袁曉峰¹ ，王 斌²

( 1． 中冶南方工程技術(shù)有限公司煉鋼分公司，湖北 武漢 430223; 2． 青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島 266000)

摘要: 控制轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程中的下渣量一直是冶金領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。本文主要介紹了轉(zhuǎn)爐出鋼擋渣技術(shù)的發(fā)展，并重點(diǎn)分析了三種典型的擋渣技術(shù)，即滑板擋渣法、氣動(dòng)擋渣法以及擋渣棒擋渣法的工藝特點(diǎn)和應(yīng)用效果。滑板擋渣技術(shù)利用上滑板與下滑板之間的流鋼孔錯(cuò)位，從而達(dá)到控渣出鋼的目的，具有滑板開(kāi)閉迅速、不受出鋼口壽命和爐渣粘度的影響、與下渣檢測(cè)技術(shù)配合可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐一鍵式自動(dòng)出鋼的特點(diǎn)，該技術(shù)擋渣成功率可以達(dá)到 99% 以上，爐下鋼包渣厚可以穩(wěn)定控制在 50 mm 以下，效果最佳; 氣動(dòng)擋渣技術(shù)可以通過(guò)插入出鋼口的噴嘴噴出高壓氮?dú)馍淞鳎瑥亩鴮t渣擋回轉(zhuǎn)爐內(nèi)，該技術(shù)是無(wú)形擋渣技術(shù)的一種，具有運(yùn)行成本低、效果佳的優(yōu)點(diǎn)，但是其設(shè)備故障率偏高，同時(shí)會(huì)降低出鋼口的使用壽命，故在國(guó)內(nèi)未得到普及推廣; 擋渣棒擋渣主要采用導(dǎo)向桿導(dǎo)入出鋼口方式，確保擋渣塞能夠準(zhǔn)確到達(dá)出鋼口位置，從而達(dá)到擋渣的目的，該技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、設(shè)備投資低、效果較好等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛。

關(guān)鍵詞: 出鋼; 滑板擋渣; 氣動(dòng)擋渣; 擋渣棒擋渣

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)優(yōu)質(zhì)鋼材的需求不斷增長(zhǎng)，研發(fā)和生產(chǎn)高品質(zhì)、高技術(shù)含量、高附加值的純凈鋼成為當(dāng)今鋼鐵工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要課題。潔凈鋼的應(yīng)用范圍覆蓋了汽車(chē)、家電、食品包裝以及石油天然氣輸送管線(xiàn)等許多領(lǐng)域。

在冶金過(guò)程中，爐渣成分對(duì)鋼水的潔凈度有著十分重要的影響^［1－3］。轉(zhuǎn)爐出鋼后進(jìn)入到鋼包中的高氧化性爐渣由于含有較多的 FeO、MnO 等不穩(wěn)定氧化物，會(huì)持續(xù)不斷地向鋼液傳氧，不僅增加鋼水脫氧及合金化過(guò)程中脫氧劑和合金的消耗，而且導(dǎo)致鋼水潔凈度下降，甚至影響鋼材產(chǎn)品質(zhì)量^［4－6］。在出鋼過(guò)程中采用下渣控制技術(shù)，不僅可以提高鋼水純凈度，也對(duì)控制煉鋼成本發(fā)揮積極作用。

1 轉(zhuǎn)爐出鋼下渣情況

在轉(zhuǎn)爐出鋼搖爐過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)爐渣的密度小于鋼水而浮于鋼水面上，因此轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)的下渣分三部分: 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)至 38° ～ 47°時(shí)爐渣會(huì)先于鋼水經(jīng)過(guò)出鋼口流出，此時(shí)稱(chēng)為前期渣; 出鋼中后期鋼液液面降低至一定高度后會(huì)形成旋渦，將液面上的爐渣抽吸裹卷導(dǎo)致鋼渣混出，此時(shí)成為過(guò)程渣; 臨近出鋼終點(diǎn)，鋼渣混合流出時(shí)下渣量迅速增加，此時(shí)稱(chēng)為后期渣。各個(gè)出鋼階段的下渣量中，前期渣量約占30% ，過(guò)程渣量約占 30% ，后期渣量約占 40% 。轉(zhuǎn)爐出鋼下渣情況如圖 1 所示^［7］。

2 轉(zhuǎn)爐出鋼擋渣技術(shù)發(fā)展

自上世紀(jì) 70 年代日本推出擋渣球出鋼擋渣方法以來(lái)，各國(guó)在轉(zhuǎn)爐出鋼下渣控制技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用方面開(kāi)展了廣泛研究，擋渣球法、避渣罩法、擋渣棒法、滑板擋渣法、氣動(dòng)擋渣法、電磁擋渣法、出鋼口吹氣趕渣法等十幾種擋渣方法應(yīng)運(yùn)而生。其中目前國(guó)內(nèi)外轉(zhuǎn)爐廠(chǎng)應(yīng)用較多的方法是用鐵皮擋渣帽、軟質(zhì)擋渣塞、滑板擋前期渣; 擋渣球、擋渣棒、氣動(dòng)擋渣、滑板擋后期渣。另外，為了檢測(cè)轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程中的下渣開(kāi)始時(shí)間，還開(kāi)發(fā)了基于電磁感應(yīng)或者紅外識(shí)別的出鋼下渣檢測(cè)技術(shù)^［8－11］。這樣，通過(guò)轉(zhuǎn)爐下渣檢測(cè)技術(shù)與上述擋渣方法的有效配合，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程的下渣控制。

從擋渣技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)看，由于使用擋渣球、擋渣棒等有形擋渣物擋渣，材料消耗高，擋渣效果不理想。國(guó)外正逐步從有形擋渣法向無(wú)形擋渣法發(fā)展，采用無(wú)形擋渣法并配有下渣檢測(cè)裝置，實(shí)行自動(dòng)擋渣出鋼，如氣動(dòng)擋渣法、滑板擋渣法等^［12］。

這些擋渣方法的主要特點(diǎn)是自動(dòng)化程度高、鋼水收得率高、鋼包下渣少，因此在冶煉品種鋼方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

3 典型轉(zhuǎn)爐出鋼擋渣技術(shù)的分析與比較

目前國(guó)內(nèi)主要采用的出鋼擋渣技術(shù)主要有擋渣球法、擋渣棒法、氣動(dòng)擋渣法、滑板擋渣法等。由于擋渣球法技術(shù)落后、自動(dòng)化程度低、可靠性較差，這種方式基本已被淘汰。本文主要對(duì)其余三種典型擋渣技術(shù)進(jìn)行評(píng)判分析。

3． 1 滑板擋渣法

3． 1． 1 工作原理和工藝特點(diǎn)

轉(zhuǎn)爐滑板擋渣技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展的一種新技術(shù)。該技術(shù)思路是移植鋼包滑動(dòng)水口原理，在轉(zhuǎn)爐出鋼口外端安裝液壓驅(qū)動(dòng)的滑板擋渣機(jī)構(gòu)，出鋼結(jié)束時(shí)迅速將上滑板與下滑板之間的流鋼孔錯(cuò)位，從而達(dá)到控渣出鋼的目的^［13］。該擋渣方式最初 于 1997 年應(yīng)用在德國(guó) SLazgitter． A． G 鋼廠(chǎng) 210 t 轉(zhuǎn)爐上，直到 2006 年以后才逐漸在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用^［14］。

轉(zhuǎn)爐滑板擋渣系統(tǒng)設(shè)備主要由機(jī)構(gòu)本體、耐火材料( 出鋼口磚、內(nèi)水口磚、上滑板、下滑板、外水口磚) 、液壓系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)接頭等組成，如圖 2 所示。機(jī)構(gòu)本體由基準(zhǔn)板、連接板、開(kāi)關(guān)模框、固定模框、滑動(dòng)模框以及彈簧組件等組成。耐火材料主要包括內(nèi)水口、上滑板、下滑板以及外水口。上滑板鎖緊在固定模框內(nèi)，下滑板磚安裝在滑動(dòng)模框里。液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)模框往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)出鋼口開(kāi)啟或關(guān)閉。

轉(zhuǎn)爐滑板擋渣技術(shù)特點(diǎn)是滑板開(kāi)閉非常迅速，通常可以從下渣檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出下渣報(bào)警信號(hào) 1s 內(nèi)完成滑板關(guān)閉動(dòng)作，因而能夠?qū)Τ鲣撨^(guò)程中的前期渣和后期渣進(jìn)行有效阻擋，可以實(shí)現(xiàn)少渣甚至無(wú)渣出鋼。此外，基本不受出鋼口壽命和爐渣粘度的影響。有的企業(yè)將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、下渣檢測(cè)技術(shù)與轉(zhuǎn)爐滑板擋渣技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐一鍵式自動(dòng)出鋼。

轉(zhuǎn)爐滑板法擋渣技術(shù)對(duì)新建轉(zhuǎn)爐本體設(shè)計(jì)有一定要求^［15］，比如出鋼口法蘭與托圈之間的空間要滿(mǎn)足滑板機(jī)構(gòu)安裝要求，必要時(shí)可考慮將滑板機(jī)構(gòu)進(jìn)行橫向安裝; 旋轉(zhuǎn)接頭需預(yù)留液壓油路和冷卻油缸用進(jìn)出水管的位置。現(xiàn)有轉(zhuǎn)爐如果采用滑板擋渣技術(shù)則可能需對(duì)出鋼口和旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行改造，轉(zhuǎn)爐耳軸需要增加五支管路，分別是兩路液壓缸用進(jìn)出油管、兩路液壓缸用進(jìn)出冷卻水管以及一路機(jī)構(gòu)冷卻壓縮空氣氣管。

3． 1． 2 應(yīng)用效果

轉(zhuǎn)爐滑板擋渣技術(shù)大幅提高了擋渣成功率，設(shè)備正常情況下?lián)踉晒β士梢赃_(dá)到 99% 以上。該技術(shù)能夠?qū)D(zhuǎn)爐出鋼前期下渣進(jìn)行全量控制和在第一時(shí)間迅速阻止后期下渣，因此其擋渣效果最好，爐下鋼包渣厚可以穩(wěn)定控制在 50 mm 以下; 此外，由于轉(zhuǎn)爐出鋼下渣量減少，對(duì)提高合金收得率、 減少 LF 精煉消耗和改善鋼水質(zhì)量也有非常明顯的效果。

滑板擋渣工藝設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，尤其是擋渣機(jī)構(gòu)安裝在轉(zhuǎn)爐爐殼上，設(shè)備的裝卸及維護(hù)均不方便。出鋼口滑板磚的使用壽命通常只有 10 ～ 15 爐，滑板機(jī)構(gòu)更換較為頻繁，平均每班需要更換 1 次滑板，更換 1 套滑板機(jī)構(gòu)需要 10 ～ 30 min，對(duì)煉鋼生產(chǎn)組織產(chǎn)生一定影響。滑板磚多為鋁鋯碳質(zhì)和鑲嵌鋯質(zhì)等，這類(lèi)材料的使用成本較高。

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用滑板擋渣技術(shù)的廠(chǎng)家主要有寶鋼、武鋼、首鋼京唐、梅鋼、安鋼、萊鋼、福建三鋼等。

該方法適用于公稱(chēng)容量不小于 120 t 并且冶煉潔凈鋼種的轉(zhuǎn)爐。對(duì)于要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐全自動(dòng)出鋼的鋼廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，滑板擋渣技術(shù)和下渣檢測(cè)技術(shù)是必不可缺的選擇。

3． 2 氣動(dòng)擋渣法

3． 2． 1 工作原理和工藝特點(diǎn)

氣動(dòng)擋渣系統(tǒng)由奧鋼聯(lián)于上世紀(jì) 80 年代開(kāi)發(fā)，是無(wú)形擋渣技術(shù)的代表。國(guó)內(nèi)最早由寶鋼在4#、5#轉(zhuǎn)爐建設(shè)時(shí)引進(jìn)了該套設(shè)備，馬鋼、本鋼、包鋼也隨后采用。其原理是在轉(zhuǎn)爐出鋼末期大量爐渣將要從出鋼口流出前，通過(guò)安裝在爐殼上的氣缸驅(qū)動(dòng)將旋轉(zhuǎn)臂前端的噴嘴插入出鋼口內(nèi)，噴嘴內(nèi)噴出的高壓氮?dú)馍淞鲗t渣擋回轉(zhuǎn)爐內(nèi)。其工作原理如圖 3 所示。

氣動(dòng)擋渣系統(tǒng)主要包括氣體供應(yīng)系統(tǒng)、擋渣頭、旋轉(zhuǎn)臂、氣缸以及下渣檢測(cè)裝置等設(shè)備。氣動(dòng)擋渣設(shè)備通常都配備了電磁或紅外下渣檢測(cè)裝置，可測(cè)出鋼水中鋼渣含量，從而準(zhǔn)確控制擋渣時(shí)機(jī)。氣動(dòng)擋渣技術(shù)同樣對(duì)新建轉(zhuǎn)爐本體設(shè)計(jì)有一定要求，旋轉(zhuǎn)接頭需預(yù)留高壓氮?dú)夤苈泛屠鋮s氣缸用壓縮空氣管的位置。現(xiàn)有轉(zhuǎn)爐如果采用氣動(dòng)擋渣技術(shù)則需對(duì)旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行改造。

3． 2． 2 應(yīng)用效果

鞍鋼第二煉鋼廠(chǎng)采用 IＲIS 下渣檢測(cè)技術(shù)配合氣動(dòng)擋渣，渣層厚度可控制在 60 ～ 90 mm^［16］。本鋼采用 EMLI － S． I． O 渣檢測(cè)系統(tǒng)配合氣動(dòng)擋渣，鋼包渣量平均值小于 5 kg /t，渣層厚度可控制在 45 ～60 mm^［17］。包鋼對(duì) 6#、7#轉(zhuǎn)爐合計(jì) 179 爐次鋼包渣層厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，平均值為 46． 9 mm^［18］。據(jù)奧鋼聯(lián)相關(guān)資料介紹，擋渣塞噴嘴的使用壽命達(dá)到 2 000 爐，而擋渣塞系統(tǒng)的壽命則為 5 000 爐。 由于正常運(yùn)行只需要消耗氮?dú)猓虼耍到y(tǒng)運(yùn)行成本很低^［19］。

同時(shí)，氣動(dòng)擋渣在每次動(dòng)作時(shí)，噴吹的高壓氮?dú)鈱?duì)出鋼口磚和耐火材料會(huì)造成一定的損害，在一定程度上降低出鋼口的使用壽命。旋轉(zhuǎn)臂和噴嘴在每次工作時(shí)不可避免地會(huì)發(fā)生粘鋼粘渣，影響擋渣效果和設(shè)備運(yùn)行，需要人工定期清理^［20］。此外，氣動(dòng)擋渣器本體安裝在轉(zhuǎn)爐爐殼上，平均每冶煉1 000爐需對(duì)氣缸進(jìn)行更換，給生產(chǎn)組織帶來(lái)不利影響。

寶鋼、馬鋼、包鋼、鞍鋼、本鋼等曾經(jīng)使用氣動(dòng)擋渣技術(shù)，該技術(shù)后被擋渣棒和滑板擋渣技術(shù)所取代。總體來(lái)說(shuō)，氣動(dòng)擋渣技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)未得到普及推廣。

3． 3 擋渣棒擋渣法

3． 3． 1 工作原理和工藝特點(diǎn)

轉(zhuǎn)爐擋渣棒擋渣工藝技術(shù)，是目前在中小轉(zhuǎn)爐應(yīng)用最多的擋渣方式。擋渣棒是一種帶有導(dǎo)向桿的耐火材料制品，呈陀螺形，密度介于鋼和渣之間。擋渣棒擋渣采用導(dǎo)向桿導(dǎo)入出鋼口方式，確保擋渣塞能夠準(zhǔn)確到達(dá)出鋼口位置。陀螺體上設(shè)計(jì)開(kāi)有凹槽，可以抑制鋼液旋渦，當(dāng)擋渣塞本體堵住出鋼口后，剩余鋼液仍能夠通過(guò)凹槽流入鋼包內(nèi)，故提高了鋼水收得率。擋渣棒一般在出鋼中期( 鋼水出到約 3 /5 時(shí)) 于爐后加入，可以抑制出鋼過(guò)程中渦流的產(chǎn)生，防止鋼水夾渣。在出鋼后期，擋渣棒下沉逐漸堵住出鋼口，當(dāng)有渣流出時(shí)立即抬爐，完成出鋼擋渣操作。

根據(jù)擋渣棒投放方式的不同，可以分為地面軌道型和空中懸掛式兩種，具體布置形式如圖 4 所示。地面軌道型使用檢修比較方便，但占用爐后平臺(tái)一定空間; 空中懸掛型結(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕，但檢修不便。目前多以前者為主。

3． 3． 2 應(yīng)用效果

擋渣棒擋渣技術(shù)不易出現(xiàn)渦流卷渣及剩鋼現(xiàn)象，擋渣效果相對(duì)較好，而且擋渣棒投入時(shí)機(jī)要求不高，操作難度低，設(shè)備投資不高，維修方便。因此，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到了普遍應(yīng)用。 寶鋼二煉鋼出鋼采用擋渣棒擋渣技術(shù)，出鋼擋渣成功率 ＞ 90% ，鋼包渣層平均厚度為 80 mm^［21］。馬鋼一鋼軋 2#轉(zhuǎn)爐、3#轉(zhuǎn)爐使用地面軌道型擋渣小車(chē)，運(yùn)行狀態(tài)良好，擋渣命中率、擋渣有效率指標(biāo)均很高，鋼包渣層厚度控制在 50 mm 以下^［22］。鞍鋼第三煉鋼連軋廠(chǎng)在 260 t 轉(zhuǎn)爐上采用了擋渣棒擋渣技術(shù)，鋼包下渣量約為 5 kg /t ^［23］。

應(yīng)該指出，由于該擋渣工藝一般依靠人工觀察和人工投入，所以擋渣效果受人為因素干擾較大，并且與出鋼口使用狀況有關(guān)，爐役后期出鋼下渣量更大。尤其對(duì)大型轉(zhuǎn)爐而言，爐役后期在出鋼口區(qū)域形成較深的凹坑后，擋渣棒導(dǎo)向桿難以發(fā)揮作用，擋渣成功率顯著降低( 只有 80% 左右) 。有的企業(yè)通過(guò)配備下渣檢測(cè)裝置來(lái)監(jiān)測(cè)出鋼后期下渣，并與轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)連鎖，當(dāng)檢測(cè)到下渣信號(hào)時(shí)立即自動(dòng)抬爐，每爐下渣量比擋渣帽和擋渣塞減少約100 kg ^［24］。

3． 4 不同擋渣技術(shù)的比較

( 1) 從擋渣效果來(lái)看，轉(zhuǎn)爐滑板擋渣技術(shù)擋渣成功率高且穩(wěn)定可靠，可以對(duì)轉(zhuǎn)爐出鋼全過(guò)程下渣進(jìn)行全量控制，因此其擋渣效果最好，鋼包渣層厚度一般在 50 mm 以下; 氣動(dòng)擋渣主要擋出鋼結(jié)束時(shí)的末期渣，對(duì)前期下渣和出鋼渦流卷渣無(wú)有效控制，鋼包渣層厚度可控制在 45 ～ 90 mm; 擋渣棒擋渣無(wú)法控制前渣，但是可以抑制出鋼中后期渦流卷渣，鋼包渣層厚度一般為 50 ～ 80 mm。

( 2) 從投資和成本來(lái)看，氣動(dòng)擋渣為國(guó)外引進(jìn)設(shè)備，一次投資最高。滑板擋渣次之，擋渣棒擋渣投資最低。采用滑板擋渣技術(shù)擋渣運(yùn)行成本遠(yuǎn)高于擋渣棒擋渣方式，滑板擋渣成本主要在于主體機(jī)構(gòu)、易損件以及耐火材料消耗，這部分成本大約在7 元/ t 鋼，而傳統(tǒng)擋渣棒擋渣噸鋼成本可控制在1 元以?xún)?nèi)。氣動(dòng)擋渣由于為非接觸式密封，沒(méi)有耐火材料消耗，噴嘴壽命較長(zhǎng)，但是氣缸壽命不長(zhǎng)，每噸鋼綜合運(yùn)行成本約為 0． 12 元/t。

4 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)主流擋渣方法各有千秋，沒(méi)有絕對(duì)好壞之分，重要的是要結(jié)合各廠(chǎng)的產(chǎn)品品種、設(shè)備狀況、現(xiàn)場(chǎng)條件和成本要求來(lái)選擇合適的擋渣方法。

( 1) 從擋渣技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，擋渣技術(shù)逐步從有形擋渣法向無(wú)形擋渣法方向發(fā)展，配備下渣檢測(cè)裝置可實(shí)現(xiàn)出鋼擋渣的全自動(dòng)控制。通過(guò)無(wú)形擋渣技術(shù)的應(yīng)用，可減少耐火材料消耗，從而有利于經(jīng)濟(jì)效益最大化，應(yīng)該是擋渣技術(shù)發(fā)展的終極方向。

( 2) 滑板擋渣技術(shù)設(shè)備價(jià)格下降較快，目前在中大型轉(zhuǎn)爐上快速普及。其憑借極佳的擋渣效果成為潔凈鋼生產(chǎn)企業(yè)的優(yōu)先選擇，與機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、下渣檢測(cè)技術(shù)配合可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐全自動(dòng)出鋼。但是設(shè)備復(fù)雜，成本較高，更換滑板影響轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)節(jié)奏，應(yīng)該加強(qiáng)耐材質(zhì)量和成本方面的改進(jìn)，以進(jìn)一步適應(yīng)煉鋼連續(xù)生產(chǎn)的需要。

( 3) 氣動(dòng)擋渣技術(shù)不需要消耗耐材，設(shè)備投資最高，但是運(yùn)行成本很低，應(yīng)該注重設(shè)備運(yùn)行的可靠性和設(shè)備維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性，可與擋渣塞、擋渣棒等手段相結(jié)合來(lái)控制下渣。

( 4) 擋渣棒擋渣技術(shù)成熟可靠，在中小噸位轉(zhuǎn)爐上存在很大的市場(chǎng)。通過(guò)合理使用或者配備下渣檢測(cè)技術(shù)，可在一定程度上提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本，對(duì)于普碳鋼廠(chǎng)仍然不失為一種經(jīng)濟(jì)合理的選擇方案。

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