转炉炼钢中的复吹工艺

转炉炼钢中的联合吹炼工艺  

由于钢水浴中缺乏混合，在顶吹转炉中吹氧 (O2) 期间，钢水中会产生化学成分和温度的不均匀性。在转炉的射流腔正下方有一个相对死区。改进顶吹转炉炼钢工艺的必要性促使了复吹工艺的发展。

复吹工艺又称顶底吹或混吹工艺，其特点是既有顶吹喷枪，又有从底部实现搅拌的方法。混吹的配置差异主要在于底部风口或吹扫元件。这些范围从完全冷却的风口到非冷却的风口，再到渗透元件。底部搅拌系统的需要对于生产一系列高品质要求钢种是必要的，并且对于该工艺的经济性至关重要。因此，必须在碱性氧气转化器 (BOF) 的整个运行过程中确保搅拌的适当功能。图1为顶吹和复吹炼钢工艺。

图1 顶吹和复吹炼钢工艺

目前，在初级炼钢厂普遍采用顶底联吹转炉。在复吹转炉中，熔池的搅拌和混合是由上吹的O2射流和下吹的惰性气流强制进行的，可以实现熔池的高混合效率。在极少数情况下，还使用同心双管风口从底部注入 O2 以及保护气体，以控制风口出口的温度和底部的磨损。然而，由于惰性气体吹扫对磨损、吹扫元件和底部的使用寿命的控制通常更高，因此大多数转炉都配备了带有气体吹扫塞的底部搅拌。

第一个被商业接受的组合吹炼方法是 ARBED-IRSID 开发的 LBE（Lance Bubbling Equilibrium）工艺。该工艺与 BOF 工艺的关系更为密切，因为所有 O2 均由顶部喷枪供应。组合吹气方面是通过安装在转炉底部的一组多孔元件实现的，氩气 (Ar) 或氮气 (N2) 吹过这些多孔元件。在 LBE 工艺中，N2 气体通常几乎专门用于在 3 标准立方米每分钟 (N cum/min) 到 11 N cum/min 范围内的大部分吹气。然而，在吹气的后期，当 N2 吸收可能产生问题时，使用 Ar 气进行搅拌。此外，Ar 几乎专门用作后吹搅拌的惰性气体，此时速率增加到 10 N cum/min 至 17 N cum/min。图 2 显示了带有底吹元件的 LBE 转炉。

在复吹工艺中，底部搅拌采用惰性气体进行，如 N2 和 Ar 被广泛用于改善 BOF 中的混合条件。惰性气体通过可渗透元件（LBE 工艺）或风口在炉底引入。在典型的实践中，在 O2 吹扫的前 60% 到 80% 中通过风口或可渗透元件引入 N2 气，在吹扫的最后 40% 到 20% 时打开 Ar 气。在 O2 吹扫的第一部分，CO 的快速释放阻止了钢中 N2 的吸收。多孔元件的剖面如图2所示

图 2 LBE 转换器与多孔元件的轮廓和塞子的类型

多孔元件的底部堆积和随后的损失是与该过程相关的主要问题。保持 LBE 元件运行的困难导致了非冷却风口的应用。在这里，O2 也通过顶部喷枪输送，而惰性气体通过管状设计元件从转炉底部引入熔池，管状设计通常由设置在耐火基质中的六个小管组成。由于更大的横截面积可用，因此需要保持更大的流量以保持风口正常运行。

底塞/喷嘴的配置

组合吹气的最初发展基本上是基于三种用于底吹的底塞。首先，有一种耐火元素，其行为很像多孔塞。该单元由带有小缝的压实砖制成。像大多数风口一样，它需要足够的气压来防止钢穿透。这个单元比多孔塞更具穿透力。其次，使用非冷却风口在每个喷嘴中引入大量惰性气体。这会导致局部剧烈搅拌，从而更容易穿透堆积物。不能使用空气或 O2，因为没有冷却剂，并且产生的热量使风口寿命太短而不实用。第三种是完全冷却的风口。在这里，可以吹入惰性气体或 O2，引起非常强烈的搅拌，并且几乎没有穿透底部堆积物的问题。在所有情况下，燃气管道都使用旋转接头或密封件穿过熔炉耳轴，以允许熔炉完全旋转。为组合喷吹而研制的各种底喷塞如图2所示。

用于惰性气体底吹的塞子的设计现状是基于单孔塞子(SHP)设计和多孔塞子(MHP)设计。这些塞设计已被确立为广泛接受的最先进的底部吹塞设计。 SHP 和 MHP 吹扫塞均采用流量优化的管道直径和管道数量进行设计。然而，用于惰性气体底部吹扫的 MHP 更受欢迎。具有 SHP 和 MHP 设计的这两种类型的吹扫塞均基于镁碳 (MgO-C) 耐火材料，它们通常由 100% 高品位电熔镁砂、高品位石墨、优化的粒度分布制成，有时还含有添加剂。

直到 BOF 内衬作业结束时的高效吹扫是 BOF 车间所有气体吹扫塞的目标，并且受应用的气体流速范围、堵塞可能性和特定工艺条件下的磨损率的影响。最高安全标准是底部吹扫的基本要求。

潜在阻塞 – 由于底部堆积而导致吹扫塞的可用性降低通常是吹扫效率低的原因。这增加了脱氧剂的成本，降低了产率，并导致发泡工艺效率降低。堵塞的主要原因是由于非常粘的熔渣或高熔渣飞溅频率导致底部堆积，惰性气体供应存在问题或吹扫塞设计不足。虽然通过 SHP 的高气体流速有助于降低在低溅渣率下的渣堵塞可能性，但高溅渣率以及潜在的底部积聚或惰性气体供应不足会导致 SHP 相当深的渗透，发生的可能性非常低。重新开放。然而，MHP 的吹扫效率通过具有流量优化数量、直径和布置的大量管道而提高。 MHP的重开率定期报告，不易受气压和惰性气体供应波动的影响。

安全 – 通常为 MHP 设计提供最高安全标准。气管直接压入MgO-C砖中。如果 MHP 的供气因任何原因减少或为零，钢渗透仅适用于吹扫塞几毫米。钢通过 MHP 的风险被最小化。

吹扫特性和磨损率 – 小水电的流动状态在鼓泡和喷射之间的过渡区或完全在喷射区，导致单管上方的气体体积大，随后衰减成具有大尺寸分布的较小气泡。这种流动状态的特征通常是磨损率增加，例如0.4 毫米/热至 0.7 毫米/热。 MHP 设计在吹扫塞上方提供了更合适的气泡分布，小气泡的比例更高。小气泡较高的比表面积增加了气体净化和冶金效率。由于在较低的气体速度下减少了回击现象和湍流，磨损率通常较低。图 3 水模型中 SHP 和 MHP 与气泡演化的关系。

图3 SHP和MHP与水模型中的气泡演化

复合吹塑工艺

在联合炼钢过程中，精炼钢所需的O2通过顶部安装的喷枪吹入，而底部搅拌过程所需的惰性气体（N2或Ar）通过底部搅拌砖引入熔体中，以改善工艺条件：优化混合。搅拌气体的流速和类型取决于工艺阶段和钢种。由于底部搅拌，实现了更快更好地接近金属渣平衡。平衡和混合时间取决于搅拌器的类型、数量、位置和流速。更强的搅拌将热力学平衡转移到所需的方向并减少混合时间。通常需要从 N2 转换为 Ar，具体取决于最终钢的化学成分。阀站作为底部搅拌系统的中心部分，允许对每个单独的吹扫塞进行单独的流量控制。

与顶吹工艺一样，在复吹工艺中，O2 通过多孔喷枪注入钢水。金属液滴是由于射流冲击和来自射流撞击金属表面且气体向上偏转的撞击区域的气流的剪切作用而产生的。这种射流液体相互作用的效果用三种模式来描述，即（i）凹陷、（ii）飞溅和（iii）穿透。

溅入气体和熔渣中的铁滴量影响金属收率、耐火材料磨损和脱碳进程。气体和液体的特性对熔池的凹陷深度有影响，临界深度标志着飞溅的开始。飞溅增加至一定的射流动量，超过该动量则减少。飞溅的方向取决于喷枪喷嘴角度、喷枪高度、根据其深度和直径估算的射流腔轮廓以及 O2 射流的重叠。

为了控制 BOF 转炉中的飞溅或喷溅，已经进行了许多实验来修改喷枪头。正确设计喷嘴直径和倾角的重要性对于 O2 射流的最佳压力分布是必要的。不同的研究表明，转炉底部搅拌顶吹在飞溅和喷溅方面的性能优于转炉仅顶吹。

采用了多种底吹搅拌方法。底部风口采用嵌入多个小管或多个狭缝的陶瓷塞。搅拌采用特殊的耐火材料搅拌元件或通过布置在转炉底部的小型无保护风口进行。

底吹工艺有效地提高了熔池高度，与顶吹转炉获得的磨损曲线相比，显示出不同的耐火材料磨损曲线。此类工艺中风口及周边磨损严重，需要使用耐冲刷的高密度材料来抵抗钢水的湍流。

复合吹气过程使用昂贵的气体（O2、Ar 和 N2），这些气体的准确测量和累积有助于经济运行和严格的质量控制，通过在生成管理控制的日常报告中使用这些值。为了搅拌转炉熔池，Ar 或 N2 气体通过转炉底部的许多搅拌塞砖注入。每个序列步骤的总流量和气体类型是从当前吹气的加载菜单中预先确定的。总流量平均分配给多个控制器，每个搅拌塞砖一个以保持均匀分布，并成为控制器远程设定点。测量的流量对每种搅拌塞砖和气体类型的温度和压力进行质量补偿，并输入到控制模块。然后 4-20 mA 控制输出调节控制阀位置。

如果搅拌塞砖被重渣覆盖，下游压力增加。如果它增加超过预设限制，控制从流量控制变为压力控制，然后控制阀响应不同的控制算法。在压力降低（小于滞后值）时，控制恢复到流量控制。控制模式之间的切换是自动的，因为非主动回路跟踪主动回路的输出。

为了优化气体消耗和流量控制范围，安装了额外的入口压力控制。进料管线中的压力控制和搅拌管线中的单独流量控制相结合，可保持各个搅拌器的恒定流速，从而避免粘性熔渣堵塞多孔塞。合适的仪器为操作员提供了多孔塞状况的指示。过程可靠性非常重要。通常为进料管线（在低入口压力的情况下切换气体）以及单个流（在介质和电源故障情况下的故障安全打开）提供故障安全理念。组合吹塑工艺示意图如图4所示。

图4 复合吹塑工艺示意图

转炉底部搅拌系统通过 PLC（可编程逻辑控制器）进行控制，PLC（可编程逻辑控制器）可以作为独立单元安装，带有单独的 HMI（人机界面）站，也可以集成到新的或现有的网络中。操作需要灵活性。根据所选择的钢种，软件遵循搅拌模式（设定点参数表），在整个加热过程中作为总吹出 O2 量的函数，Ar 和 N2 流速。根据现场信号，设定值变化和控制动作在自动模式下进行，无需操作员干预。

在出钢、除渣和装料过程中，应确保预定义的流量，以减少耐火材料磨损和延长多孔塞的使用寿命。搅拌塞砖的设计是通过具有低侵蚀速度、先进的抗剥落性和灵活的砖长度来确保较长的使用寿命。

搅拌塞砖相对于 O2 射流的定位对于底部搅拌系统的有效性非常重要。为了优化搅拌塞砖的位置，需要考虑的要点是 (i) O2 射流在各种工艺条件下的影响（例如喷枪尖端设计和喷枪高度的可变性等），(ii) 纵横比熔体高度与转炉直径的关系，以及 (iii) 对耐火材料磨损的影响。考虑到转炉中的复杂条件，通常使用最新的CFD（计算流体动力学）模拟来优化搅拌塞砖的位置。

该领域的最新发展是获得专利的交替搅拌技术。在交替搅拌实践中，搅拌元件组通过交替的高和低搅拌气体流速来控制。在 BOF 车间实施该技术后，对多个活动的工艺结果的统计评估表明，Ar 成本有可能降低 30%，而不会对冶金结果产生负面影响。

复合吹炼的冶金效果

吹扫模式，特别是塞子的数量、流速以及吹扫气体的种类和质量对 BOF 冶金有显着影响。必须严格协调这些参数，否则过程可能会超出控制范围，无法达到预期的冶金效果。以下是复吹的冶金效果。

碳/O2 – 由于底部吹扫，脱碳动力学得到改善，因此在没有钢浴过度氧化的情况下，在吹炼结束时实现了较低的碳 (C) 水平。有效吹扫性能的指标是 [C] x [O] 乘积，它与顶吹操作转炉相比要低得多，平均范围为 0.002 % 至 0.0025 %。由于精炼过程，钢液中存在非平衡状态，渣与钢液之间也存在非平衡状态。

通过适当的底部吹扫程序，可以使反应在吹扫结束时更接近平衡，从而增强脱碳效果。后搅拌的持续时间额外增强了这种效果。为了达到最低碳含量，耐火衬里的碳含量也是一个重要参数。

关于顶吹操作转炉，出钢时等 [C] 水平下溶解的 [O] 含量较低，导致钢包中的脱氧剂消耗最小化。也有机会释放或节省因出钢时精炼水平最低而导致的昂贵的 RH (Rurhstahl Heraeus) 脱气处理。

铁产量 – 底部吹扫、铁水成分（[Si] 含量）、熔渣操作和吹炼程序会影响熔渣中的 FeO 含量，从而影响熔渣和内衬之间的化学反应势以及后搅拌的效果。与顶吹 BOF 转炉相比，具有底部吹扫系统的 BOF 的特点是渣中铁含量较低，渣量也较低。出钢时渣中FeO含量也取决于钢浴中溶解的C。

锰（Mn） – 出钢时相同 C 水平的锰产量高于传统的顶吹 BOF 工艺。在这方面，取决于钢种，二次冶金合金化需要较少的 Fe-Mn。从而使锰含量的调整更可控。

磷 (P) – 底部吹扫的特点是渣中 P2O5 的吸收能力更好，石灰溶解更快。根据转炉精炼过程中喷射的铁水滴，特别是在硬吹阶段，形成的熔渣温度高于熔池温度。这导致脱磷条件较弱。通过吹扫，由于熔池搅拌效果好，渣与钢浴温度平衡较好，渣温显着降低。

后搅拌的影响 – 后搅拌的主要目的一方面是在出钢时实现最低的 C 和 P 水平，另一方面是快速和精确地调节出钢温度（冷却效果）。吹扫时间和强度是达到某些元素水平的两个决定性参数。后搅拌通过使钢浴中溶解的C和O2更接近平衡来显着增强脱碳效果。后搅拌导致钢水冷却，这通过额外加入 BOF 炉渣来增强。这意味着在因子 3 处 P 分布增强，在挖掘到 0.005 % 时 P 水平降低。

吹扫塞布置和塞子数量的影响 – 吹扫系统影响精炼过程中钢浴中的平衡条件，从而影响冶金结果。底部吹扫允许在吹扫结束时接近或接近平衡。脱碳、脱磷效果显着提高。为了净化的有效性，已经建立了参数 Rp。 Rp 描述了实际条件与条件平衡的比率。如果达到平衡，则参数 Rp 为 1。塞子数量的增加意味着增强的浴搅拌，因此更高的 Rp 值接近 1。图 5 显示了各种塞子排列和数量对接近平衡的影响（由吹扫参数 Rp 定义）。

图5 吹扫塞排列和塞数对平衡条件的影响

浴搅拌或混合的指标是相对混合时间。减少的混合时间意味着改进的浴混合/动力学并因此加速化学反应（缩短反应方式）。用于描述浴动力学的另一个参数是混合能量。混合能量涉及喷枪高度、几何形状、吹扫方式、液态金属的熔池液位以及底部吹扫系统的顶吹转炉的吹扫流量。

底部吹扫系统成功运行的关键是吹扫模式、塞子数量、磨损率和每个塞子的可用性。吹扫塞布置几乎无关紧要，只是一个设计元素。

吹扫强度的影响 – 吹扫强度水平对于在钢浴中获得最低 [C] x [O] 产物和铁损起着决定性作用。最低水平的吹扫会导致 [C] x [O] 产物的显着降低，尤其是低于 0.06 N cum/ t min 的设定流速。

运营优势 – 带有底部吹扫系统的顶吹工艺也反映在较少的湍流精炼中，因此减少了溅出，从而提高了产量。此外，与传统 BOF 工艺相比，总 O2 消耗量约为 2%，出钢温度平均低 10 摄氏度。这是由于更好的浴搅拌和钢浴的均质条件的结果。与顶吹转炉相比，石灰的加入量减少了约 10% 到 15%。

从 N2 到 Ar 的理想切换点

在精炼过程中，通过改变从 N2 到 Ar 的切换点以及特别是吹扫流量，可以灵活地调整出钢时的 N2 水平。通常的做法是在精炼开始时降低 N2 流速，并在切换后显着增加 Ar 吹扫强度。因此，为了实现最低的 [C] x [O] 产品，在精炼期的最后三分之一进行密集吹扫就足够了。

通常，直到 25% 的精炼工艺气体类型和吹扫强度对钢浴中的 N2 水平没有任何影响。在此精炼阶段用 Ar 吹扫不具有成本效益且没有目的。 Ar 比 N2 贵。为了达到最低的 N2 水平，有必要在 25% 到 50% 的吹扫时间之间从 N2 切换到 Ar。延迟切换，尤其是超过 50% 的精炼，会导致出钢时的 N2 含量非常高。

底吹的引入显着增加了特别是转炉下部的飞溅。同时，这减少了金属损失和锥体的结壳。复吹工艺的成功取决于底部搅拌装置的有效性。这些装置要可靠、能有效搅拌、具有相当长的寿命，并且在转炉运行期间不会被堵塞。

溅渣联合吹气

溅渣是一种经过验证的技术，用于将 BOF 活动的寿命提高到非常高的水平。出钢后，转炉内的炉渣在 2 分钟到 5 分钟的时间内用 N2 溅到炉衬的不同区域。还有涂渣、洗渣等做法。这种做法是在出钢后在转炉中保留少量液态渣。炉渣富含白云石或生白云石。之后，转炉被摇晃数次，以在底部和邻近区域覆盖一层薄薄的炉渣。热补和喷补是提高转炉耐火内衬寿命的其他措施。

溅渣最适用于奶油状和粘稠的炉渣。但粘性熔渣会导致转炉底部堆积熔渣层，从而阻碍气体射流从风口/塞子自由释放，甚至完全阻塞它们。这通常不是底部搅拌系统本身的故障，而是由于气体的不利分布而导致冶金结果的显着恶化。

由于炉渣层覆盖底部搅拌元件，因此无法进行有效的底部搅拌，因为气体不能通过定向喷射流注入。它宁愿在衬里和渣层之间爬行，直到找到一个裂缝逃逸。在这种情况下，重要的搅拌效果就不能完全建立起来。熔渣层极厚，气体甚至可能沿筒体蠕动到上部锥体或口部，没有搅拌作用，根本没有冶金作用。这种现象如图 6 所示。已通过使用天然气进行验证，可通过火焰识别。检测到天然气在所述区域逸出。图 6 左侧为渣层刚好覆盖底部的情况。右图为熔渣层覆盖底部、下转向节和筒体的情况，是在强烈溅渣的情况下形成的。

图6 溅渣对搅拌气体分布的影响

可以看出，在极端情况下，惰性气体既不与熔体接触，也不与熔渣接触。因此，有必要定期控制底部厚度，尽早采取对策，以维持底部搅拌系统的功能。

复吹的优点  

实施底部吹扫系统的根本原因一方面是为了提高冶金效果，另一方面是为了保证以最低的成本生产高质量、经济的 O2 钢。与 BOF 转炉中的顶吹相比，联合吹炼转炉最重要的好处是 (i) 加快吹炼周期，从而缩短出钢到出钢的时间，(ii) 更短、更快地形成熔渣以及改善熔渣与钢浴之间的相互作用。更好的废钢/助熔剂熔炼条件，更高的废钢/铁水比率），（iii）减少再吹炼并提高成分和温度的击中率，（iv）改善钢浴均质化/搅拌和温度分布，（v ) 提高实现特定成分的准确性，(vi) 改进的工艺控制（更高的出钢温度和元素水平精度），(vii) 提高钢和助熔剂的添加率（更少的渣量和更少的铁在渣和熔渣中的损失）， (viii) 更少的飞溅和喷溅，(ix) 更低的 (FeO)、[P] 水平和 [Mn] 氧化，因此降低了 O2 的消耗量，(x) 降低了渣中的氧化铁，(xi) 提高了吹炼效率由于 强烈强化熔体搅拌，(xii) 钢中的最终 O2 含量较低，因此需要较少量的脱氧剂（铁合金和铝），(xiii) 提高钢的质量，因为在程序结束时吹入惰性气体减少了金属中的气体浓度，并且 (xiv) 通过避免过热的富 FeO 熔渣延长了耐火衬里的寿命。

联合吹炼的缺点是（i）联合吹炼工艺的转炉设备比较复杂，增加了车间成本，但以上优点弥补了这一点，（ii）Ar气成本高在许多情况下试图用 N2 至少部分替代，(iii) 由于与其他转炉炉衬相比，砖的磨损更严重，底部搅拌喷嘴或砖的可用性通常低于 100%。