210 噸轉爐頂底復吹工藝

王鵬飛

（山東鋼鐵集團日照有限公司煉鋼部，山東 日照 276800）

鋼材是世界上應用最廣泛的金屬材料，是現代化建設不可或缺的物資。我國鋼鐵產量自 1996 年以來一直保持世界排名第一，2018 年全國粗鋼產量 9.28 億 t，2019 年預計為 9.8 億 t，是名副其實的鋼鐵大國，也是全球鋼材生產最主要力量[1]。

煉鋼是把生鐵放到煉鋼爐內按一定工藝熔煉得到鋼的工藝，1952 年頂吹氧氣轉爐煉鋼法問世并迅速推廣全球，其煉鋼主要攪拌動力仍是碳氧反應產生的沸騰，但是頂吹末期脫碳效率降低，熔池攪拌強度變弱，對于逐漸大型化的轉爐顯得力不從心。20 世紀 80 年代初頂底復吹煉鋼法在世界上普遍推廣，已經成為現代化轉爐煉鋼主要工藝之一，本文通過某 210 噸轉爐對頂底復吹工藝進行介紹和討論。

1 頂底復吹工藝特點

頂吹法工藝優點：投資成本較低，吹煉效率高，適用品種多，熱效率高，可以與連續鑄鋼相匹配。缺點是吹煉前期化渣較慢，后期熔池內上下層溫差較大 ；冶煉超低碳鋼比較困難，過氧化現象嚴重；煉鋼渣中FeO高，容易發生噴濺不良行為[2]。

底吹法產生的攪拌力大，熔池內部溫差較小，熔池接近平衡狀態，過氧化程度低。但是底吹法的 CO 燃燒率小，很難生成泡沫渣，前期脫磷較困難。

頂底復吹工藝是從轉爐的爐頂向鋼液中吹氧氣的同時，同時從爐底吹入其他氣體進行吹煉的轉爐煉鋼方法[3]。它綜合了頂吹法和底吹法兩種煉鋼方法的優點，同時又在一定程度上彌補了這兩種方法的不足[4]。在我國煉鋼小轉爐主要采用LD 煉鋼工藝，某 210 噸轉爐屬于大中型轉爐，故采用頂底復吹工藝。

2 頂底復吹工藝原理

2.1 頂底復吹設備

210 噸頂底復合吹煉轉爐結構簡化如圖 1，在頂吹轉爐的底部安裝吹氣噴嘴系統，可以吹入氧氣等氣體或粉劑，煉鋼過程按照冶金要求來調節底吹氣體流量用來改變熔池攪拌狀態。

圖1 頂底復合吹煉轉爐結構

2.2 熔池攪拌

在頂底復吹轉爐煉鋼過程中，熔池攪拌的動力主要是頂吹氧氣、底吹氣體和碳氧反應沸騰，其中碳氧沸騰的攪拌力大小決定于脫碳速率，頂吹氧氣和底吹氣體產生的攪拌力都可以根據冶金要求而進行調節。影響頂吹氧氣攪拌功率的最主要因素是氧槍的高度 ( 或氧壓 )，影響底吹氣體攪拌功率的最主要因素是氣體流量。研究表明底吹氣體進行攪拌效果比頂吹氧氣更明顯，熔池攪拌效果可以通過復吹氣體混合時間和底吹氣量所占比例的關系，見圖 2。

圖2 底吹氣體對熔池的攪拌效果

由圖 2 可知，提高底吹氣體量的比例可以明顯縮短混合均勻所需的時間，說明底吹對熔池攪拌的作用影響明顯。底吹氣體量比例低于 20% 時，可以通過改變頂吹槍的高度（LH）調節熔池的攪拌能力 ；當底吹氣體量達到 20% 以后，熔池的攪拌和混合完全決定于底吹氣流量。行業上按照底吹氣體流量的大小，將頂底復吹煉轉爐分作強攪拌和弱攪拌兩大類，一般底吹氣體強度大于 0.5m/(min·t) 和底吹石灰粉的轉爐稱為強攪拌復吹轉爐，其他的稱為弱攪拌復吹轉爐。復合吹煉工藝與底吹氣體強度對熔池攪拌的影響關系見圖3，由圖可見用時最長的是頂吹工藝（LD 法），混合時間一般在90s ～ 120s，用時最少的是底吹工藝（OBM 法），混合時間在10s ～ 20s。其他復合吹煉工藝混合時間在二者之間，并且底吹供氣強度越大，熔池攪拌效果越明顯。

圖3 吹煉工藝、底吹氣體強度的攪拌效果

2.3 底吹氣體種類

底吹氣體常用的有氬（Ar）、氮（N2）、氧（O2）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）以及天然氣等，每種氣體的特性和成本上有區別，根據復吹轉爐實際應用進行選用。（1）氮（N2）。氮氣對于煉鋼來說可以看作是惰性氣體，對轉爐耐火材料和底吹噴嘴的侵蝕較輕，加上成本較低，是最廣泛應用的底吹氣體。但是氮氣能溶于鋼液中導致鋼中氮含量增加，鋼中含氮量與鋼液吸氮速率與 CO氣泡脫氮速率決定。

（2）氬（Ar）。氬氣是一種稀有氣體，是真正的惰性氣體，基本不溶于鋼液，轉爐煉鋼、爐外精煉和保護澆鑄都要用到。因為氬氣成本較高，一般到吹煉末期以及后攪拌時，才使用氬作為底吹氣體。

（3）二氧化碳（CO2）。二氧化碳與鋼液中的碳發生反應 ：CO2+[C]=2CO，體積迅速帶動熔池攪拌，并還起到一定的冷卻作用，且對鋼的質量無害。二氧化碳來源廣成本低，也被廣泛應用，但是高溫下的CO2有弱氧化性，對轉爐耐火材料的侵蝕危害比氮氣嚴重。

（4）一氧化碳（CO）。一氧化碳對熔池攪拌作用與碳氧沸騰一樣，但 CO是毒性強，使用過程必須保證整個管路系統特密閉，維修管路也要先排空一氧化碳，因此出于安全考慮很少使用。

（5）氧（O2）。底吹氧氣可以攪拌也能參與冶金化學反應，有利于控制轉爐熔體冶金過程，例如在冶煉超低碳鋼時，必須底吹氧氣。注意底吹氧氣時四周必須同時吹入天然氣等可裂解的氣體包圍局部冷卻噴嘴區，也可以使用可分解的粉劑如石灰石等進行冷卻保護。

3 頂底復吹的類型

頂底復吹轉爐煉鋼工藝名稱多種，原理方法大同小異，各有特點，一般根據頂底吹氧量的比例進行分類。

（1）LD-KG，LBE，LD-OTB，NK-CB，LD-AB 工藝。底吹惰性氣體攪拌熔池，底吹氣體主要是氬氣、氮氣和二氧化碳。其中N2會導致是鋼液含氮量增加，要根據冶煉鋼種需求慎重使用。

底吹 Ar和CO2可代替N2作為攪拌氣體，在吹煉全程或只在后期使用，必要時吹煉完畢后繼續底吹氬氣 3min ～ 5min，用于除氮，促進冶金反應平衡。

（2）BSC-BAP，LD-OB，LD-HC，STB 及 STB-P 和 STB-S 等工藝。底吹氧氣或氧化性氣體來攪拌熔池。底部必須采用雙套管噴嘴，使用保護性氣體屏蔽氧化性氣體，避免氧化性氣體與轉爐耐火材料接觸造成侵蝕[5]。

（3）K-BOP、OBM 工藝。工藝底部吹氧氣量比例 40% 以下，底部供氧量及噴嘴數少，轉爐底部結構更簡化。底部吹氧氣有利于脫碳，可用于冶煉超低碳鋼種。

（4）OBM-S，KMS，Hoogovens-BSC，ALCI 等工藝。增加爐氣在爐內的二次燃燒措施，有效克服 OBM 工藝缺點。

4 結束語

（1）頂底復吹轉爐設計必須根據公司產品設計需要進行工藝種類選擇。

（2）根據所冶煉鋼的種類選擇底部吹氣的類別，從而確定采用何種工藝，注意分配頂底氧氣比例。

（3）若采用底部通吹O2等氧化性氣體攪拌熔池，必須同時吹入保護性氣體，降低對轉爐耐火材料的侵蝕。若底部吹N2則要考慮鋼種對氮的控制要求，必要時吹入氬氣除氮。

（4）頂底復吹轉爐可以根據訂單的需求，進行不同工藝的改造，可以適用絕大部分煉鋼需求，煉鋼行業應重點發展和研究的工藝。