高冶煉強度下轉爐爐體維護實踐

王連全，馬兵書，王飛宇

（天津市新天鋼聯合特鋼有限公司，天津 301500）

0 引言

轉爐爐齡是轉爐生產中一項非常重要的技術經濟指標，在整個轉爐煉鋼生產中起著非常重要的作用，代表著一個煉鋼企業的工藝操作和技術管理水平。天津市新天鋼聯合特鋼有限公司煉鋼廠（以下簡稱聯合特鋼）于2020年初開展了轉爐高強度冶煉攻關工作，通過采取一系列措施，單月最低轉爐冶煉周期可達到25min以內，3座120t轉爐單月最高產量達到63萬噸以上。轉爐冶煉強度的提高，提升了轉爐煉鋼的生產節奏、增加了產量，但這也對轉爐爐體維護提出了更高的要求。如何在確保轉爐冶煉快節奏、高產量的前提下，保持或進一步提高轉爐爐齡是聯合特鋼當前面臨的一個重要課題，否則轉爐快節奏、高產量來了轉爐爐齡大幅下降也是得不償失的，也不是轉爐高強度冶煉攻關的目的。

本文對轉爐在高強度冶煉條件下爐襯侵蝕機理進行深入研究，并根據現有的生產工藝條件，制定了高冶煉強度條件下轉爐爐襯維護的具體應對措施，并對應對措施實施后的效果進行了總結。

1 生產現狀及存在的問題

聯合特鋼煉鋼廠于2020年初進行了轉爐高強度冶煉攻關工作，通過改進轉爐裝料制度、優化供氧強度以及改進出鋼工藝等措施，轉爐冶煉周期由30min以上降低到25min以內。隨著冶煉周期縮短，轉爐爐襯維護時間、濺渣時間等輔助時間相應壓縮，致使轉爐爐襯大小面、熔池耳軸部位侵蝕嚴重，嚴重制約了轉爐的快節奏生產。為此聯合特鋼煉鋼廠組織開展了高強度冶煉條件下提高轉爐爐齡技術攻關。

圖1為聯合特鋼煉鋼廠120t頂底復吹轉爐爐襯結構。由圖1可以看出，轉爐爐襯分為工作層和填充層兩層結構。爐襯工作層由鎂碳磚砌筑而成，爐底工作層厚度為700mm、爐身工作層厚度為600mm。爐襯工作層直接與液體金屬、固體廢鋼、熔渣和爐氣接觸，要經受液態渣、鋼的沖刷，以及熔渣的化學侵蝕、高溫和溫度急變、物料沖擊等一系列作用。填充層介于工作層與爐殼之間，由小塊鎂磚砌筑而成，其主要作用為減緩工作層膨脹對爐殼的擠壓、便于工作層迅速拆除、避免爐殼受損。

圖1 聯合特鋼120t頂底復吹轉爐爐襯結構

2 轉爐爐襯侵蝕原因分析

2.1 轉爐爐襯侵蝕機理

轉爐爐襯損蝕主要是工作層的損蝕，存在于鎂碳磚中的石墨碳與熔渣的潤濕性不好，能夠有效抑制熔渣向磚體內的滲入，所以轉爐爐襯侵蝕原理主要決定于其材料構成。鎂碳磚自外向里存在著明顯的三層構造，分別是反應層、變質層和原磚層。鎂碳磚的工作表層約有1～3mm厚的反應層，即熔渣滲透層；變質層與反應層相鄰，厚度約為0.2～2mm；最內部是原磚層。氧化性熔渣、供入的O2和爐氣中CO2等與鎂碳磚工作層中的C發生氧化反應，同時碳又與高溫下MgO發生還原作用，在鎂碳磚工作層表面形成脫碳層，反應式如下[1]：

轉爐爐體內部存在著劇烈的物理化學反應，磚體工作層在C的氧化脫除作用下，組織疏松脆化，在爐液的流動沖刷下發生蝕損。同時，隨著磚體C脫出而形成的空隙以及鎂砂顆粒產生的微細裂紋，給氧化性熔渣滲入創造了條件，滲入磚體的氧化性熔渣與MgO反應生成低熔點固溶體等礦物。通過不斷的相互作用，最后鎂砂顆粒漂移流失于熔渣之中，鎂碳磚相應地被蠶食與損壞。

2.2 爐襯侵蝕影響因素分析

轉爐爐襯壽命受各方面因素影響較多：主要原材料鐵水、廢鋼等入爐時對爐襯的熱沖擊和機械沖擊損壞；冶煉過程中，爐內劇烈的物理化學反應，造成爐內鋼水、爐渣和爐氣等對爐襯的化學侵蝕和機械沖擊損壞。但以上客觀因素都可以通過規范的冶煉操作及先進的工藝技術彌補，從而延長爐襯使用壽命。

2.2.1 機械沖擊影響

因為不同形狀、規格和重量的廢鋼偏差較大，在入爐過程中，會對爐襯大面產生較大的機械沖擊。同時在鐵水兌入過程中，高溫鐵水同樣會對爐襯裝料側大面產生嚴重的沖刷，侵蝕爐襯大面。在轉爐吹煉過程中，由于氧氣射流沖擊爐內鋼液、熔渣等對爐襯的沖刷磨損也極為嚴重。

2.2.2 出鋼溫度影響

在高溫熱流的影響下爐襯表面會出現軟化、熔融現象，另外受高溫影響，爐襯濺渣層壽命會明顯降低。實踐證明：如果終點拉碳溫度在1650℃以下，濺渣層完好率在80%以上；如果拉碳溫度在1680℃以上，將會熔化掉大部分的濺渣層[2]。

2.2.3 終渣氧化性影響

終渣的氧化性對爐襯的侵蝕作用也非常明顯。渣中TFe愈高，爐渣熔點越低，低熔點的爐渣加速了對爐襯的蝕損。由于濺渣層熔損率主要與濺渣層中TFe含量有關，TFe含量越高，濺渣層熔損率就越高。

2.2.4 渣中MgO含量影響

MgO在渣中的作用，一方面可以稠化爐渣，另一方面可以吸收渣中FeO，并與之形成固溶體。在1650℃時，GR（高堿度低MgO含量）渣中的各類金屬氧化物多數成為液相，而GM（低堿度高MgO含量）渣中的各類金屬氧化物仍以固體質點彌散在渣中。這是GM渣比GR渣耐蝕損的原因。

2.2.5 轉爐爐型控制影響

由工作性質決定，轉爐兩個大面是轉爐爐襯的薄弱部位。主要問題是轉爐爐襯兩個大面由于侵蝕嚴重，特別是兌鐵位置極易出現深坑，深坑最嚴重的部位是鋼液面出鋼口以下。同時受冶煉和濺渣護爐的影響，爐底深度變化過快也會對爐體維護產生不利影響。

3 高冶煉強度下轉爐爐襯維護措施

3.1 優化轉爐冶煉工藝

3.1.1 裝入制度優化

通過調整廢鋼、鐵水的裝入順序可以有效減少入爐料對爐襯的機械沖擊和磨損。目前聯合特鋼煉鋼廠轉爐處于先裝入廢鋼后兌鐵水加料方式，廢鋼以鋼筋壓塊為主，占比達到80%以上，廢鋼加入方式采用抓鋼機分批次逐塊加入。采用該加料方式可以有效減少同時加入大量廢鋼對爐襯的機械沖擊，且可以有效避免鐵水對爐襯的機械沖刷。在裝入爐料結構上，要依據不同爐齡階段以及鐵水成分及時調整廢鋼裝入配比，減少因終點溫度不合格引起的后吹現象。

3.1.2 冶煉過程控制優化

（1）合理控制出鋼溫度。為減少冶煉終點溫度過高對爐襯的侵蝕，要求提前掌握鐵水成分、溫度等情況，根據不同的鐵水條件調整搭配的冷料加入量，實現對冶煉終點的控制，達到終點溫度、成分雙命中。

（2）提高終點命中率，減少補吹次數及時間。終點補吹會加劇鋼水過氧化，在加劇爐襯侵蝕的同時，還會因終渣TFe含量升高，影響濺渣護爐效果。通過制定合理的槍位制度，提高冶煉終點控制操作水平，可減少終點補吹次數、避免爐襯加劇侵蝕。

（3）減少鋼水爐內停留時間。轉爐出鋼采用爐前不倒爐出鋼工藝，即終點吹煉結束后，轉爐直接搖至爐后進行出鋼操作，取消了原爐前倒爐、測溫、取樣工作，在加快生產節奏的同時，有效縮短了高溫、高氧化性鋼水在爐內的停留時間，將鋼水對爐襯的侵蝕作用進一步減少。目前聯合特鋼不倒爐出鋼工藝執行率達到95%以上。

（4）增大出鋼口直徑。出鋼口直徑由原有的φ180mm增大到φ210mm，縮短出鋼時間1min以上，縮短了鋼水在爐內的停留時間。

3.2 改進濺渣護爐工藝

3.2.1 終渣成分控制

實踐證明，轉爐終渣堿度控制在2.2～3.2范圍內，MgO含量控制在6～10%范圍內，TFe含量控制在10～20%范圍內[3]，可以有效降低終渣對爐襯的侵蝕作用。聯合特鋼煉鋼廠嚴格規范終點壓槍時間，降低終渣TFe含量，終點壓槍時間達到1min以上。轉爐終渣成分控制參見表1。

表1 轉爐終渣控制成分

3.2.2 濺渣控制

（1）調整濺渣氮氣壓力。為縮短輔助時間，加快轉爐生產節奏，同時為了保證濺渣效果，將濺渣氮氣壓力從1.0MPa調高至1.2MPa。

（2）控制濺渣渣量。渣量過大，液渣稠化時間增長，渣粒形成較慢，不利于快節奏生產條件下的濺渣護爐。聯合特鋼煉鋼廠通過優化渣料結構，選用合適的搭配比例，減少了總的渣料加入量，將渣料消耗由原有的120kg/t控制到現有的90kg/t。

（3）調整濺渣槍位。為縮短濺渣時間，濺渣槍位采用低-高-低控制。首先采用低槍位加速爐渣冷卻和稠化，達到快速成渣的目的，之后抬高槍位進行濺渣。在濺渣過程中，根據爐口渣粒情況再緩慢降槍，實現由熔池到爐身渣層均勻覆蓋。圖2為濺渣槍位控制示意圖。

圖2 濺渣槍位控制示意圖

3.3 優化煉鋼生產組織

采用轉爐→LF精煉→連鑄的生產組織模式，可以明顯降低轉爐出鋼溫度。LF精煉爐采用電弧加熱的方式對鋼水進行升溫，因此可根據實際生產節奏最大限度利用精煉爐升溫優勢，減少因轉爐終點溫度過高造成的爐襯及濺渣層侵蝕。在該組織模式下，轉爐出鋼溫度可控制在1620℃以下。

3.4 加強爐襯監測

使用爐襯測厚儀對各處爐襯厚度情況進行不定期監測，同時根據測厚數據，有針對性地開展補爐工作，在維持原有爐型結構的同時，可有效避免爐役后期漏爐事故的發生。圖3為爐襯測厚圖。

圖3 爐襯測厚圖

4 結語

聯合特鋼煉鋼廠在對轉爐爐襯侵蝕原理進行深入分析的基礎上，結合自身生產工藝特點，制定了一系列轉爐高冶煉強度下爐體強化維護措施。通過優化轉爐冶煉工藝，改進濺渣護爐工藝、優化煉鋼生產組織、加強爐襯監測等工藝改進措施的實施，轉爐高冶煉強度下爐體壽命顯著提高。

在轉爐冶煉周期達到25.91min的前提下，聯合特鋼2號轉爐爐齡達到33980爐，創造了聯合特鋼成立以來最長爐齡記錄，取得了巨大的經濟效益，同時又進一步為轉爐縮短冶煉周期、提高產能創造了有利條件。目前看，轉爐高冶煉強度下爐體維護的研究將是聯合特鋼煉鋼廠一項長期的工作。