轉爐二次燃燒氧槍技術研究進展

鄭淑國，朱苗勇

（東北大學冶金學院，遼寧 沈陽 110819）

廢鋼作為煉鋼原料之一，是一種可無限循環使用的綠色載能資源。我國煉鋼的廢鋼比與發達國家相比還有較大差距，隨著我國碳達峰工作的推進，各大鋼鐵企業都在大力提高廢鋼比。目前，我國電爐鋼的比例還不到10%，轉爐流程仍是我國產鋼的主流程，且轉爐流程添加廢鋼成本優勢明顯領先電爐。通常采用的轉爐提高廢鋼比的手段主要有廢鋼預熱（鐵水包預熱、轉爐爐前及爐后預熱、合金預熱等）和轉爐加入補熱劑（焦炭、焦丁、FeSi、SiC 等）， 但這兩項技術均有一定的不足：前者需要專門的加熱設備，后者往往以犧牲鋼水質量為代價。因此有必要開發高效、清潔的轉爐流程提高廢鋼比技術。

轉爐二次燃燒氧槍技術是一種補熱不污染鋼液的清潔熱補償技術，1970年，Shepherd首次提出雙流道二次燃燒氧槍的概念。1978年盧森堡阿爾貝德公司（ARBED）首次完成雙流道二次燃燒氧槍的工業應用試驗研究。1983年鋼鐵研究總院在國內首先進行了雙流道二次燃燒氧槍的熱模擬試驗，此后，首鋼、攀鋼、鞍鋼和南京鋼廠與科研單位、大專院校合作，對二次燃燒氧槍進行了廣泛研究。盡管國內外已對轉爐二次燃燒氧槍技術進行了大量研究，且有的已達到工業應用水平，但目前關于該技術在大工業生產中規模化應用的報道很少。本文針對轉爐二次燃燒氧槍的原理、分類及工業應用研究進展進行闡述，對二次燃燒氧槍技術進行深入研究，為該技術的大生產規模化應用提供理論基礎。

1 轉爐二次燃燒氧槍原理及分類

1.1 轉爐二次燃燒氧槍原理

轉爐二次燃燒氧槍是在傳統煉鋼氧槍的基礎上，通過設計合理的副孔，使主孔射出的氧氣射流進行脫碳反應，利用副孔射出的氧氣射流與爐內一氧化碳燃燒產生大量的熱量，使轉爐自身熱量得到較充分利用，進而提高轉爐廢鋼比。轉爐內二次燃燒是一個復雜的非穩態多相反應，其與氧氣流股的形態、脫碳反應以及一氧化碳燃燒成二氧化碳反應的平衡等有關。圖1為二次燃燒氧槍原理示意圖。

圖1 二次燃燒氧槍原理示意圖Fig.1 Principle Schematic Diagram for Secondary Combustion Oxygen Lance

1.2 轉爐二次燃燒氧槍分類

轉爐二次燃燒氧槍分為雙流道和單流道兩類氧槍。

1.2.1 雙流道二次燃燒氧槍

雙流道二次燃燒氧槍的特點是主、副氧孔均由獨立的氧道控制，主氧流和副氧流的氧氣流量、氧氣壓力可在不同冶煉時期分別進行控制。主孔噴出的氧氣流股主要進行脫碳及攪拌熔池，副孔氧氣流股主要進行一氧化碳的二次燃燒放熱。圖2為典型的雙流道二次燃燒氧槍噴頭示意圖，其槍體部分由四層鋼管組成，最內層為主氧流道，次內層為副氧流道，第三層為冷卻水進水管道，最外層為冷卻水回水管道。副氧孔在主氧孔上方約1 m，該槍頭的安裝、制造均比較復雜，且成本較高。

圖2 典型的雙流道二次燃燒氧槍噴頭示意圖Fig.2 Schematic Diagram for Nozzles of Typical Double Channel Secondary Combustion Oxygen Lance

圖3為一種簡易結構雙流道二次燃燒氧槍噴頭示意圖。與圖2所示的典型雙流道二次燃燒氧槍噴頭相比，該噴頭的副孔流股仍能獨立控制流量，但副孔與主孔在同一槍頭斷面上。該槍頭結構簡單，生產成本低，但二次燃燒率會有所下降。

圖3 簡易結構雙流道二次燃燒氧槍噴頭示意圖Fig.3 Schematic Diagram for Nozzles of Double Channel Secondary Combustion Oxygen Lance with Simple Structure

綜合來看，雙流道二次燃燒氧槍具有二次燃燒率較高的優點，但其結構比較復雜，制作困難，需對原氧槍的供氧系統（槍體、管路、配重、儀表等）進行改造，投資成本高，不適合大生產推廣應用。

1.2.2 單流道二次燃燒氧槍

單流道二次燃燒氧槍的特點是主、副氧孔共用一個氧道，氧氣流分別從主孔和副孔噴入熔池。與雙流道二次燃燒氧槍一樣，主孔氧氣射流進行脫碳升溫及攪拌熔池；副孔氧氣流股主要進行二次燃燒放熱，但其主、副孔氧氣的流量及壓力無法單獨控制。圖4為單流道二次燃燒氧槍噴頭示意圖。

圖4 單流道二次燃燒氧槍噴頭示意圖Fig.4 Schematic Diagram for Nozzles of Single Channel Secondary Combustion Oxygen Lance

由圖4看出，其槍體部分為三層鋼管結構，只有一個氧道，中心管供氧，中間環縫通入冷卻水，最外層管道回水。該噴頭具有結構簡單，投資少，見效快的優點。

綜上所述，與雙流道二次燃燒氧槍相比，單流道二次燃燒氧槍只需將普通氧槍噴頭更換為二次燃燒氧槍噴頭，無需對原有槍體進行改造，也不需要增加氧道、閥門及儀表。可見單流道二次燃燒氧槍技術適合大生產推廣應用。

2 二次燃燒氧槍技術工業應用新進展

2.1 二次燃燒氧槍技術大生產工業應用研究

筆者針對國內某鋼廠120 t轉爐研究設計出適合大生產應用的單流道二次燃燒氧槍，并在該轉爐實現了大生產應用。對普通氧槍和二次燃燒氧槍各取典型的30爐工業生產數據進行對比分析，為該技術在大生產中全面推廣應用提供依據。

2.1.1 二次燃燒氧槍技術對廢鋼比的影響

分析現場煉鋼過程中加入冷料后的熔池溫度情況，得到入爐冷料與熔池溫降的關系見表1。對比分析采用二次燃燒氧槍前后的入爐冷料、鐵水及轉爐終點數據，得出采用二次燃燒氧槍后，熔池鋼水溫度平均提升約30℃，相應可提高入爐廢鋼比約1.5%。

表1 入爐冷料與熔池溫降的關系Table 1 Relationship between Cold Burden Charged into Converter and Temperature Drop of Molten Pool

2.1.2 二次燃燒氧槍技術對冶煉過程槍位變化影響

統計單爐冶煉過程中槍位改變頻率對比如圖5所示。

圖5 單爐冶煉過程槍位改變頻率對比Fig.5 Comparison of Change Frequency of Lance Positions during Steel-making by Single Converter

由圖5可以看出，與普通氧槍相比，采用二次燃燒氧槍后，槍位變動次數減少約33%，冶煉過程槍位更平穩。這是由于采用二次燃燒氧槍后，化渣速度快，化渣平穩，化渣時間減少，熔池溫度均勻上升，無需對槍位進行過多變動。可見，二次燃燒氧槍較普通氧槍的槍位控制更平穩，無需頻繁變換槍位。

2.1.3 二次燃燒氧槍技術對終渣堿度的影響

二次燃燒氧槍和普通氧槍采用的是同樣的渣料加入制度，各取典型爐次的終渣堿度對比如圖6所示。由圖6可以看出，采用二次燃燒氧槍的轉爐爐渣堿度高于普通氧槍。這是因為二次燃燒氧槍化渣效果好，故其終點渣堿度更高。

圖6 終渣堿度對比Fig.6 Comparison of Basicity for Final Slag

2.2 二次燃燒氧槍轉爐大廢鋼比技術工業試驗研究

利用二次燃燒氧槍，通過加入雜質含量少的某專用煤補充熱量，開展了單轉爐超40%大廢鋼比技術的大生產試驗研究，試驗效果良好，為基于二次燃燒氧槍的單轉爐大廢鋼比技術的大生產規模應用奠定了基礎。

試驗廢鋼總重量為59.04 t，鐵水加入量為83 t。表2為入爐鐵水及轉爐終點鋼水的成分和溫度，表3為二次燃燒氧槍單轉爐大廢鋼比技術的主要參數和指標。

表2 入爐鐵水及轉爐終點鋼水的成分和溫度Table 2 Compositions in Both Hot Metal Charged into Converter and Molten Steel at End Point and Their Temperatures

表3 二次燃燒氧槍單轉爐大廢鋼比技術的主要參數和指標Table 3 Main Parameters and Indexes for Secondary Combustion Oxygen Lance Technology with High Scrap Ratio for Single Converter

由表2可以看出，基于二次燃燒氧槍的單轉爐大廢鋼比條件下，轉爐終點溫度為1 598℃，脫磷率約為92.9%，完全滿足冶煉終點的要求。

由表3看出，在沒有廢鋼預熱前提下，單轉爐廢鋼比達到41.6%，鐵水消耗降至671 kg/t。可見，該技術有很好的冶煉效果，具有大生產應用的可行性。需要說明的是，該技術是從技術角度突破了40%的單轉爐大廢鋼比，但實際生產中要綜合考慮廢鋼成本、加入專用煤成本、轉爐冶煉周期等，權衡得出最佳的單轉爐廢鋼比，而不應盲目追求單轉爐過高的廢鋼比。

3 結語

轉爐二次燃燒氧槍技術是一種可有效提高轉爐廢鋼比的清潔熱補償技術，與雙流道二次燃燒氧槍相比，單流道二次燃燒氧槍只需將普通氧槍噴頭更換為二次燃燒氧槍噴頭，無需對原有槍體進行改造，具有結構簡單，投資少，見效快的優點，適合大生產推廣應用。研究表明，采用二次燃燒氧槍加補熱劑的單轉爐大廢鋼比條件下（41.6%），轉爐終點溫度達到1 598℃，脫磷率約為92.9%，完全滿足冶煉終點要求。但實際生產中，要綜合考慮廢鋼成本、加入專用煤成本、轉爐冶煉周期等，權衡得出最佳的單轉爐廢鋼比，而不應盲目追求單轉爐過高的廢鋼比。