表 1 铁水杂质成分（质量分数） %
| 参数 | Si | Mn | P | S |
| 平均 | 0.35 | 0.11 | 0.122 | 0.035 |
| 波动范围 | 0.20~0.50 | 0.05~0.20 | 0.100~0.135 | 0.025~0.050 |
分享：唐钢长材部转炉出钢口提寿生产实践
转炉冶炼周期是控制炼钢整体生产效率的重要环节，缩短转炉冶炼周期，可以加快生产节奏、提高炼钢产量[1]，2021年上半年，山东日照钢铁转炉出钢口平均寿命已达到325炉[2]，石家庄敬业钢铁通过降低出钢温度和提高出钢口砖理化指标，出钢口寿命已达到400炉，而唐钢出钢口平均寿命仅180炉，差距较大，限制了转炉作业率的进一步提高。
唐山钢铁公司长材事业部有3座100 t氧气顶吹转炉。其中1#、2#炉使用挡渣锥挡渣，出钢口为直筒型；3#炉采用直径140 mm滑板挡渣，出钢口为140~160 mm锥筒型。转炉出钢口受冶炼过程中炉内气体和炉渣的冲刷、氧化，以及出钢过程中高温钢水和钢渣的冲刷、钢水氧化浸蚀，工作条件十分恶劣。目前3座转炉出钢温度为1655~1670 ℃，出钢量为115~120 t，出钢口使用寿命≤200炉，耐材成本高，生产效率低。
1. 出钢口损坏机理和应对措施
转炉出钢口的损坏过程主要分为3个阶段：首先，镁碳工作层中的碳元素在高温、渣中氧化铁和自身镁碳工作层中的镁元素等作用下，发生氧化反应导致耐材结构疏松；其次，结构疏松的工作层表面被高速流动的钢液冲刷，导致出钢口局部侵蚀；最后，钢渣对出钢口中镁砂的熔蚀及热剥落也会对出钢口造成损坏。
提高镁碳质出钢口的使用寿命，必须提高出钢口材料的抗氧化性能和致密度，使用过程中减缓石墨被氧化的速率，同时加强日常维护。
高温条件下，钢水出钢时发生的反应如式(1)~(3)所示：
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(1) |
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(2) |
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(3) |
钢水或炉渣中的O会从镁碳质出钢口材料中夺取碳，从而使耐火材料结构变得疏松，导致强度变差。当炉渣碱度或者渣中MgO质量分数低时，发生式(3)反应，同样会加剧出钢口侵蚀，因此降低钢水及炉渣的氧化性，可以降低出钢过程的侵蚀，有利于出钢口使用寿命的延长。
根据氧的饱和溶解度与温度的关系式，如式(4)所示：随着转炉终点温度升高，钢中氧的质量分数上升。转炉出钢温度每提高1 ℃，终点氧质量分数增加约3.27×10−6。终渣FeO的质量分数每增加1%，终点氧质量分数增加10.92×10−6，因此，降低转炉出钢温度和终渣FeO质量分数是降低钢水和炉渣氧化性的有效途径。
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式中：T为出钢温度，℃；w(O)为氧质量分数,%。
2. 转炉高拉碳操作提高终点碳质量分数
长材事业部建筑用钢量占总产量的70%以上，产品结构主要以抗震螺纹钢筋为主。成品碳质量分数目标为0.200%~0.230%，配合合金强化保证性能满足要求，目前终点碳平均质量分数为0.055%，终点温度1665~1670 ℃。
目前终点C–O积波动范围为（0.0026~0.0032），通过理论测算提高转炉终点碳质量分数后，钢中氧质量分数大幅降低，与之成正比例关系的渣中FeO质量分数降低[3]，根据氧化脱磷反应式(5)所示。渣中FeO质量分数降低将会造成终点磷质量分数的上升。实现高拉碳操作的前提是保证转炉脱磷能力达到要求，制定铁水成分要求见表1。
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目前我部铁水条件较为稳定，铁水磷平均质量分数为0.122%，对高拉碳操作十分有利。具体操作如下：
1）合理配比废钢，以铁矿石作为冷料进行温度调节，并作为化渣剂调整炉渣的流动性。
2）保证枪位控制：前期“早化渣、化好渣”，中期控制“返干”，后期炉渣化透。禁止过度化渣，减少喷溅与烟尘产生的钢铁料损失，使吹炼过程均匀升温。
3）起枪时机控制在模型计算耗氧量80~100 m3范围内，终点压枪时间不低于25 s。
2023年3月份，长材部组织进行高拉碳实验，对比高拉碳实验炉次和全部炉次转炉终点渣成分见表2。由表2可知，实验高拉碳炉次终点渣的FeO质量分数为16.91%，明显低于全部炉次的21.91%。
表 2 实验前后炉渣数据
| 项目 | 炉渣成分质量分数/% | 碱度 | |||
| MgO | MnO | Fe | FeO | ||
| 实验炉次 | 9.00 | 1.59 | 16.44 | 16.91 | 3.27 |
| 全部炉次 | 7.95 | 1.80 | 17.13 | 21.91 | 3.41 |
高拉碳操作实验前平均终点碳质量分数0.060%，实验后为0.0748%，钢铁料消耗从实验前的1039.45 kg/t降低至1037.36 kg/t。
针对高拉碳试验生产数据，排除物料采集错误、精炼炉次、数据缺失等异常数据，计算每一炉次生产加入含铁物料及辅料的综合成本，综合成本与终点碳质量分数关系曲线见图1。通过对钢铁料、辅料、合金料的综合成本计算发现，冶炼成本随着终点碳质量分数的变化趋势先降低后升高。在终点碳质量分数为0.08%的时候达到最低。
统计2023年1—3月份螺纹钢终点碳和渣中FeO质量分数对应关系，如图2所示。由图1~2可知，当终点碳质量分数过低时，渣中FeO质量分数较高，钢铁料消耗提高，且钢水氧化性强，导致合金吸收率降低，引发成本升高；当终点碳质量分数过高时，渣中FeO质量分数低，炉渣流动性差，渣中包含的铁珠量显著提高，同样会导致钢铁料消耗提高，引发成本升高。考虑终点碳质量分数0.08%的时候达到最低平均成本，最终确定高拉碳目标为0.07%~0.09%。
通过缩小班组差异，提高岗位高拉碳起枪时机熟练度，稳定高拉碳操作合格（0.07%~0.09%）比例至85%，终点温度稳定在1660 ℃以下，终点氧质量分数由0.055%降低至0.035%，减轻了钢水和炉渣对出钢口的侵蚀，为提高出钢口寿命创造了条件。
3. 出钢口扩径降低出钢温度
降低出钢口生命周期前期的出钢时间对温降有一定作用，可降低出钢温度5~8 ℃，通过钢口扩径，可缩短出钢时间，极大地减轻高温钢水对出钢口内壁的氧化侵蚀和机械冲刷。
通过更换大孔径出钢口，缩短转炉出钢时间，降低终点温度[4]。1#、2#转炉为直筒型出钢口，将出钢口内径由155扩大至160 mm，提高瞬时过钢量，理论可行。
3.1 出钢口扩径实验效果
在1#和2#炉使用160 mm出钢口时，20炉之前出钢时间差很明显，普遍在1.5 min以上，20炉之后出钢时间差逐步缩小，100炉以后逐渐持平。整体出钢时间较出钢口内径为155 mm时的平均出钢时间缩短0.35 min，符合降低出钢口寿命前期出钢时间。140~170 mm大口径出钢口在3#炉安装使用，45炉之前出钢时间差很明显，普遍在1.0~1.5 min，50炉之后出钢时间差逐步缩小且逐渐持平。其原因是出钢口炉内端随着出钢次数增加，侵蚀与积渣加重，所以中后期出钢时间曲线斜率无较大波动，整体较出钢口内径为140~160 mm平均出钢时间缩短0.21 min。
3.2 扩径实验对回磷量影响
制作箱线图统计钢口扩径实验前后出钢口回磷量（质量分数），如图3所示。扩径后出钢口平均回磷量为0.00403%，普通出钢口回磷量为0.00402%，回磷量基本相当。
4. 转炉出钢口制作工艺优化
与耐材承包厂家合作，改进长寿命出钢口生产工艺：主要原料由纯度95%的普通镁砂和普通石墨更换为高纯度大结晶镁砂和高纯石墨（牌号MT-14A），通过结合剂+外加剂进行泥料制备，将以前的大吨位1000 t压机成型优化为1500 t压机成型，并配合沥青浸渍工艺。生产工艺流程改进后，出钢口工艺性能提高，参数对比见表3。
表 3 出钢口改进工艺与常规工艺对比
| 工艺 | 质量分数/% | 气孔率/% | 体积密度/(g/cm3) | 耐压强度/MPa | |
| MgO | C | ||||
| 常规 | 80.35 | 14.54 | 2.38 | 2.97 | 40.38 |
| 浸渍工艺 | 81.63 | 15.47 | 0.42 | 2.99 | 54.15 |
采用沥青浸渍工艺后出钢口气孔率大幅降低，耐压强度明显提升，有效缓解了使用过程中的磨损，进一步提高了抗化学侵蚀性能。改进后出钢口套砖具有更好的耐高温腐蚀性、高温耐压强度和更高的抗氧化能力。
5. 转炉出钢口维护机制
1）与耐材承包厂家合作，研究分析转炉炉渣的成分、模拟不同材质耐材的耐渣侵蚀特性，开发了氧化镁质量分数高、流动性好、粒度细的新型出钢口填料，确保出钢口座砖与套砖间隙能够填实、烧结均匀，成分如表4所示。
表 4 出钢口填充料主要成分（质量分数） %
| Mg | SiO2 | Cr2O3 |
| ≥91 | ≤4.0 | ≥3.5 |
2）目前3#转炉出钢口1号砖内为弧度结构，碗砖连接出钢口和内水口。转炉在更换内水口时，要求每更换3次内水口需要更换碗砖1次，延长出钢口使用寿命，保证不发生转炉刺钢等事故。
3）出钢口在使用过程中周围会有凹坑，控钢时间将会延长，导致出钢口的使用寿命缩短，通过手投、喷补等措施及时修补出钢口周围凹坑，保证出钢过程中钢流不散流，进一步提高出钢口维护效果。
6. 效益测算及推广
实施前，3座转炉出钢口平均使用寿命为180炉次，每月3座转炉更换出钢口总次数为10次。通过终点高拉碳操作降低终点温度、氧和渣中Fe质量分数以及出钢口扩径工艺变更缩短出钢口寿命前期出钢时间等措施，目前3#转炉出钢口寿命最高达到470炉次，3座转炉综合平均寿命达到380炉，同比提高110%（实施前平均寿命180炉），可每月减少出钢口更换次数5次，节约时间200 min。目前事业部每炉钢生产周期平均30 min左右，按平均每炉出钢量为115 t计算，节约的更换出钢口时间可多出产量766.67 t，按吨钢盈利200元计算，每年可创增效184.00万元。
7. 结束语
采用高拉碳工艺后，终点温度和氧位降低，炉渣氧化性降低，减少对出钢口的侵蚀，终点碳质量分数0.08%的时候达到最低平均成本，通过生产跟踪平衡班组差异，整体完成情况提高明显；通过出钢口扩径及优化出钢口制作工艺，不仅减轻了高温钢水对出钢口内壁的氧化侵蚀和机械冲刷，而且进一步降低了转炉出钢温度，保证了生产制造过程中能量流的协调、稳定、有序运行；通过整体措施的实施，预计每年可增效184.00万元
来源-金属世界
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