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        轉爐濺渣護爐系統優化技術基礎理論研究

        時間:2017-03-07 13:19 來源:未知 作者:admin 點擊:

         1前言
         
            濺渣護爐技術是在轉爐吹煉結束后,通過頂吹氧槍高速噴吹氮氣射流,沖擊殘留在熔池內的部分高熔點爐渣,使熔渣均勻地噴濺粘附在轉爐爐襯表面,形成爐渣保護層,達到護爐的目的。該技術在美國LTV廠成功后,使轉爐爐齡從5000爐提高到15000爐以上,創造了目前世界上最高的轉爐爐齡記錄。該項先進技術介紹到中國后,我國許多工廠結合本廠的資源、工藝特點,進行開發采用,獲得了明顯的經濟效益。
         
            盡管濺渣護爐技術已經在生產中廣泛應用,并獲得了巨大的成功。但在濺渣護爐技術的基礎理論研究方面,卻處于空白狀態。最近該方面的研究已經引起國內外廣大冶金學者的重視。
         
            本文將簡單總結鋼鐵研總院工藝所在下述領域里的研究結果:
         
            (1)熔池濺渣動力學的研究;
         
            (2)濺渣層與爐襯的結合機理;
         
            (3)濺渣層的浸蝕試驗;
         
            (4)合理的終渣成分控制。
         
            2熔池濺渣動力學的研究
         
            如何有效地利用高速氮氣射流將爐渣均勻地噴濺在爐襯表面,是濺渣護爐的技術關鍵。其效果決定于以下控制因素:
         
            (1)熔池內留渣量和渣層厚度;
         
            (2)熔渣的物理狀態:爐渣熔點、過熱度、表面張力與粘度;
         
            (3)濺渣氣動力學參數:噴吹壓力、槍位以及噴槍夾角和孔數等。
         
            通過水力學模型試驗和理論分析,研究了熔池濺渣動力學過程,初步提出優化濺渣的工藝參數。
         
            2.1水模型測定
         
            (1)噴吹工藝對濺渣高度的影響
         
            1)對不同的介質,不同高度條件下的濺渣量的分布基本相似,隨著濺渣高度的升高,濺渣量逐漸降低。
         
            2)當濺渣高度hs/D=1.0時,不同高度下的濺渣量的分布規律發生變化。當hs/D≤l.0時,濺渣量的比例高達總渣量的30%~60%,隨著高度的增加,濺渣量將迅速降低。在hs/D≥1.0以后濺渣量隨高度增加,濺渣量減少的速率降低。在這一高度的范圍內,濺渣量約占濺渣總量的0~20%。由此推論,爐內濺渣存在兩個反應區:當hs/D≤1.0時,濺渣以渣液面波動為主,濺渣量大,并隨濺渣高度增加迅速降低。當hs/D>1.0時,濺渣主要通過反射的高速氮氣射流夾帶的渣液為主。濺渣量低,但隨高度的增加,濺渣量衰減比較緩慢。
         
            3)槍位對濺渣高度有較為明顯的影響。在同樣氣源壓力下,采用較低的槍位易于造成渣液面的劇烈攪動,有利于轉爐下部(hs/D≤1.0)濺渣;高槍位,易于爐渣的破碎、乳化,有利于轉爐上部(hs/D>1.0)濺渣。
         
            (2)爐渣物性的影響為了測定爐渣物性對濺渣效果的影響,水模中分別采用水、鹽水和水玻璃模擬爐渣。濺渣介質的變化對轉爐下部、以渣液面波動為濺渣機制的影響較大。隨爐渣密度和粘度的升高,渣液面波動造成濺渣量迅速降低。說明對于密度、粘度較高的爐渣,將消耗更多的射流沖擊能才能造成液面的劇烈波動。而對于轉爐上部濺渣,濺渣介質的變化對濺渣量的影響不大,說明爐渣表面張力的變化對射流乳化和攜帶液體爐渣能力影響較小。由于熔池濺渣總量主要決定于下部濺渣(約占60%~70%)量,因而在不同壓力和噴吹槍位下,鹽水濺渣的總濺渣量明顯高于水玻璃。
         
            (3)噴吹壓力與槍位的影響
         
            爐內濺渣決定于兩種不同的機制:液面波動濺渣與射流攜帶濺渣。高槍位利于渣滴的乳化與飛濺,適用于轉爐的上部濺渣。低槍位利于熔池波動濺渣,適用于轉爐下部濺渣。因此,對于不同的氣源壓力,有一最佳槍位使兩種濺渣機制有機地協調配合,達到最佳的濺渣效果。
         
            2.2理論分析
         
            根據能量守恒定律可以確定氮氣射流與渣池間的能量關系:
         
            E∑=Es+EI+Eб+ER
         
            (1)
         
            即噴吹射流的總能量等于射流對熔池作用的表面功Es與射流對熔池的沖擊功EI、射流對熔池的攪拌能Eб以及攜帶渣滴的反射射流的能量ER的總和。
         
            化簡式(1)可求出爐內淺渣平均高度兒與各種工藝參數的關系式(1)。
         
            3濺渣層與爐襯結合機理與抗浸蝕性能
         
            3.1濺渣過程中爐渣成分和結構的變化
         
            冶煉和濺渣過程中,隨著爐渣成分的改變,爐渣巖相結構發生很大的變化。
         
            (1)初期渣:轉爐開吹5min,熔池溫度約為1420℃,爐渣堿度為R=1.6~1.7,渣中TFe含量較低,MgO含量約為6%~7%,接近或達到飽和值。初期渣礦相組成幾乎全部為硅酸鹽結構。結晶相為鎂硅鈣石(3CaO•MgO.2SiO2),結合相為橄欖石[CaO.(Mg、Fe、Mn)O•SiO2]。未發現RO相。MgO、FeO皆賦存于硅酸鹽相中。
         
            (2)終點渣:普通轉爐終渣(如太鋼渣),堿度為3.3~3.7。渣中全鐵波動在13%~18%。渣中MgO的飽和濃度為3%~4%,但實際中MgO含量達到3%~13%,超過飽和溶解度值。終渣硅酸鹽相以發達的板條狀C3S為主,C2S含量極少。結合相為鐵酸二鈣(C2F)和RO相,約占總量的15%。結晶的MgO包裹在C3S晶體中或游離的結合相中。
         
            采用半鋼冶煉的終渣(如承鋼終渣),鐵酸鹽高達40%~50%,C2S相只占20%~25%,還有少在量未熔的MgO顆粒。
         
            (3)改質渣:轉爐出鋼后,如果出鋼溫度過高、濺渣粘度較低時,往往需要添加少量石灰或續質材料調整爐渣成分和溫度,以利于濺渣護爐。改質爐渣中往往出現彌散未熔的石灰或MgO顆粒。同時C2S含量增加并發育為良好的板條狀。
         
            (4)濺后渣:濺渣后由于氣流的冷卻作用,使爐渣的巖相結構發生了明顯的改變。粗大發育良好的板條狀C3F被破碎成細小的顆粒,均勻彌散地分布于鐵酸鈣結合相中,使爐渣的密度增高。
         
            3.2濺渣層與爐襯的結合機理
         
            為了研究濺渣層與爐襯耐火材料的結合機理,在試驗室內進行了小型柑堝濺渣試驗。濺渣后的柑堝在爐內緩冷后縱向剖開進行巖相觀察。
         
            巖相分析結果證明,濺渣沿縱向分布很不均勻:
         
            (1)由渣池向上,柑堝側壁上的濺渣層由厚逐漸變薄,上部濺渣層的厚度僅為0.1~0.5mm;而柑堝下部是較厚的密實濺渣層。
         
            (2)上部濺渣層顏色黑亮有金屬光澤;下部渣層顏色暗,表面粗糙,有表面顯微裂紋和氣孔。
         
            (3)從渣池底部向上連續濺渣層的礦物組成,發現隨高度的增加,濺渣層的礦物組成逐漸發生明顯的變化。在柑堝的底部,被氣流破碎的粒狀C3S和C2S以及結晶MgO顆粒富集在鐵酸鹽結合相內。
         
            隨濺渣高度的增加,高熔點氧化物(C3S、C2S和MgO顆粒)逐漸減少,鐵相增加。在柑堝上部形成以鐵酸鹽為主的低熔點濺渣層。
         
            濺渣層與Mg-C磚的結合部可細分為三個區域:
         
            (1)燒結層:鐵酸鈣鹽C2F沿續碳磚表面的顯微氣孔和裂紋,向致密的MgO機體內擴散。溶解與Mg0顆粒反應生成鐵續橄欖石(MgO-Fe2O3)燒結層。
         
            (2)結合層:在濺渣層一MgC磚表面,濺渣層中的鐵酸鈣將磚襯中突出的MgO顆粒包裹起來,形成鎮鐵橄欖石的化學結合。同時,濺渣層中C3S、C2S和MgO顆粒在氣流的作用下鑲嵌在粗糙的耐火襯表面,形成機械結合。
         
            (3)濺渣層:以粗大的高熔點顆粒狀C3S、C2s和MgO晶團為骨架,固溶在R0相和鐵酸鈣結合相中。
         
            通過上述分析,推論出濺渣層與爐襯磚的結合機理如下:
         
            在濺渣初期,低熔點流動性強的富鐵爐渣首先濺射到爐襯表面,沿襯磚表面顯微氣孔和裂紋向MgO機體內擴散,形成以(MgO•CaO)Fe2O3為主的燒結層。
         
            隨濺渣的繼續,顆粒狀的高熔點氧化物(C3S、C2S和MgO)被氣流濺射到爐襯磚表面,形成以鑲嵌為主的機械結合。同時富鐵的低熔點爐渣包裹在耐火磚表面突出的MgO顆粒周圍形成化學結合層。
         
            隨著濺渣的進一步進行,使大顆粒C3S、C2S和MgO晶團濺射到結合層表面并與鐵酸鈣RO相相結合,冷卻固溶形成襯磚表面濺渣層。
         
            3.3濺渣層的浸蝕特性
         
            為了研究濺渣層的抗浸蝕性能,在試驗室內測定了兩種合成渣在初渣和終渣條件下的浸蝕速度。
         
            試驗結果證明:
         
            (1)濺渣層對轉爐初期渣有較強的抗浸蝕能力,能夠起到保護爐襯的作用。
         
            (2)濺渣層對高溫終渣的抗浸蝕能力很差。進一步提高濺渣層的熔點是提高濺渣層抗浸蝕能力的關鍵。同時,在生產實踐中堅持一爐一濺和低溫出鋼,將有利于提高濺渣護爐的效果。
         
            4適宜濺渣護爐的終渣成分控制
         
            試驗證明,高溫熔化將造成濺渣層的嚴重浸蝕。因此,改變爐渣成分,進一步提高爐渣的熔化性溫度,有利于濺渣護爐。
         
            在一定的堿度條件下,提高渣中TFe含量將使爐渣熔化性溫度明顯降低。而堿度變化對爐渣熔化性溫度影響不大。在正常煉鋼條件下,控制渣中TFe=15%~20%,爐渣熔化性溫度波動在1720~1780℃之間。
         
            在渣中TFe=20%的前提下,改變渣中MgO含量和爐渣堿度,可以調整爐渣的熔化性溫度。
         
            (1)當渣中MgO含量小于8%時,對同一堿度,隨MgO含量的增加,爐渣熔化性溫度降低。在此范圍內,增加MgO含量有利于熔池化渣,不利于濺渣護爐。當渣中MgO含量大于8%以后,對于確定的堿度,增加MgO含量有利于提高爐渣的熔化性溫度。
         
            (2)當MgO含量小于8%時,對同一MgO含量,提高爐渣堿度,將降低爐渣熔化性溫度;當M束。含量大于8%以后,對同一MgO含量,提高爐渣堿度,會提高爐渣熔化性溫度。
         
            (3)對于正常爐渣堿度范圍(R=2.1~3.8),控制爐渣MgO含量為8%~10%,將使爐渣熔化性溫度降低至最低點(l700~1725℃),不利于濺渣護爐。
         
            (4)從濺渣護爐的觀點出發,最佳的爐渣成分控制為:
         
            低堿度、低MgO含量區域(R=2.l~2.4;MgO≤4%、TFe=20%)
         
            高堿度、低MgO含量區域(R=3.0~3.8;Mg0≥l2%、TFe=20%)
         
            該區域內,爐渣的熔化性溫度可達到1800~1870℃。
         
            5結語
         
            從水模試驗、爐渣巖相檢驗、試驗室高溫模擬濺渣及理論計算幾方面進行了濺渣工藝動力學、爐渣改質、粘結機理、濺渣層的損蝕機理及適宜濺渣的終渣成分等方面的研究工作,取得了初步的結果,有些尚不能得出確切的結論。由于篇幅所限不能詳細論述,其中部分工作今后還將深入進行,以期得出更為符合實際得結論。


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