攀鋼煉鋼廠方坯RH 頂槍槍頭結構優化與應用

崔瑞剛

(攀鋼釩提釩煉鋼廠，四川 攀枝花 617000)

0 前言

RH 法煉鋼是提高煉鋼質量最主要的爐外煉鋼方法之一，而頂槍槍頭是為RH 法煉鋼提供全部氣體的唯一設備，其結構的合理與否，直接關系到煉鋼的效率和煉鋼質量?，F有國外RH 法煉鋼使用氧氣－天然氣為煉鋼過程提高能量，氣體輸入設備為多功能頂槍、采用內混式槍頭結構;使用的氣體中，天然氣成分為98% CH4、低發熱值為36.59 MJ/m3。而國內RH 法煉鋼用焦爐煤氣，其主要成分為59.2% H2、23.4% CH4，低發熱值僅為17.62 MJ/m3，這種煤氣由于是鋼鐵聯合企業內的自產焦爐煤氣，能大大的節約RH 精煉設備的投資和使用成本;但是要達到相等的熱功率就必須要加大焦爐煤氣的使用量。

1 MFB 設備及生產應用

MFB 設備主要由水冷系統、頂槍升降系統、頂槍孔密封裝置、供氣系統及控制系統等組成。為了保證設備運行安全性，系統設置了頂槍進出水溫度差、流量差報警、多個頂槍升降位置極限及火焰檢測等裝置。其中:MFB 燃燒條件是真空室溫度高于800 ℃，通過真空室內熱量自燃，通入氧氣最大流量為2000 Nm3/H，煤氣最大流量600 Nm3/H，通過設備冷卻水70 Nm3/H 對槍體全面冷卻。MFB 頂槍槍體由外及內分別為進水管、出水管、煤氣管、氧氣管4 層管道。其中煤氣管道的出口為分布均勻的12 個圓孔(改進后)，出口為拉瓦爾噴頭形式，保證氧氣的出口速度和穿透力。

MFB 頂槍連接焦爐煤氣、氧氣，煤氧燃燒放熱可用來烘烤真空室耐材，清除真空室內壁積渣。

1.1 真空室預熱升溫

真空室砌筑多為鎂鉻質耐火材料，對溫度敏感性高，提高溫度，可減少耐火材料剝落侵蝕，提升耐火材料使用壽命，因此確保真空室高溫運行是RH 穩定生產的重要前提。

1.1.1 點火方式

根據真空室內溫度狀況，有兩種點火方式:人工點火、自動點火。

人工點火。在現場點燃火把，氮氣吹掃管道以后，手動開啟煤氣閥(煤氣流量30～50m3/h)，點燃煤氣后，逐步調整煤氣開口度至煤氣流量為400～600 m3/h，調整氧氣流量100～150 m3/h，現場下槍至室內待吹點以下烘烤位烘烤。

自動點火。真空室內壁溫度達800 ℃以上，內壁磚發紅?？稍贛FB 處于室內待吹點后，確認下槍條件到位，設定烘烤槍位、烘烤流量、煤氧比等參數，點擊自動下槍。到了設定高度，MFB 會自動停槍，同時按照設定流量開啟氧氣、煤氣閥。完成自動點火。加熱期間可以通過裝置在頂槍頂部的火焰監視器對加熱進行監護，通過調整加熱槍位和加熱參數配比調整加熱速度，烘烤過程以加熱火焰充盈整個真空室，火苗從插入管下端冒出300～350 mm 長為宜，避免烘烤真空室局部，有針對性對真空室下部槽及插入管進行加熱，已免形成溫度梯度，影響下部槽及插入管使用壽命。

1.1.2 烘烤煤氧比參數

焦爐煤氣組成為:H2=55%～60%;CH4=23%～27%;CO=5%～8%及其它。

燃燒反應式如下:

焦爐煤氣與氧氣充分燃燒的比例為:1∶0.75。

1.1.3 預熱狀態

MFB 對真空室的加熱分冷室烘烤、熱室烘烤及在線烘烤。其中冷室烘烤因為真空室內壁溫度低于800 ℃以下，故采用人工點火;熱室烘烤多是真空室從離線烘烤器吊運到在線后為了彌補溫度損失，采用MFB 加熱到滿足過鋼條件，一般真空室烘烤到800 ℃以上。在線烘烤多為雙工位過鋼間隙對真空室加熱。圖1、圖2為真空室3 種預熱狀態對應的溫度范圍及烘烤流量設定。

圖1 真空室烘烤的升溫曲線Fig.1 Vacuum chamber baking temperature curve

圖2 真空室烘烤流量設定曲線Fig.2 Vacuum chamber baking flow set curve

1.2 RH 真空室殘渣殘鋼去除

真空室在抽真空過程中有部分鋼包里的鋼渣隨同鋼水進入到真空室內，處理結束，鋼水流入到鋼包中，而部分鋼渣則積聚在真空室內壁上。鋼渣含氧量高，在下次抽真空時與鋼水中碳氧發生反應，真空情況下，熔渣呈乳化泡末狀，在CO 氣體帶動下發生噴濺，嚴重時堵塞真空室合金下料口、攝像孔及氧槍孔，影響生產的穩定。同時在真空處理一段時間之后，作為真空抽氣的通道，真空室頂部熱彎管部位鋼渣積聚，阻塞煙氣通道，影響抽真空效果，對部分需要脫氫的鋼種影響明顯。為了保證生產順行，真空室內壁及真空室頂部熱彎管部位的鋼渣都必須及時去除。

1.2.1 真空室內壁鋼渣的去除

調整MFB 的煤氧比到1∶1.5。利用處理間隙向真空室內富氧烘烤，可快速去除真空室內殘鋼、殘渣。熔渣呈液態狀從插入管下口流出。同時氧槍可在真空室內上下自由移動，有效去除整個真空室內殘渣，一般流渣頻次為生產5 爐鋼流渣一次，每次流渣時間控制以大于30 min為宜。

1.2.2 拱頂熱彎管積渣清理

RH 真空爐拱頂熱彎管屬于煙氣通道，生產一段時間之后，真空室頂部鋼渣積聚，阻塞煙氣通道。傳統方法是人工安裝煤氧槍，從頂部人孔門燒掉積渣。但有如下缺點:

(1)費時費力，勞動強度大。

(2)不安全，燒渣時鋼渣飛濺，極易燒傷人和設備。

采用MFB 處理真空室頂部積渣，可方便、安全的清理拱頂積渣?？刂坪侠順屛槐ＷCMFB槍出火點可以燒到頂部積渣，煤氧比1∶1.5，利用MFB 產生熱量熔化真空室頂部積渣。

圖3為真空室拱頂積渣及MFB 頂槍示意圖。采用MFB 處理真空室頂部積渣后，去除拱頂氣流通道周圍積渣效果明顯，拱頂MFB 槍孔下及攝像頭下積渣大大減少，為穩定安全生產創造了條件。需要注意的是燒渣后第一爐生產時，先用部分合金對真空室內殘渣進行預脫氧，防止生產過程發生噴濺。

圖3 真空室拱頂積渣與MFB 頂槍示意圖Fig.3 Vacuum chamber arch slag accumulation and MFB top lance schematic diagram

2 改進前頂槍槍頭缺陷

改進前的頂槍槍頭如圖4。該結構形式是大量的氣體在槍頭體內混合、便會產生很大的噪音，含H2量較高的焦爐煤氣在混合燃燒的過程中，極容易發生回火，燒壞槍頭體;而且由于槍頭采用的是內混式結構，在現場使用時，由于氧氣的壓力為1.0 MPa，煤氣的壓力僅為0.05 MPa，所以加熱時，氧氣對煤氣有較大的阻礙作用，從而使得煤氣流量達不到設定值，造成整個煉鋼的加熱和化渣時間延長，而且煤氣燃燒不充分，還會造成槍頭體燒損，影響真空生產以及線外真空室插入管的修復。

3 槍頭改進方案

本方案所要解決的技術問題是:提供一種噪音小、煤氣的流量能穩定達到設定值的RH 法煉鋼用頂槍槍頭。改進后的槍頭如圖5 所示。

圖4 改進前頂槍槍頭結構示意圖Fig.4 Top gun head structure schematic diagram before improvement

圖5 改進后頂槍槍頭的結構示意圖Fig.5 The improved structure of the top lance head sketch

為解決上述技術問題所采用的技術方案是:一種RH 法煉鋼用頂槍槍頭，包括在一端至少連接有氧氣輸送通道和煤氣輸送通道的槍頭體，在槍頭體上設置有分別與氧氣輸送通道和煤氣輸送通道連通的氧氣輸送孔和煤氣輸送孔，氧氣輸送孔的出口端和煤氣輸送孔的出氣端均位于槍頭體另一端的端面上，并在該端面外形成氧氣和煤氣的混合燃燒區。氧氣輸送孔位于槍頭體的中心部位，煤氣輸送孔位于氧氣輸送孔的外側;氧氣輸送通道和煤氣輸送通道分別由位于槍頭體同側的多根同心管構成，位于中心部位、與氧氣輸送孔連通的同心管構成氧氣輸送通道，位于氧氣輸送通道外側、與煤氣輸送孔連通的同心管與相鄰的同心管構成煤氣輸送通道。

上述方案的優選方式是，所述氧氣輸送孔為一個，煤氣輸送孔為多個;所述多個煤氣輸送孔均布在氧氣輸送孔外側的四周，同時各相鄰同心管之間設置有定距加強塊。

4 頂槍槍頭改進前后的流量、熱量對比

熱量計算公式如下:

式中，Q為燃氣熱量，MJ/m3;L為燃氣流量，m3/h;HL為燃氣低熱值，MJ/m3;d為燃氣噴嘴孔徑，mm;p為燃氣壓力，Pa;s為燃氣相對密度，kg/Nm3。

攀鋼焦爐煤氣低熱值為17.62 MJ/m3，相對密度為0.45 kg/Nm3，煤氣壓力0.05 MPa。

改進前頂槍槍頭的熱量為(煤氣流量最大能達到450 m3/h):

改進后頂槍槍頭的熱量為(煤氣流量最大能達到600/h):

結構優化后的方坯RH 頂槍槍頭于2008 年在某廠2#RH 真空頂槍上開始應用。運用后，加熱化渣時在槍頭外部進行混合燃燒，這種結構煤氣能充分燃燒，避免回火現象的發生，加熱時間比原來提高2 h，化渣時間比原來節約1 h，槍頭的使用壽命由原來的3 個月延長到現在的1 年，減少了備件費用和職工作業率，提高了RH 生產作業率。

5 結論

(1)通過將設置在頂槍槍頭體上的煤氣輸送孔的出氣端從氧氣輸送孔的內壁改到與氧氣輸送孔出口端相同的槍頭體的外端面上，從而使分別由煤氣輸送通道、煤氣輸送孔構成的煤氣通道和由氧氣輸送通道、氧氣輸送孔構成的氧氣通道分開，并在頂槍槍頭體外側形成外混結構的混合燃燒區，這樣即使由于使用低熱值的自產焦爐煤氣而需要加大煤氣輸入量也不會產生很大的噪音，同時煤氣通道和氧氣通道各自獨立，也不會由于壓差原因，造成在輸送時氧氣對煤氣的限制作用，進而保證煤氣流量達到設定值，給煉鋼提供充足的熱量，縮短加熱時間和化渣時間。

(2)真空室預熱烘烤煤氧比設定1:0.75 可確保煤氣燃燒，提高烘烤效果，調整加熱槍位、加熱參數配比和加熱速度，可對整個真空室進行烘烤，避免形成溫度梯度，影響下部槽及插入管使用壽命。

(3)真空室流渣煤氧比設定1∶1.5，可有效去除真空室內壁、拱頂積渣，為生產創造條件。

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