[科普中国]-钢包喷粉法

简介

利用载气将粉剂喷入钢包内的钢水中进行喷射冶金的炉外精炼处理技术，其主要作用是脱硫、成分调整和均匀化、调整温度、排除夹杂物和进行夹杂物形态控制等。钢包喷粉是20世纪60年代末期由德国蒂森—尼德尔汉(Thyssen-Niederrhein)钢铁公司开发成功的，以该公司名称首写字母简称为TN法。70年代推广到瑞典、日本、美国和中国等一些国家，成为广为采用的一种喷射冶金方法。

炉外精炼所谓炉外精炼，就是将在转炉或电炉内初炼的钢液倒入钢包或专用容器内进行脱氧、脱硫、脱碳、去气、去除非金属夹杂物和调整钢液成分及温度以达到进一步冶炼目的的炼钢工艺，即将常规炼钢炉中完成的精炼任务，如去除夹杂（包括不需要的元素、气体和夹杂）、调整成分和温度的任务，部分或全部地移到钢包或其他容器中进行，变一步炼钢法为二步炼钢，即把传统的炼钢过程分为初炼和精炼两步进行。（国外也称之为二次精炼、二次炼钢、二次冶金和钢包冶金。）

喷吹设备主要组成部件有喷粉罐(又称分配器)、气力输送系统、喷枪及其升降回转系统、粉剂供给系统、钢包和控制室等。为缩短粉料输送距离，将喷粉罐安置在喷枪架上，随着喷枪一起升降和回转。这种布置方式使喷枪架系统结构设计较复杂，瑞典兰瑟公司在70年代制作的钢包喷粉装置将喷粉罐移至车间工作平台(SL法)，使用和维护比较方便。

喷粉罐喷粉罐用于储存1～2次喷吹处理用粉料，喷吹时，由喷粉罐送出的粉料流量应均匀、无脉动、不堵塞，且可调节。喷粉条件下喷粉罐内气体压力一般为1.0×106Pa，喷粉罐的容积按处理钢水1～2次的粉剂消耗量及粉料的松装密度计算，并考虑15%～20%富余空间。石灰粉、渣粉和各种金属粉剂的松装密度差别较大，在设计喷粉罐容积时，可取松装密度为1000kg/m3(如CaSi粉)进行计算。喷粉罐下部为倒锥体形以便于粉料的排出。锥体部分的锥角α是设计喷粉罐的重要参数之一，其值按下式确定：

α0.3×105Pa。

输送管道和喷枪将喷粉罐送出的粉料用气体输送到喷枪的连接管道为输送管道。输送管道的内径、长度和布置以及气体输送参数，决定着粉料在管道内的流动条件。粉料在管道内流动的关键参数是气流速度，当气流速度足够高时，所有的颗粒都能悬浮输送而不发生沉积。在给定条件下不发生沉积的最小气流速度为临界输送速度。

喷枪是将粉剂喷入钢水深部的装置。喷枪本身由耐火材料保护的金属管构成，喷头部分设计有单孔、双孔和多孔式的。确定喷孔直径时主要考虑气粉流由喷孔流出时可以保证钢水不会灌入喷孔。瑞典兰瑟公司在钢水喷粉处理时(粉气比为20～40kg/m3)按气流由喷枪喷孔出口速度不小于100m/s来计算孔口尺寸。初期喷枪多用黏土砖套管保护，寿命为1～2次，后逐渐为高氧化铝质耐火材料整体成型喷枪所取代，使用寿命增至10次以上。喷吹操作时，喷枪固定于喷枪架上，可上下升降，也可旋转出钢包区。为保证喷吹操作的成功，喷枪系统安置了自动控制系统，如自动定位、自动计量、自动开喷和停喷和事故性自动抬枪停喷等。

喷吹工艺包括粉剂选择、钢水顶渣准备和喷吹。

粉剂选择用于钢包脱硫的粉剂有：石灰粉、CaSi粉、苏打粉、CaC2、稀土元素粉剂、盐敷镁粒以及各种成分的合成渣粉，用于夹杂物控制时主要喷吹含Ca或Mg的粉剂。合金化和脱氧用粉剂则为各种金属元素或合金粉剂。粉剂的使用粒度一般为1.0mm以下，粉剂中不得含有大于规定含量的水分，以避免向钢水中带入氢。中国产的标号为硅钙31和硅钙28的硅钙合金粉剂均可用于钢包喷粉。用于钢包脱硫的石灰粉剂CaO含量应大于90%，H2O应小于0.5%，且抗潮解。采用多种粉剂程序喷吹(如CaO-CaSi或CaO-CaSi-CaO等)时，采用多罐喷吹并编制好喷吹程序。

钢水、顶渣准备当一炉钢被决定炉后进行喷粉处理时，需按喷粉处理要求从出钢前开始进行钢水的处理前准备。出钢温度应比不处理钢水提高30～50℃，以补偿喷吹处理的降温;添加合金剂时要考虑粉剂所带入(如CaSi中的Si)的数量，如需喷粉增碳和成分调节时，事先确定钢中有关元素的含量;钢水量也是必备的基本数据之一。钢包中出钢残留渣状况是钢包喷粉成败的关键条件之一。一般包中喷前残留渣量控制在钢水量的1%～2%，渣中FeO控制在5%以下，碱度控制在出钢渣水平。一般氧气转炉出钢前炉内渣量多，FeO接近于20%，因此喷粉前要采取挡渣出钢、顶渣脱氧和投入合成渣重新造渣等措施进行处理和调整，否则不仅达不到精炼净化钢水目的，甚至可造成钢中夹杂物新的污染。生产中曾发生过喷粉处理钢的质量不够稳定、钢水回磷、脱硫率低等问题，主要原因即是喷前包中顶渣准备不当所造成。

喷粉与成分调整钢水和顶渣准备好的钢包送至喷粉处理站处理。一般条件下钢水脱硫处理用石灰粉单耗为2～4kg/t，CaSi粉单耗为1～2kg/t钢。对于脱氧良好、钢中残铝量适当的钢水，喷吹2～3kg/tCaSi粉，可以获得良好的夹杂物形态控制效果。喷粉处理时间一般为5～10min。常用钢包喷粉处理的钢种为低硫钢和要求夹杂物形态控制的钢种。对气体含量要求严格的钢种，通常在喷粉处理后再进行钢液真空脱气。利用钢包喷粉添加合金元素和成分调整是常用方法之一。由于采用浸没式喷枪将粉剂送入钢水深部，故可提高加入元素的收得率。下表列举出喷粉法加入一些合金材料的收得率。1

表 喷粉法加入合金材料的收得率

|| ||