碱式氧气炉渣的溅出

碱式氧气炉渣溅出

碱性氧气炉 (BOF) 炼钢是一种由液态铁制成钢的间歇过程。碳（C）、锰（Mn）、磷（P）等元素的浓度对钢的质量有影响。对于要铸造的钢，它需要处于预定义的温度。为了达到预定的温度和成分，氧气 (O2) 被吹入含有铁水的耐火衬里转炉。 O2 氧化浴中的不同元素，导致温度升高和不希望的元素浓度降低。形成的液态氧化物浮到熔池顶部形成熔渣层。为了使 BOF 炼钢过程有效，容器中需要大量的渣量。但渣量受转炉尺寸的限制

转换器中的快速反应速率是由于可用于反应的极大表面积。当将 O2 注入金属浴中时，大量气体会与液态熔渣和金属液滴在 O2 射流的冲击下从浴表面剪切形成乳液。形成的一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）等气态氧化物通过该渣层上升，使其呈泡沫状。

渣泡沫的形成发生在吹氧中期附近，渣对氧化铁 (FeO) 的吸收减少。这几乎与最大脱碳率时期一致。因此，由于脱碳产生的大量气体和当时炉渣的高发泡性，在吹制前半段前不久达到最大泡沫高度（约35％）。

BOF 炼钢过程的显着特征是形成多相泡沫，由液态炉渣、金属液滴、固体“第二相”颗粒（如未溶解的熔剂）和工艺气体组成。这是因为 (i) 高速氧气射流撞击熔体，将相当一部分熔体以金属液滴的形式喷射到转炉上部，(ii) 块状熔剂分批添加，导致助熔剂溶解缓慢，因此液态熔渣形成缓慢，(iii) 液态熔渣、未溶解的熔剂和金属液滴形成或多或少粘稠的乳液，在向上流向容器口的过程中拦截工艺气体，以及 (iv)由于金属液滴中的碳 (C) 与液渣中的 FeO 之间的反应，大部分工艺气体在乳液本身内形成。为了使 BOF 炼钢过程有效，转炉中需要大量的泡沫（气体金属渣乳液）。如图 1 所示，这种气-金属-渣乳液受到转炉尺寸的限制。如果乳化液体积增加超过容器容量，则一部分炉渣通过转炉喉部排出。

图1 BOF在吹气过程中的物理状态

熔渣发泡是有益的，因为它以不同的方式协助精炼过程，例如，通过为精炼反应提供增加的表面积、保护熔融金属浴免受大气直接接触、保护耐火衬里免受极端燃烧效应的影响，形成二次燃烧和传热的介质。另一方面，熔渣泡沫在大量形成时会变得不利和危险，并从容器口溢出，称为熔池溢出。

熔渣从转炉中喷出被称为喷溅现象，从视觉上可以看出，在吹炼过程中，熔体和渣块从燃烧的转炉中通过转炉的喉部被抛出。溢出是一种不规则的现象。大量喷溅可能伴随着大量粉尘喷出。喷溅的后果包括产量损失、连续生产中断、环境污染、健康和安全成本以及通风柜和转炉口的损坏。此外，当发生喷溅时，停止炼钢以清理从转炉下方区域和转炉口上喷出的炉渣。这增加了转炉加热时间，因此对转炉生产率有不利影响。喷溅还会扰乱转炉的热平衡，从而影响吹炼完成后钢水的最终温度。另一方面，如果防止或限制在微量的炉渣起泡，则转炉的粉尘产生和热损失往往会增加。

传统上，操作员有责任对转换器进行目视监控，并采取必要的纠正措施来防止任何危险的喷溅事件。由于在没有任何中断的情况下驱动该过程以获得具有所需质量和数量的产量非常重要，因此抑制从转炉中排出的渣泡沫是非常重要的。

增加产量和减少溢出发生的要求似乎是矛盾的。虽然可以通过增加 O2 吹气率来增加产量，但同样增加 O2 吹气率也会提高转炉内的气体生成率。在稳态条件下，随着产气量的增加，泡沫高度增加，喷溅发生的机会也随之增加。

最初，据了解，喷溅的发生是由于两个主要因素，即 (i) 具有低碱度、高粘度和低表面张力等特征的熔渣的演变，以及 (ii) 高浴温和渣中铁含量增加。然而，喷溅现象更为复杂、动态且依赖于许多过程变量。导致喷溅的过程变量包括 (i) 剧烈熔化过程，(ii) 熔渣粘度，(iii) 熔渣表面张力，(iv) 熔渣密度，(v) 脱碳过程中产生的气泡大小，(vi)弱或不稳定的熔化循环，(vii) 转炉工作衬里的高度、体积和形状，(viii) 熔池上方的喷枪高度，(ix) 通过喷枪的 O2 流速，(x) 喷枪尖端孔的磨损，(xi) ) 热金属 (HM) 和废料的化学成分，以及 (xii) 脱碳率。还有一些不是很常见的过程变量。影响 BOF 转炉喷溅发生率的大量工艺变量解释了人们普遍认为喷溅发生率本质上是混乱且不可预测的原因。喷溅问题的持续存在已引起人们对保持合适泡沫体积同时防止喷溅发生的方法的探索。不幸的是，事实证明这是一项相当具有挑战性的任务。

渣起泡

熔渣发泡是有益的，因为它在许多方面都有助于精炼过程，例如，通过为精炼反应提供更大的表面积、保护熔融金属浴免受大气直接接触、保护耐火衬里免受极端燃烧影响，以及形成二次燃烧和传热的介质。另一方面，渣泡沫在大量形成时会变得不利和危险，并从转炉口溢出。

影响 BOF 中发泡的工艺变量是渣成分、表观气体速度、熔池温度、气泡尺寸、渣碱度、渣密度、渣粘度和渣表面张力。表观气体速度通常以（米每秒（m/s）为单位），是真实气体速度乘以气体的体积分数。

熔渣的成分是影响其发泡的最重要的工艺变量之一，其在整个吹炼过程中演变，通常有利于发泡。这是由于炉渣的物理化学性质，如密度、粘度、表面张力和碱度，随炉渣的组成而变化。在氧气炼钢中遇到的如此高的表观气体速度（即大于 1 m/s）下的泡沫，液体被气流阻止。有人认为，在这种情况下，空隙率 (VF) 强烈依赖于表观气体速度，而弱依赖于渣和液体的物理性质。此外，这种含气量的形成和存在受重力和气体对液体的拖曳力的控制。

当精炼反应注入和产生的气体在过程中被熔渣截留时，形成熔渣泡沫。对于渣泡沫，渣截留的气体量以VF或气体分数来衡量，VF一般在0.7～0.9的范围内变化。图 2 显示了根据 VF 具有不同泡沫层的典型泡沫柱。吹炼过程中渣的物理性质变化的综合作用是有利于稳泡，同时在吹炼前半段脱碳率较高时，渣泡沫体积迅速增加。

图2典型的泡沫柱显示其层结构

起泡指数是起泡程度的指标，它是泡沫高度与表观气体速度之比。因此，发泡指数的单位是时间，通常在0.6秒至1.3秒的范围内。因此，发泡指数可以解释为工艺气体垂直通过泡沫所需时间的量度。在 O2 供应量恒定的情况下，可以假设在吹炼的主要脱碳阶段气体速度是相当恒定的，即发泡高度与发泡指数成正比。

关于起泡指数的一个非常重要的性质是乳液的表观粘度。表观粘度越高，发泡指数越高。明显的后果是增加的表观粘度自动导致增加的泡沫高度，并且在足够高的表观粘度下，泡沫最终开始流过转炉，即发生喷溅。强烈影响表观粘度的一个参数是固体颗粒的存在。根据一项研究，固体颗粒的比例仅增加 10 %，表观粘度增加 50 %，泡沫高度至少增加等量。

产气

根据起泡指数表达式，产气率对泡沫的形成和增长起重要作用。气体是脱碳过程的产物。它通过 (i) 在热点中的金属表面直接氧化，按照方程 [C] + 1/2O2(g) =CO(g)，(ii) 在泡沫中，通过氧化铁与金属反应间接进行根据方程式 [C] + (FeO) =CO(g) + {Fe} 的液滴，其中 (FeO) 是根据方程式 {Fe} + 1/2 O2 被纯 O2 氧化铁 (Fe) 的产物(g) =(FeO)，和 (iii) 在熔体中，通过溶解的 O2 和 C 之间的反应，按照方程式 [C] + [O] =CO(g)..

根据 (i) 下的反应，脱碳以及根据 (ii) 下的第二个反应对 Fe 的氧化立即开始并在整个吹炼过程中继续，尽管在第一种情况下，由于在金属表面的 C 含量。 Fe 的氧化速率更恒定，但根据 (ii) 下的第一个反应，由于消耗量增加，因此渣中的 FeO 含量最终会降低。在吹炼期结束时，渣中的 FeO 含量再次开始增加，因为 FeO 在脱碳过程中的参与由于熔体的低 C 含量而减少。根据 (iii) 下的反应，在吹炼的最后，控制脱碳反应是 C 和溶解的 O2 之间的熔体中的脱碳反应。因此，吹炼结束时的脱碳速率取决于从熔体下部到上部的 C 质量传递和相反方向上溶解的 O2 的质量传递。 BOF转炉熔体脱碳的主要反应如图3所示。

图3 BOF转炉熔体脱碳的主要反应

如图 3 右侧所示，最大脱碳率，因此最大产气率，达到 25% 到 30% 到吹塑，并在泡沫内部按照第一反应在（ ii)。取决于 FeO 的可用性和从 O2 撞击区喷出的金属液滴的供应，该速率与水平相当恒定。在大约 80 % 的吹炼时，由于熔体中 C 含量低，气体生成率迅速下降。

吹气制度

在 BOF 转炉炼钢的实际操作中，实现分别向熔池和炉渣供氧的完美平衡并非易事。两个术语用于描述转换器中与平衡 O2 状态的偏差。这些术语是 (i) 硬吹，和 (ii) 软吹。 “硬吹”（O2 射流对金属表面的更强烈冲击）代表当 O2 喷枪更靠近熔池时的情况，根据上面 (i) 和稍后的反应促进热点脱碳按照(iii)下的反应进行浴，产生氧化不足的炉渣。 “软吹”（O2 射流对金属表面的较轻冲击）代表当 O2 喷枪远离熔池时的情况，根据上述 (ii) 下的第二个反应，增加向渣中的 O2 供应，导致脱碳率降低和炉渣过氧化。在理想的工艺情况下，喷枪位于金属表面上方的最佳位置，供应给炉渣的新鲜 O2 平衡了用于喷射金属液滴脱碳的 FeO 消耗。脱碳率高但受控，产生稳定的泡沫，填充熔池上方的大部分转炉体积，最大限度地减少衬里磨损和结壳。在这样的脱碳率下，成品率和吹炼效果都很好。

如果喷枪位置太深，则向炉渣供应的 O2 不足以平衡用于喷射金属液滴脱碳的 FeO 消耗，导致炉渣缺乏 O2。由于 O2 射流和熔池之间的接触更加强烈，因此脱碳仍然很高。在较低的 FeO 含量下，炉渣根本不会起泡。相反，乳液变得粘稠并收缩。降低乳液高度不仅导致工艺气体通过通道容易通过，而且导致喷溅加剧，将液滴高高地送出转炉。更多的吐出会导致产量降低，还会导致喷枪、转炉锥体和嘴部结壳。硬吹的另一个影响是底部磨损率增加。

如果喷枪太高，则渣中的 O2 含量会升高，这不仅是因为 O2 与金属熔池之间的接触较软，而且还因为熔渣中的 FeO 消耗较慢，因为从熔池中喷出的金属液滴较少.因此，脱碳率较低，降低了泡沫高度并促进了衬里磨损。 O2 射流的较浅冲击会减少浴混合，产生死区并导致底部堆积。

喷溅现象

低脱碳率和过度氧化的炉渣的组合可以比作定时炸弹。使用的描述性术语是“过度反应条件”，它构成过量的 O2 和 C 由于混合不良而没有反应。在这种状态下，条件的任何微小变化都会引发气体产生和泡沫增长的急剧增加，从而导致猛烈的喷溅。

溢出是当由于过度的泡沫生长，泡沫不能被包含在转炉内并且泡沫以取决于炉渣的氧化状态的速度沿着转炉的外侧流下时使用的通用术语。在浓的欠氧化渣的情况下速度慢，而在流动的过氧化渣的情况下速度快。避免喷溅需要严格控制炉渣成分，因此需要严格控制泡沫的氧化状态。如果炉渣氧化不足，则表观粘度变得过高，如果主脱碳期开始时的 FeO 含量过低，则会出现这种情况。这会在打击的中间部分产生“干燥”、非常粘稠的泡沫。如果炉渣被过度氧化，气体的产生速率就会变得过高，从而导致泡沫内的气体速度变得过高。

溢出原因可根据类型分为两组，即（i）静态或（ii）动态。静态原因与预吹操作条件有关，例如转炉的设计和炉渣的体积和特性、炉料的质量，尤其是 HM 和废钢、控制 O2 喷枪定位的吹动模式、添加时间和 O2 流量。动态原因与吹炼类型有关，例如吹炼模式的偏转和转炉底部的搅拌程度。由于气渣金属乳液的过度生长，可能会发生喷溅。泡沫的流出取决于炉渣的氧化程度，即在稠密、氧化程度低的炉渣情况下，泡沫可以缓慢流出，而在氧化程度较高的炉渣情况下，泡沫可以迅速流出。

HM 中的低硅含量会导致吹炼开始时溅出的增加，这是因为形成了足够厚的熔渣层以保护熔池免受 O2 射流的影响。在这种情况下，喷溅是由于硅（硅）的快速燃烧而发生的，这预示着脱碳阶段的开始，因此喷溅可能很剧烈，甚至会在喷枪上形成结壳。在这种情况下，为了防止喷溅，通常通过提高喷枪水平或降低 O2 流量或两者并添加助熔剂以加速熔渣的形成来降低脱碳速率。由于渣体积减小，Si含量低也会影响P和S（硫）的去除。

当 HM 中的 Si 含量高时，也可能出现喷溅，因为渣体积增加，渣中 Fe 含量也增加。在这种情况下，解决方案包括在吹炼过程中添加足够的石灰，避免低碱度，通过在吹炼的第一阶段减少 O2 流量来调整脱碳速度，并选择防止大量 FeO 进入的吹炼模式。此步骤中的熔渣，以免发生过度脱碳。

防止溢出

所有控制喷溅的方法都可以分类为在线或离线方法。在在线控制方法中，在吹气期间根据指示热量是否即将溢出的某些“实时”信号进行校正。另一方面，在离线控制方法中，纠正措施是在打击开始之前采取的，它们是基于过去的经验，即各种操作条件如何影响早期打击中的喷溅。

用于控制喷溅的离线方法试图通过消除或最小化已发现导致喷溅的因素的影响来减少喷溅的炉次。已报告的导致喷溅的因素是 (i) HM 的 Si 含量高于 1.2%，(ii) HM 的锰 (Mn) 含量超出 0.5% 至 0.9% 的范围，(iii) 充电量超过转炉的设计容量，(iv) 使用萤石加速石灰溶解，(v) 使用氧化铁（铁矿石、烧结矿等）作为冷却剂，(vi) 使用新换衬的熔炉，因为它具有低转炉的内部容积，(vii) O2 喷枪的设计，以及 (viii) 用喷枪吹扫高于钢浴的正常位置。由于每个 BOF 车间的操作条件不同，因此其中一些因素在一个 BOF 车间比在另一个 BOF 车间更成问题。

多种动作可以构成对喷溅的离线控制，例如，限制 BOF HM 的目标 Mn 含量，并定期检查（校准）喷枪与熔池分离。由于问题不同，离线控制实践因 BOF 车间而异。离线控制实践往往只能在有限的范围内实施，因为它们有时会与钢厂运营的其他方面发生冲突。

在 O2 炼钢过程中，转炉中的溢出被认为是昂贵、危险和不可预测的。虽然在工艺过程中发生炉渣极端发泡时会发生喷溅，但在工艺运行时很难预测喷溅的确切时刻。防止喷溅发生的传统方法是观察转炉，一旦出现喷溅迹象，手动采取纠正措施。然而，这种控制和最小化喷溅发生的方法已被证明是不太有效的。原因在于，一旦喷溅迹象可见，喷溅就已经开始，转炉和其他设备已经遭受了损坏，同时损失了良率。此外，如果操作者由于某些原因注意力不集中，或者没有经验和不了解纠正措施，则损害和损失是广泛的。因此，即使在使用计算机控制系统时，操作员的注意力和经验水平也是至关重要的因素。

识别喷溅开始的下一个阶段是体验转换器在这种情况下的声学和光强度行为，并且已经根据声学和光强度信号开发了不同的模型来预测任何喷溅。通过图像纤维镜获得的炉内环境的图像处理，可以预测炼钢转炉中的喷溅。来自转换器的声音信号用于研究动态发泡，以及改变喷枪高度的建议纠正措施。从出口气体管道中的麦克风捕获的声音信号已用于估计转炉中的炉渣水平。除声像分析外，还采用模糊逻辑、遗传算法和神经网络、喷枪振动分析、微波法等智能计算技术对转炉的放气进行控制。

渣泡沫抑制技术已被用于控制转炉吹氧过程中的过度泡沫。一种常见的技术是将碳质材料（如焦炭）撒在泡沫渣上。 X 射线透视显示，这些焦炭颗粒促进了泡沫气泡的聚结，从而使泡沫不稳定。然而，颗粒的尺寸要大于泡沫气泡，因为当颗粒小于泡沫气泡时，泡沫是稳定的。其他使用方法包括注入铝粉、改变喷枪高度和控制气体流速。

然而，尽管防止、预测和缓解喷溅是炼钢中长期存在的问题，但它对于具有高质量、优化转炉设计和最小环境影响的成本效益钢铁生产至关重要。此外，上述技术依赖于工作转换器的在线物理测量，是间接的，准确性和可靠性较低，尤其是在高温下。

开发洒水预警和缓解系统的努力集中在三个主要领域，即 (i) 洒水建模及其发生的可能性，(ii) 检测洒水开始的测量设备，以及 (iii) 采取的缓解措施实时防止全面喷溅事件的发展。

第一组的一个例子是研究中提出的结果，其中已根据熔体的初始成分计算出最佳吹塑曲线。在另一项研究中开发了一个基于计算每个热量的喷溅潜力的类似系统。

第二组的例子包括已经用于测量相对于转炉口的炉渣表面水平的微波测量仪、使用涉及O2喷枪振动测量的检测系统以及使用无线电波测量炉渣深度。 .

关于转炉中喷溅现象的不同研究的一个有希望的方向是结合在线测量设备进行早期喷溅检测，并将其用于启动过程干预以减轻喷溅。为此，已经对熔渣形成进行了广泛的研究。为了深入了解，过去曾提出过描述泡沫高度变化的不同类型的经验方程。利用冷热模型实验的结果推导出具有物理背景的模型。这些实验的结果使炉渣发泡的动态建模领域更进一步。在物理模型的基础上，还开发了动态发泡控制系统。转炉过程的水模型用于验证结果。该方法也进一步细化。

在其中一项研究中，通过结合声波计和气体分析来检测喷溅。在另一项研究中提出了另一种利用组合多个测量的思想的系统，该系统利用自适应滤波和变化检测算法构建了一个在线报警系统，向操作员提供警告。

喷溅检测相机 – 出于评估目的，量化喷溅的客观方法更为可取。在其中一项研究中，一个带着秒表的人记录了在打击期间进行观察的时间。已使用 VCR（盒式录像机）摄像机，但由于软件问题，尝试使用 IR（红外线）摄像机设备未成功。

对于续集中描述的实验，现场实施了摄像系统来监控过程。当喷溅发生时，熔融金属从转炉顶部掉落到转炉下方的地板上。摄像头位置可以捕捉落渣的图像。视频序列中的每一帧都使用灰度阈值分割。确定亮度常数或阈值以将熔融金属与较暗的背景分开。明亮和黑暗图像像素之间的比率表明了溅射发生的严重程度。该比率在 2 秒的采样周期内进行平均，并与数据库中的其他过程数据一起实时保存。

用于喷溅检测的声波计 – 自 1970 年代初以来，许多转炉车间都采用了一种称为声波计的设备，用于间接监测渣泡沫水平。其基本思想是，随着泡沫水平的增加，转换器在吹制下的声音发射在某些频段会降低。声波计信号通常被操作人员用来监测渣位变化，但也被用作控制器的输入。

喷溅检测预警系统 – 将关键测量与高级信号处理相结合的想法已经形成。系统识别模型通过递归参数估计进行更新，并用于在喷溅开始时向操作员提供预警。系统识别模型由尾气流速和尾气中的 CO 含量提供。声波计信号用作模型的输出信号。该系统已被证明在有限数量的充电中运行良好。

由于尾气分析中的时间延迟造成的困难，警报系统得到了进一步完善，其中 CO 含量发生了变化，有利于压力测量。出口气体管道中的麦克风（实际上与声波计使用的麦克风相同）根据特定频率下的信号强度向渣泡沫高度估计器提供高分辨率音频数据。