下一次加熱。

礦渣飛濺的優(yōu)勢

濺渣的優(yōu)點(diǎn)如下。

1. 延長轉(zhuǎn)爐的襯里壽命。

2. 由于轉(zhuǎn)爐容積的增加，傾斜度較小，因此產(chǎn)量提高。

3. 由于煉鋼過程中基本渣的溶解而減少了熔劑的消耗。

4. 爐渣襯里的低熔相熔化后，迅速形成堿性爐渣，轉(zhuǎn)爐渣中的SiO2迅速溶解了爐渣涂層中的CaO。這導(dǎo)致了快速的脫磷。

5. 爐渣飛濺有助于煉鋼爐渣的回收。