天津天鋼聯(lián)合鋼鐵有限公司 林建筑

轉爐煉鋼擋渣工藝的應用及效益

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1 概述

隨著用戶對鋼材質(zhì)量要求的日益提高，需要不斷提高鋼水質(zhì)量，減少轉爐出鋼時的下渣量是改善鋼水質(zhì)量的一個重要手段。在轉爐煉鋼生產(chǎn)中，爐內(nèi)冶煉時會產(chǎn)生大量熔融狀態(tài)的爐渣，這些爐渣會隨著轉爐的出鋼流入鋼包中，造成以下不利影響：影響鋼包和轉爐出鋼口耐火材料的壽命；爐渣中硫、磷等有害成分重新滲透到鋼水中，影響鋼坯質(zhì)量；增加爐后鐵合金的消耗；增加鋼中夾雜物，降低鋼水質(zhì)量；增加后續(xù)工序中合成渣的用量；增加后步精煉工序處理時間。因此轉爐出鋼時，要采用擋渣出鋼工藝嚴格控制轉爐的下渣量（即隨鋼水流入鋼包中的渣量）。

2 擋渣工藝和擋渣設備的選擇

2.1 擋渣出鋼的必要性

轉爐煉鋼中，鋼水的合金化大都在鋼包中進行，而轉爐內(nèi)的高氧化性渣流入鋼包會導致鋼液與鋼渣發(fā)生氧化反應，造成合金元素收得率降低，并使鋼水產(chǎn)生回磷和夾雜物增多。同時，爐渣也對鋼包內(nèi)襯產(chǎn)生侵蝕，特別在鋼水進行吹氬等精煉處理時，要求鋼包中爐渣FeO重量低于2%時才有利于提高精煉效果。

擋渣出鋼是在轉爐冶煉終點要求少渣或無渣出鋼，其目的是有利于準確控制鋼水成分，有效地減少回磷，提高合金元素的收得率，減少合金消耗；對于采用鋼包作為爐外精煉容器來說，利于降低鋼包耐火材料侵蝕，明顯地提高鋼包壽命；也提高轉爐出鋼口耐火材料的壽命，減少后續(xù)工序中合成渣的用量，縮短后步精煉工序處理時間，因此轉爐應該采用擋渣出鋼。

2.2 擋渣方法的選擇

為提高轉爐擋渣效果，國內(nèi)外在擋渣技術方面進行了深入研究，自1970年日本發(fā)明擋渣球擋渣出鋼以來，各國為完善擋渣技術，發(fā)明了十幾種擋渣方法。擋渣出鋼的方法有：（1）出鋼前期擋渣；（2）出鋼中、后期擋渣；（3）出鋼后期擋渣；（4）出鋼后擋渣。

出鋼前期擋渣的方法有：（1）擋渣帽擋渣；（2）擋渣料法。

出鋼中、后期擋渣的方法有：（1）投放擋渣球擋渣；（2）投放擋渣錐擋渣；（3）投放擋渣塞（棒、標）擋渣；（4）智能擋渣球擋渣；（5）出鋼口吹氣干擾渦流法擋渣；（6）避渣罩法擋渣；（7）電磁法擋渣；（8）均流出鋼口法擋渣。

出鋼后期擋渣的方法有：（1）氣動擋渣；（2）滑板法擋渣（也稱液壓擋渣閘）。

出鋼后擋渣有：擋渣罐擋渣法。

另外，還有一些擋渣方法，如：三孔出鋼法、真空吸渣法、氣動撇渣法、扒渣法等，未能廣泛應用。

目前常用的擋渣出鋼法是（1）耐材制品擋渣；（2）氣動擋渣；（3）液壓擋渣閘擋渣。

氣動擋渣是80年代中期奧鋼聯(lián)開發(fā)成功的。它采用電子示渣器對鋼流監(jiān)測，并根據(jù)檢測信號用氣動裝置將耐火材料塞子封堵出鋼口。擋渣設備處于爐口極為惡劣的高溫狀態(tài)下，易于損壞，不便維修，價格昂貴，以及氣源、管線在爐身、耳軸中布置不便，不能適應老爐改造等原因的局限，在國內(nèi)未能推廣使用。

傳統(tǒng)的擋渣工藝，是采用投放擋渣球擋出鋼。擋渣球通常采用鐵絲吊掛伸入爐內(nèi)，在高溫下鐵絲熔斷，使球落入爐內(nèi)，或者采用簡單機械讓擋渣球在溜槽內(nèi)滑動，拋入爐內(nèi)。由于擋渣球通常是以隨波逐流的方式到達出鋼口，而往往由于鋼渣粘性大，擋渣球不能到達出鋼口，或者不能有效地在鋼水將流盡時堵住出鋼口，因而擋渣球擋渣出鋼通常有效率低于70%,由于擋渣球擋渣出鋼的低效率，國內(nèi)一些廠家也試圖從改進擋渣球的形狀等方面入手，提高擋渣效果。但由于擋渣工藝、擋渣設備、擋渣工藝材料的的一體化解決方案的問題，始終效果不盡人意。

1987年Michael D.Labate總結了西德?lián)踉粼诿绹氖褂玫慕?jīng)驗，發(fā)明了具有擋渣和抑制渦流雙重功能擋渣塞。在轉爐出鋼后期，將擋渣棒導向棒部分在爐內(nèi)插入出鋼口，半球部分懸浮于鋼水與渣液界面上；當鋼水流將盡時，半球擋渣棒適時堵住出鋼口，從而防止渣液流入鋼水包。這項新工藝顯著地降低了鋼水中硫、磷的含量，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，同時降低了能耗，減少了鋼水的溫度損失，增加了操作的安全性。該裝置呈陀螺形，粗端有3個凹槽、6個棱角，能夠破壞鋼水渦流，減少卷渣。其比重與擋渣球相近，在4.4～4.7g/m3之間，能浮于鋼渣界面，伴隨出鋼過程，逐漸堵住出鋼口，實現(xiàn)抑制渦流和擋渣的作用。該法擋渣成功率可達96%左右。

2000年以后，盧森堡、德國、日本等國家鋼鐵企業(yè)在轉爐上用大型鋼包滑動水口擋渣，與一些示渣法相結合，可以有效地控制下渣量，并能準確控制出鋼時間。這種方法擋渣效果好，但其成本較高。同時，由于出鋼口所在的特定位置，使得安裝與拆卸均不方便，且易受吹煉期間噴濺的影響。該裝置設備復雜、成本較高，只適用于120t以上的大轉爐，并冶煉高品種鋼。

以下是擋渣球擋渣、氣動擋渣、擋渣塞擋渣、液壓擋渣閘擋渣的比較：

類 別 擋渣成功率 擋渣有效率 回磷(%) 渣厚(mm) 運行成本 故障率擋渣球擋渣 70～75 70 0.005～0.01 150～200 低 低氣動擋渣 95 90 0.005～0.008 ～100 高 高擋渣塞擋渣 99 96 0.001～0.002 ～50 低 低液壓擋渣閘 99 99 0.001～0.002 20～40 高 低

根據(jù)天津天鋼聯(lián)合鋼鐵有限公司轉爐容量和冶煉鋼種要求以及現(xiàn)有轉爐使用擋渣出鋼的實踐，我們在即將投入的三座120t轉爐中選用前期擋渣帽加中、后期投放擋渣塞方法進行擋渣。

2.3 擋渣設備的選擇

前期擋渣通常采用人工將擋渣帽塞入出鋼口。

中、后期擋渣通常采用擋渣塞投放裝置投放擋渣塞。

擋渣塞投放裝置從安裝形式上分地面軌道型和空中懸掛型，地面軌道型是安裝在爐后平臺的軌道上，空中懸掛型是吊在爐后平臺的上一層鋼平臺下。

兩種形式各有優(yōu)、缺點：

2.3.1 地面軌道型占用爐后平臺靠后側的一定空間，空中懸掛型雖不占用地面空間，但是懸掛在爐后平臺上方，影響上部通行空間。

2.3.2 地面軌道型設備重量輕，爐后平臺不需要任何改造；而空中懸掛型則重量重，則需對上層平臺進行加固改造，否則無法使用。

2.3.3 地面軌道型安裝、調(diào)試、使用、調(diào)整、檢修和維護均在地面完成，非常方便簡捷，安全可靠。尤其在調(diào)整、檢修方面，地面軌道型無論在是否停爐的狀況均可進行，但空中懸掛型則需在停爐條件下進行，否則爐后空中惡劣環(huán)境（高煤氣、高溫）對檢修人員是個危險。

2.3.4 在設備定位精度方面，地面軌道型采用全剛性聯(lián)接機構，整個設備是一個剛性體，而且在三維方向均可調(diào)整并精確定位。而空中懸掛型由于前端為鏈條聯(lián)接，卷揚機傳動，整個設備前端是柔性的，無法達到高定位精度的要求。

2.3.5 在極端事故處理能力方面，地面軌道型強于空中懸掛型。例如在停電或電機缺相情況下（此時懸臂桿在爐內(nèi)）地面軌道型地面軌道型完全能夠在地面通過操作解決問題，而空中懸掛型則無法解決。

2.3.6 從夾持擋渣棒的位置方面，地面軌道型在爐后平臺后端側面安裝夾持，而懸掛型則必須在爐口安裝，這對夾棒操作人員的安全造成威脅。

2.3.7 地面軌道型為機電儀一體化設備，與工廠的交接只有一處，只需工廠提供動力電源、氣源即可。而懸掛型則涉及上層平臺負荷設計，操作臺的安放及動力線、氣源的布置，涉及面較廣，檢修維護困難。

2.3.8 在投放原理上兩者有本質(zhì)的區(qū)別：地面軌道型是通過機械手將擋渣棒插入出鋼口后釋放，而懸掛型則是在出鋼口的上方釋放，將擋渣棒自由落體掉到出鋼口，兩者在實踐過程中命中率有較大差別。

馬鋼一煉鋼1#轉爐安裝了懸掛型擋渣塞投放裝置，由于無法連續(xù)正常運行，命中率不高。因此2#、3#轉爐選用地面軌道型擋渣塞投放裝置。

綜上所述，設計決定選用地面軌道型擋渣塞投放裝置。

3 地面軌道型擋渣裝置的性能特點

3.1 擋渣的準確性

擋渣塞準確、定點插入出鋼口是實現(xiàn)預期擋渣效果的保證。擋渣塞由于帶一個導向棒的結構，轉爐搖爐出鋼時，Φ140mm直徑的出鋼口浸淹在鋼水之下，投放擋渣塞時，導向棒能否準確地插入出鋼口中對其擋渣效率影響較大。

轉爐每80～200爐更換出鋼口，出鋼口具體位置隨更換出鋼口而變化，但在爐役期內(nèi)變化不大。我們采用以下三項措施以確保擋渣塞的導向棒能準確地插入出鋼口。

3.1.1 利用高控制精度的接近開關可以在三維方向進行調(diào)整并且精確定位，保證投放點隨出鋼口位置變化而變化；

3.1.2 采用獨立的車載液壓系統(tǒng)，能夠準確地控制各動作；

3.1.3 采取具有“二次定位”功能液壓鎖緊裝置將行走小車與旋轉平臺鎖緊連成一體，防止機構運行中的動作偏移，保證運行位置的重復性。

3.2 擋渣塞投放裝置的安全、可靠性

擋渣塞投放車設計上在機械、電控、軟件方面采取了有效的措施。

擋渣塞投放車在轉爐一個冶煉周期內(nèi)工作時間極短,其在待投位置到投放結束返回原始位置,不到1min。

擋渣塞投放車懸臂桿采用了獨立的空氣冷卻系統(tǒng),避免了機構動作時冷卻空氣流量自動降低,造成主要組成部件易損和工作不可靠的缺陷。

擋渣塞投放車軟件方面考慮系統(tǒng)的多路保護控制。從目前使用廠家看，至今無任何故障發(fā)生。

擋渣塞投放車針對轉爐出鋼時工作環(huán)境惡劣，擋渣塞投放車在一個極短工作時間內(nèi)有可能出現(xiàn)極端的情況,在設計上考慮了嚴格的人身和設備安全措施。

3.3 擋渣棒投放裝置的易用性

在操作方式上設計了車上載人程序自動操作和手動操作兩種方式,機旁程序自動操作方式,共三種操作方式。擋渣棒投放車機械易損件、易耗件少,電氣元件全部采用國外著名廠、商產(chǎn)品。調(diào)整簡單,轉爐更換出鋼口后,操作工可根據(jù)新出鋼口位置在車后作定點調(diào)整。

4 擋渣出鋼的效益分析

天津天鋼聯(lián)合鋼鐵有限公司在即將投入的三座120t轉爐設計上采用新型擋渣工藝，對于提高鋼包壽命、延長爐齡有著可觀的經(jīng)濟效益。

4.1 減少了鋼包中的爐渣量和鋼水回磷量。國內(nèi)外生產(chǎn)廠家的使用結果表明，擋渣出鋼后，進入鋼包的爐渣量減少，鋼水回磷量降低。不擋渣出鋼時，爐渣進入鋼包的渣層厚度一般為100～140mm，鋼水回磷量0.004%～0.006%；采用擋渣出鋼后,進入鋼包的渣層厚度減少為40～80mm,鋼水回磷量0.002%～0.0034%。

按未使用該工藝廢品率平均（P含量過高）每月2 爐計算：FI=120×2×12×500=144（萬元）

4.2 提高了合金收得率。擋渣出鋼，使高氧化性爐渣進入鋼包的數(shù)量減少，從而使加入的合金在鋼包中的氧化損失降低。特別是對于中、低碳鋼種，合金收得率將大大提高。不擋渣出鋼時，錳的收得率為80～84%，硅的收得率為70%～80%；采用擋渣出鋼后，錳的收得率為84～90%，硅的收得率為80%～90%。

采用擋渣出鋼工藝，噸鋼可節(jié)約合金消耗約1kg/t，合金按7000元/t，年產(chǎn)鋼水按300萬t/a計算：F2=300×0.001×7000=2100（萬元）

4.3 降低了鋼水中的夾雜物含量。鋼水中的夾雜物，大多來自脫氧產(chǎn)物，特別是對于轉爐煉鋼在鋼包中進行合金化操作時更是如此。攀鋼對鋼包渣中TFe量與夾雜廢品情狀進行了調(diào)查，其結果是：不擋渣出鋼時，鋼包渣中W(TFe)為14.4%，經(jīng)吹氬處理后渣中W(TFe)為2.6%，這說明渣中11.9%的W(TFe)將合金元素氧化生成了大量氧化物夾雜，使廢品率達2.3%。采用擋渣出鋼后，鋼包中加入覆蓋渣的W(TFe)為 3.61，吹氬處理后渣中 W(TFe)為4.01，基本無多大的變化，其廢品率僅為0.049%。由此可見，防止高氧化性爐渣進入包內(nèi)，可有效地減少鋼水中的合金元素氧化，降低了鋼水中的夾雜物含量。

4.4 提高了鋼包使用壽命。目前我國的鋼包內(nèi)襯多采用黏土磚和鋁鎂材料，由于轉爐終渣的高堿度和高氧化性，將侵蝕鋼包內(nèi)襯，鋼包使用使命降低。采用擋渣出鋼后，減少了爐渣進入鋼包的數(shù)量，同時還加入了低氧化性、低堿度的覆蓋渣，這樣減少了爐渣對鋼包的侵蝕，提高了鋼包使用壽命。

由于采用了新型的擋渣工藝，可提高鋼包壽命5%，更換一次鋼包需耐材20t，3800元/t，澆注料12t，每噸1300元/t，鋼包壽命按80爐，年產(chǎn)鋼水按300萬t/a，可節(jié)約耐材費用計算如下：4.5經(jīng)濟效益

按此計算，全年可節(jié)約2387.125萬元。

更為突出的是，由于該工藝的使用，為我公司潔凈鋼生產(chǎn)提供了有利的保證，更為今年高品種鋼提供了堅實的基礎。