马鞍山钢铁股份有限公司（以下简称马钢）“十一五”技术改造和结构调整炼钢项目分二期完成，一期工程主要由2座KR铁水预处理装置、2座300t顶底复合吹炼转炉、1座钢包精炼炉、1座RH真空精炼炉、2台直弧形高效板坯连铸机组成，于2007年9月正式投产；二期工程新增1座300t顶底复合吹炼转炉、1座钢包精炼炉、1座RH真空精炼炉、1台直弧形高效板坯连铸机，新增转炉2012年建成投产。

2015年以来，随着对大型转炉工艺认识的不断提高，借鉴国内外同类转炉经验，对顶底复合吹炼工艺进行了积极探索与调整，实现了高效长寿复吹，取得良好的效果。

随着连铸在线调宽技术的广泛应用，转炉冶炼周期成为制约炼钢产能释放的瓶颈。与国内外同类型先进企业相比，马钢300t转炉冶炼低碳钢时，在弱底吹阶段终渣全铁质量分数超过18.0％，在缩短冶炼周期的同时，进一步提高钢水的品质成为不容回避的现实问题，亟待改进的主要问题如下：

1）顶吹供氧强度小，冶炼时间长，生产效率不高；

2）炉役碳氧浓度积在0.00211～0.00308内波动，后期平均值超过0.0030，制约部分钢种生产；

3）熔池搅拌力弱，转炉冶炼终点P、S在渣钢间的分配比不高；

4）转炉冶炼终点钢水活度氧偏高，部分炉次甚至超过1000×10-6，残余锰含量低；

5）转炉终渣全铁含量偏高、熔点低、过热度高，炉衬侵蚀过快、炉底厚度波动大。

氧枪是顶底复吹转炉的重要设备，氧枪喷头参数、操作模式对冶炼工艺、产品质量、生产效率均有很大影响。基于马钢300t转炉系统铁水条件、连铸周期、操作要求及存在的问题，确定其目标供氧流量为64000～67000m³/h，以提高氧枪射流能量，供氧流量、滞止压力合理匹配为核心原则进行新喷头设计。

对比同类型300t公称容量大型转炉，氧枪枪体直径基本为406.4mm，而马钢300t转炉枪体直径为355.6mm，原6孔喷头布置较为紧凑，确定优化后采用5孔布置，综合考虑氧气管网安全运行、一次除尘能力、脱P效果等因素，在原喷头基础上适当提高出口马赫数，扩大喷孔倾角，优化前后喷头参数见表1。

优化前后喷头的射流特性及其与熔池作用情况见表2。表2中L为氧射流对熔池的穿透深度，根据式（1）FlinnA公式计算；L0为熔池深度（1.9m），在典型枪位供氧流量64000～67000m³/h下，即前期2.6m、中期2.3m、后期1.9m下，L/L0对应为0.59～0.62、0.63～0.65、0.69～0.72，较优化前提升0.06左右，与文献研究的同类型转炉一致。

式中：L为穿透深度，cm；H为枪位高度，cm；d_t为喷头喉口直径，cm；P₀为滞止压力，MPa；θ为喷孔倾角，（°）。

顶枪流量为64000m³/h时，不同枪位下氧射流能量、熔池混匀时间关系见表3，优化后喷头顶吹射流能量提高12％左右，熔池混匀时间降低约5.5％，若提高供氧流量至67000m³/h，由式（2）、式（3）可知，顶枪射流能量将增强，混匀时间进一步减少。

顶吹射流能量及混匀时间根据文献TsuyoshiKai等公式计算，公式表达如下：

式中：ε_vt为顶吹射流能量，W/m³；V_L为金属体积，m³；Q_t为氧流量，m³/min；n为喷孔个数；M为氧气分子量；d_e为喷孔出口直径，m；θ为喷孔倾角，（°）；H为枪位高度，m。

式中：τ为熔池混匀时间，s；ε_vb为底吹射流搅拌能量，W/m³，纯顶吹时为0；L₀为熔池深度，m。

2.2.2底吹强度的选择

顶底复吹转炉是20世纪70年代末世界炼钢领域中发展起来的一项新技术、新工艺，冶炼方式兼有顶吹法和底吹法的优点，目前国内大中型转炉几乎都采用复吹工艺，底吹强度多为0.03～0.08m³/（t·min），优化前马钢3t00转炉也在此区间。随着对顶底复合吹炼技术研究的不断深入，世界各国创新了不同的复吹工艺，例如法国LBE，美国的Q－BOP、新日铁STB、LD－OB，JFE的LD－KG，德国K－OBM等技术，其普遍规律均是随着底吹供气强度增加，搅拌效果明显改善。

对300t转炉复吹进行数值模拟研究，底吹强度对熔池死区（搅拌不充分区）的影响见图1，总体趋势是随着底吹供气强度增加，死区面积减小，底吹供气强度提高到0.20m³/（t·min）时，死区降低57.30％，并且死区降幅趋缓。

文献表明随着复吹炼钢工艺底吹搅拌强度的提高，熔池混匀时间缩短，当底吹搅拌强度超过0.20m³/（t·min）时，熔池混匀时间减少不再显著；在提高动力学效果的同时，兼顾底吹气体对底枪及周边耐材冲刷的负面影响，马钢300t转炉最终选择将底吹供气强度提高到0.20m³/（t·min）。

表４为顶枪流量为0、64000m³/h时，不同底吹强度、枪位条件下有效搅拌能量与熔池混匀时间的关系，在顶底复合吹炼条件下，供气强度0.20m³/（t·min）时，混匀时间较0.04m³/（t·min）减少超过30s，底吹强度增大对缩短混匀时间作用明显。顶底复吹搅拌有效总能量及其混匀时间根据文献计算，见式（4）、式（5），不同状态下熔池混匀时间由式（3）计算。

式中：ε_vb为底吹气体搅拌能量，W/m³；Q_b为底吹气体流量，m³/min；T_n为吹入惰性气体温度，K；T_L为熔池金属温度，K；V_L为金属体积，m³；ρ_L为金属密度，kg/m³；h为熔池深度，m；P为炉膛压力，kg/㎡；ε总为顶底复吹搅拌有效总能量，W/m³。

2.2.2底吹应用

1）采用气流反作用冲击力小、冷却能力强、抗熔损、防堵塞环缝式底枪。

2）开发独立控制底吹元件条件下的转炉强底吹冶炼技术，单个底吹供气元件均设置独立气体流量自动控制系统，可在0.02～0.20m³/（t·min）内调节底部供气强度。

3）供氧总量0～25％时，适当提高底吹强度，改善动力学条件，促进成渣，加强脱磷传质；供氧总量至25％～65％时，碳氧反应作用下的自然搅拌开始增强，降低底吹强度；随着冶炼的进行，温度升高，脱碳速度逐渐增大，碳氧反应进入剧烈期，熔池搅拌充分，同时考虑底吹对测温、取样的影响，供氧总量至65％～85％时，底吹搅拌强度调至较弱模式。

4）吹炼后期，副枪测温、取样后，碳质量分数小于0.35％时，碳氧反应明显减弱，CO对钢液的搅拌能力下降，调整底吹进入强搅模式至终点。

5）后搅，保证终点停氧后的静搅。最大限度地降低终点活度氧，提高金属收得率和钢水质量。

1）转炉热平衡联动。以转炉基本热平衡为基础，根据铁水温度、硅含量、冶炼钢种与废钢配加量协同联动，转炉热量富余15～35℃，铁水比不足时，前期加焦丁，进行炉内化学热补偿。

2）转炉供氧采用变枪位、恒流量的操作方式，顶吹流量64000～66000m³/h。

3）采用“高－低－低”吹炼模式，开吹枪位2.5～2.7m，脱碳枪位2.2～2.4m，后期枪位1.7～2.0m。

4）开吹即加入石灰总量的35％～70％、轻烧白云石一次性全部投入。

5）吹炼过程矿石连投，石灰剩余量在供氧量达70％前加完。

6）吹炼末期压枪，枪位视炉役阶段而定，炉役前期1.7～1.8m、中期1.8～1.9m、后期1.9～2.0m，加强搅拌，降低氧含量、提高金属收得率。

7）后搅时间60～120s。

8）根据转炉冶炼各阶段的特点及主要任务，设定典型底吹模式见表5。

转炉冶炼低碳、低磷钢时，钢水及炉渣的高氧化性导致炉底及与之毗连的熔池区域侵蚀严重，炉底大幅上下波动，造成复吹转炉底吹元件堵塞、搅拌效果下降，有效复吹比降低，炉底结构形式对使用效果有直接影响。

转炉炉底通常采用“环形设计，返平翻身”，即由炉身镁碳砖、熔池平砌镁碳砖、炉底返平镁碳砖及圆形炉底镁碳砖组成，如图2a所示。“返平翻身”段对钢液的阻力最大，应力集中，镁碳砖熔损快；在后续维护过程中，炉底较难保持“中间凹、边缘凸”的理想状态，复吹搅拌效果不佳，有效复吹比低。为解决上述问题，炉底采用球形设计，圆形炉底砖依次通过炉底弧形过渡砖、熔池弧形过渡砖向炉身区域过渡，使得圆炉底与熔池形成一个球形整体，减少钢液环流阻力，分散炉底及熔池应力，降低了镁碳砖蚀损，具体见图2b。

由文献可知，［％C］·［％O］＝mPCO，在1600℃及1.013×105Pa条件下，m＝0.0025，m受温度影响极小，碳氧积几乎与PCO成正比因此，强底吹有效降低了搅拌气泡中PCO是导致碳氧浓度积大幅下降的根本原因。

2）转炉终点平均氧质量分数由603.6×10-6降至454.8×10-6，标准差大幅缩小，提高了钢水的洁净度，优化前后钢水终点氧分布见图4。

转炉终点氧的降低是热平衡有效管控与强底吹协同作用的结果；冷轧深冲板的钢质缺陷主要是由钢坯中的Al₂O₃、CaO·Al₂O₃等夹杂引起的，转炉吹炼终点钢中的氧是钢中氧化物夹杂的主要来源之一，降低出钢前钢中氧含量，减少脱氧剂使用量，有利于提高钢水的洁净度、降低生产成本。

3）优化后终渣w（TFe）平均为16.66％，较优化前的18.20％降低了8.46％，见图5。钢水中的［O］与［Fe］发生反应：［O］＋［Fe］＝（FeO），当钢水中的［O］含量较高时，与之平衡的终渣w（TFe）也将上升，反之亦然。

4）在碱度R基本相当的条件下，优化后渣钢间磷的分配比（LP＝w（P）/w［P］）为124.82，渣钢间硫的分配比（LS＝w（S）/w［S］）为9.35，优化后动力学条件优越，终点钢水中磷、硫的更接近平衡状态。

5）在铁水中Mn质量分数（0.150％）基本相当情况下，终点钢水中残余Mn质量分数由0.060％上升到0.091％（见表7）。钢水中的Ｍｎ与炉渣中的FeO发生反应：［Mn］＋（FeO）＝（MnO）＋［Fe］，当炉渣中的FeO含量较高时，将加剧钢水中锰的氧化损失。由于强顶底复合吹炼炉渣中的FeO含量相对较低，锰在渣－钢间的分配比降低，提高了钢水终点残余锰含量，这对绝大部分钢种是有利的。

6）采用高效吹氧技术后，常态下转炉吹氧流量达到64000～66000m³/h，平均吹氧时间14.5min，每炉钢的吹氧时间缩短1.1min，补吹比例、氧耗同步降低，见表8。

1）优化后的氧枪喷头，L/L0提高0.060，氧射流能量提高12％左右，熔池混匀时间降低约5.5％，供氧强度可达3.72m³/（t·min）（供氧流量67000m³/h，出钢量300t），基本实现高效吹氧。

2）通过数模研究、国内外经验借鉴，结合自身条件，确定马钢300t转炉底吹供气强度为0.20m³/（t·min），应用中采用强底吹方式，构建了以降低PCO分压为手段的低碳氧积控制技术，炉役内碳氧积降低44.3％。

3）较高顶供氧强度与强底吹搅拌冶炼模式下，熔池死区显著降低，混匀时间缩短到37.5s左右，终点渣钢间磷、硫的分配比大幅提升，更加接近平衡态，低氧位下脱磷效果良好，提升了马钢300t转炉冶炼控制水平。

4）优化后终渣全铁含量、终点钢水氧含量降低明显，提高了钢水的洁净度，降低了生产成本。

5）在底吹强度0.20m³/（t·min）条件下，转炉炉龄超过7000炉，炉役后期碳氧积控制稳定，全炉役内均能满足高附加值产品需求。