王鵬飛

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司煉鋼部，山東 日照 276800）

鋼材是世界上應(yīng)用最廣泛的金屬材料，是現(xiàn)代化建設(shè)不可或缺的物資。我國鋼鐵產(chǎn)量自 1996 年以來一直保持世界排名第一，2018 年全國粗鋼產(chǎn)量 9.28 億 t，2019 年預(yù)計(jì)為 9.8 億 t，是名副其實(shí)的鋼鐵大國，也是全球鋼材生產(chǎn)最主要力量[1]。

煉鋼是把生鐵放到煉鋼爐內(nèi)按一定工藝熔煉得到鋼的工藝，1952 年頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法問世并迅速推廣全球，其煉鋼主要攪拌動力仍是碳氧反應(yīng)產(chǎn)生的沸騰，但是頂吹末期脫碳效率降低，熔池?cái)嚢鑿?qiáng)度變?nèi)?，對于逐漸大型化的轉(zhuǎn)爐顯得力不從心。20 世紀(jì) 80 年代初頂?shù)讖?fù)吹煉鋼法在世界上普遍推廣，已經(jīng)成為現(xiàn)代化轉(zhuǎn)爐煉鋼主要工藝之一，本文通過某 210 噸轉(zhuǎn)爐對頂?shù)讖?fù)吹工藝進(jìn)行介紹和討論。

1 頂?shù)讖?fù)吹工藝特點(diǎn)

頂吹法工藝優(yōu)點(diǎn)：投資成本較低，吹煉效率高，適用品種多，熱效率高，可以與連續(xù)鑄鋼相匹配。缺點(diǎn)是吹煉前期化渣較慢，后期熔池內(nèi)上下層溫差較大 ；冶煉超低碳鋼比較困難，過氧化現(xiàn)象嚴(yán)重；煉鋼渣中FeO高，容易發(fā)生噴濺不良行為[2]。

底吹法產(chǎn)生的攪拌力大，熔池內(nèi)部溫差較小，熔池接近平衡狀態(tài)，過氧化程度低。但是底吹法的 CO 燃燒率小，很難生成泡沫渣，前期脫磷較困難。

頂?shù)讖?fù)吹工藝是從轉(zhuǎn)爐的爐頂向鋼液中吹氧氣的同時，同時從爐底吹入其他氣體進(jìn)行吹煉的轉(zhuǎn)爐煉鋼方法[3]。它綜合了頂吹法和底吹法兩種煉鋼方法的優(yōu)點(diǎn)，同時又在一定程度上彌補(bǔ)了這兩種方法的不足[4]。在我國煉鋼小轉(zhuǎn)爐主要采用LD 煉鋼工藝，某 210 噸轉(zhuǎn)爐屬于大中型轉(zhuǎn)爐，故采用頂?shù)讖?fù)吹工藝。

2 頂?shù)讖?fù)吹工藝原理

2.1 頂?shù)讖?fù)吹設(shè)備

210 噸頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐結(jié)構(gòu)簡化如圖 1，在頂吹轉(zhuǎn)爐的底部安裝吹氣噴嘴系統(tǒng)，可以吹入氧氣等氣體或粉劑，煉鋼過程按照冶金要求來調(diào)節(jié)底吹氣體流量用來改變?nèi)鄢財(cái)嚢锠顟B(tài)。

圖1 頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐結(jié)構(gòu)

2.2 熔池?cái)嚢?/h3>

在頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，熔池?cái)嚢璧膭恿χ饕琼敶笛鯕?、底吹氣體和碳氧反應(yīng)沸騰，其中碳氧沸騰的攪拌力大小決定于脫碳速率，頂吹氧氣和底吹氣體產(chǎn)生的攪拌力都可以根據(jù)冶金要求而進(jìn)行調(diào)節(jié)。影響頂吹氧氣攪拌功率的最主要因素是氧槍的高度 ( 或氧壓 )，影響底吹氣體攪拌功率的最主要因素是氣體流量。研究表明底吹氣體進(jìn)行攪拌效果比頂吹氧氣更明顯，熔池?cái)嚢栊Ч梢酝ㄟ^復(fù)吹氣體混合時間和底吹氣量所占比例的關(guān)系，見圖 2。

圖2 底吹氣體對熔池的攪拌效果

由圖 2 可知，提高底吹氣體量的比例可以明顯縮短混合均勻所需的時間，說明底吹對熔池?cái)嚢璧淖饔糜绊懨黠@。底吹氣體量比例低于 20% 時，可以通過改變頂吹槍的高度（LH）調(diào)節(jié)熔池的攪拌能力 ；當(dāng)?shù)状禋怏w量達(dá)到 20% 以后，熔池的攪拌和混合完全決定于底吹氣流量。行業(yè)上按照底吹氣體流量的大小，將頂?shù)讖?fù)吹煉轉(zhuǎn)爐分作強(qiáng)攪拌和弱攪拌兩大類，一般底吹氣體強(qiáng)度大于 0.5m/(min·t) 和底吹石灰粉的轉(zhuǎn)爐稱為強(qiáng)攪拌復(fù)吹轉(zhuǎn)爐，其他的稱為弱攪拌復(fù)吹轉(zhuǎn)爐。復(fù)合吹煉工藝與底吹氣體強(qiáng)度對熔池?cái)嚢璧挠绊戧P(guān)系見圖3，由圖可見用時最長的是頂吹工藝（LD 法），混合時間一般在90s ～ 120s，用時最少的是底吹工藝（OBM 法），混合時間在10s ～ 20s。其他復(fù)合吹煉工藝混合時間在二者之間，并且底吹供氣強(qiáng)度越大，熔池?cái)嚢栊Ч矫黠@。

圖3 吹煉工藝、底吹氣體強(qiáng)度的攪拌效果

2.3 底吹氣體種類

底吹氣體常用的有氬（Ar）、氮（N2）、氧（O2）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）以及天然氣等，每種氣體的特性和成本上有區(qū)別，根據(jù)復(fù)吹轉(zhuǎn)爐實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行選用。（1）氮（N2）。氮?dú)鈱τ跓掍搧碚f可以看作是惰性氣體，對轉(zhuǎn)爐耐火材料和底吹噴嘴的侵蝕較輕，加上成本較低，是最廣泛應(yīng)用的底吹氣體。但是氮?dú)饽苋苡阡撘褐袑?dǎo)致鋼中氮含量增加，鋼中含氮量與鋼液吸氮速率與 CO氣泡脫氮速率決定。

（2）氬（Ar）。氬氣是一種稀有氣體，是真正的惰性氣體，基本不溶于鋼液，轉(zhuǎn)爐煉鋼、爐外精煉和保護(hù)澆鑄都要用到。因?yàn)闅鍤獬杀据^高，一般到吹煉末期以及后攪拌時，才使用氬作為底吹氣體。

（3）二氧化碳（CO2）。二氧化碳與鋼液中的碳發(fā)生反應(yīng) ：CO2+[C]=2CO，體積迅速帶動熔池?cái)嚢?，并還起到一定的冷卻作用，且對鋼的質(zhì)量無害。二氧化碳來源廣成本低，也被廣泛應(yīng)用，但是高溫下的CO2有弱氧化性，對轉(zhuǎn)爐耐火材料的侵蝕危害比氮?dú)鈬?yán)重。

（4）一氧化碳（CO）。一氧化碳對熔池?cái)嚢枳饔门c碳氧沸騰一樣，但 CO是毒性強(qiáng)，使用過程必須保證整個管路系統(tǒng)特密閉，維修管路也要先排空一氧化碳，因此出于安全考慮很少使用。

（5）氧（O2）。底吹氧氣可以攪拌也能參與冶金化學(xué)反應(yīng)，有利于控制轉(zhuǎn)爐熔體冶金過程，例如在冶煉超低碳鋼時，必須底吹氧氣。注意底吹氧氣時四周必須同時吹入天然氣等可裂解的氣體包圍局部冷卻噴嘴區(qū)，也可以使用可分解的粉劑如石灰石等進(jìn)行冷卻保護(hù)。

3 頂?shù)讖?fù)吹的類型

頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝名稱多種，原理方法大同小異，各有特點(diǎn)，一般根據(jù)頂?shù)状笛趿康谋壤M(jìn)行分類。

（1）LD-KG，LBE，LD-OTB，NK-CB，LD-AB 工藝。底吹惰性氣體攪拌熔池，底吹氣體主要是氬氣、氮?dú)夂投趸?。其中N2會導(dǎo)致是鋼液含氮量增加，要根據(jù)冶煉鋼種需求慎重使用。

底吹 Ar和CO2可代替N2作為攪拌氣體，在吹煉全程或只在后期使用，必要時吹煉完畢后繼續(xù)底吹氬氣 3min ～ 5min，用于除氮，促進(jìn)冶金反應(yīng)平衡。

（2）BSC-BAP，LD-OB，LD-HC，STB 及 STB-P 和 STB-S 等工藝。底吹氧氣或氧化性氣體來攪拌熔池。底部必須采用雙套管噴嘴，使用保護(hù)性氣體屏蔽氧化性氣體，避免氧化性氣體與轉(zhuǎn)爐耐火材料接觸造成侵蝕[5]。

（3）K-BOP、OBM 工藝。工藝底部吹氧氣量比例 40% 以下，底部供氧量及噴嘴數(shù)少，轉(zhuǎn)爐底部結(jié)構(gòu)更簡化。底部吹氧氣有利于脫碳，可用于冶煉超低碳鋼種。

（4）OBM-S，KMS，Hoogovens-BSC，ALCI 等工藝。增加爐氣在爐內(nèi)的二次燃燒措施，有效克服 OBM 工藝缺點(diǎn)。

4 結(jié)束語

（1）頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐設(shè)計(jì)必須根據(jù)公司產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要進(jìn)行工藝種類選擇。

（2）根據(jù)所冶煉鋼的種類選擇底部吹氣的類別，從而確定采用何種工藝，注意分配頂?shù)籽鯕獗壤?/p>

（3）若采用底部通吹O2等氧化性氣體攪拌熔池，必須同時吹入保護(hù)性氣體，降低對轉(zhuǎn)爐耐火材料的侵蝕。若底部吹N2則要考慮鋼種對氮的控制要求，必要時吹入氬氣除氮。

（4）頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐可以根據(jù)訂單的需求，進(jìn)行不同工藝的改造，可以適用絕大部分煉鋼需求，煉鋼行業(yè)應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展和研究的工藝。