高冶炼强度下转炉炉体维护实践

王连全，马兵书，王飞宇

（天津市新天钢联合特钢有限公司，天津 301500）

0 引言

转炉炉龄是转炉生产中一项非常重要的技术经济指标，在整个转炉炼钢生产中起着非常重要的作用，代表着一个炼钢企业的工艺操作和技术管理水平。天津市新天钢联合特钢有限公司炼钢厂（以下简称联合特钢）于2020年初开展了转炉高强度冶炼攻关工作，通过采取一系列措施，单月最低转炉冶炼周期可达到25min以内，3座120t转炉单月最高产量达到63万吨以上。转炉冶炼强度的提高，提升了转炉炼钢的生产节奏、增加了产量，但这也对转炉炉体维护提出了更高的要求。如何在确保转炉冶炼快节奏、高产量的前提下，保持或进一步提高转炉炉龄是联合特钢当前面临的一个重要课题，否则转炉快节奏、高产量来了转炉炉龄大幅下降也是得不偿失的，也不是转炉高强度冶炼攻关的目的。

本文对转炉在高强度冶炼条件下炉衬侵蚀机理进行深入研究，并根据现有的生产工艺条件，制定了高冶炼强度条件下转炉炉衬维护的具体应对措施，并对应对措施实施后的效果进行了总结。

1 生产现状及存在的问题

联合特钢炼钢厂于2020年初进行了转炉高强度冶炼攻关工作，通过改进转炉装料制度、优化供氧强度以及改进出钢工艺等措施，转炉冶炼周期由30min以上降低到25min以内。随着冶炼周期缩短，转炉炉衬维护时间、溅渣时间等辅助时间相应压缩，致使转炉炉衬大小面、熔池耳轴部位侵蚀严重，严重制约了转炉的快节奏生产。为此联合特钢炼钢厂组织开展了高强度冶炼条件下提高转炉炉龄技术攻关。

图1为联合特钢炼钢厂120t顶底复吹转炉炉衬结构。由图1可以看出，转炉炉衬分为工作层和填充层两层结构。炉衬工作层由镁碳砖砌筑而成，炉底工作层厚度为700mm、炉身工作层厚度为600mm。炉衬工作层直接与液体金属、固体废钢、熔渣和炉气接触，要经受液态渣、钢的冲刷，以及熔渣的化学侵蚀、高温和温度急变、物料冲击等一系列作用。填充层介于工作层与炉壳之间，由小块镁砖砌筑而成，其主要作用为减缓工作层膨胀对炉壳的挤压、便于工作层迅速拆除、避免炉壳受损。

图1 联合特钢120t顶底复吹转炉炉衬结构

2 转炉炉衬侵蚀原因分析

2.1 转炉炉衬侵蚀机理

转炉炉衬损蚀主要是工作层的损蚀，存在于镁碳砖中的石墨碳与熔渣的润湿性不好，能够有效抑制熔渣向砖体内的渗入，所以转炉炉衬侵蚀原理主要决定于其材料构成。镁碳砖自外向里存在着明显的三层构造，分别是反应层、变质层和原砖层。镁碳砖的工作表层约有1～3mm厚的反应层，即熔渣渗透层；变质层与反应层相邻，厚度约为0.2～2mm；最内部是原砖层。氧化性熔渣、供入的O2和炉气中CO2等与镁碳砖工作层中的C发生氧化反应，同时碳又与高温下MgO发生还原作用，在镁碳砖工作层表面形成脱碳层，反应式如下[1]：

转炉炉体内部存在着剧烈的物理化学反应，砖体工作层在C的氧化脱除作用下，组织疏松脆化，在炉液的流动冲刷下发生蚀损。同时，随着砖体C脱出而形成的空隙以及镁砂颗粒产生的微细裂纹，给氧化性熔渣渗入创造了条件，渗入砖体的氧化性熔渣与MgO反应生成低熔点固溶体等矿物。通过不断的相互作用，最后镁砂颗粒漂移流失于熔渣之中，镁碳砖相应地被蚕食与损坏。

2.2 炉衬侵蚀影响因素分析

转炉炉衬寿命受各方面因素影响较多：主要原材料铁水、废钢等入炉时对炉衬的热冲击和机械冲击损坏；冶炼过程中，炉内剧烈的物理化学反应，造成炉内钢水、炉渣和炉气等对炉衬的化学侵蚀和机械冲击损坏。但以上客观因素都可以通过规范的冶炼操作及先进的工艺技术弥补，从而延长炉衬使用寿命。

2.2.1 机械冲击影响

因为不同形状、规格和重量的废钢偏差较大，在入炉过程中，会对炉衬大面产生较大的机械冲击。同时在铁水兑入过程中，高温铁水同样会对炉衬装料侧大面产生严重的冲刷，侵蚀炉衬大面。在转炉吹炼过程中，由于氧气射流冲击炉内钢液、熔渣等对炉衬的冲刷磨损也极为严重。

2.2.2 出钢温度影响

在高温热流的影响下炉衬表面会出现软化、熔融现象，另外受高温影响，炉衬溅渣层寿命会明显降低。实践证明：如果终点拉碳温度在1650℃以下，溅渣层完好率在80%以上；如果拉碳温度在1680℃以上，将会熔化掉大部分的溅渣层[2]。

2.2.3 终渣氧化性影响

终渣的氧化性对炉衬的侵蚀作用也非常明显。渣中TFe愈高，炉渣熔点越低，低熔点的炉渣加速了对炉衬的蚀损。由于溅渣层熔损率主要与溅渣层中TFe含量有关，TFe含量越高，溅渣层熔损率就越高。

2.2.4 渣中MgO含量影响

MgO在渣中的作用，一方面可以稠化炉渣，另一方面可以吸收渣中FeO，并与之形成固溶体。在1650℃时，GR（高碱度低MgO含量）渣中的各类金属氧化物多数成为液相，而GM（低碱度高MgO含量）渣中的各类金属氧化物仍以固体质点弥散在渣中。这是GM渣比GR渣耐蚀损的原因。

2.2.5 转炉炉型控制影响

由工作性质决定，转炉两个大面是转炉炉衬的薄弱部位。主要问题是转炉炉衬两个大面由于侵蚀严重，特别是兑铁位置极易出现深坑，深坑最严重的部位是钢液面出钢口以下。同时受冶炼和溅渣护炉的影响，炉底深度变化过快也会对炉体维护产生不利影响。

3 高冶炼强度下转炉炉衬维护措施

3.1 优化转炉冶炼工艺

3.1.1 装入制度优化

通过调整废钢、铁水的装入顺序可以有效减少入炉料对炉衬的机械冲击和磨损。目前联合特钢炼钢厂转炉处于先装入废钢后兑铁水加料方式，废钢以钢筋压块为主，占比达到80%以上，废钢加入方式采用抓钢机分批次逐块加入。采用该加料方式可以有效减少同时加入大量废钢对炉衬的机械冲击，且可以有效避免铁水对炉衬的机械冲刷。在装入炉料结构上，要依据不同炉龄阶段以及铁水成分及时调整废钢装入配比，减少因终点温度不合格引起的后吹现象。

3.1.2 冶炼过程控制优化

（1）合理控制出钢温度。为减少冶炼终点温度过高对炉衬的侵蚀，要求提前掌握铁水成分、温度等情况，根据不同的铁水条件调整搭配的冷料加入量，实现对冶炼终点的控制，达到终点温度、成分双命中。

（2）提高终点命中率，减少补吹次数及时间。终点补吹会加剧钢水过氧化，在加剧炉衬侵蚀的同时，还会因终渣TFe含量升高，影响溅渣护炉效果。通过制定合理的枪位制度，提高冶炼终点控制操作水平，可减少终点补吹次数、避免炉衬加剧侵蚀。

（3）减少钢水炉内停留时间。转炉出钢采用炉前不倒炉出钢工艺，即终点吹炼结束后，转炉直接摇至炉后进行出钢操作，取消了原炉前倒炉、测温、取样工作，在加快生产节奏的同时，有效缩短了高温、高氧化性钢水在炉内的停留时间，将钢水对炉衬的侵蚀作用进一步减少。目前联合特钢不倒炉出钢工艺执行率达到95%以上。

（4）增大出钢口直径。出钢口直径由原有的φ180mm增大到φ210mm，缩短出钢时间1min以上，缩短了钢水在炉内的停留时间。

3.2 改进溅渣护炉工艺

3.2.1 终渣成分控制

实践证明，转炉终渣碱度控制在2.2～3.2范围内，MgO含量控制在6～10%范围内，TFe含量控制在10～20%范围内[3]，可以有效降低终渣对炉衬的侵蚀作用。联合特钢炼钢厂严格规范终点压枪时间，降低终渣TFe含量，终点压枪时间达到1min以上。转炉终渣成分控制参见表1。

表1 转炉终渣控制成分

3.2.2 溅渣控制

（1）调整溅渣氮气压力。为缩短辅助时间，加快转炉生产节奏，同时为了保证溅渣效果，将溅渣氮气压力从1.0MPa调高至1.2MPa。

（2）控制溅渣渣量。渣量过大，液渣稠化时间增长，渣粒形成较慢，不利于快节奏生产条件下的溅渣护炉。联合特钢炼钢厂通过优化渣料结构，选用合适的搭配比例，减少了总的渣料加入量，将渣料消耗由原有的120kg/t控制到现有的90kg/t。

（3）调整溅渣枪位。为缩短溅渣时间，溅渣枪位采用低-高-低控制。首先采用低枪位加速炉渣冷却和稠化，达到快速成渣的目的，之后抬高枪位进行溅渣。在溅渣过程中，根据炉口渣粒情况再缓慢降枪，实现由熔池到炉身渣层均匀覆盖。图2为溅渣枪位控制示意图。

图2 溅渣枪位控制示意图

3.3 优化炼钢生产组织

采用转炉→LF精炼→连铸的生产组织模式，可以明显降低转炉出钢温度。LF精炼炉采用电弧加热的方式对钢水进行升温，因此可根据实际生产节奏最大限度利用精炼炉升温优势，减少因转炉终点温度过高造成的炉衬及溅渣层侵蚀。在该组织模式下，转炉出钢温度可控制在1620℃以下。

3.4 加强炉衬监测

使用炉衬测厚仪对各处炉衬厚度情况进行不定期监测，同时根据测厚数据，有针对性地开展补炉工作，在维持原有炉型结构的同时，可有效避免炉役后期漏炉事故的发生。图3为炉衬测厚图。

图3 炉衬测厚图

4 结语

联合特钢炼钢厂在对转炉炉衬侵蚀原理进行深入分析的基础上，结合自身生产工艺特点，制定了一系列转炉高冶炼强度下炉体强化维护措施。通过优化转炉冶炼工艺，改进溅渣护炉工艺、优化炼钢生产组织、加强炉衬监测等工艺改进措施的实施，转炉高冶炼强度下炉体寿命显著提高。

在转炉冶炼周期达到25.91min的前提下，联合特钢2号转炉炉龄达到33980炉，创造了联合特钢成立以来最长炉龄记录，取得了巨大的经济效益，同时又进一步为转炉缩短冶炼周期、提高产能创造了有利条件。目前看，转炉高冶炼强度下炉体维护的研究将是联合特钢炼钢厂一项长期的工作。