煉鋼氧槍系統的改造及應用

王建峰 張彩軍 王超

(1.河鋼集團宣化鋼鐵公司; 2.河北理工大學)

煉鋼氧槍系統的改造及應用

王建峰1,2張彩軍2王超2

(1.河鋼集團宣化鋼鐵公司; 2.河北理工大學)

煉鋼廠轉爐擴容后對氧槍系統進行了改造,重新設計了氧槍尺寸及噴頭,改造了氧槍輸送管路與控制系統,優化了各項工藝參數。氧槍改造后,提高了供氧強度,縮短了冶煉周期,濺渣效果良好,增加了經濟效益。

氧槍 改造 冶金效果

0 前言

河北鋼鐵集團宣化鋼鐵集團有限責任公司煉鋼廠 4#、5#兩座轉爐于 2006年底進行了擴容改造,轉爐出鋼量由 95 t增至 105 t,轉爐正常冶煉時純供氧時間由原來的 13 min延長到 16 min以上。由此引發的供氧強度不足、攪拌能力弱、化渣效果差等問題限制了轉爐利用率的進一步提高。因此對原 Ф219 mm氧槍的改造顯得極為迫切。

1 改造原因

轉爐擴容后導致純供氧時間增長,氧槍管徑偏小,不能滿足供氧強度的要求。此外,起渣時間長,濺渣效果差,爐渣返干率、噴濺率與粘槍率偏高等現象隨之而來,嚴重影響了正常的冶煉節奏與煉鋼成本。

由于生產節奏的要求,為縮短轉爐冶煉周期,只能采用提高工作氧壓的方式吹煉,轉爐吹氧壓力由設計值 0.82 MPa提高到 1.20 MPa。氧槍吹氧壓力偏離設計氧壓后,造成冶煉過程不平穩、轉爐噴濺增加、冶金效果變差,嚴重影響轉爐氧耗、鋼鐵料消耗等重要經濟技術指標。氧槍是氧氣轉爐煉鋼中的主要工藝設備之一,其性能特征直接影響到冶煉效果和吹煉時間,從而影響到鋼材的質量和產量。氧槍對吹煉的影響作用是通過氧氣射流流股與熔池的相互作用來實現的,而這種作用主要取決于射流到達熔池表面時的速度大小及其分布,因此氧槍及噴頭的各項工藝參數的尋優與結構的優化設計非常重要。

2 改造方案及實施

2.1 氧槍的結構及設計

氧槍又稱吹氧管或噴槍,它是氧氣頂吹轉爐煉鋼過程中向熔池供氧的主要設備。氧槍是由噴頭,槍身和槍尾三部分組成,如圖 1所示。

圖1 氧槍結構圖

槍身由直徑不同的三根無縫的鋼管同心套裝在一起,內層管又叫中心氧管,是氧氣的通道,中層管和外層管分別叫中層套管和外層套管,中心氧管和中套管之間形成的環縫為冷卻水通道,中層套管和外層套管之間形成的環縫為冷卻水的回水通道、噴頭用紫銅鍛造后切削加工而成或鑄造成型。槍尾結構由包括氧氣及冷卻水的進出水管接頭、吊環、法蘭盤和高壓軟管組成。

2.2 工藝參數的確定

原 Ф219 mm氧槍內氧氣流速己接近國家標準最高氧氣流速 60 m/s,再提高流速極易發生事故,因此必須對氧槍進行改造、調整基本參數。由于套管間隙小,冷卻水阻力大,冷卻水使用壓力較高,與當前氧槍水泵揚程不符。通過論證,決定改為 Ф245 mm氧槍,在保證安全的前提下,氧槍設計氧流量由21000 m3/h,提高到 24000 m3/h,降低氧槍工作壓力,穩定轉爐操作并適當提高轉爐效率,達到安全穩定增產的目的。Ф245 mm,Ф219 mm新舊氧槍的基本參數對比見表 1。

表1 氧槍參數對比

2.3 氧槍尺寸的確定及噴頭的選用

為滿足工藝生產,確定氧槍槍身套管尺寸如下:氧槍外管 Ф1=245×10,中套管 Ф2=203×6,內管Ф3=159×6;氧槍槍身總長度與現使用的 Ф219 mm槍相同,為 17.93 m。

氧槍噴頭又稱槍頭或噴嘴。高壓氧氣在輸氧管道中的流動速度較低,一般在 60 m/s下。氧氣流通過噴頭后,形成超音速的氧射流,流速為 500 m/s～600 m/s,為音速二倍左右。噴頭能最大限度地將氧氣的壓力能轉化為動能獲得超音速流股,借此向熔池供氧并攪動金屬熔池以達到吹煉目的,采用合理的噴頭結構是氧氣頂吹轉爐煉鋼的關鍵問題之一。噴頭設計如下[1]:

1)計算氧流量。取噸鋼耗氧量為 57 m3,垂氧時間定為 14 min,則氧流量為:

qν=57 ×110/14=448 m3·min-1

選用噴孔。出口馬赫數M=1.98,采用四孔噴頭,噴孔夾角為 12°。

設計工況氧壓。查等熵流表,當 M=1.98時,P/P0=0.1318,,定 P膛=1.3 ×105Pa,則:

2)計算喉口直徑。每孔流量為:

q=qν/4=112 m3·min-1

利用公式:

令:CD=0.90,T0=290K,P設=9.86 ×105Pa,

求得:dγ=39mm

3)計算 dm。依據 M=1.98,差等熵流表知 A出/A喉=1.660

4)計算擴張段長度。取半錐角為 5°,則擴張段長度為:

經計算,噴頭的主要技術參數如下:采用四孔噴頭;馬赫數:1.98;工作氧壓:0.8～0.9(閥后壓力);噴頭喉口直徑 D喉=39 mm,出口直徑 D出=50 mm,擴張段長度 L=63 mm,孔傾角α=12°。經 FLUENT軟件模擬噴頭距熔池 0.5 m和 1.5 m時鋼液受沖擊的情況如圖 2所示。

圖2 噴頭距熔池不同距離鋼液受沖擊情況

由圖 2可知,相對于熔池直徑 D=2.62+0.0147 t=4.16 m(t為平均出鋼量)而言,所設計的噴頭對鋼液的沖擊情況非常好。

2.4 氧槍輸送管路及控制系統的改造

由于氧槍管徑的加粗,對應的氧槍總管進、出口水流量,氧氣支管流量都需要加大才能滿足生產需要,故對上述管徑進行了相應的改造,將進出口水管由直徑 Ф140 mm×5 mm改造成 Ф159 mm×5 mm水管,將氧氣支管管徑由 Ф133 mm×5 mm改造成Ф159 mm×5 mm的管道。將直徑為 Ф100 mm、Ф150 mm菲舍爾調節閥都改造成直徑 Ф200 mm調節閥,Ф150 mm菲舍爾切斷閥改為 Ф200 mm切斷閥。

優化氧槍控制程序,將制動系統采用雙控制回路,同時對氧槍限位位置及編碼器進行相應改造。氧槍編碼器是在轉爐吹煉過程中進行槍位檢測的最重要部件,我廠 80噸爐區自投產以來一直使用 P+F和圖爾克的普通增量型編碼器,采用六線制現場接線方式,采用普通屏蔽電線和模塊連接。在通過PLC的高速記數模塊記錄編碼器給的脈沖數 (每圈1000個脈沖),判斷氧槍槍位,完成下槍過程中的高低速轉換和自動開氧、閉氧、刮渣等工藝過程。由于原普通增量編碼器信號容易被強電流干擾,導致脈沖數不準確,丟轉現象嚴重,并且與減速機連接連軸器也不很牢固,為此經過多方考察交流,將普通編碼器淘汰,更換成長驅增量型編碼器,將普通的接線方式改造成通過焊接航空插頭來連接編碼器,并將現場線路換成抗干擾強的 10芯線,該線內芯互相絞合增強了抗干擾能力。氧槍制動系統改造成雙路控制,通過采用雙接觸器、雙繼電器控制,PLC輸出雙點控制,增加了系統出現故障的補救措施,增加了系統的可靠性。對氧槍上下限位和撞尺進行改造,將原來氧槍限位南北向改為東西向安裝,使得氧槍限位和撞尺之間的距離不會因槍位的變化而變化。增加氧槍升降操作手柄,形成操作站、操作臺兩地操作,并針對上述一切的硬件改造在系統控制程序中進行了相應的優化。

3 改造后的效果分析

3.1 冶煉效果

氧槍改造后,供氧制度趨于合理,加快了吹煉節奏。提高了終點控制水平,新型 Ф245 mm四孔氧槍使用以來,對終點硫、磷的控制效果較好。由于吹煉平穩,化渣良好,爐渣返干減少,所以脫硫、脫磷效果比原氧槍好,一次倒爐硫、磷合格率均提高 3%以上。新型氧槍化渣效果好,冶煉中脫碳速度快,供氧時間縮短,對終點溫度控制更易掌握。氧槍改造后的數據對比見表 2和表 3。

表2 吹煉效果對比

表3 化渣效果對比

表4 終渣成分

改造后的新型氧槍在相同的工作氮壓下,在濺渣過程中,爐口可觀察到渣滴飛濺,說明能夠將爐渣濺至爐襯各個部分包括爐帽部位。使用新型 Ф245 mm氧槍后經統計濺渣率達到了 83%,較原 Ф219 mm氧槍 78%的濺渣率有了大幅提高,轉爐費用比原來下降了 1.7元 /t鋼,大大減少了耐材消耗,而濺渣時間更短,有利于生產節奏加快。

4 結論

1)氧槍系統經過改造后槍齡達到了 295次,平均冶煉周期縮短至 36 min,加快了生產節奏,實現了轉爐與連鑄的合理匹配,提高了生產效率;

2)吹煉過程中爐渣返干率較以前降低 2百分點,為 13%,粘槍率僅為 1%,平均去磷率達85.63%,噴濺率降至 4%,吹損下降,節約了鋼鐵料消耗;

3)滿足了濺渣護爐工藝要求,濺渣率達到了83%,降低了補爐材料消耗,轉爐費用比原來下降了1.7元 /t鋼,提高了爐齡,增加了經濟效益。

[1] 馮聚和.煉鋼設計原理[M].北京:化學工業出版社,2005:86-87.

REFORMATION AND APPL ICATION IN OXYGEN LANCE SYSTEM

Wang Jianfeng1,2Zhang Chaijun2Wang Chao2
(1.Xuanhua Steel Group HB IS; 2.Hebei Polytechnic University)

Lance and nozzle were redesigned,lance pipeline and control system were reformed and various process parameterswere opt imized after the converter capacity extension reformation,which increasing oxygen feed capacity,shortening tapping cycle,thus slag splash results is better and the economic benefit is increased.

oxygen lance reformation metallurgical results

＊

2010—7—30