首钢高VTi铁水转炉冶炼82B供氧制度优化

首钢为降低82B生产成本,提高产品质量,在高炉原料中加入了钒钛球团矿.钒钛球团矿的加入导致转炉生产化渣慢,脱磷效率低,溅渣护炉效果不佳等问题.为了解决高钒钛铁水转炉生产82B所遇到的问题,本文以首钢炼钢厂转炉生产82B工艺为研究对象,利用Fluent数值模拟结合工业试验共同优化了转炉高VTi铁水冶炼82B供氧制度.通过供氧制度的优化,提高了转炉处理高VTi铁水的能力,从而保障首钢生产出高品质低成本的82B.

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工程科学学报，第38卷，增刊1：74-77,2016年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,Suppl.1:74-77,June 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.s1.013:http://journals.ustb.edu.cn 首钢高VTi铁水转炉冶炼82B供氧制度优化刘纲2)回，朱荣”，李京社”，张新建》，常进》，郑家良》 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)钢铁研究总院，北京100036 3)首钢水城钢铁（集团）有限责任公司，六盘水553028 ☒通信作者，E-mail:liugang(@crmse.com.cm 摘要首钢为降低82B生产成本，提高产品质量，在高炉原料中加入了钒钛球团矿.钒钛球团矿的加入导致转炉生产化渣慢，脱磷效率低，溅渣护炉效果不佳等问题.为了解决高钒钛铁水转炉生产82B所遇到的问题，本文以首钢炼钢厂转炉生产 82B工艺为研究对象，利用Fluent数值模拟结合工业试验共同优化了转炉高VTi铁水治炼82B供氧制度.通过供氧制度的优化，提高了转炉处理高VT铁水的能力，从而保障首钢生产出高品质低成本的82B. 关键词钒钛球团矿：转炉氧枪：供氧制度分类号TF031 Optimization of the oxygen supply system for smelting 82B steel with high-Ti-high-V molten iron in converter in Shougang Iron Steel Co. LIU Gang),ZHU Rong,LI Jing-she,ZHANG Xin-jian),CHANG Jin,ZHENG Jia-liang 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Central Iron Steel Research Institute,Beijing 100036,China 3)Shougang Shuicheng Iron Steel (Group)Co.Ltd,Liupanshui 553028,China Corresponding author,E-mail:liugang@crmsc.com.cn ABSTRACT Aiming at reducing the production cost of 82B steel and improving product quality,Shougang Iron Steel Co.added vanadium titanium pellets as raw material in the blast furnace.The addition of vanadium titanium pellets led to several problems such as the low speed in the process of producing and slag melting in converter,the low efficiency of dephosphorization,and the non-ideal effects of slag splashing.In order to solve the above problems,taking the production process of 82B steel in converter in Shougang Iron Steel Co.as the research object and using the Fluent software to conduct a numerical simulation in combined with high industrial test,this study optimizes the oxygen supply system when using high-V-high-Ti molten iron to smelt 82B steel in converter.In addition, the optimization of oxygen supply system serves as a guarantee for the enhanced ability in smelting 82B steel with high-V-high-Ti mol- ten iron in convert.As a result,there exists increasing possibility for Shougang Iron Steel Co.to produce high-quality and low-cost 82B steel. KEY WORDS vanadium titanium pellet;converter oxygen lance:oxygen supply system 随着当前钢铁工业的持续低迷，如何低成本生产了钒钛球团矿的使用比例.然而，高炉在提高钒钛矿 82B已成为水钢重点攻克的难点.为了降低生产成的使用比例的同时，高Ti高Cr高V低Si铁水对转炉本，提高产品市场竞争力，首钢在高炉炼铁炉料中提高炼钢工艺产生了不利影响，主要表现在初渣化渣慢，成收稿日期：20160108

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1: 74--77，2016 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，Suppl． 1: 74--77，June 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． s1． 013; http: / /journals． ustb． edu． cn 首钢高 VTi 铁水转炉冶炼 82B 供氧制度优化刘纲1，2) ，朱荣1) ，李京社1) ，张新建3) ，常进3) ，郑家良3) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 钢铁研究总院，北京 100036 3) 首钢水城钢铁( 集团) 有限责任公司，六盘水 553028  通信作者，E-mail: liugang@ crmsc． com． cn 摘要首钢为降低 82B 生产成本，提高产品质量，在高炉原料中加入了钒钛球团矿．钒钛球团矿的加入导致转炉生产化渣慢，脱磷效率低，溅渣护炉效果不佳等问题．为了解决高钒钛铁水转炉生产 82B 所遇到的问题，本文以首钢炼钢厂转炉生产 82B 工艺为研究对象，利用 Fluent 数值模拟结合工业试验共同优化了转炉高 VTi 铁水冶炼 82B 供氧制度．通过供氧制度的优化，提高了转炉处理高 VTi 铁水的能力，从而保障首钢生产出高品质低成本的 82B．关键词钒钛球团矿; 转炉氧枪; 供氧制度分类号 TF03 + 1 Optimization of the oxygen supply system for smelting 82B steel with high-Ti-high-V molten iron in converter in Shougang Iron ＆ Steel Co． LIU Gang1，2)  ，ZHU Ｒong1) ，LI Jing-she1) ，ZHANG Xin-jian3) ，CHANG Jin3) ，ZHENG Jia-liang3) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Central Iron ＆ Steel Ｒesearch Institute，Beijing 100036，China 3) Shougang Shuicheng Iron ＆ Steel ( Group) Co． Ltd，Liupanshui 553028，China  Corresponding author，E-mail: liugang@ crmsc． com． cn ABSTＲACT Aiming at reducing the production cost of 82B steel and improving product quality，Shougang Iron ＆ Steel Co． added vanadium titanium pellets as raw material in the blast furnace． The addition of vanadium titanium pellets led to several problems such as the low speed in the process of producing and slag melting in converter，the low efficiency of dephosphorization，and the non-ideal effects of slag splashing． In order to solve the above problems，taking the production process of 82B steel in converter in Shougang Iron ＆ Steel Co． as the research object and using the Fluent software to conduct a numerical simulation in combined with high industrial test，this study optimizes the oxygen supply system when using high-V-high-Ti molten iron to smelt 82B steel in converter． In addition， the optimization of oxygen supply system serves as a guarantee for the enhanced ability in smelting 82B steel with high-V-high-Ti molten iron in convert． As a result，there exists increasing possibility for Shougang Iron ＆ Steel Co． to produce high-quality and low-cost 82B steel． KEY WOＲDS vanadium titanium pellet; converter oxygen lance; oxygen supply system 收稿日期: 2016--01--08 随着当前钢铁工业的持续低迷，如何低成本生产 82B 已成为水钢重点攻克的难点．为了降低生产成本，提高产品市场竞争力，首钢在高炉炼铁炉料中提高了钒钛球团矿的使用比例．然而，高炉在提高钒钛矿的使用比例的同时，高 Ti 高 Cr 高 V 低 Si 铁水对转炉炼钢工艺产生了不利影响，主要表现在初渣化渣慢，成

刘纲等：首钢高VT铁水转炉冶炼82B供氧制度优化 75 渣时酸性物质少，且钒等元素被氧化为氧化物后黏度空间.网格由Gambit软件生成.为了提高模拟的精确大，造成炉渣流动性差，影响了治炼过程造渣脱磷等问性，喷头部分采用四面体网格，圆柱空间采用六面体网题.同时由于炉渣黏度大，钢渣反应界面较小，导格，对射流空间的网格沿半径方向先密后疏.划分后致终点渣中FO含量高，渣铁不分，造成大量金属损物理模型包含104582个网格，包含267549个面，失，直接影响转炉溅渣护炉，使转炉炉衬侵蚀严重，大 62580个节点. 大降低了转炉炉龄，增加了钢液中夹杂物的含量. 2.2 Fluent数值计算物理模型设定 Fluent数值计算物理模型设定钢液为可压缩流 1首钢转炉供氧制度改进思路体，非稳态湍流模型，用非耦合、隐式求解法计算，整个首钢82B转炉供氧制度优化改进在两方面开展：计算域采用k一ε模型计算.氧枪参数严格按照实际尺 (1)氧枪喷头的改造.(2)82B供氧工艺操作的改进. 寸进行计算高压氧气经氧枪喷入熔池，对熔池形成一定的冲击深度和冲击面积.冲击深度和冲击面积是保证转炉治炼 3 数值模拟结果分析 82B的重要治金工艺条件.原氧枪冲击面积小，氧气 3.1氧气射流场模拟结果利用率低，导致供氧时间长.为增加氧枪单位时间供图1是在氧压为0.80MPa时，新氧枪的射流速度氧量，在保证原操作氧压的情况下，适当增大了氧枪喉场分布.图1表明，新设计的氧枪在氧压为0.80MPa 口尺寸，经设计计算，氧枪喉口增加0.6mm,由原来的条件下，各喷管出口处速度达到450m/s,且持续到 36.0mm增加为36.6mm.冲击面积的大小会影响氧 0.22m左右.此后速度发生衰减，衰减速度大于原氧枪的化渣能力和脱碳速度.在保证合适冲击深度条件枪喷头，但衰减幅度小于原氧枪喷头.在1.0m时速度下，冲击面积越大，氧气射流与熔池的接触面积越大，约为186m/s,在1.5m时速度约为130m/s,最大射流有利于脱磷、脱碳。为此，氧枪喷头的改造倾向于喷孔宽度0.44m.新设计氧枪喷头提高了转炉供氧能力，间的夹角增大，从原来的12.5°增加为13.0°.改进前供氧强度的增加，有利于治炼周期的缩短，增大了反应后的氧枪喷头参数如表1所示. 区面积，可以提高氧气利用率，降低氧气消耗，增强了表1改进前后的氧枪参数熔池搅拌能力，有利于喷头使用寿命的提高。 Table 1 Oxygen lance parameters before and after the improvement 1.0 马赫喷孔喷孔夹喉口直出口直氧流量/ 类别数数角/(o)径/mm径/mm(Nm3.hl) 速度/m-g50100150200250300350400450 0.5 原氧枪2.0 4 12.5 36.0 46.5 15000~18000 优化后2.0413.036.6 47.6 20000 2氧枪射流场的Fluent数值模拟 0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 2.1三维氧枪喷头几何模型建立射流长度/m 根据表1中数据按1：1比例建立三维氧枪喷头几图1转炉氧枪氧气射流的速度场分布何模型，并进行网格划分.模型的计算空间域是从氧 Fig.1 Distribution of oxygen jet velocity of converter oxygen lance 气射流进入喷头开始到中500mm×3000mm的射流为进一步明确新氧枪射流场的优化，本文分别原氧枪优化后氧枪 0.80 MPa 0.85 MPa 0.90 MPa 图2不同氧压下射流流场速度分布 Fig.2 Distribution of jet velocity under different oxygen pressures

刘纲等: 首钢高 VTi 铁水转炉冶炼 82B 供氧制度优化渣时酸性物质少，且钒等元素被氧化为氧化物后黏度大，造成炉渣流动性差，影响了冶炼过程造渣脱磷等问题［1--2］．同时由于炉渣黏度大，钢渣反应界面较小，导致终点渣中 FeO 含量高，渣铁不分，造成大量金属损失，直接影响转炉溅渣护炉，使转炉炉衬侵蚀严重，大大降低了转炉炉龄，增加了钢液中夹杂物的含量［3--4］． 1 首钢转炉供氧制度改进思路首钢 82B 转炉供氧制度优化改进在两方面开展: ( 1) 氧枪喷头的改造． ( 2) 82B 供氧工艺操作的改进．高压氧气经氧枪喷入熔池，对熔池形成一定的冲击深度和冲击面积．冲击深度和冲击面积是保证转炉冶炼 82B 的重要冶金工艺条件．原氧枪冲击面积小，氧气利用率低，导致供氧时间长．为增加氧枪单位时间供氧量，在保证原操作氧压的情况下，适当增大了氧枪喉口尺寸，经设计计算，氧枪喉口增加 0. 6 mm，由原来的 36. 0 mm 增加为 36. 6 mm．冲击面积的大小会影响氧枪的化渣能力和脱碳速度．在保证合适冲击深度条件下，冲击面积越大，氧气射流与熔池的接触面积越大，有利于脱磷、脱碳．为此，氧枪喷头的改造倾向于喷孔间的夹角增大，从原来的 12. 5°增加为 13. 0°．改进前后的氧枪喷头参数如表 1 所示．表 1 改进前后的氧枪参数 Table 1 Oxygen lance parameters before and after the improvement 类别马赫数喷孔数喷孔夹角/( °) 喉口直径/mm 出口直径/mm 氧流量/ ( Nm3 ·h － 1 ) 原氧枪 2. 0 4 12. 5 36. 0 46. 5 15000 ～ 18000 优化后 2. 0 4 13. 0 36. 6 47. 6 20000 2 氧枪射流场的 Fluent 数值模拟图 2 不同氧压下射流流场速度分布 Fig． 2 Distribution of jet velocity under different oxygen pressures 2. 1 三维氧枪喷头几何模型建立根据表 1 中数据按 1∶ 1比例建立三维氧枪喷头几何模型，并进行网格划分．模型的计算空间域是从氧气射流进入喷头开始到 500 mm × 3000 mm 的射流空间．网格由 Gambit 软件生成．为了提高模拟的精确性，喷头部分采用四面体网格，圆柱空间采用六面体网格，对射流空间的网格沿半径方向先密后疏．划分后物理模型包含 104582 个网格，包含 267549 个面， 62580 个节点． 2. 2 Fluent 数值计算物理模型设定 Fluent 数值计算物理模型设定钢液为可压缩流体，非稳态湍流模型，用非耦合、隐式求解法计算，整个计算域采用 k--ε 模型计算．氧枪参数严格按照实际尺寸进行计算． 3 数值模拟结果分析 3. 1 氧气射流场模拟结果图 1 是在氧压为 0. 80 MPa 时，新氧枪的射流速度场分布．图 1 表明，新设计的氧枪在氧压为 0. 80 MPa 条件下，各喷管出口处速度达到 450 m / s，且持续到 0. 22 m 左右．此后速度发生衰减，衰减速度大于原氧枪喷头，但衰减幅度小于原氧枪喷头．在 1. 0 m 时速度约为 186 m / s，在 1. 5 m 时速度约为 130 m / s，最大射流宽度 0. 44 m．新设计氧枪喷头提高了转炉供氧能力，供氧强度的增加，有利于冶炼周期的缩短，增大了反应区面积，可以提高氧气利用率，降低氧气消耗，增强了熔池搅拌能力，有利于喷头使用寿命的提高．图 1 转炉氧枪氧气射流的速度场分布 Fig． 1 Distribution of oxygen jet velocity of converter oxygen lance 为进一步明确新氧枪射流场的优化，本文分别 · 57 ·

·76 工程科学学报，第38卷，增刊1 模拟了氧压分别为0.80、0.85与0.90MPa的条件防止中后期炉渣返干，应提高枪位，比原枪位高100至下，新氧枪与原氧枪的射流流场分布.从图2可以看 200mm.(2)对于一倒之前的拉C阶段，枪位为1.25 出，随着氧压的增大，射流冲击能力增强，对熔池的 m,由于新枪位略高，可适当延长拉C时间，应根据现搅拌较好，有利于扩大冲击面积，增强氧气与射流的场实际情况决定，(3)若在中后期化渣困难，建议适当反应加入氧化铁皮、污泥球等，以利于化渣 3.2射流压力场分布分析 4.2供氧流量的控制制度从图3可以看出，高压氧气流从喷管出来后，压力新氧枪的设定流量为21000m3/h,在实际操作过迅速降低.这是因为通过喷头后，氧气高压转化为射程当中，采取变流量操作，主要是在前中期防止泡沫渣流动能，压力迅速减小，速度增大的大量形成.具体的流量控制见表2 总压/MPa 0 表2氧气流量参数 0.9 0.8 Table 2 Oxygen flow parameters 0.7 0.6 时间/min 开吹~3 3~6 6~结束 05 0.4 流量/(m3.h-1) 21000 17000 19000 03 02 0.1 0.5 0 0.5 1.015 流量控制工艺应注意以下几点：(1)将氧气流量 2.0 2.5 3.0 射流长度/m 调小的时间大致在3min左右，应根据实际的来渣时间图3氧气射流的压力场分布进行调节，要比来渣时间略早0.5min.(2)中期把流 Fig.3 Pressure field distribution of oxygen jet 量调至17000m3/h,这个数值不是一成不变的，应在实根据以上数值计算结果可得：优化后氧枪治金性际的试验中寻求一个最佳数值，不仅能保证供氧强度能明显优于原枪头的治金性能和供氧时间，同时也要保证不能形成大量泡沫渣，防止前期喷溅.优化后氧枪的供氧时间为l3.3mi,比原氧 4氧枪供氧制度工业试验枪的l4.7min减少了1.4min.新氧枪在控制喷溅方面经数值计算确定新氧枪各项参数以后，再对新氧效果较好枪进行工业试验，进一步确定针对高钒钛铁水治炼 5结论 82B的供氧制度操作 4.1氧枪枪位制度的优化通过对首钢高钒钛铁水转炉冶炼82B供氧制度新氧枪氧气流量和氧压比原氧枪略大，所以枪位的优化研究得出以下结论：控制应比原氧枪提高100mm左右，新氧枪的枪位可控 (1)随着供氧氧压的增加，氧气射流冲击能力增制在1.25m至1.9m,这样能有效减少对炉底的冲刷. 强，熔池冲击面积增大，冲击深度增加，供氧强度增大具体氧枪枪位控制制度如图4所示有利于转炉化渣，有利于高钒钛铁水转炉治炼82B的化渣，提高炉渣流动性和脱磷效果，解决了化渣困难 20 问题. (2)优化后氧枪的供氧时间为13.3min,比原氧枪 1800 的l4.7min减少了1.4min,在供氧时间上有明显的优 160 化效果. (3)新氧枪在控制喷溅方面效果较好，在相同高 1400 度下新氧枪氧气射流所能到达径向距离大，对钢液的 1200 搅拌效果强，冲击半径积大，增强了熔池搅拌能力，有 1234567890123十◆ 利于整个治炼过程钢渣反应的进行，使钢铁料消耗降欧氧时问/in 低，有利于82B生产成本的降低图4氧枪枪位控制制度以上利用数值模拟与工业试验共同研究可得：针 Fig.4 Control system of lance heigh 对高钒钛复杂铁水怡炼82B的工艺，新的供氧制度治新氧枪供氧工艺操作应注意以下几点：(1)由于金性能明显优于原供氧制度.新的供氧制度在82B节新氧枪的正常工作氧压和流量均比原氧枪略高，为了能降耗方面表现尤为突出

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 模拟了氧压分别为 0. 80、0. 85 与 0. 90 MPa 的条件下，新氧枪与原氧枪的射流流场分布．从图 2 可以看出，随着氧压的增大，射流冲击能力增强，对熔池的搅拌较好，有利于扩大冲击面积，增强氧气与射流的反应． 3. 2 射流压力场分布分析从图 3 可以看出，高压氧气流从喷管出来后，压力迅速降低．这是因为通过喷头后，氧气高压转化为射流动能，压力迅速减小，速度增大．图 3 氧气射流的压力场分布 Fig． 3 Pressure field distribution of oxygen jet 根据以上数值计算结果可得: 优化后氧枪冶金性能明显优于原枪头的冶金性能． 4 氧枪供氧制度工业试验经数值计算确定新氧枪各项参数以后，再对新氧枪进行工业试验，进一步确定针对高钒钛铁水冶炼 82B 的供氧制度操作． 4. 1 氧枪枪位制度的优化新氧枪氧气流量和氧压比原氧枪略大，所以枪位控制应比原氧枪提高 100 mm 左右，新氧枪的枪位可控制在 1. 25 m 至 1. 9 m，这样能有效减少对炉底的冲刷．具体氧枪枪位控制制度如图 4 所示．图 4 氧枪枪位控制制度 Fig． 4 Control system of lance height 新氧枪供氧工艺操作应注意以下几点: ( 1) 由于新氧枪的正常工作氧压和流量均比原氧枪略高，为了防止中后期炉渣返干，应提高枪位，比原枪位高 100 至 200 mm． ( 2) 对于一倒之前的拉 C 阶段，枪位为 1. 25 m，由于新枪位略高，可适当延长拉 C 时间，应根据现场实际情况决定． ( 3) 若在中后期化渣困难，建议适当加入氧化铁皮、污泥球等，以利于化渣． 4. 2 供氧流量的控制制度新氧枪的设定流量为 21000 m3 / h，在实际操作过程当中，采取变流量操作，主要是在前中期防止泡沫渣的大量形成．具体的流量控制见表 2．表 2 氧气流量参数 Table 2 Oxygen flow parameters 时间/min 开吹～ 3 3 ～ 6 6 ～结束流量/( m3 ·h － 1 ) 21000 17000 19000 流量控制工艺应注意以下几点: ( 1) 将氧气流量调小的时间大致在3 min 左右，应根据实际的来渣时间进行调节，要比来渣时间略早 0. 5 min． ( 2) 中期把流量调至 17000 m3 / h，这个数值不是一成不变的，应在实际的试验中寻求一个最佳数值，不仅能保证供氧强度和供氧时间，同时也要保证不能形成大量泡沫渣，防止前期喷溅．优化后氧枪的供氧时间为 13. 3 min，比原氧枪的 14. 7 min 减少了 1. 4 min．新氧枪在控制喷溅方面效果较好． 5 结论通过对首钢高钒钛铁水转炉冶炼 82B 供氧制度的优化研究得出以下结论: ( 1) 随着供氧氧压的增加，氧气射流冲击能力增强，熔池冲击面积增大，冲击深度增加，供氧强度增大有利于转炉化渣，有利于高钒钛铁水转炉冶炼 82B 的化渣，提高炉渣流动性和脱磷效果，解决了化渣困难问题． ( 2) 优化后氧枪的供氧时间为 13. 3 min，比原氧枪的 14. 7 min 减少了 1. 4 min，在供氧时间上有明显的优化效果． ( 3) 新氧枪在控制喷溅方面效果较好，在相同高度下新氧枪氧气射流所能到达径向距离大，对钢液的搅拌效果强，冲击半径积大，增强了熔池搅拌能力，有利于整个冶炼过程钢渣反应的进行，使钢铁料消耗降低，有利于 82B 生产成本的降低．以上利用数值模拟与工业试验共同研究可得: 针对高钒钛复杂铁水冶炼 82B 的工艺，新的供氧制度冶金性能明显优于原供氧制度．新的供氧制度在 82B 节能降耗方面表现尤为突出． · 67 ·

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