转炉喷溅产生原因及控制技术
任宏伟、周德馨
（天铁热轧板有限公司，河北涉县 056404）
摘要：转炉吹炼过程中，炉内反应趋于一种平衡状态下，才能确保吹炼全程的平稳。追溯喷溅产生原因，正视喷溅的发生，采用合理的布料和枪位配合，达到控制喷溅形成。冷料的短缺导致转炉热平衡失衡，也是引起转炉吹炼喷溅的原因。合理控制生料与含铁物料的使用。采用人为操作的变化，控制喷溅反应出现。在保证现有工艺基础上，从根本上达到控制转炉吹炼喷溅的发生。
关键词：转炉吹炼；喷溅反应；热平衡；生料与含铁物料
1 前言
中国钢铁行业受到经济危机与产能过盛的双重冲击下，钢铁企业高炉炼铁使用的矿石品味各异，高炉生产铁水成分波动较大。影响转炉吹炼过程中物料平衡及热平衡等平衡状态的变化，转炉吹炼喷溅现象逐渐增加。喷溅发生直接影响到转炉钢铁料消耗降低，间接影响到环境及人身安全。控制喷溅发生对降低钢铁料消耗，降低成本，增加钢铁企业效益起到至关重要的作用。
2 喷溅分类及产生原因
喷溅是发生在转炉下枪吹炼过程中，通常喷溅分有前期喷溅，中期喷溅，后期喷溅三个类型。其中吹炼前期发生喷溅尤其严重，对钢铁料消耗与环境影响是最大的。
转炉前期喷溅，依据转炉公称容量与炉型的不同，基本上喷溅多发生在吹炼硅—锰氧化反应中、末期，碳—氧氧化反应初始期。
转炉中期喷溅，发生多为转炉中期碳—氧氧化反应期，温度上升剧烈。或转炉吹炼中期碳—氧氧化反应均衡被打破，出现中期返干性金属喷溅。渣中氧化铁集聚，熔池温度波动较大发生中期渣—半钢喷溅。
转炉后期喷溅发生，基本转炉后期出现喷溅情况，多为转炉操作工操作不精心，后期下枪拉碳降枪速度过快，熔池内突然发生集聚碳—氧氧化反应，造成喷溅的发生。
3 喷溅产生原因分析
前期喷溅发生原因分析：
1. 转炉吹炼前期加料过于集中，前期化渣不良，熔渣化渣不透，前期炉渣表面张力较大。进入升温阶段，熔池内熔渣造内的氧化铁聚集发生的碳—氧氧化反应剧烈，导致喷溅发生。主要表现转炉喷溅冒浓烟；喷溅熔渣内有红色铁流；炉口处喷溅物多为块状；喷溅到溜渣板上后，呈现块状堆积。冷却后不易剥落；遇水或处理炉口时，内部有明显的未熔融的石灰颗粒。
2. 前期吹炼温度控制不当（如图1所示），当前热轧二级计算机模型数据显示吹炼过程中温度升温曲线变化，曲线与投产开始数据比较发生了严重的偏移，现曲线数据来源转炉吹炼过程中通过副枪系统对过程温度，终点温度与吹炼过程物料加入数据对比模拟出温度变化曲线。
前期升温过快，辅料加入不及时，枪位偏高。使用含铁物料不当，此类喷溅多为铁水成分异常（铁水硅元素、锰元素等偏低或偏高），铁水温度偏高，氧枪枪位高于吹炼基本枪位。吹炼前期第一批料化开后，熔池内氧化铁含量高，炉内硅—锰反应升温过快。二批料加入不及时，熔池内反应随着温度的升高，促使炉内碳—氧氧化反应提前进行。双重升温条件下，熔渣随着化学反应的剧烈喷出炉口或涌出炉口。主要表现在转炉炉口处冒出的炉渣，流动性良好；带有少量铁；炉渣留到溜渣板后，会随着冷却，逐渐剥落，不会粘附炉体溜渣板。从炉口处少量涌出炉渣，在炉口处形成渣层粘附炉口，转炉倒炉时，会随着倾动转炉炉口渣脱落；采集炉渣会发现炉渣内有大量气孔。
3. 转炉前期吹炼中，还受到铁水温度偏低，出现的前期低温喷溅，这类喷溅的控制，可以采用第一类喷溅发生的控制方式进行操作。因此，其处理过程可以经过第一类喷溅发生中找出相应控制经验。
中期喷溅主要原因可以归结为吹炼中期熔池内氧化铁消耗与生成平衡打破，吹炼中期氧化铁含量过多，炉内碳—氧氧化反应剧烈，炉内氧化反应与熔池温度剧烈变化，导致喷溅发生。
中期喷溅发生，理论上分析，熔池温度促进化学反应的催化剂。当温度升高时，化学反应会激烈。炉内温度高，炉渣内氧化铁含量富余，就会使炉内碳—氧氧化反应剧烈，出现喷溅。
后期喷溅发生，成因是炉内碳—氧反应逐渐减弱，炉渣内氧化铁含量呈现上升状态。熔池内碳含量处于0.50%左右，氧枪降枪过快，熔池内钢—渣搅拌增强，钢水内的碳与炉渣中富余的氧化铁反应，使炉渣喷溅。
4 喷溅控制的化学与物理学条件
化学反应（如图2所示）上图中所示，炉内化学反应的碳—氧氧化反应曲线，显示炉内化学反应的理论变化，下方的温度曲线，显示影响上面碳—氧氧化反应进行的温度曲线，两者之间关系密切，通过热平衡计算得出，转炉吹炼过程中，控制化学反应的条件就是控制熔池内碳—氧氧化反应速度，从而达到热量平衡，最终实现转炉吹炼无喷溅。
通过热平衡计算，在相同条件下的化学反应中，硅氧化放热与碳氧化放热比值为1:2，因此，转炉前期硅—锰氧化反应期的放热直接影响到转炉吹炼喷溅控制的重要因素。
物理学对转炉吹炼反应的影响，基本可以通过理想气体方程式说明：
P1V1/T1=P2V2/T2
式中 P——压力，Mpa；
V——体积，m³；
T——温度，℃。
理想气体方程式中显示在压力与体积不变的情况下，影响方程式平衡的因素为温度。转炉喷溅过程中，可以定义为因为炉内气体排除不畅，产生的喷溅。或在相同的空间内，随着温度的升高，化学反应产生压力增加，迫使炉内反应集聚释放压力，带动炉渣喷出，产生喷溅。
上述方程式中，随着化学反应的进行，产生的变化数值不相同。处于同一时期的喷溅，基本上相邻两个炉次之间的化学反应控制，喷溅发生与喷溅不发生之间关系，可以用方程式分析。具体参数计算可能受到不同反应期数据收集的影响，不能完全理论计算出。
5 操作过程中控制喷溅方式
前期喷溅控制方式，前期喷溅主要原因是辅料布料影响，铁水硅数由低到高，化渣趋势也明显增加，前期化学热也随之增加。基本上因为前期温度控制不当或加入辅料时间欠妥当，出现前期吹炼化渣异常，引起炉内熔渣喷溅发生。
（如图3所示）通过30吨，50吨，100吨，150吨，180吨转炉实际操作过程数据对比总结，转炉化渣加料时机，加料方式，加料量等都可以影响到转炉吹炼前期喷溅发生。
铁水硅数偏低，前期硅—锰氧化期时间越短，炉内化学反应越速进入碳—氧氧化反应期。碳—氧氧化反应期需要消耗熔池内熔渣中氧化铁（TFeO），同时加入熔池内的辅料熔融同样需要氧化铁辅助化渣。熔池内熔渣中氧化铁不足，出现前期熔渣熔融状态不好，出现熔渣化渣不良。因此有效控制前期化渣不良导致出现的喷溅，应确保熔渣具有充足的熔融时间，同时也要适当降低熔池温度，或增加熔池内熔渣中氧化铁含量。减弱熔池内化学反应进行，同时补充熔渣氧化铁进行化渣。
铁水硅数偏高，前期硅—锰氧化期时间较长，炉内化学反应升温越快，炉渣化渣容易。控制转炉辅料加入时机与加入量不符合升温曲线，不能满足降温和抑制转炉内硅—锰氧化的化学反应，造成转炉喷溅发生。实际操作中，控制铁水硅数偏高吹炼时，首先选择合适的辅料用量，依据自动化炼钢模型计算和热平衡计算，铁水硅数2.00%，吹炼前期辅料加入量约为3000kg/批次。其次也可以选择使用原生辅料（石灰石、生白云石）。理论上两种原生辅料在转炉吹炼过程中属于加入后需要吸热分解发生化学反应。上述两种原生辅料的吸热值通过理论计算降温值，相当于烧结矿的降温作用1.5倍，相当于重废的降温效果的3倍。加入转炉炉内吸热分解反应
CaCO3（吸热）—→CaO+CO2
MgCO3（吸热）—→MgO+CO2
原生辅料加入转炉内，在高温的条件下吸热、分解，降低转炉化学氧化热。减弱炉内化学反应，也就符合理想气体方程式平衡条件。
中期喷溅控制方式，吹炼中期转炉内化学反应为碳—氧氧化反应。碳—氧氧化反应发生，传氧方式采用炉渣中的氧化铁与钢液中的碳氧化，炉渣消耗氧化铁量随着熔池温度的升高，消耗量逐渐增大。转炉熔池的均匀升温，合理控制炉内氧化铁的生成与消耗是控制转炉吹炼中期发生喷溅或返干发生金属喷溅关键。实际操作中，根据炉内温度变化，化学反应过程消耗氧化铁量，基本上跟升温过程升温曲线一致，基本上在不同公称容量的转炉中，每降低20℃的冷料量所加入的含铁物料，基本上可以缓解炉内碳氧反应高峰期的30—40秒的氧化铁消耗量。
后期喷溅控制，后期在吹炼正常，转炉炉渣会处于翻腾状态，伴有渣片和渣流在炉口或烟罩上流动。有效控制泡沫渣和快速下枪拉碳降低转炉终渣氧化铁含量最常用手段。降低终渣氧化铁含量，将氧化铁还原成铁进入到钢液中，提高铁元素的回收率；降低终渣中氧化铁含量可以有效降低在高温条件下，高氧化性炉渣对转炉炉衬耐材的侵蚀。采用“提一降二”的操作模式，即能试探炉内的化学反应剧烈与否，也可以降低炉内炉渣的泡沫化，达到后期快速下枪拉碳的目的。
6结论
6.1 通过人为的辅料加入调整操作，改变炉内化学反应的速度，有效的控制炉内剧烈的化学反应发生。达到有效的控制喷溅的发生。
6.2 经过理论的物料平衡与热平衡计算，对现有转炉操作过程控制起到决定性的指导意义。通过计算热平衡有效控制转炉吹炼各个时期化学反应规律，达到控制喷溅发生的理论依据。
6.2 成本问题是困扰钢铁企业生存的重要环节，使用低成本的原生辅料，合理控制块度，采用合理的加入量和加入模式，即能替代部分石灰和轻烧白云石，降低辅料成本，又可以缓解废钢短缺上遇到的热平衡失衡出现的喷溅。
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