防止溅渣护炉堵塞透气砖的新方法

Novel Method for Stirring BOF Melts in Conjunction With Slag Splashing

防止溅渣护炉堵塞透气砖的新方法

碱性氧气转炉底吹搅拌因其给操作带来的益处，从而在世界许多地方得到应用。然而，这个技术在美国使用并不普遍，因为溅渣护炉是转炉常用的操作方式，当与底部搅拌结合使用时，可能会导致可靠性差和透气砖堵塞问题。本文讨论了一种新研制的透气砖，在保持溅渣护炉操作优点的同时，可以消除透气砖存在的问题。新的透气砖实现了这一目标，通过提供操作的灵活性，使用先进的控制，溅渣护炉保持转炉炉龄长期运行，并且保持透气砖对钢水的搅拌作用。

碱性氧气转炉(BOF)是将氧气吹入炉内的热铁水中，给铁水脱碳和去除有害杂质，将铁水转化为钢水。在转炉中，吹氧进入铁水中可以降低钢水中的碳含量，该工艺还使用煅烧石灰石或白云石等化学助熔剂来调节炉渣的成分，促进杂质的去除，保护转炉炉壁耐材内衬。采用炉底搅拌可以提高顶吹氧气转炉的冶金作用和效率，转炉底吹搅拌时，从转炉底部或侧面引入气体，对钢水进行搅拌。转炉顶吹送氧和炉底搅拌的复合吹炼的优点已在各种文献中得到充分证实。[1~3]这种复合吹炼改善了反应动力学条件，使熔池温度更加均匀，可以更好地控制碳氧比，从而提高了收得率和脱磷效果，提高了锰的收得率，降低了合金材料的消耗。

复合吹炼的经济效益

表1概述了底吹搅拌与顶吹烟气复合使用的经济效益。由于提高了收得率、造渣料用量的减少、钢水中剩余锰含量的增加以及其他益，每吨铁水预计可节省3.9美元，设备安装和搅拌气体的费用估计为每吨铁水1.12美元，这样估计，使用复合吹炼每吨铁水可节省约2.78美元，这些益处在转炉炼钢界是众所周知的。

表1  使用底搅拌的净效益比较

目前的转炉工艺没有底搅拌

在联合钢铁企业(比如在美国)，转炉炼钢过程有四个阶段，不同的步骤在图1所示：铁水加入阶段(步骤1)，吹氧冶炼阶段(开始吹氧步骤2，吹氧结束步骤3)，出钢阶段(步骤4)，溅渣护炉阶段(步骤5)。以此这样的循环，完成步骤5后，进入下一个冶炼周期步骤1。

图1  美国联合钢铁企业炼钢厂典型的氧气顶吹转炉工艺阶段

在步骤1(铁水装入)中，废钢和热铁水(金属料)通过转炉上口装入或倒入转炉炉膛内，在步骤2(开始吹氧)，大流量的氧气通过插入炉顶氧枪撞入铁水熔池，在这一吹炼过程中，熔渣在熔池上层表面形成；在步骤3(吹氧结束)中，停止供氧，将氧枪从炉顶抽出；在步骤4(出钢)中，转炉倾斜，钢水从炉侧的出钢口倒出进入钢包，炉渣留在炉；在步骤5(渣溅护炉)中，转炉返回到垂直位置，插入氧枪，氧枪此时喷射超音速氮气与吹氧的超音速氧气类似，飞溅的炉渣黏糊在转炉内壁上，导致在炉壁耐材涂上了一层炉渣，它在一定程度上替代了在转炉冶炼过程中消耗或侵蚀掉的部分耐火材料，并在耐火材料上形成一层保护层。

然而，如果在带有底吹搅拌透气砖转炉进行溅渣护炉作业，往往导致转炉底部的透气砖部分或完全堵塞，这种透气砖的堵塞基本上阻止或限制底吹气体通过透气砖进入转炉来搅拌钢水，并最终在多次溅渣作业后，导致完全失去底吹搅拌的功能。

因此，使用转炉底吹搅拌透气砖的一个主要挑战是，随着时间的推移，由于炉渣或钢水在透气砖中气体窄缝中冷却，它们可能会出现气体通道部分或全部堵塞，气体可能部分通过这些透气砖元件，但搅拌效果会减弱或完全丧失，特别是如果仍然有搅拌气体流动通过炉底透气砖的情况下，这些堵塞是很难检测到的。

美国常用溅渣护炉方法，由于底吹搅拌元件的可靠性差和维护困难，所以没有使用底吹搅拌技术。在世界各地采用底吹搅拌和溅渣护炉的设备中，现有的炉底搅拌元件透气砖的使用寿命大大低于转炉耐材的寿命。例如，底吹搅拌透气砖很少能持续超过3000 – 5000炉，超过这个炉龄就不能使用，而转炉耐材则可以持续数千炉炉龄。因此，至少有一半，甚至在某些情况下高达85%的冶炼时间，都不能进行底吹搅拌，这样就影响了正在冶炼生产中钢的品质，导致有底吹搅拌或没有底吹搅拌的“双重做法”。因此，这些设备必须重新砌筑耐材更换，这样才能经常地保持炉底搅拌的优点。

新型装置和工艺

本发明的目的是提供一种新型透气砖，帮助消除前面讨论的缺点，同时保持在转炉炉底浸入在钢水内的(底部或侧面)气体搅拌操作的优点。当前的设计通过在透气砖上提供两种不同的灵活操作模式：搅拌模式和烧嘴模式，操作模式可以通过使用控制机构来进行选择。

在搅拌模式下，底吹气体帮助其炉底上方的熔池进行适当的搅拌混合，底吹喷嘴在喷射状态下工作。吹气鼓泡和射流流态的现象在文献4中得到了很好的证实，证明了要使射流处于稳定的射流态，完全膨胀马赫数应大于1.25。底吹喷射流有助于：(a) 防止对底部耐火材料的冲击侵蚀，(b) 实现更有效的搅拌。

在烧嘴器模式下，底吹透气砖提供了一种机制，清洗任何中等强度的堵塞，这是指透气砖出口处有固态或半固态物质。因此，透气砖保持自身不堵塞，以保持搅拌的效率，在更长的炉龄周期内保持搅拌气体的畅通，消除透气砖出口任何潜在堆积物，保持透气砖通道内部的清洁。

建议改进转炉工艺

图2说明了转炉底吹搅拌透气砖喷嘴的操作策略，并说明了拟议的专利工艺(美国专利10,781,499)，与转炉炼钢的标准工艺的不同之处在步骤1 ~ 3(热铁水注入阶段和吹氧冶炼阶段)透气砖处于出气的搅拌状态，在步骤4 ~ 5(出钢阶段和溅渣护炉阶段)透气砖口处于烧嘴状态。

图2  建议的转炉冶炼新的工艺阶段

在步骤1(注入铁水加料)中，在开始将铁水倒进炉膛之前，惰性气体通过透气砖的气体通道（或连续不间断吹入气体进入），在倒入铁水和加入废钢时候保持惰性气体的流动，这样就可以防止炉底搅拌元件过热和/或堵塞。在步骤2(开始吹氧冶炼)中，惰性气体以相同或不同的流速通过透气砖的气体通道继续流动，以实现对熔池的搅拌。在步骤3(结束吹氧冶炼)，惰性气体的吹入搅拌在步骤2后继续。

在步骤4 (出钢)中，当转炉倾斜倒出钢水时，通过透气砖通道的气流，一个通道转换为燃料，另一个通道转换为氧化剂，产生这样可以产生燃烧的火焰。在步骤5(溅渣护炉)中，燃烧的火焰防止透气砖通道的堵塞，并防止在透气砖出口形成任何形式的堵塞搭桥。因此，在步骤4和步骤5中，燃料和氧化剂通过底吹搅拌元件。建议在并非必要在所有炉次的溅渣护炉中使用烧嘴模式。

在接下来的章节中，详细讨论了使用Air Products专利透气砖喷嘴(U.S.专利11,155,890)的实验室实验和结果。

新型炉底搅拌喷嘴的研制

方法

图3概述了完整的透气砖开发和测试方法。为了达到底吹搅拌操作的新工艺方法，第一步是开发一种新的透气砖设计。正如前面所讨论的，这个新的设计将使透气砖在两种不同的模式下运行：搅拌模式和烧嘴模式。在搅拌模式下，透气砖处在喷射状态下工作，以将熔池钢水有效混合，并减少对耐火材料的打击次数。在烧嘴模式下，透气砖出口可以形成稳定的燃烧火焰。

图3  Air Products新型透气砖的开发和测试方法（从左至右：透气砖研发→水或油模拟→坩埚内研究液渣和火焰作用→在实验中增加液渣高度）

在开发阶段的下一步是在模拟环境条件下测试透气砖，以确认流动状态和透气砖对任何液态回流的鲁棒性。这些实验是在一个水箱中进行的，使用水和油作为流体介质。在成功演示了透气砖的喷射流态后，利用转炉炉渣对透气砖进行了火焰模式下的测试，以了解火焰与转炉炉渣的相互作用。

熔渣实验在坩埚中进行，使用坩埚的想法是模拟转炉炉底单个透气砖部分。如参考文献6和7所示，在混合模式下，不同透气砖之间的相互作用对优化熔池混合时间至关重要。然而，在火焰模式下，每个透气砖都在其出口处的一个小体积周围起作用。两个透气砖之间的距离足够大，任何两个火焰之间的相互作用最小。每个透气砖都必须自己提供足够的热量来融化出口处的固态渣或凝固金属。

周围环境：水、油介质实验

在模拟箱体中对新型透气砖在常温常压下的流态特性进行了测试。箱体尺寸为典型转炉容器尺寸比例为1:6，透气砖位于炉底中心，实验是用水和油两种介质进行模拟，之所以选择水是因为水的粘度与熔融钢水的黏度相似。通过对油的选择来模拟转炉炉渣的黏度。此模拟测试的主要目的是复制溅渣葫芦模式下的透气砖操作：确保在搅拌或烧嘴两种模式下，没有液体渗透回透气砖气体通道内。在这个容器中的实验复制了转炉容器中“单个透气砖周围的区域”。这使得使用一个实际的原型透气砖进行测试。使用电器控制电炉来保证在两种透气砖运行方式下透气砖内无水渗透。

铁水与炉渣实验

在坩埚中进行了液态渣和钢水的模拟实验。透气砖位于坩埚底部，坩埚内装有转炉固体炉渣、铁，或者是固体炉渣与铁混合物的混合物。利用一堆固体材料作为试验装置，模拟出透气砖出口部分或完全被固态渣或凝固的钢水堵塞的最坏情况。底部火焰的热量被用来制造金属或炉渣的熔池。

实验室实验结果

水和油介质：转炉箱体模拟实验

原型透气砖在Air Products公司的燃烧实验室进行了测试，以验证设备的功能和按照设计计算的操作运行，图4显示了其中一个原型透气砖的理论和实验室确定的流量压力特性。这张图也显示了原型透气砖的扩张马赫数。左边的y轴是流体供应压力，右边的y轴是膨胀马赫数。图中显示，在供应压力高于80 psia时，膨胀马赫数高于1.25。这是临界膨胀马赫数，在此之上，透气砖在喷射状态下运行图5a为喷射工况下喷嘴的运行情况。液面高出透气砖出口三英尺。

图4  压力流特性的原型透气砖设计

图5   透气砖运行方式：(a) 水介质、搅拌方式、喷射方式、(b) 油介质，空气动量与烧嘴运行方式相同

此外，图4显示，使用标准的液态气体供应罐，无需使用压缩装置，即可实现喷射流态要求的压力。此外，在实验室中测量的流量压力特性与理论确定的透气砖压力流量特性差别在10%以内。

在容器中使用水介质对原型透气砖进行了测试，结果表明，只要有气体通过透气砖，就不会有水渗透到透气砖内部。此外，还使用黏度与转炉炉渣相似的油作为模拟转炉内的流体介质，对透气砖操作进行了测试。空气与燃料和氧化剂的动量相同，在以油为介质的试验中，就使用空气通过透气砖，箱体内的油位保持在距离透气砖出口大约18英寸的位置。从图5b中可以看出，从透气砖流出的流体动量足够大，足以占据了其上方的油柱。

环境条件下的实验有助于建立透气砖设计的可信度，下一节将讨论使用转炉熔渣进行的实验。

转炉液渣实验

利用转炉炉渣在坩埚中进行了烧嘴模式运行试验。表2概述了实验中使用的转炉炉渣中的主要成分。图6为测试透气砖作为烧嘴模式运行方式的坩埚顶视图。将转炉固体炉渣和5%的铁质量装入坩埚。在出钢操作(图2中步骤4)后，加入铁以复制转炉炉渣中残留的铁痕迹。最初，坩埚中的炉渣和铁通过底部透气砖的氮气流冷却。

图6  原型试验测试烧嘴模式运行的新型透气砖：(a)固体炉渣5%铁体积；(b) 透气砖烧嘴模式；(c)炉渣和铁由于底部火焰的热量释放而融化；(d) 底部火焰造成溅渣，黑点为炉膛观察窗溅渣点；(e)火焰熄灭，氮气开始冷却熔渣；(f)火焰模式重启，氮气关闭；(g)火焰从中心孔开始；(h)火焰熄灭，氮气开始冷却渣； (i)实验后，在中心开孔坩埚中剩余的固化渣

表2  转炉炉渣成分：主要成分

图6b表示的是透气砖启动烧嘴模式时的初始阶段，当坩埚内的温度高于燃料的自燃温度时，就会产生火焰。底部火焰释放的能量使炉渣熔化，形成熔渣池，燃烧气体导致熔渣飞溅，如图6d所示。底部燃烧溅出的炉渣在坩埚上方约6英尺的观察窗口上形成了固化的炉渣点。这些“黑点”可见于图6d-6h。底部燃烧溅出的渣表明了底部燃烧清除透气砖出口淤积，有足够强度喷射这些渣子。

当坩埚炉渣开始喷溅时，关闭烧嘴模式，从底部进入氮气流动，使熔渣凝固，可见到固化渣，在图6e中标记为“中心渣眼”。炉渣凝固后，将透气砖操作改为烧嘴模式。图6f和图6g显示火焰在透气砖所在的坩埚中心形成。在确定能够在透气砖出口上方创建一个清晰的孔后，透气砖操作被切换回氮气流。图6i为实验结束时的坩埚，结果表明，透气砖出口上方的固化渣层有明显的渣眼。

实验表明，从搅拌模式到烧嘴模式再到搅拌模式的转换过程是平稳的，炉渣在透气砖内无回流现象。流滑和控制系统运行良好，显示了底部透气砖两种运行模式之间的切换具有实用性，如图2所示的转炉工艺建议。本实验模拟了透气砖所面临的最恶劣条件，即透气砖上及周围形成固体渣壳。

检测液体进入透气砖装置

在“Air Products”实验室对透气砖堵塞检测，反馈透气砖控制阀的控制机理进行了试验研究。在这个原型设计中，热电偶和流量测量装置作为主动传感器元件来测试和验证控制机构。热电偶安装在耐火坩埚底壁和透气砖内部的关键位置A、B、D处。

在透气砖出口处上方的耐材坩埚中创造一个钢水熔池，由于钢水的黏度比液态炉渣低，因此本实验采用钢水熔池，因此，钢水渗入到透气砖会造成最为恶劣的影响。为了模拟钢水进入透气砖的情况，将底吹气体流量逐渐降低到零。图7为在耐火坩埚和原型透气砖中安装热电偶获得的温度数据。温度和时间分别表示在y轴和x轴上。运行236.5分钟后，气体流量降至零。从图7可以看出，当底吹气体流量开始减少时，钢水渗透流入到透气砖气体通道内，导致热电偶A、B、d的温度读数升高。在此操作过程中，坩埚底壁温度接近1775°F（968℃）。热电偶A和热电偶B的升温读数接近725°F（385℃）/分钟，可用控制器反馈信号启动再次向透气砖进入气体，以避免钢水或液态炉渣在透气砖内进一步渗透进入。热电偶的读数D显示了由于透气砖断气失去冷却效果而导致的管内温度上升，由于钢水在抵达热电偶D位置之前凝固了，所以热电偶数D的温度低于热电偶A和热电偶B。

图7   透气砖和坩埚内温度传感器时间和温度的曲线

钢水渗透进入到透气砖深度约为2英寸。这种钢水渗透代表实验室数据，并不能完全反映实际转炉透气砖堵塞情况。在实验的下一阶段，关键是要确定如何利用对透气砖温度传感器信号来反馈控制进入底吹气体，减少钢水渗入到透气砖内。

新型透气砖优点

该项目研发新型透气砖是单个透气砖可以实现两种操作模式：搅拌模式，透气砖底吹搅拌作用于；烧嘴模式，避免透气砖在出口处的任何堵塞。与标准常规的透气砖相比，这种自净透气砖的特点有助于在转炉作业中保持底吹的搅拌效率，并具有长的寿命。

透气砖安装简单，无需等待转炉更换炉底即可安装。与常规的底吹搅拌透气砖(通常使用更换炉底安装)相比，这种安装方式更加简便。此外，获得专利的透气砖在现有的供应压力下工作，使用相似气体流量，这些气体来自于标准的高压液体储存容器或空气分离装置，不需要额外的压缩机，不使用压缩机就可以降低系统的投入资金和运行成本。此外，安装在透气砖上的温度和流量传感器有助于检测透气砖上的任何堵塞，并通过主动反馈采取纠正措施。

挑战和下一步

在实验室内成功地在透气砖出口上方的坩埚内使用了钢水和熔渣堵塞状况的实验，在透气砖出口处使用固体渣是模拟最坏的情况，反映了转炉操作中透气砖被堵塞的状况。实验表明，在烧嘴模式下，新型透气砖能够成功地熔解固体渣，消除透气砖出口上方一定量体积的熔渣，并在透气砖出口上方形成一个清晰的开口。下一阶段是继续研发这种类型的透气砖，并在更大的比例规模上进行试验测试，测试的容器可以是一个大型的钢包或一个实际的转炉，这些下一阶段实验将有助于研究转炉在多炉次循环冶炼下透气砖的连续运行。

此外，实验室实验表明，在透气砖烧嘴模式下，火焰对耐材壁温度的影响不大，这一观察结果需要在转炉实际生产操作几千炉进行验证。在钢包或转炉容器中进行的测试将有助于估计火焰对耐火材料壁的影响。这些大规模观测结果将有助于进一步调整透气砖的设计，可以通过改变火焰特性来改变火焰的热流密度，或者对图2所示新的工艺过程进行改变。

结论

开发了一种用于转炉炉底搅拌的新型透气砖，该透气砖可在溅渣护炉中保持透气砖的搅拌效率。在实验室实验中，烧嘴模式下的透气砖操作表现出良好的透气砖出口上方固体渣的熔解能力和透气砖出口上方通道的清理能力。透气砖和其工艺开发的下一步是扩大实验室实验，并在转炉车间进行现场试验。

在北美市场，新开发的透气砖可实现转炉底吹搅拌与溅渣护炉结合使用。这可以显著提高经济效益和钢水质量。在全球市场上，这种新的透气砖可以帮助保持底吹搅拌的效率和更长的转炉耐材使用周期，可以从3000到5000炉龄扩展到数万炉龄。

参考文献

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作者

Anandkumar Makwana：Principal Research Engineer, Combustion Applications, Air Products &Chemicals Inc., Allentown, Pa., USA info@airproducts.com

Anup Sane：Lead Research Engineer, Technology Lead, Combustion, Air Products andChemicals Inc., Allentown, Pa., USA info@airproducts.com

Xiaoyi He：Senior Research Associate, Lead, Computational Fluid Dynamics, AirProducts & Chemicals Inc., Allentown, Pa., USA

Greg Buragino：Retired, Air Products & Chemicals Inc., Allentown, Pa., USA

多少年来和钢中的非金属夹杂物打仗，全世界不知道有多少人和它战斗，冶炼上搞了多少新的设备新的工艺，多少年过去了，都明白了一个道理，只能与非金属夹杂物共存，要消灭夹杂物那是上帝的事情，人类是不可能了。我们冶金界的科学家和工程师们的任务就是探索夹杂物的形态、形貌、大小、成分、分布，减轻它们对钢性能的影响，甚至利用它们来提高钢的性能。消灭非金属夹杂物，清零非金属夹杂物，生产绝对纯净的钢，那是一个不能实现的梦。