轉爐運行中的熔渣濺射技術

眾所周知，用于生產液態鋼的氧氣煉鋼轉爐中耐火襯的磨損是一個對生產成本影響很大的因素。氧氣轉爐耐火襯片的磨損是由轉爐內發生的熱、化學和機械現象共同造成的。熱效應與溫度波動和熱沖擊有關，而襯里的退化可能是由耐火材料、爐渣和轉爐內的氣體之間的化學作用引起的。 機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動、吹氧以及在耐火材料附近的高溫下氣體運動的影響有關。

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

耐火材料襯里的維護和修理技術包括涂抹爐渣。這是通過對耐火材料進行炮擊或將熔渣濺到受損的耐火襯上來完成的。在過去的幾十年里，濺渣技術已經成為延長轉爐耐火材料壽命的領先技術之一。濺渣技術減少了與爐渣的熱和化學侵蝕以及機械沖擊有關的磨損。在隨后的加熱中，耐火襯上的濺渣層可以作為工作襯層，從而保護原有的耐火材料。

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

歷史

濺渣技術最早是在1970年開發的，但沒有被大規模使用。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提高襯里壽命的成功。慢慢地，這項技術被用于世界上的其他鋼鐵熔煉車間。Inland no. 4號轉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

濺渣技術包括通過吹氣槍將氮氣吹向轉爐的熱面，從而將前次加熱剩下的爐渣濺到上面。它包括通過凍結轉爐壁上的液態爐渣，將爐渣涂在轉爐內襯上。氮氣供應參數，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）會導致鋼渣變薄，保護渣層回熔速度加快。因此，合理的出鋼溫度和合理控制轉爐渣是濺渣成功的關鍵。

隨著爐渣和氮氣的相互作用，爐渣溫度逐漸降低，這對相位分布產生了實質性的影響，進而影響了爐渣的有效粘度。濺渣技術保護爐襯的基本原理（圖1）是基于對爐渣粘度的調整。良好的礦渣飛濺需要對終端礦渣的FeO和MgO濃度和堿性進行成分調整。

圖1 爐渣飛濺的基本原理

爐渣涂層的數量和位置取決于爐渣球的質量和大小、其速度和軌跡角度以及轉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。

為了實現一個有效的工藝，需要控制許多變量。這些變量與爐渣的物理化學特性（如堿性、粘度和表面張力等）、操作方面（如噴槍高度、氮氣吹氣流量、靜態噴槍或運動中的噴槍等）和幾何方面（如噴槍孔的數量、孔的角度和轉爐的尺寸等）有關。氮氣的壓力和流速是影響濺渣效果的關鍵因素。噴槍位置的控制要根據熔渣的流動性和濺射位置來進行。

在爐渣飛濺中，爐渣的數量不僅是一個重要的技術參數，而且還決定了爐渣飛濺層的厚度。在濺渣過程中，為達到滿意的覆蓋效果所需的熔渣量取決于轉爐的尺寸。它隨著尺寸的增加而增加。隨著前次加熱后留在轉爐內的爐渣量的增加，爐渣的濺射能力也會增強。這導致轉爐所有區域的爐渣質量都更高，但通常在中心區域的質量更高。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，因為矛頭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爐襯里的位置（被涂抹的區域）。小的噴槍高度會導致熔渣中出現一個很深的空腔和一個大的再循環區，這有利于水洗涂層機制的盛行。大的噴槍高度會促進液滴的產生，有利于噴出涂層機制。 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，這種增加一直持續到最大值，當射流開始過度穿透時達到頂點，即射流超過渣層并到達耐火材料。從這一點上看，射流減少了。另外，當噴槍較高時，轉爐的下部往往有更有效的覆蓋，而上部則發生相反的趨勢，當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，即孔的角度越大，轉爐下部的濺渣就越密集。當噴槍孔相對于垂直方向傾斜時，會產生更大的剪切力，改變空腔的形狀，增加噴射機制中的熔渣轉移，減少速度的垂直分量，但增加其水平分量。這就導致了更多的爐渣撞到爐壁上，而進入轉爐上部區域的爐渣數量減少。

在傾斜噴槍噴嘴孔的情況下，氮氣射流離開噴嘴，以一定的角度（圖2中的α度）進入轉爐。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。當然，當角度變得過大，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，它是根據轉爐的孔數和尺寸來定義的。值得注意的是，增加噴槍孔的數量，有利于在轉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。這些噴槍的設計一般是為了配合轉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爐的下部。此外，噴嘴孔數的增加導致從噴嘴中心區域濺出的熔渣量較少，但熔渣濺得更均勻。因此，為了在濺渣過程中獲得成功，有必要對噴嘴進行優化設計。

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。關于氮氣流速的影響，可以看出，飛濺的熔渣量隨著吹氣流速的增加而增加。此外，流速的增加導致轉爐的所有區域都有更多的爐渣沉積。

熔渣中形成的空腔深度取決于氮氣噴射的動量。反過來，噴射動量又取決于氮氣的質量流速和速度。隨著噴射速度的增加，熔渣的飛濺也會增加。低射流速度促進了爐渣的攪拌，洗滌涂層機制占主導地位。高速的氮氣會導致攪拌和火山口的形成。當火山口深度達到一個臨界值時，礦渣液滴被噴出。這是由于高速噴射產生的高剪切力所致。高射流速度也會導致高液滴的產生。因此，在高射流速度的情況下，噴出機制成為主導?？傊?，隨著射流速度的增加，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。爐渣的低密度會產生高的工藝效率。然而，低密度也會促進熱吹過程中出現不理想的噴濺現象。高密度會降低濺射過程的效率。然而，這種負面影響可以通過提高氮氣噴射速度來抵消，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。 當粘度增加時，熔渣的效率就會下降。這是因為對于較高的粘度，需要較高的剪切力來產生熔滴和形成駐波。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，低粘度的熔渣對轉爐側壁的附著力很小，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，爐渣通常要經過一個調節過程，通過添加氧化鎂和氧化亞鐵等材料來優化其粘度。礦渣粘度對礦渣飛濺過程的影響可以總結為：（i）隨著粘度的降低，噴射機制成為主導；（ii）隨著粘度的增加，洗滌機制成為主導；（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。爐渣的低熔點階段富含FeO，作為粘合劑并含有大部分存在的硫，而爐渣的高熔點階段為耐火材料提供必要的保護。

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

爐渣飛濺時發生的現象是附著在襯里表面的爐渣層具有非均勻的相組成。當濺渣后轉爐下一次加熱時，溫度升高，濺渣層中的低熔點相首先熔化并與高熔點成分分離，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象，也被稱為選擇性熔化，導致爐渣飛濺層的氧化鎂結晶。高熔點成分如C2S（硅酸二鈣）等逐漸積累，提高了熔渣飛濺層的耐高溫性，保護了爐襯。

重要的是，用于噴濺的礦渣含有正確的低熔點和高熔點相混合。低熔點（富含FeO）相能確保爐渣和耐火材料之間有良好的粘合力，而高熔點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，對爐渣飛濺有好處。

爐渣飛濺層與轉爐鎂碳襯砌磚之間的結合機制可分為三層，包括（i）爐渣飛濺層，（ii）粘合層，和（iii）燒結層。主要的三種粘合方法是通過（i）化學粘合，（ii）機械和化學粘合，以及（iii）冷凝燒結。 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，或通過燒結層形成鞏固的固溶體。由于燒結層的存在，菱鎂礦不再松散，從而防止了襯砌磚的腐蝕。同時，熔渣層也減少了轉爐吹煉時液態熔渣對襯砌磚表面的直接侵蝕破壞。

濺渣層對轉爐爐渣具有良好的耐腐蝕性。由于轉爐吹煉過程中，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成分C2S為襯里提供了腐蝕保護。

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

圖3 礦渣飛濺參數之間的典型關系

各種參數對熔渣飛濺的影響見圖4。

圖4 各種參數對礦渣飛濺的影響

過程

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

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，加入爐渣調節劑，調整粘度，實現爐渣的適當組成。爐渣調節劑彌補了爐渣中的氧化鎂含量，并產生化學反應，生成一系列高熔點化合物。然后用氧槍將高壓氮氣吹入爐內，這將導致濺渣和轉爐襯里的涂層，濺渣必須在確保轉爐內的熔渣中沒有鋼的情況下才能進行，否則會導致嚴重的脫殼現象。

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

礦渣飛濺的優勢

濺渣的優點如下。

1. 延長轉爐的襯里壽命。

2. 由于轉爐容積的增加，傾斜度較小，因此產量提高。

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，轉爐渣中的SiO2迅速溶解了爐渣涂層中的CaO。這導致了快速的脫磷。

5. 爐渣飛濺有助于煉鋼爐渣的回收。