新一代钢包喷射冶金工艺(L-BPI)技术开发与应用（之一）
时间：2016-02-16 08:31 来源：未知 作者：admin 点击：次
1研究背景
目前，随着科学技术和经济的发展，钢材用户对钢材质量的要求越来越严格。钢中杂质元素、夹杂物等对钢的性能影响极大。1962年Kiessling首次提出了洁净钢一词。直到20世纪70年代末至80年代初，洁净钢才转向量化生产。此后，洁净钢的生产拓展到从超低碳钢到高碳钢的广泛领域。洁净钢的生产水平已成为企业综合竞争能力的重要表现之一。高效率、低成本洁净钢平台建设作为一项具有普适性、基础性、事关钢厂效率、质量、成本的共性关键技术，对提高企业市场竞争力具有重要意义。近十几年来，国内外对洁净钢的研究给予了高度重视和极大关注。
在钢铁生产过程中，由于硫对钢的性能有着多方面的不利影响，因此其成为主要的脱除或控制元素。不同钢种对硫含量有着严格的规定，如普通钢要求硫含量[S]≤0.05%，优质钢[S]≤0.02%，低硫钢[S]≤0.001%，超低硫钢[S]≤0.0005%。为了减少铸坯的内部质量缺陷和提高表面质量，要求钢中的含硫量应小于0.020%。为了减少结构钢的各向异性，使其具有良好的机械性能，钢的含硫量应小于0.010%。特别是输油管、天然气输送管、厚船板、航空钢等，其要求含硫量都要小于0.005%，磷含量小于0.01%或0.005%。此外，为了降低氧气转炉钢的生产成本和实行少渣炼钢，也要求铁水磷含量小于0.015%。尤其在长流程中，要生产出低硫（磷）钢和超低硫（磷）钢，对铁水进行预处理是一种行之有效的解决方法。铁水预处理对于优化钢铁冶金工艺、提高钢的质量、发展优质钢种、提高钢铁冶金的综合效益起着重要作
铁水炉外脱硫现在已有数十种处理方法。目前所采用的大致可分为分批处理法和连续处理法两大类，其中分批处理法又可分为铺撒法、倒包法、机械搅拌法、吹气搅拌法、喷射法、镁脱硫法等等。目前广泛用于生产的是机械搅拌法和喷吹法。
由于喷吹法是在喷吹气体、脱硫剂和铁水三者之间充分搅拌混合的情况下进行的，因此脱硫效率高、处理时间短、操作费用较低，并且处理铁水量大、操作方便灵活，受到极大重视，成为应用最广泛的铁水脱硫处理方法。值得注意的是，日本和韩国钢厂普遍改用KR脱硫预处理，国内新建的大型钢厂也大量采用了KR法脱硫。但无论是哪种方法都具有一定的局限性，具体表现在：①转炉炼钢时的回硫现象削弱了铁水预脱硫的实际效果；②搅拌器或喷枪会污染铁水；③铁损较大。
对于超低硫钢生产，在铁水预处理和转炉冶炼的基础上，还需要进行钢水二次深脱硫，方法主要有LF搅拌脱硫、RH喷粉脱硫、钢包喷粉脱硫。二次精炼的喷粉装置按载具与钢水的接触方式可简单分为两类，一类为直接接触型，如SL、TN、KIP、V-KIP、VOD-PB、RH-PB等，即喷枪插入钢液中与液体接触；另一种是非接触式如RH-PTB，喷枪不与钢液接触。通过浸入式喷枪，即通常所称的顶枪，向钢水喷吹合金粉或精炼粉剂，该工艺反应速率快、处理周期短，但其存在喷溅、钢液二次污染严重、操作稳定性和灵活性较差等问题，其应用受到了限制。对于非接触式喷粉如RH-PTB，即RH顶喷粉法在顶吹氧循环真空脱气法（RH-KTB）的基础上配备喷粉系统，通过顶枪向真空室钢水内喷吹脱硫粉剂，构成RH-PTB（或RH-KTB/PB）工艺，可实现真空喷粉脱硫。但其存在诸多问题：①RH内的枪位过高，影响脱硫效果，枪位过低，喷头易结冷钢，且易被钢水烧坏；②粉气流会冲击RH内壁，缩短内壁耐火材料的使用寿命；③水冷喷枪是由多层无缝钢管制成，价格昂贵；④若突然停水或停电等极易引发重大事故。
因此，开发高效、低成本的炉外处理新工艺、新技术显得十分重要而迫切
通过安装在钢包底部的透气砖吹氩已是最为普遍而简捷的炉外精炼手段，如果能开发出通过安装在钢包底部透气砖位置的元件喷吹精炼粉剂或合金化的合金粉的精炼新工艺，即新一代钢包喷射冶金工艺技术L-BPI（Ladle-Bottom Powder Injection）。
此新工艺技术具有以下优点：
（1）与其相关的各种配套技术成熟，易于实现
（2）气量可调节的范围大；
（3）改造投资低，不改变原有工艺；
（4）搅拌效果比传统的顶吹理想。
L-BPI属于一种全新的炉外精炼工艺，不同与传统的喷射冶金工艺如IR-UT、TN、SL、RH-IJ等，该工艺的成功开发，将对钢的炉外处理和生产流程产生变革。L-BPI工艺技术将明显提升二次精炼效率与效果，这样不仅可以考虑不需要进行铁水脱硫预处理工艺，而且也可以考虑不进行LF处理，从而缩短整个生产工艺流程，提高生产效率，降低成本，对钢铁工业的节能减排也意义深远。
虽然国内外学者自20世纪70年代以来对喷射冶金工艺技术进行了大量的理论和实验研究及工业实践，但粉剂的喷吹都是通过由耐火砖制成的顶枪插入铁水或钢水来实现的。钢包底喷粉工艺则是将粉剂用载气经喷粉元件送入钢水深部，使粉剂与钢水充分接触，在上浮时完成精炼过程。因此，与传统的钢包底吹氩精炼相比较，钢包底喷粉用喷粉元件的要求更加严格
从可行性角度考虑，要求喷粉元件的缝隙足够大，保证输送过程的稳定性和连续性，不发生脉动和堵塞现象；粉剂的浓度和流量在一定范围内可以调节和控制；气固混合物具有较大的喷出速度，使颗粒能进入金属液中以提高其利用率，同时反应过程又不发生喷溅。
从安全性角度考虑，要求喷粉元件的缝隙尺寸足够小，以防止熔钢渗透。底喷粉用的元件所处的环境较吹氩透气砖更加苛刻，在高温粉气流环境下，其表面受强烈的机械磨损，同时因喷吹粉粒的作用，导致侵蚀，而且在实际操作中还需要承受因温差作用而产生较大的热应力。
因此，此新工艺技术要实现实际应用，需解决钢水渗漏（安全性）、粉剂堵塞（稳定性）、喷吹元件使用寿命（可靠性）、底喷气-粉-钢液多相流行为与脱硫动力学（精炼的效率与效果）等关键技术问题。
东北大学朱苗勇教授及其研究团队在国家自然科学基金重点项目资助下，对新一代钢包喷射冶金工艺（L-BPI）进行了探索性研究，从理论上揭示了底喷粉元件缝隙内粉气流的运动规律，提出了防钢液渗漏和粉剂堵塞的钢包底喷粉元件设计理论，研制出既可钢包底喷粉又可喷吹气体的元件，设计出了底喷粉工艺装置，授权了“狭缝式钢包底喷粉工艺及装置”、“棱台缝隙式防堵钢包底喷粉装置”、“一种金属缝隙式钢包底吹喷粉装置”、“一种旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置”、“求取钢包底喷粉元件缝隙长宽的方法”、“钢包底吹喷粉漏钢检测装置及漏钢检测法”、“一种RH真空精炼底吹喷粉装置（RH-BPI）”等7项国家发明专利，成功实施了实验室冷态和热态试验，为开发新一代钢包喷射冶金工艺技术奠定了坚实基础
2关键共性
L-BPI工艺首先要解决钢水渗透和粉剂堵塞的问题。使用狭缝以克服钢水的渗透是一种较佳途径，狭缝型供气元件的防渗透能力、气体可控能力强的特点已得到实际验证。狭缝型喷粉元件作为底喷粉新工艺重要功能元件，在二次精炼底喷粉领域是属于一种新的尝试。因此，研究设计既能防钢水渗漏又能防粉剂堵塞的底喷粉元件结构进行底喷粉以实现钢水脱硫、乃至脱氧合金化处理是首先要解决的关键问题；其次，粉气流对喷粉元件的狭缝会产生摩擦和磨损，喷粉元件工艺的稳定性及其使用寿命以适应钢包精炼炉次的要求是需解决的第二个关键问题；涉及钢包底喷粉精炼效率与效果的传输现象及反应工程学理论探索与描述是需要解决的又一个关键问题。
针对此新工艺所涉及的重大理论与关键技术问题开展深入研究，以奠定此新精炼工艺技术工业化的理论和应用基础。为此，需要解决以下L-BPI工艺开发所面临的关键技术难点。
2.1提出底喷粉元件的设计理论
揭示钢包底喷粉的钢液渗漏和粉剂堵塞机理，提出底喷粉元件的设计理论，这是L-BPI精炼新工艺能否实现的前提条件，也是此新工艺技术研究开发的基础。要实现钢包底喷粉，既要保证输送过程粉气流稳定和连续，不发生脉动现象，喷粉元件不发生堵塞，压力损失小，粉剂的浓度和流量在一定范围内可以调节和控制，气固混合物具有较大的喷出速度，使颗粒能进入金属液中以提高其利用率，又要保证喷粉元件安全可靠，不发生漏钢的危险。为此，需要从理论上研究分析决定钢包底喷粉元件中缝隙内钢液渗漏的极限力以及影响钢液向缝隙内渗透的影响因素，揭示钢液渗漏速度和渗漏深度随时间的变化规律；需要从理论上对粉气流在喷粉元件内的运动规律作出描述，揭示粉粒速度、气流速度与气流密度、颗粒尺寸、气体黏度等的定量关系，以及粉气流行为与喷粉元件内缝隙尺寸之间的内在关系。
2.2研制出抗磨损和耐高温侵蚀的喷粉元件
揭示钢包底喷粉元件磨损与高温侵蚀机理，研制出抗磨损和耐高温侵蚀的喷粉元件，这是此新工艺技术成功开发的关键。底喷粉元件所处的环境较传统的钢包底吹氩透气砖更加苛刻，在实际工作条件下，其表面将受强烈的机械磨损，同时喷吹粉粒与其作用，导致化学侵蚀，而且实际还需要承受因温差而产生的热应力作用。为此，研究粉气流行为对不同材质喷粉元件磨损的影响规律，研究喷粉元件在实际高温工作环境条件下承受热冲击、钢水搅拌冲刷蚀损以及高温熔渣侵蚀的能力，掌握其材质、性能、使用条件或环境对其工作状态的影响规律。
2.3揭示钢包底喷粉射流行为、多相流行为和精炼动力学
揭示钢包底喷粉射流行为、多相流行为和精炼动力学，这是此新工艺技术实现工业应用的重要理论基础。喷枪喷粉与狭缝元件喷粉其射流形态会有很大差异，必然会带来不同的熔池特性，进而影响粉剂在钢液中的行为。需要定量描述各工艺参数对底喷粉过程鼓泡流和射流形成的影响规律，揭示颗粒粉剂粒度、固气比、狭缝几何参数、载气操作参数、钢包参数等对粉剂的穿透比、气粉流在钢液中行为的影响规律，以及与精炼效率之间的内在关系。同时，通过钢包底部喷入精炼粉剂，将在钢包熔池内进行气－固－液的多相流，其行为极其复杂，不仅直接对钢包底喷粉的效果和效率产生直接影响，而且在一定程度上会对底喷粉元件的寿命产生影响，需要全面真实揭示钢包底喷粉过程中熔池的多相流行为和反应动力学，为工业试验和应用提供依据和指导。
2.4 L-BPI工艺的可靠性与应用可
L-BPI工艺的可靠性与应用可行性，这是此新工艺应用和推广的技术保障。需要在实验室理论与实验研究的基础上，进行中间规模的现场试验，重点研究考察研制的钢包底喷粉元件的工作状态、喷粉工艺参数对喷粉元件工作状态及效果的影响规律，为工业试验积累数据和经验。在此基础上，对底喷粉元件和喷吹参数进行进一步完善，进行实际生产的应用试验研究，研究探讨工业应用的可能性和可操作性，并实现工业应用。
(来源：钢铁产业)
