呂長海¹，李晶¹，史成斌¹，閆威¹，鄭從杰²

（1.北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室，北京 100083；2.鋼鐵研究總院工藝所，北京 100083）

摘 要：文中從濺渣用爐渣要求、濺渣加料時機及種類、濺渣工藝參數、濺渣過程中幾類現象開展濺渣工藝技術研究，提出濺渣用爐渣要求在一定溫度范圍內，具有較好的流動性、粘性、抗高溫侵蝕性。圍繞爐渣要求，對濺渣加料時機、種類進行研究，得出低碳低磷鋼濺渣過程應以熟料為主，以增加渣中碳和鎂的物料為主。在提高濺渣量和濺渣效果方面，通過濺渣水模型實驗，研究了槍位、頂底吹流量、渣量對濺渣的影響，得出對濺渣量和濺渣效果影響因素大小排序為槍位、渣量堯頂吹流量，而底吹流量變化對濺渣量和濺渣效果無影響。實際濺渣作業過程中存在較多問題，如濺渣加料不固定、濺渣槍位不規范等，各廠應根據自身情況開發自動濺渣模型，實現自動加料和自動濺渣，參考濺渣水模型實驗結論動態控制渣量、槍位等參數，以保證濺渣后爐型規則、爐壁濺渣層厚度均勻。 

關鍵詞：低碳低磷鋼；濺渣；水模型試驗；槍位；頂底吹流量；渣量

0 引 言

低碳低磷鋼爐渣一般都具有較高的氧化性和堿度，與生產普碳鋼相比，濺渣護爐時，因爐渣稀，調渣時間長、起渣慢、濺渣層薄，同時生產過程中發現濺渣層不耐侵蝕現象^[1，2]。因此，有必要對低碳低磷鋼種濺渣護爐開展系統研究。

濺渣護爐用爐渣要求在一定溫度范圍內，具有較好的流動性、粘性、耐侵蝕性^[3，4]。濺渣后能快速的與爐襯耐火材料相結合，爐渣在濺渣層冷卻后生成高熔點相，具備抗渣侵蝕的能力，流動性與爐渣的溫度、熔點、固相率等有一定關系。粘性與爐渣的溫度、成分及渣中未熔顆粒物含量等相關。因此，通過調渣滿足濺渣用爐渣的要求，保證濺渣層耐侵蝕、掛渣效果好、縮短濺渣時間，實現又快又好濺渣，達到保護爐襯的目的。濺渣用爐渣的要求見圖 1。

1 濺渣加料對濺渣效果的影響

生產低碳低磷鋼種時，為保證濺渣作業順行進行，同時達到較好的濺渣效果，應在濺渣前對向爐渣中加料進行調整，保證濺渣用的爐渣在一定溫度范圍內，具有較好的流動性，粘性和抗高溫侵蝕性。濺渣加料的作用主要包括 3 個方面，一是調節爐渣溫度和粘結性，二是增加顆粒物含量，三是調節爐渣成分達到改變爐渣熔點、固相率、高熔點析出相等。

低碳低磷鋼濺渣用爐渣可近似看作牛頓流體，根據牛頓粘性定律可知，牛頓流體是指在受力后極易變形，切應力與變形速率成正比的低粘性流體。從流體力學的角度來說，凡是服從牛頓內摩擦定律的流體稱為牛頓流體。因此，濺渣用爐渣可近似看做牛頓流體。牛頓內摩擦定律表達式：τ=μy； 內摩擦定律是指在溫度不變的條件下，內摩擦力隨著流速梯度的變化而變化，μ值始終保持常數，內摩擦力使流體流動減慢；又稱粘性力，流體在流動過程中呈現的這種性質稱為粘性，度量粘性大小的物理量稱為粘度。在轉爐濺渣過程中，y剪切速率基本相同，那么影響τ的大小取決于μ值。 μ為粘度、粘性系數-運動粘性系數或動力粘性系數，其主要影響因素為院溫度（T）、成分、顆粒物。液體（液相）隨溫度的升高粘度、粘性系數-運動粘性系數或動力粘性系數降低，反之升高。

從牛頓粘性定律可以看出，調節爐渣的粘性和流動性，與爐渣的溫度（T）、爐渣成分、爐渣中顆粒物含量有直接的關系，爐渣的耐侵蝕性與爐渣的成分直接相關。因此，在實際濺渣調渣過程中，應特別注意爐渣溫度、成分、顆粒物的變化，尤其是濺渣加料的時機、種類對此造成的影響。

濺渣用料的種類較多，一般鋼廠使用石灰石、生白云石、石灰、鎂球、爐渣調整劑等。濺渣用料的加入時機應遵循物料本身所需要的分解溫度和分解時間，使用生料與孰料相比較，需要更高的溫度和更長的時間。在生產石灰和輕燒白云石時，其出灰時間分別為每 10 min 和 30 min 出灰，石灰石和生白云石高溫煅燒時間遠大于濺渣時間，在生產過程中如使用石灰石和生白云石調渣，所起到的作用主要為調節爐渣的溫度，另外兩方面發揮作用較小。 如為降低濺渣成本必須使用生料時，該類物料加入的時間，應在出鋼階段之前加。濺渣用料中的熟料鎂球堯石灰、輕燒白云石等，可根據鋼種溫度調節加入時機，出鋼溫度較低時可考慮在出鋼前加部分，濺渣階段再加入部分，或全部加在濺渣階段，加料時機見圖 2。

為保證在生產低碳低磷鋼種時高質量快速濺渣，濺渣階段物料的加入種類應以熟料和爐渣調整劑為主，爐渣調整劑建議使用含碳量高，高溫下碎裂性好的產品，加入量大時分批加入。盡量不加生料，如后期溫度高，需要調節溫度時，生料應在出鋼前加入。總之，生產低碳低磷鋼時濺渣加料應以增加碳和鎂的物料為主，實現爐渣改質的同時保證爐渣的流動性及粘性，以保證良好的濺渣效果。

 2 濺渣工藝參數對濺渣效果的影響

為深入研究濺渣相關工藝參數對濺渣效果的影響，設計濺渣水模型試驗，開展相關研究，按照1：7 比例模型制作試驗用濺渣轉爐^[5-9]，采用水模模擬研究實際的濺渣過程，見圖 3。

在實際生產過程中，耳軸中心線上下部位濺渣層較薄弱，因此，在模擬過程中特別對該位置進行研究。在水模設計過程中，從轉爐上部往下共設 計 8 個水槽，水模試驗開始后，將每次試驗得到的 8個水槽中的水量視為不同部位的濺渣量，以此開展試驗研究。模型中 1~8 部位對應的實際高度與轉爐距爐底的高度一一對應，轉爐耳軸位置距爐底為 3.73 m，在水模型設計圖中，第 5 部位實際高度 為 4.03 m，第 6 部位實際高度為 3.33 m，相同高度對應的位置在第 5~6 位置之間，如圖 4 所示。 

為系統研究濺渣工藝參數對濺渣的影響，從頂底吹流量、留渣量、槍位等方面開展水模擬試驗，詳細分析工藝參數對耳軸部位及整個爐襯的濺渣效果影響，通過設計不同組參數，模擬實際濺渣過程袁 具體如下。

2.1 槍位對濺渣效果的影響

試驗設計院在頂吹流量為 32 000 m³/h、底吹流量為 200 m³/h 的情況下，設計轉爐留渣量分別為 80 kg/t、100 kg/t、120 kg/t，觀察模型槍位從 1.7 m逐步提升至 2.3 m 時，槍位對濺渣效果的影響，分別見表 1、圖 5、圖 6、圖 7。

從圖 5 可以看出，在固定頂底吹流量的情況下，濺渣渣量在 80 kg/t 的情況下，爐襯 1~5 部位的濺渣量隨槍位變化不大，爐襯 6~8 部位隨著槍位的提高濺渣量逐漸增多，槍位大于 2.1 m 時增長趨勢不明顯。

從圖 6 可以看出，在固定頂底吹流量的情況下，濺渣渣量在 100 kg/t 的情況下，爐襯 1~5 部位的濺渣量隨槍位變化不大，爐襯 6~8 部位隨著槍位的提高濺渣量逐漸增多，槍位在 1.9~2.1 m 時，首次出現增長緩慢現象，大于 2.2 m 后出現下降趨勢。

從圖 7 可以看出，在固定頂底吹流量的情況下，濺渣渣量在 120 kg/t 的情況下，爐襯 1~5 部位的濺渣量隨槍位變化不大，爐襯 6~8 部位隨著槍位的提高濺渣量逐漸增多，槍位在 1.9~2.1 m 時出現負增長拐點。采用極限思維，隨著氧槍槍位的不斷提高，氧槍距爐底的高度越高，爐渣接觸到氧槍氣流沖擊力越小，濺起的渣量越小，槍位大于 2.1 m后出現降低趨勢，氧槍槍位對濺渣的影響存在極大值袁即最佳槍位，H/D=0.35~0.42。由此可判斷，在該渣量下槍位為 2.1 m 時爐襯濺渣量最大，濺渣渣量最大并不代表濺渣效果最好，應根據爐型和爐襯需要作出相應調整。

從以上試驗數據可以看出，槍位對爐襯下部的濺渣量影響較大，在相同槍位不同渣量的情況下，低槍位濺渣時袁爐襯各部位的濺渣量偏少，濺渣層薄弱，從上至下爐襯的濺渣量逐漸增加，形成中上部薄弱，下部偏厚；中槍位濺渣時，爐襯各部位的濺渣量增多，濺渣層增厚，從上至下爐襯的濺渣量逐漸增加，形成上部薄弱，中部適當增厚，下部偏厚；高槍位濺渣時，爐襯各部位的濺渣量增多明顯，濺渣層較厚，從上至下爐襯的濺渣量逐漸增加，上部 適當增厚，中部增厚，下部偏厚。低槍位、中槍位、高槍位濺渣分別見圖 8。

因此，在實際生產過程中，應根據爐襯厚度變化情況，設計不同的濺渣槍位，不能單一高槍位或低槍位濺渣，應高低槍位配合，實現爐襯濺渣層上、中、下部的均勻分布，保證濺渣效果的同時，保持爐型規則。水模試驗顯示，當槍位控制在 1.8 m約H約 2.2 m 時，能增加耳軸部位的濺渣量，在實際濺渣過程中，槍位控制應高低搭配，根據爐役不同時期爐襯的薄弱位置，靈活選擇槍位控制。

2.2 頂底吹流量對濺渣效果的影響

1）頂吹流量試驗設計院根據實際生產中常用槍位、實際渣量及底吹情況，設定固定槍位為 1.8 m、渣量 120 kg/t，底吹流量 200 m³/h，頂吹流量設定從 30 000~32 000 m³/h 之間變化，觀察頂吹流量變化時對濺渣效果的影響，見表 2、圖 9。

從圖 9 可以看出，在固定槍位、渣量、底吹流量的情況下，濺渣渣量從爐襯上部往下部逐漸增多，不同頂吹流量的趨勢一致；爐襯從上部第 1 部位距爐底 6.83 m 的位置開始，至第 3 部位距爐底 5.43 m的位置之間，隨著頂吹流量從 30 000 m³/h 增加至 33 000 m³/h 時，濺渣量基本相同；但是，爐襯從上部第 4 部位距爐底 4.73 m 的位置開始，至第 8 部 位距爐底 1.93 m 的位置之間，隨著頂吹流量從30 000 m³/h 增加至 33 000 m³/h 時，濺渣量逐漸增加；即在相同槍位、渣量、底吹流量的情況下，頂吹流量的變化對爐襯中下部濺渣渣量影響明顯，越靠近下部影響越大，對上部影響不明顯。

 2）底吹流量試驗設計院根據實際生產中常用槍位、實際渣量及底吹情況，設定固定槍位為 1.8 m、渣量 120 kg/t、頂吹流量 32 000 m³/h，底吹流量設定從 200~320 m³/h 之間變化，觀察底吹流量變化時對濺渣效果的影響，見表 3、圖 10。

從圖 10 可以看出，在固定槍位、渣量、頂吹流量的情況下，濺渣渣量從爐襯上部往下部逐漸增多，不同底吹流量的趨勢一致；爐襯從上部第 1 部 位距爐底 6.83 m 的位置開始，至第 8 部位距爐底 1.93 m 的位置之間，隨著底吹流量從 200 m³/h 增 加至 320 m³/h 時，濺渣量基本相同，即底吹流量的變化對爐襯上中下部濺渣渣量影響不明顯。即在相同槍位、渣量、頂吹流量的情況下，底吹流量對濺渣效果幾乎沒有影響。 

2.3 渣量對濺渣效果的影響

試驗設計院根據實際生產中常用槍位、頂底吹情況，設定固定槍位為 1.8 m、頂吹流量 32 000 m³/h、底吹流量 200 m³/h，渣量從 80~120 kg/t 之間變化，觀察渣量變化時對濺渣效果的影響，見表 4、 圖11。

從圖 11 可以看出，在固定槍位、頂底吹流量的情況下，隨著渣量增大，從爐襯上部往下部的濺渣量逐漸增多，不同渣量的趨勢一致；爐襯從上部 第 1 部位距爐底 6.83 m 的位置開始，至第 3 部位距爐底 5.43 m 的位置之間，隨著渣量從 80 kg/t 增加至 120 kg/t 時，濺渣量基本相同；但是，爐襯從上部第 4 部位距爐底 4.73 m 的位置開始，至第 8 部位距爐底 1.93 m 的位置之間，隨著渣量從 80 kg/t增加至 120 kg/t 時，濺渣量逐漸增加，而且越靠近下部增加量越大；即在相同槍位、頂底吹流量的情況下，渣量的變化對爐襯中下部濺渣量影響明顯，渣量越大濺渣量越大，越靠近爐底濺渣量越大，對上部影響不明顯。

通過濺渣水模實驗發現，不同槍位、頂吹流量、渣量對濺渣量的多少有直接關系，對爐襯中下部位濺渣層有一定影響，特別是靠近爐底的部分尤為明顯，按照影響大小排序為槍位躍渣量躍頂吹流量。因此，在日常生產過程中對于爐底部位的控制，應重視槍位、頂吹流量、渣量的影響，特別是對實際操作影響較大的爐底高度，更應注意防范，爐底保持不變或略微上漲，控制在 100 mm 以內浮動。

3 實際生產過程中幾種典型濺渣操作分析

在低碳低磷鋼生產時，一般都向爐渣中加入濺渣料調渣，其加入時機及濺渣槍位的控制對濺渣效果影響較大，爐渣改質及濺渣槍位的控制對爐襯濺渣層的分布有影響，具體見以下幾種典型的濺渣作業。18105863 爐次濺渣開始時間為 13：25：02，濺渣加料時間為 13：26：54，濺渣加料在開始濺渣后 2 min 左右加入，時間偏靠后，加入生料石灰石 310 kg，通過前面分析可知，不建議在濺渣階段使用生料，加入時機偏后且使用生料，都難以保證良好的濺渣效果，同時中高槍位時間偏短，不利于耳軸部位濺渣，見圖 12。

18205648 爐次的濺渣調渣時間接近總濺渣時間的 50%，雖濺渣加料在前期完成，但是調渣時間過長、有效濺渣時間偏短，低槍位時間長、中高槍位濺渣時間短，耳軸部位濺渣量小、濺渣層薄，難以保證良好的爐型，見圖 13。

18105656 爐次的濺渣調渣時間為總濺渣時間的 30%，濺渣加料在前期完成，中后期逐步降槍濺渣，保證有效濺渣時間，濺渣中以低槍位為主，中高槍位時間短，薄弱的耳軸部位濺渣量小、濺渣層偏薄，見圖 14。

18105866 爐次的濺渣總時長 140 s，因冶煉節奏緊張，影響總濺渣時間短，造成濺渣量減少、渣層偏薄，濺渣槍位以中槍位為主，能增加薄弱的耳軸部位濺渣量，見圖 15。

18105887 爐次濺渣低槍位時間偏長，低槍位時間占總時間的近 50%. 濺渣中槍位時間較短，以高槍位與低槍位濺渣，容易造成爐襯內部濺渣層不均、爐型不規則。中高槍位時間短，薄弱的耳軸部位濺渣量小、濺渣層偏薄，見圖 16。

4 結 論

1）低碳低磷鋼濺渣加料應遵循物料分解所需要的溫度和時間原則，在濺渣階段加料應以熟料為主，為降低生產成本使用生料時，應在出鋼前加入。濺渣加料種類應以增加含碳和鎂的物料為主，調節爐渣改質的同時保證爐渣的流動性及粘性，取得良好濺渣效果。 

2）從濺渣水模試驗中發現，槍位對爐襯下部的濺渣量影響較大，槍位為 2.1 m 時爐襯總濺渣量最大。在相同槍位不同渣量的情況下，隨著渣量的增加濺渣總量增加；低槍位濺渣時，爐襯各部位的濺渣總量少，隨著槍位的提高，爐襯總濺渣量逐漸增加；爐襯從上往下，濺渣層分布為中上部薄弱、下部偏厚；中槍位濺渣時，爐襯各部位的濺渣量增多，濺渣層增厚，從上至下爐襯的濺渣量逐漸增加，形成上部薄弱，中部適當增厚，下部偏厚；高槍位濺渣時，爐襯各部位的濺渣量增多明顯，濺渣層較厚，從上至下爐襯的濺渣量逐漸增加，上部適當增厚，中部增厚，下部偏厚。根據不同的槍位特點，在實際生產中應根據爐型，靈活搭配槍位控制。

3）在相同槍位、渣量、底吹流量的情況下，頂吹流量從 30 000 m³/h 增加至 32 000 m³/h 時，對爐襯中下部濺渣渣量影響明顯，越靠近下部影響越大，對上部影響不明顯。在相同槍位、渣量、頂吹流量的情況下，底吹流量從 200 m³/h 增加至 320 m³/h時，對濺渣效果幾乎沒有影響。

4）在固定槍位、頂底吹流量的情況下，渣量從80 kg/t 增加至 120 kg/t 時，濺渣量逐漸增加，而且越靠近下部增加量越大；在相同槍位、頂底吹流量的情況下，渣量的變化對爐襯中下部濺渣量影響明顯，渣量越大濺渣量越大，越靠近爐底濺渣量越大，對上部影響不明顯。 

5）通過濺渣水模實驗發現，不同槍位、頂吹流量、渣量對濺渣量的多少有直接關系，對爐襯中下部位濺渣層有一定影響，特別是靠近爐底的部分尤為明顯，按照影響大小排序為槍位、渣量、頂吹流量。 

6）在實際濺渣操作過程中，各班組的濺渣槍位及加料控制較為隨意，沒有形成統一的控制標準。基于此，建議各廠根據自身鋼種及終點控制情況，開發自動濺渣模型，實現同一操作。根據模擬試驗動態控制留渣量和濺渣槍位，以保證濺渣后爐型規則，爐壁濺渣層厚度均勻為原則。

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