引言
转炉溅渣护炉技术源自于美国共和钢公司，我国从1994年开始引进并进行试验，通过该技术，大幅提高了转炉炉龄、耐材消耗、转炉作业率等技术指标，为我国钢铁冶金事业的发展壮大做出了突出贡献。经过广大冶金科技工作者不断的研究和实践，形成了一系列比较完备的留渣、调渣和溅渣工艺制度，甚至部分新建转炉为了更好的发挥溅渣护炉的效果，专门配备了溅渣氧枪，进一步为溅渣操作提供了可靠的设备保障。
溅渣护炉技术的核心是确保熔渣“溅的起、粘的住、耐侵蚀”，以此为依据针对不同公称容量的转炉制定了科学的留渣量、溅渣时间、溅渣枪位等工艺参数，但是结果却不尽人意，表现为炉体温度异常波动、炉衬各部位侵蚀不均衡，严重的影响到脱磷效果不能一倒出钢。出现此情况的主要问题点是炉渣成分的变化使得炉渣物理特性发生变化，尤其是在采用“少渣、低铁耗冶炼操作”时，终渣FeO、CaO和MgO成分的不合理，导致熔渣熔点低、过稀从而造成溅渣效果出现较大波动，同时由于炉内没有溅渣层，在低R炉渣操作条件下又对脱磷效率带来极大的影响，又被迫采取增大石灰量、高枪位化渣脱磷的补救措施，周而复始的恶性循环导致炉况恶化。据此有的炼钢厂提出了调渣工艺并开发出改善炉渣成分的改质剂，实践证明加入的调渣剂若要改变终渣的性质，使之满足溅渣护炉的要求，需要一定的时间和温度，而在“快节奏炼钢”和“高压氮气对炉渣降温”两个条件限制下，很难达到终渣改质的要求。针对上述情况，无锡新三洲特钢炼钢厂借鉴气-固喷射技术，将“块状”改质剂变为“粉状”，在出钢过程中直接喷入到炉渣中，在不影响生产节奏的情况下将异常熔渣进行改质，改善溅渣护炉效果，同时实现了在“少渣、快节奏冶炼”工艺条件下的转炉脱磷效果，实现了消耗成本和炉况稳定双丰收。
1.喷吹粉剂的可行性分析
气—固喷射技术，即利用氮气（或氩气、压缩空气）为载气，通过气-固喷吹系统，向冶金熔池内喷入冶炼所需的特定粉剂进行冶炼的一种冶金方法。气-固喷射技术改变了传统的以“块料”和“批料”加入冶金物料的方法，气-粉通常以高速射流的形式射入熔池内部，不仅能够高效供给冶金反应物质，也可以大幅度强化熔池搅拌，为冶炼反应创造良好的热力学、动力学条件。
电弧炉炼钢的冶炼过程中，由于受到钢渣界面积和扩散传质速度的限制，反应速度较慢，导致电弧炉炼钢有一个很长的冶炼期。采用喷射冶金技术，把碳粉、造渣剂、脱氧剂、稀土粉剂等以粉末状熔剂直接喷入钢液，能够加快界面传质速度，增加熔剂和钢液的反应面积，加速反应，解决了电弧炉冶炼过程中的两个限制环节，大大提高冶炼效率，缩短冶炼时间，因此得到了广泛应用。
用氮气（或压缩空气、氩气）作载体，向熔池内喷吹粉料，粉料的比表面积可以达到500-2000cm2/g，当粉料喷入钢液后，因粉料与钢液的接触面积大大增加，有助于冶金反应的快速发生。喷粉罐内的粉料在静压力和松动器产生的局部流态化的作用下，随着载流气体，通过管道喷入溶池，气体的温度将从278K迅速提高到1873K，因而气泡体积也将随之在瞬间膨胀6倍，且随着气泡上浮钢水静压力减小，气泡将进一步增大。因此粉料出喷口必须具有足够的动量，否则无法通过气泡突破钢液和气泡之间的界面张力，随着气泡的上升而带到炉渣，影响冶金效果。同时，为了保证炉渣具备足够的脱磷能力，需要提前确定炉渣的成分，按照一定的成分比例将熔剂喷入熔池内，快速形成具备较高脱磷能力的炉渣，达到快速冶炼的目的。
2.喷吹粉剂对炉渣进行改质改善溅渣护炉效果
研究表明，块状石灰和镁球（或含MgO改质剂）熔化与已经形成的熔渣成为一体，首要条件是温度。随着温度的升高，其溶解速度显著增大，M.Matsushima认为石灰和镁球溶解是一个扩散控速的反应。温度越高扩散系数越大，溶解速度增加。而且一定成分的熔渣当升高温度时能改善其流动性。这是因为升高温度可提供更多液体流动所需要的粘流活化能而且能使某些复杂的复合阴离子解体，或使固体微粒熔化。其二熔渣中必须有较高的FeO。当熔渣中FeO达到20%以上时可显著降低熔渣的黏度，使得边界厚度层δ减小，根据石灰溶解速率方程，δ减小传质系数K增大，石灰的溶解速度增大，促进石灰的溶解。根据传统理论，FeO可以渗透到2CaO·SiO2壳和CaO之间，形成一个富FeO层，削弱了石灰表面吸附2CaO·SiO2壳的条件，再通过炉渣运动将2CaO·SiO2壳揭开，起到破壳的作用。
溅渣时高压氮气对熔渣的快速冷却和熔渣中20%的FeO这2个条件，决定了固有的溅渣加入改质剂工艺，不能确保在3min的溅渣时间内对熔渣进行有效的改质达到满足溅渣护炉成分的要求。炉后出钢过程中喷吹粉剂技术，没有氮气对熔渣进行降温，也没有形成2CaO·SiO2壳需要大量的FeO进行溶解破坏的过程，突破了渣中SiO2、FeO等向石灰（或镁球）界面扩散，CaO（或MgO）向渣中扩散，在渣—石灰（或镁球）界面处SiO2、FeO与石灰中的CaO（或镁球渣的MgO）发生反应形成反应层，反应产物向渣中迁移从而促进石灰（或镁球）溶解的理论，因此喷入的粉剂在高温熔渣的作用下迅速熔化并根据需求完成了对熔渣的改质。我们根据溅渣护炉熔渣的成分和物理特性的要求，建立了转炉渣料加入量、终点控制（温度和成分）、终渣成分预判、喷吹粉剂成分配比、喷吹量的数学模型，按照目的要求对熔渣进行改质，并在工艺要求的时间内完成“溅的起、粘的住、耐侵蚀”的溅渣任务，从而实现转炉炉体温度的稳定和炉型尺寸的规则。新三洲炼钢厂转炉熔池大面温度稳定控制在300-340℃，小面温度280-320℃，见下图。
3.喷吹粉剂改善脱磷效率
脱磷反应的总反应方程式如式（1）所示：
（1）
从热力学角度来看，磷在渣-钢间的分配与3个因素密切相关，分别是炉渣的氧化性，炉渣碱度和钢水温度。Healy提出了磷分配比和钢水温度以及成分之间的关系，如式（2）所示：
（2）
（1）炉渣碱度对脱磷的影响
炉渣碱度对于脱磷的影响如图5所示，随着碱度的增加，磷分配比呈现非常明显的增加趋势，并且在低碱度时尤为明显。炉渣中CaO的活度增加不仅有利于脱磷，同时Ca2+能与PO3- 4结合，使PO3- 4稳定的存在于炉渣中防止回磷。然而炉渣碱度过高，也会带来渣量大，易喷溅，铁损高，石灰利用率低等问题。国内普遍认为在氧化期将炉渣碱度控制在2.2~2.5之间既能够取得较好的脱磷效果，又避免了石灰的浪费。
图5 炉渣碱度与P容量的关系
（2）炉渣氧化性对脱磷的影响
高氧化性能够提高脱磷效果，然而当FeO含量高于某个临界值时，再增加FeO含量，脱磷效率增加不明显甚至反而会下降，这是由于渣中较高含量的FeO将稀释渣中的CaO浓度，降低CaO的脱磷作用。通常将渣中氧化铁含量控制在15%~20%就可以充分满足脱磷的要求。
（3）熔池温度对脱磷率的影响
脱磷反应是一个放热反应，低温有利于脱磷反应的进行，对于电炉来说经过熔化期后熔池温度普遍能够达到1500℃以上，在实际生产条件下要考虑到炉渣必须具备一定的流动性，温度低于1550℃，钢渣的流动性较差，不利于[P]向炉渣中的扩散迁移。温度超过1600℃，由于温度较高，钢种的碳氧化加速，阻碍了磷与氧的反应，因此，通常将温度控制在1550~1580℃之间，此时脱磷反应能够同时具备较好的动力学和热力学条件，有利于脱磷。
图7 熔池温度与P容量的关系
基于以上脱磷的热力学研究，通过喷吹粉剂将熔渣进行改质，使其充分满足转炉吹炼前期脱磷的成分要求，同时喷吹粉剂后改善熔渣黏度使之更加复合溅渣护炉的要求，保证了炉膛内部均匀且一定厚度的溅渣层。实践证明，应用此技术后，在石灰消耗20Kg/t的情况下，转炉冶炼HRB400E连铸坯P成分稳定控制在0.035%以下，脱磷率达到80%以上。
4.喷吹粉剂降低渣料消耗
研究表明，纯气体喷吹情况下，气流速度在喷嘴出口处产生剧烈波动后进入射流核心段，之后气流速度迅速衰减。气-固喷射情况下，气流速度在喷嘴出口处产生陡降后缓慢降至与粉粒速度一致，然后进入射流核心段，与纯气体喷吹相比，射流核心段气体射流速度慢，核心段长度长，最后粉气流速度缓慢衰减。气-固喷射中气体速度要比纯气体喷吹的衰减缓慢，主要是因为在粉气流衰减过程中，部分动能从粉粒向气体发生转变，进而减缓了气流的衰减速度。喷吹速度是影响喷粉冶金工艺效果的重要因素之一。粉剂粒度对气-固喷射的影响也比较大，随着粉剂粒度的增加，粉粒的最大速度逐渐降低，主要是因为在气流带动作用下，气体的动能转化为粉粒的动能，单个粉剂颗粒的粒度增加，其质量相应增加，因此其最大速度降低。另外，随着粉剂粒度的增加，粉剂的发散程度逐渐降低，其主要原因在于单个颗粒粒度大，其惯性势能大，因此粉气流的发散度降低。因此在气-固喷射反应过程中对于固体粉剂粒度的选择是十分重要的。
根据此理论基础开发的满足气—固喷射技术的粉剂，通过粉剂粒度、成分配比、载体压力等工艺参数控制，与传统的“块状”石灰、镁球等造渣料相比，在相同的温度条件下，粉剂由固态转变为液态的时间缩短，CaO、MgO等的利用率提高。对溅渣时使用石灰、镁球进行调渣和炉后出钢过程中使用喷吹粉剂改质两种工艺处理后的熔渣进行分析，喷吹粉剂后熔渣中未发现游离态的CaO和MgO颗粒，而使用石灰或镁球调渣后的熔渣中存在大量的白色颗粒物，扫描电镜放大500倍后的颗粒形貌见下图。
最外层的成分与初渣成分一致为渣化层；中间层主要是渣中FeO、SiO2、CaO、MgO的反应生成物Ca2SiO4、Mg2SiO4、CaO·2FeO等为反应层；最里面是渣中MnO、FeO向内部延孔隙和裂纹扩散使石灰或镁球变质的变质层。实践证明，使用喷吹粉剂技术后，在同等的温度条件下有效提高了石灰和镁球的利用率，尤其是在全留渣操作模式下能够使用最少的渣料、在最短的时间内形成合适R和MgO的低温前期渣进行脱磷和护炉。与传统的造渣工艺相比，新三洲炼钢厂实现了石灰16-18Kg/t、镁球5-7Kg/t的渣料消耗，同时稳定控制炉渣R：2.2-2.5、MgO：8-10%、FeO：15-20%。
5.综述
无锡新三洲特钢炼钢厂充分利用北京科技大学包燕平教授科研团队的技术平台，发挥自身的主动创新能动性，开发的转炉复合喷吹技术，在确保炉况稳定、炉衬寿命的基础上，进一步降低渣料和钢铁料消耗、提高废钢比、缩短冶炼周期等方面，为建筑钢筋生产企业低成本生产战略提供了全方位的技术改进方案。实践证明，实施此项技术后，炉体温度稳定控制在340℃以内，2021年10月7日和11月15日进行炉役检修的2座转炉炉龄分别达到了19562炉和19451炉，炉役期间铁耗分别达到743Kg/t和745Kg/t，渣中FeO：15-20%，总渣料消耗25Kg/t以内，2021年转炉钢铁料消耗1051Kg/t。
参考文献：
1.《转炉石灰溶解机理研究与分析》冶金信息导刊，2012
2.《炼钢过程气-固混合喷射动力学特性研究》[J].炼钢,2021
