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在頂吹轉爐的氧氣（O2）吹煉過程中，由于鋼液浴缺乏混合，在鋼液中會產生化學成分和溫度的不均勻性。在轉爐噴射腔的正下方有一個相對死區(qū)。改進頂吹轉爐煉鋼工藝的必要性導致了聯(lián)合吹煉工藝的發(fā)展。

聯(lián)合吹煉工藝也被稱為頂底吹煉或混合吹煉工藝，其特點是既有頂吹噴槍，又有從底部實現(xiàn)攪拌的方法。混合吹制的配置差異主要在于底部的壺嘴或凈化元件。這包括從完全冷卻的壺嘴，到非冷卻的壺嘴，再到可滲透的元件。底部攪拌系統(tǒng)的需求對于生產一系列高質量的高要求鋼種是必要的，對于工藝的經濟性也是至關重要的。因此，攪拌的正常功能必須在基本氧氣轉爐（BOF）的整個運行過程中得到保證。圖1顯示了頂吹和聯(lián)合吹煉的煉鋼工藝。

圖1 頂吹和聯(lián)合吹煉鋼工藝

目前，在初級煉鋼廠普遍采用上下聯(lián)合吹煉轉爐的方式。在聯(lián)合吹煉轉爐中，熔池的攪拌和混合是由頂部吹出的氧氣噴射器和底部的惰性氣體流強制進行的，這可以實現(xiàn)熔池的高混合效率。在極少數情況下，O2也會從底部與同心雙管壺嘴一起注入，以控制壺嘴出口處的溫度和底部的磨損。然而，由于惰性氣體吹掃通常能對磨損、吹掃元件和底部的使用壽命進行更高的控制，大多數轉爐都配備了底部攪動的氣體吹掃塞子。

第一個被商業(yè)化接受的聯(lián)合吹掃實踐是由ARBED-IRSID開發(fā)的LBE（Lance Bubbling Equilibrium）工藝。該工藝與BOF工藝的關系更為密切，因為所有的氧氣都是由頂部的噴槍提供的。組合吹氣方面是通過安裝在轉爐底部的一組多孔元件實現(xiàn)的，氬氣（Ar）或氮氣（N2）通過這些元件被吹出。在LBE工藝中，N2氣體通常幾乎完全用于吹氣的大部分時間，范圍在每分鐘3正常立方米（N cum/min）到11N cum/min之間。然而，在吹氣的后期，當N2的吸收可能會產生問題時，氬氣被用于攪拌。此外，Ar幾乎完全作為惰性氣體用于吹煉后的攪拌，這時的速率增加到10N cum/min到17N cum/min。圖2顯示了一個帶有底吹元件的LBE轉爐。

在聯(lián)合吹煉過程中，底部攪拌使用惰性氣體，如N2和Ar，被廣泛用于改善BOF的混合條件。惰性氣體是通過滲透元件（LBE工藝）或壺嘴引入爐底的。在一個典型的實踐中，在O2吹氣的前60％至80％的過程中，將N2氣體通過通風口或滲透性元件引入，而在吹氣的最后40％至20％的過程中開啟Ar氣體。在O2吹氣的前半部分，CO的快速演化可以防止鋼中的N2被吸收。多孔元件的剖面圖見圖2。

圖2 LBE轉換器與多孔元件的輪廓和塞子的類型

底部堆積和隨后的多孔元件損失是與該工藝相關的主要問題。維持LBE元件運行的困難導致了對非冷卻水口的應用。在這里，O2是通過頂部的噴槍輸送的，而惰性氣體是通過管狀設計的元件從轉爐底部引入熔池的，這些元件通常是由設置在耐火材料基體中的六個小管子組成。由于橫截面積較大，需要保持較大的流速，以保持水口的運行。

底塞/噴嘴的配置

組合吹氣的最初發(fā)展基本上是基于用于底吹的三種底塞。首先，有一種耐火材料元件，其行為很像多孔塞子。這種裝置是由帶有小縫隙的壓實磚塊制成。如同大多數鼓風爐一樣，它需要足夠的氣體壓力來防止鋼筋穿透。這種裝置比多孔塞的穿透力更強。第二，使用未冷卻的tuyere來引入每個噴嘴的大量惰性氣體。這導致了局部的劇烈攪拌，可以更容易地穿透堆積物。不能使用空氣或O2，因為沒有冷卻劑，產生的熱量使推流器的壽命太短，不實用。第三種類型是完全冷卻的推流器。這里可以吹惰性氣體或氧氣，引起非常強烈的攪拌，幾乎沒有穿透底部堆積物的問題。在所有情況下，氣體管道都通過爐子耳軸，使用旋轉接頭或密封件，以允許爐子完全旋轉。圖2顯示了為聯(lián)合吹煉開發(fā)的各種類型的底吹塞子。

目前用于惰性氣體底吹的塞子的設計狀態(tài)是基于單孔塞子（SHP）設計和多孔塞子（MHP）設計。這些塞子設計已被確立為廣泛接受的最先進的底吹塞子設計。SHP和MHP吹掃塞的設計都采用了流速優(yōu)化的管徑和管道數量。然而，用于惰性氣體底部吹掃的MHP更受歡迎。SHP和MHP設計的兩種類型的凈化塞都是基于鎂碳（MgO-C）耐火材料，它們通常由100%的高等級熔融鎂、高等級石墨、優(yōu)化的粒度分布制成，有時還加入添加劑。

在BOF爐襯活動結束之前，高效的凈化是BOF車間所有氣體凈化塞的目標，它受到應用的氣體流速范圍、堵塞潛力和特定工藝條件下的磨損率的影響。最高的安全標準是對底部吹掃的基本要求。

堵塞的可能性--由于底部堆積，凈化塞的可用性降低，往往是凈化效率低的原因。這增加了脫氧劑的成本，降低了產量，并導致吹掃效率降低。堵塞的主要原因是由于非常粘稠的礦渣或高濺渣頻率造成的底部堆積，惰性氣體供應的問題或不適當的凈化塞設計。雖然通過SHP的高氣體流速可以幫助減少低濺渣率時的堵渣可能性，但高濺渣率與潛在的底部堆積或惰性氣體供應不足會導致SHP的深度滲透，重新開放的概率非常低。然而，MHP的吹掃效率通過很多具有流量優(yōu)化數量、直徑和排列的管道來提高。MHP的重開率是定期報告的，不容易受氣體壓力和惰性氣體供應的波動影響。

安全 - MHP的設計一般都有最高的安全標準。氣體管道直接壓入MgO-C磚中。如果對MHP的氣體供應因任何原因而減少或為零，鋼筋滲入只適用于幾毫米的凈化塞。鋼材穿透MHP的風險被降到最低。

吹掃特點和磨損率--SHP的流態(tài)處于冒泡和噴射之間的過渡區(qū)，或完全處于噴射區(qū)，導致單管上方出現(xiàn)大量氣體，隨后衰減為具有較大尺寸分布的較小的氣泡。這種流態(tài)的特點是磨損率增加，例如0.4毫米/熱度到0.7毫米/熱度。MHP設計提供了一個更合適的氣泡分布，在吹掃塞上方，小氣泡的比例更高。小氣泡的較高比表面增加了氣體凈化和冶金效率。由于在較低的氣體速度下反擊現(xiàn)象和湍流減少，磨損率通常較低。圖3顯示了SHP和MHP與水模型中的氣泡演變。

圖3 SHP和MHP在水中的氣泡演變模型

聯(lián)合吹煉的過程 

在聯(lián)合煉鋼過程中，煉鋼所需的O2通過頂部安裝的噴槍吹出，而底部攪拌過程所需的惰性氣體（N2或Ar）則通過底部攪拌磚引入熔體，通過優(yōu)化混合改善工藝條件。攪拌氣體的流速和類型取決于工藝階段和鋼種。由于底部攪拌，可以更快、更好地接近金屬渣的平衡狀態(tài)。平衡和混合時間取決于攪拌器的類型、數量和位置，以及流速。較強的攪拌將熱力學平衡轉移到所需的方向并減少混合時間。通常需要從N2到Ar的轉換，這取決于最終的鋼化學成分。作為底部攪拌系統(tǒng)的中心部分，閥站允許每個單獨的吹掃塞進行單獨的流量控制。

與頂部吹煉過程一樣，在聯(lián)合吹煉過程中，O2通過多孔噴槍注入到鋼水浴中。金屬液滴的產生是射流沖擊和氣流剪切作用的結果，射流在沖擊區(qū)撞擊金屬表面，氣體被向上偏轉。這種噴射液體相互作用的效果用三種模式來描述，即（i）凹陷，（ii）飛濺，和（iii）穿透。

飛濺到氣體和熔渣中的鐵滴數量影響著金屬產量、耐火材料磨損和脫碳的進度。氣體和液體的特性對熔池的凹陷深度有影響，臨界深度標志著濺射的開始。飛濺增加到一定的噴射動量，超過這個動量就會減少。飛濺的方向取決于噴管的角度、噴管的高度、從深度和直徑估計的噴射腔的輪廓以及O2噴射的重疊度。

為了控制轉爐中的飛濺或噴濺，已經進行了很多實驗來修改噴槍的尖端。適當設計噴嘴的直徑和傾斜角度對于O2射流的最佳壓力分布非常重要。不同的研究表明，在BOF轉爐中，頂部吹氣加上轉爐槽的底部攪拌，在飛濺和噴濺方面比僅有頂部吹氣的性能要好。

已經采用了各種底吹攪拌的方法。在底層切口中使用了一個嵌入多個小管或多個狹縫的陶瓷塞。攪拌是通過特殊的耐火材料攪拌元件或通過布置在轉爐底部的無保護的小風口進行的。

底部吹制過程有效地提高了熔池高度，與頂部吹制BOF轉爐獲得的磨損曲線相比，顯示出不同的耐火材料磨損曲線。在這種類型的工藝中，轉爐和周圍區(qū)域的磨損往往很嚴重，需要使用抗侵蝕的高密度材料來抵抗鋼水的湍流。

聯(lián)合吹煉過程使用昂貴的氣體（O2、Ar和N2），這些氣體的精確測量和累計有助于經濟運行和嚴格的質量控制，通過使用這些值來生成管理控制的日常報告。為了攪拌轉爐槽，Ar或N2氣體通過轉爐底部的一些攪拌塞磚被注入。每個序列步驟的總流量和氣體類型是由當前吹制的加載菜單預先確定的。總流量被平均分配給若干個控制器，每個攪拌塞磚一個，以保持均勻分布，并成為控制器的遠程設定點。測量的流量根據每個攪拌塞磚和氣體類型的溫度和壓力進行質量補償，并輸入到控制模塊。4-20毫安的控制輸出然后調制控制閥的位置。

如果攪拌塞磚被重渣覆蓋，下游的壓力就會增加。如果它的增加超過了預設的限度，控制就會從流量控制變?yōu)閴毫刂?，然后控制閥就會對不同的控制算法做出反應。當壓力降低時（小于一個滯后值），控制就會恢復到流量控制?？刂颇Ｊ街g的轉換是自動的，因為非主動回路跟蹤主動回路的輸出。

為了優(yōu)化氣體消耗和流量控制范圍，安裝了一個額外的入口壓力控制。進料管線的壓力控制和攪拌管線的單獨流量控制相結合，保持了各個攪拌器的恒定流量，從而避免了粘性礦渣對多孔塞的堵塞。合適的儀表為操作員提供了多孔塞狀況的指示。過程的可靠性是非常重要的。通常為進料管線（在進口壓力低的情況下氣體切換）以及單個流（在介質和電源故障的情況下故障安全打開）提供故障安全理念。圖4顯示了聯(lián)合吹制過程的示意圖。

圖4 聯(lián)合吹制過程的示意圖

轉爐底部攪拌系統(tǒng)是通過PLC（可編程邏輯控制器）控制的，它可以作為一個獨立的單元安裝，帶有單獨的HMI（人機界面）站，或者提供給新的或現(xiàn)有的網絡整合。 操作需要靈活性。根據所選擇的鋼種，軟件在整個加熱過程中遵循Ar和N2流量的攪拌模式（設定點參數表），作為總吹氧量的函數。根據現(xiàn)場信號，設定點的變化和控制動作在自動模式下進行，不需要操作者的互動。

在攻絲、除渣和裝料過程中，要確保預先確定的流速，以減少耐火材料的磨損和提高多孔塞的使用壽命。攪拌塞磚的設計是通過低侵蝕速度、先進的抗剝落能力和靈活的磚體長度來確保長的使用壽命。

攪拌塞磚相對于O2噴射器的位置對于底部攪拌系統(tǒng)的有效性非常重要。為了優(yōu)化攪拌塞磚的位置，需要考慮的要點是：(i) O2射流在各種工藝條件下的影響（如槍頭設計和槍頭高度的變化等），(ii) 熔體高度與轉爐直徑的長寬比，以及(iii) 對耐火材料磨損的影響。 考慮到BOF轉爐的復雜條件，通常使用最新的CFD（計算流體動力學）模擬技術來優(yōu)化攪拌塞磚的位置。

該領域的最新發(fā)展是獲得專利的交替攪拌技術。在交替攪拌的實踐中，各組攪拌元件被控制在交替的高和低攪拌氣體流速中。在一個轉爐車間實施這項技術后，對幾個活動的過程結果進行的統(tǒng)計評估表明，有可能將氬氣成本降低30%，而不會對冶金結果產生負面影響。

聯(lián)合吹氣的冶金效果

吹掃模式，特別是塞子的數量、流速以及吹掃氣體的種類和質量對BOF的冶金有顯著的影響。這些參數必須嚴格協(xié)調，否則過程會超出控制范圍，無法達到預期的冶金效果。以下是聯(lián)合吹氣的冶金效果。

碳/O2 - 由于底部吹掃，脫碳的動力學得到改善，因此在吹掃結束時，碳（C）含量較低，不會出現(xiàn)鋼水過度氧化。高效凈化性能的指標是[C]x[O]產品，與頂吹操作的轉爐相比要低得多，平均范圍為0.002 %至0.0025 %。由于精煉過程中存在著鋼液中的非平衡條件，也存在著爐渣和鋼液之間的非平衡條件。

通過適當的底部吹掃程序，反應可以在吹掃結束時更接近平衡狀態(tài)，從而加強脫碳效果。后期攪拌的持續(xù)時間會進一步加強這種效果。對于最低的碳含量來說，耐火襯里的碳含量也是一個重要的參數。

參照頂吹操作的轉爐，在出鋼時同等[C]水平下，溶解的[O]含量較低，導致鋼包內的脫氧劑消耗量最小。也有機會釋放或節(jié)省昂貴的RH（Rurhstahl Heraeus）脫氣處理，因為出鋼時的精煉水平最低。

鐵產量 - 底部吹掃、熱金屬成分（[Si]含量）、爐渣做法和吹掃程序影響爐渣中的氧化鐵含量，從而影響爐渣和爐襯之間的化學反應潛力以及后期攪拌的效果。與頂吹式轉爐相比，底吹式轉爐的特點是爐渣中的鐵含量較低，爐渣量也較少。另外，出鋼時爐渣中的FeO水平取決于鋼水中的溶解C。

錳（Mn）--在出鋼時相同的C水平下，錳產量比傳統(tǒng)的頂吹轉爐工藝要高。在這方面，根據鋼種的不同，二次冶金合金需要較少的Fe-Mn。因此，Mn水平的調整是可以更好地控制的。

磷（P）--底吹的特點是渣中的P2O5吸收能力更強，石灰溶解更快。根據BOF轉爐精煉過程中噴出的鐵液滴，特別是在硬吹階段，形成的爐渣溫度高于熔池。這導致脫磷的條件變弱。通過吹掃，由于良好的熔池攪拌和熔渣與鋼液之間更好的溫度平衡，熔渣溫度大大降低。

后期攪拌的影響 - 后期攪拌的主要目的一方面是實現(xiàn)出鋼時最低的C和P水平，另一方面是快速精確的調整出鋼溫度（冷卻效果）。清洗時間和強度是實現(xiàn)特定元素水平的兩個決定性參數。后期攪拌使鋼水中溶解的C和O2更接近平衡，從而大大增強了脫碳效果。后期攪拌導致鋼液的冷卻，并通過額外添加BOF渣來加強。這意味著P的分布在因子3時得到加強，在攻絲時P的水平下降到0.005 %。

清理塞子布置和塞子數量的影響 - 清理系統(tǒng)影響精煉過程中鋼液的平衡條件，從而影響冶金結果。底部吹掃允許在吹掃結束時更接近或更接近平衡狀態(tài)。脫碳和脫磷的效果得到了極大的改善。為了保證吹掃的有效性，已經建立了參數Rp。Rp描述了實際條件與平衡條件的比率。如果達到了平衡狀態(tài)，參數Rp為1。塞子數量的增加意味著浴槽攪拌的加強，因此Rp的值也更接近于1。圖5顯示了各種塞子排列和數量對接近平衡（由清洗參數Rp定義）的后果。

圖5 清洗塞子的布置和塞子的數量對平衡條件的影響

浴槽攪拌或混合的指標是相對混合時間。混合時間的減少意味著浴液混合/動力學的改善，從而加速了化學反應（縮短了反應過程）。描述水浴動力學的另一個參數是混合能量?；旌夏芰可婕暗絿姌尭叨?、幾何形狀、吹氣方法、液態(tài)金屬的浴層，對于帶有底部吹掃系統(tǒng)的頂吹轉爐，還涉及到吹掃流量。

一個成功的底部吹掃系統(tǒng)的關鍵是吹掃模式、塞子的數量、磨損率和每個塞子的可用性。凈化塞子的安排幾乎無關緊要，只是一個設計元素。

凈化強度的影響 - 凈化強度的水平對獲得最低的[C]x[O]產品和鋼浴中的鐵損失起著決定性作用。最低水平的吹掃會導致[C]x[O]產品的大量減少，特別是在0.06N cum/t min的設定流量以下。

操作的好處--帶有底部吹掃系統(tǒng)的頂吹工藝也反映在較少的湍流精煉中，因此減少了傾斜，結果是產量提高。此外，與傳統(tǒng)的BOF工藝相比，總的氧氣消耗量約為2%，出鋼溫度平均低10攝氏度。這是由于更好的鋼浴攪拌和鋼浴的均勻化條件的結果。與頂吹操作的轉爐相比，裝填的石灰量減少了約10％至15％。

從氮氣到氬氣的理想切換點

在精煉過程中，通過改變從氮氣到氬氣的切換點和特別是凈化流量，可以靈活地調整出鋼時的氮氣水平。通常的做法是在精煉開始時降低氮氣流量，并在切換后大幅提高氬氣吹掃強度。因此，為了實現(xiàn)最低的[C]x[O]產品，在精煉期的最后三分之一處進行密集的吹掃是很合適的。

通常情況下，在精煉過程的25%之前，氣體類型和凈化強度對鋼水中的N2水平沒有任何影響。在這個精煉階段用氬氣吹掃不符合成本效益，也沒有意義。氬氣比氮氣更昂貴。為了達到最低的N2水平，有必要在吹氣時間的25%到50%之間從N2切換到Ar。遲緩的轉換，特別是超過50%的精煉時間，會導致出鋼時的N2含量非常高。

底部吹氣的引入大大增加了轉爐下部的飛濺。同時，這也減少了金屬的損失和錐體的變形。組合吹氣工藝的成功取決于底部攪拌裝置的有效性。這些裝置要可靠，引起有效的攪拌，有合理的使用壽命，并且在轉爐運行過程中不被堵塞。

濺渣和聯(lián)合吹氣

濺渣是一種成熟的技術，用于將轉爐運動的壽命提高到非常高的水平。出鋼后，在2分鐘到5分鐘的時間內，將轉爐中的爐渣用N2噴灑到襯板的不同區(qū)域。此外，還有一些做法，如涂渣和洗渣。這種做法是在出鋼后在轉爐中保留少量的液態(tài)爐渣。爐渣中富含白云石或原白云石。之后，轉爐被搖晃幾次，使底部和鄰近區(qū)域覆蓋一層薄薄的礦渣。熱補和炮擊是提高轉爐耐火襯里壽命的其他措施。

濺渣在奶油狀和粘稠的渣子中效果最好。但是，粘性渣會使轉爐底部堆積一層渣，阻礙了氣體噴射從噴嘴/插板的自由演變，甚至完全堵塞了它們。這通常不是底部攪拌系統(tǒng)本身的故障，但由于氣體的不利分布，會導致冶金效果明顯惡化。

在渣層覆蓋底部攪拌元件的情況下，有效的底部攪拌是不可能的，因為氣體不能以定向噴射流的方式注入。相反，它在襯里和爐渣層之間蠕動，直到找到一個裂縫逃逸。在這種情況下，重要的攪拌效果就不能完全建立。在渣層極厚的情況下，氣體甚至可能沿著筒體爬到上錐體或口部，顯示出沒有攪拌效果，也沒有冶金效果。這種現(xiàn)象如圖6所示。它已經通過使用天然氣得到了驗證，可以通過火焰識別。據檢測，天然氣在所述的區(qū)域內逸出。圖6的左邊顯示了渣層剛剛覆蓋底部的情況。右邊顯示的是渣層覆蓋底部、下節(jié)和筒體的情況，這是在密集濺渣的情況下產生的。

圖6 爐渣飛濺對攪拌氣體分布的影響

可以看出，在極端情況下，惰性氣體既不能與熔體接觸，也不能與熔渣完全接觸。因此，為了保持底部攪拌系統(tǒng)的功能，有必要定期控制底部厚度，并及早開始采取應對措施。

聯(lián)合吹煉的優(yōu)勢 

實施底部吹掃系統(tǒng)的根本原因是一方面要提高冶金效果，另一方面要保證以最低的成本生產高質量的經濟型O2鋼。在BOF轉爐中，聯(lián)合吹掃轉爐比頂部吹掃最重要的好處是：(i) 加快吹掃周期，從而縮短了水龍頭到水龍頭的時間，(ii) 更短更快地形成爐渣，改善爐渣和鋼水之間的相互作用（為廢鋼/熔劑添加熔化提供更好的條件。更高的廢鋼/熱金屬比率），（iii）減少重吹，提高成分和溫度的命中率，（iv）改善鋼水的均勻化/攪拌和溫度分布，（v）提高實現(xiàn)特定成分的準確性，（vi）改善工藝控制（提高出鋼溫度和元素含量的準確性）。(vii)提高了鋼和助熔劑的添加量（渣量更少，鐵在渣和熔融粉塵中的損失更少），(viii)更少的飛濺和吐渣，(ix)更低的（FeO）、[P]水平和[Mn]氧化，從而降低了O2的消耗，（x）渣中的氧化鐵更少，(xi)由于強烈加強的熔體攪拌，提高了吹氣效率。(xii) 鋼中最終的O2含量較低，因此需要較少的脫氧劑（鐵合金和鋁），(xiii) 提高鋼的質量，因為在程序結束時的惰性氣體吹煉降低了金屬中的氣體濃度，以及 (xiv) 避免富含氧化鐵的熔渣過度加熱，從而提高耐火襯的壽命。

聯(lián)合吹煉的缺點是：（i）聯(lián)合吹煉過程的轉爐設備更加復雜，這增加了車間的成本，但這被上面提到的優(yōu)點所補償，（ii）氬氣成本高，在很多情況下試圖至少部分地用N2代替，（iii）由于與其他轉爐襯相比，磚的磨損更嚴重，底部攪拌噴嘴或磚的可用性往往低于100％。