转炉溅渣成因、预测与防控技术全景解析

转炉(BOF)炼钢是批次工艺，由铁水炼钢。C、Mn、P 含量影响钢质。需达预定温度成分才能浇铸。向耐材转炉吹 O₂ 氧化浴中元素升温降杂。液态氧化物上浮形成渣层。有效 BOF 需足量渣，但受限于转炉容积。O₂ 喷吹熔面产生巨量气体，与液渣和 O₂ 冲击剥离的金属液滴形成乳浊液。CO、CO₂ 上穿渣层使其起泡。起泡发生于吹炼中段，FeO 吸收减弱，与最大脱碳率期近乎重合，故最大泡沫高度现于吹炼前半段(~35%)，因高气体量和高起泡性。

BOF 多相泡沫特征与溅渣定义

BOF 显著特征：多相泡沫(液渣、金属液滴、固体“第二相”颗粒如未熔熔剂、工艺气体)形成，因：(i) 高速 O₂ 冲击熔池抛射大量金属液滴至转炉上部；(ii) 块状熔剂分批加入溶解慢，液渣形成慢；(iii) 液渣、未熔熔剂、金属液滴形成粘性乳浊液，拦截上行工艺气体；(iv) 大部分工艺气体在乳浊液内由液滴 C 与渣 FeO 反应生成。有效 BOF 需大体积泡沫(气-金属-渣乳浊液)，但受限于转炉容积。乳浊液体积超容即经转炉喉部排出渣——即溅渣(图 1)。

图 1 吹炼中段 BOF 物理状态

起泡有益：增大反应界面、隔绝熔池大气、保护耐材、提供后燃烧传热介质。但过量起泡溢出即溅渣，有害危险。溅渣视觉表现：吹炼中熔渣从烈焰转炉喉部抛出。属不规则现象。剧烈溅渣伴随大量扬尘。后果：收得率损失、生产中断、环境污染、安健成本、烟罩和转炉口损坏。溅渣发生时需停产清理转炉下区和炉口渣，延长冶炼时间降低生产率；扰乱热平衡影响终点温度。反之过度抑制起泡会增加扬尘和辐射热损失。传统靠操作员目视监控干预，但对无中断生产至关重要，抑制溅渣意义重大。

增产(增吹氧率)与防溅渣似矛盾：增吹氧率增气体生成率，稳态下增泡沫高度和溅渣概率。早期认知溅渣主因：(i) 渣特性(低碱度、高粘度、低表面张力)，(ii) 高温高渣铁促脱碳。实则更复杂动态多变量：(i) 熔化剧烈进程，(ii) 渣粘度，(iii) 渣表面张力，(iv) 渣密度，(v) 脱碳气泡尺寸，(vi) 熔池循环弱/不稳，(vii) 转炉工作衬高度/容积/形状，(viii) 枪位高度，(ix) 枪 O₂ 流量，(x) 枪嘴磨损，(xi) 铁水/废钢化学成分，(xii) 脱碳速率等。变量多致溅渣被视为混沌不可预测。持久溅渣问题催生在保持适宜泡沫体积前提下防溅渣技术探索，颇具挑战。

渣起泡与气体生成(同前文核心机理)

起泡有益机理同前。影响变量同前。渣成分随吹炼演变利于起泡。高表气速(>1 m/s)下液体被气流托持，VF 强依赖表气速、弱依赖物性，气滞留受重力和阻力支配。渣泡沫捕获气体，VF 0.7–0.9(图 2)。渣理化性质演变利于稳定，配合前半程高脱碳率，泡沫体积急增。

图 2 典型泡沫柱分层结构

FI = 泡沫高度/表气速，单位秒(0.6–1.3 s)，表征气体垂直通过泡沫时间。恒定 O₂ 供率下主脱碳期气速常数，泡沫高度正比 FI。乳浊液表观粘度关键：粘度高→FI 高→泡沫高→足够高溢出溅渣。固相分数强烈影响表观粘度：固相分数增 10% 致表观粘度增 50%，泡沫高度至少同比增。

气体生成动力学(同前文)

气体生成速率主导泡沫形成增长。脱碳三路径同前。反应(1) 和 Fe 氧化即时开始持续，(1) 因表面 C 减少减速。Fe 氧化恒定但 FeO 最终因消耗增而降。吹末 FeO 随参与脱碳减少回升。吹终极控制为熔池内 C 与溶解 O 反应(3)。末期脱碳速率取决于 C 上传、溶解 O 下传传质。图 3 示脱碳主要反应。最大脱碳/气体生成率现吹炼 25–30%，主要在泡沫中按(2)第一式进行，水平取决于 FeO 可用性和液滴供给。~80% 吹炼因熔池 C 低气体生成率骤降。

图 3 BOF 转炉熔池脱碳主要反应原理

吹炼制度：硬吹与软吹

实操中平衡 O₂ 供给熔池和渣非易事。偏离平衡两术语：硬吹(枪位近熔面，促热点直接脱碳(1) 和熔池内脱碳(3)，渣欠氧化)；软吹(枪位远，增渣 O₂ 供给，降脱碳率、渣过氧化)。理想枪位平衡渣 O₂ 供给与液滴脱碳消耗 FeO，脱碳率高且受控，稳定泡沫填充大部转炉上部空间，最小化衬衬磨损和结骨，收得率和吹炼结果良好。枪位过深：渣 O₂ 不足平衡液滴脱碳消耗 FeO，渣缺氧。脱碳仍高(更强烈 O₂-熔池接触)。低 FeO 渣不起泡，乳浊液增粘收缩。乳浊液高度降低致气体通道化通过、剧烈吐渣(液滴高抛出炉)，降收得率、致枪/锥/口结骨、增底部磨损。枪位过高：渣 O₂ 升高(软接触+液滴少降 FeO 消耗)，脱碳率低、泡沫低、促衬衬磨损。浅冲击减弱熔池搅拌形成死区、底部堆积。低脱碳率+过氧化渣如“定时炸弹”，称“超反应状态”(过量 O₂ 和 C 因混合差未反应)，微小条件变化触发气体生成和泡沫剧增→剧烈溅渣。

溅渣现象分类

溅渣因泡沫过度增长超容排出，流速取决于渣氧化态：欠氧化渣稠稠慢流，过氧化渣稀稀快流。防溅渣需严控渣成分即泡沫氧化态。欠氧化→表观粘度过高(主脱碳期初 FeO 太低)→吹中段“干”、高粘泡沫。过氧化→气体生成率/泡沫内气速过高。溅渣成因分静态/动态：静态关乎预吹条件(转炉设计、渣量特性、铁水/废钢质量、吹炼模式控枪位/加料时刻/氧流)；动态关乎吹炼类型(吹炼模式偏离、底部搅拌剧烈程度)。溅渣可因气-渣-金属乳浊液过度增长，流出速度取决于渣氧化度：欠氧化慢、过氧化快。铁水低 Si 致吹初溅渣增：渣层薄不足护熔池免 O₂ 冲击，Si 剧烈燃烧提前启动脱碳期，溅渣剧烈甚至结枪骨。防溅措施：提枪/减氧/双施 + 加熔剂促渣形成。低 Si 也因渣量减少影响脱 P/S。铁水高 Si 亦溅渣：渣量增、渣 Fe 增。对策：吹炼中适量加石灰、避免低碱度、降前段氧流调脱碳速率、选防止前段 FeO 过高吹炼模式。

溅渣防控技术体系

控制方法分在线/离线。在线法依据实时信号吹炼中修正；离线法吹炼前基于历史经验预防。离线法通过消除/最小化已知溅渣因素减少溅渣炉次。报告溅渣因素：(i) 铁水 Si >1.2%，(ii) Mn 超 0.5–0.9%，(iii) 装料超设计容量，(iv) 用萤石促石灰溶解，(v) 用铁氧化物(铁矿/烧结)作冷却剂，(vi) 新大修炉内部容积小，(vii) 枪嘴设计，(viii) 枪位高于正常。不同 BOF 车间问题轻重不同。离线措施多样：限制铁水 Mn 目标、定期校准枪熔面距离。因问题差异，离线实践因厂异。常受限于与其他运营指标冲突只能有限实施。

转炉溅渣成本高、危险、不可预测。虽极端起泡预期溅渣，运行中难预判确切时刻。传统法：目视现溅渣迹象后人工干预，但效果差：迹象可见时溅渣已始、损失已发生；操作员不专注/缺经验/不知对策致损失扩大。故即使用计算机控制，操作员专注度和经验仍关键。下阶段利用声学/光强行为预测，建立声学/光强模型。图像处理炉内光纤镜图像预测溅渣。声信号研究动态起泡、建议调枪位。烟道麦克风声信号估算渣面高度。除声像分析，模糊逻辑、遗传算法、神经网络、枪振动分析、微波法也用于溅渣控制。渣泡沫抑制技术用于控制过度起泡：洒焦炭等碳材料促泡沫聚并破坏稳定性(X 射线荧光显示)；颗粒须大于泡沫(小颗粒稳定泡沫)；其他：喷吹铝粉、调枪位、调气流。尽管防控预测缓解是长期课题，但对高质低耗优化设计环保生产至关重要。依赖在线物理测量的技术间接、精度可靠性低(尤高温下)。

溅渣预警缓解系统开发聚焦三领域：(i) 溅渣建模及发生概率，(ii) 检测溅渣起始的测量装置，(iii) 实时缓解措施防全面溅渣。第一类例：基于初始熔池成分计算最优吹炼曲线；另研究基于各炉次计算溅渣势。第二类例：微波仪测渣面相对炉口高度、O₂ 枪振动检测系统、无线电波测渣深。第三类有前景方向：结合在线测量早期检测并触发干预缓解。大量渣形成实验为此开展。过往提出描述泡沫高度变化经验方程。冷热模型实验推导物理背景模型。基于物理模型开发动态起泡控制系统。水模型验证结果。方法进一步精化。一研究用声学计+气体分析组合检测溅渣。另研究自适应滤波+变化检测算法构建在线报警系统预警操作员。

摄像机溅渣检测

量化溅渣需客观方法。一研究用秒表记录吹炼中溅渣观测时刻。VCR 摄像机用于记录；IR 红外摄像机因软件问题失败。实验现场部署摄像系统监控。溅渣时熔融金属从转炉顶落至炉下地面。摄像位置可捕获落渣图像。每帧灰度阈值分割。亮度常数/阈值分离熔融金属与深背景。亮/暗像素比指示溅渣严重程度。2 秒采样周期平均并实时存入数据库与其他工艺数据。

声学计溅渣检测

1970 年代起多转炉车间用声学计间接监测渣泡沫液面。基本原理：泡沫液面升高时，吹炼下特定频带声辐射降低。声学计信号供操作员监测渣面变化，也用作控制器输入。

溅渣预警系统

关键测量+高级信号处理组合思路开发。系统辨识模型递归参数估计更新，输出早期预警。模型输入烟气流量和烟气 CO 含量，声学计信号为模型输出。有限炉次验证效果良好。后优化：因烟气分析时滞困难，CO 含量改用压力测量。烟道麦克风(同声学计)提供高分辨率音频，基于特定频带信号强度估算泡沫高度。