转炉设备与工艺 -2

转炉设备与工艺--2

转炉设备、工艺以及技术发展 转炉设备、 ( 2)北 京 2007.7

转炉设备与工艺--2

转炉强化冶炼工艺技术前言 转炉技术改造基本措施 转炉高效冶炼工艺技术 转炉底吹强搅拌复合吹炼工艺技术 复吹转炉终点控制技术 强化冶炼的冶金效果 结 论

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前

言4.5鞍 钢三 武钢二 南京 宝 钢一 武钢三 梅 钢 宝 钢二 本 钢原 君津 首 钢 济钢 艾 莫伊登

在完成了铁水脱硫预处理、 在完成了铁水脱硫预处理、 炉外精炼和全连铸的现代化改造 后，转炉采用顶底复吹强化冶炼 技术，以适应形势发展要求， 技术，以适应形势发展要求，提 高产品质量、 高产品质量、生产工艺水平与生 产成本基本达到国内先进水平。 产成本基本达到国内先进水平。 针对目前国内多数转炉炉容 比较小， 比较小，采用强化冶炼存在相当 大的困难。因此， 大的困难。因此，采用复合吹炼 工艺，促进钢渣平衡， 工艺，促进钢渣平衡，减少喷溅 是保证小炉容比转炉实现强化冶 炼工艺的基本前提。 炼工艺的基本前提。开发采用转 炉终点动态控制技术， 炉终点动态控制技术，提高终点 命中率减少倒炉次数， 命中率减少倒炉次数，缩短终点 操作时间也是提高转炉生产效率 的重要措施。 的重要措施。

4.0

供氧强度 /Nm3/t.min.

Y=1.71+1.59X

3.5

3.0

2.5

2.0 0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

炉容比

/m 3/t

大中型转炉炉容比与供氧强度的关系

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转炉技术改造基本措施目标 缩短供O 缩短供 2时间 提 高 转 炉 生 产 能 力 缩短终点时间 技术措施 提高供氧强度 促进钢渣平衡 减少喷溅 减少后吹 不倒炉直接出钢 减少倒炉次数 提高炉龄 加快生产节奏 减少事故处理时间 实现负能炼钢 节约铁合金、N2、O2 节约铁合金、 提高煤气回收量 改善渣钢平衡 提高终点控制精度 降低钢中杂质量 改造项目 高效冶炼工艺 复合吹炼工艺 终点控制技术 负能炼钢技术 洁净钢生产技术 复吹转炉长寿技术

缩短辅助时间

降低生产成本

提高钢材质量

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转炉高效冶炼的理论分析氧气转炉冶炼过程中，高速氧气射流直接冲击钢水液面形成凹坑， 氧气转炉冶炼过程中，高速氧气射流直接冲击钢水液面形成凹坑，称 火点” 温度高达2700℃ 如图所示。 2700℃, 为“火点”,温度高达2700℃,如图所示。氧气射流中的氧通过以下动力 学途径进入熔池： 学途径进入熔池： 射流中氧气向“火点”边界扩散； (1)射流中氧气向“火点”边界扩散； 火点”边界上氧分子解离， (2)在“火点”边界上氧分子解离，以原 子态溶入钢水； 子态溶入钢水； O2→2[O] --------(1) --------( 火点”边界层上， (3)在“火点”边界层上，溶入钢水的氧 原子向钢液

内扩散； 原子向钢液内扩散； 扩散到钢液内的氧与碳反应，生成CO CO。 (4)扩散到钢液内的氧与碳反应，生成CO。 --------( [O]+[C]=CO↑ --------(2) 上述分析表明，强化转炉冶炼的基本条件是： 上述分析表明，强化转炉冶炼的基本条件是： 图1 氧气射流与熔池的作用 较高的供氧强度； 较高的供氧强度； 保证足够的反应面积(即冲击面积和冲击深度); 保证足够的反应面积(即冲击面积和冲击深度); 加快熔池传质，提高氧气扩散速度。 加快熔池传质，提高氧气扩散速度。

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转炉高效冶炼的限制环节采用转炉强化供氧工艺，要求有较大的炉容比， 采用转炉强化供氧工艺，要求有较大的炉容比，以降低喷溅的 发生几率；减少渣量，减轻化渣的负荷；优化氧枪设计， 发生几率；减少渣量，减轻化渣的负荷；优化氧枪设计，加强熔池 搅拌，避免吹炼过程炉渣返干。 搅拌，避免吹炼过程炉渣返干。Nm 供氧强度 /Nm3/t.min.4.5 鞍 钢三 武钢二 南京 宝 钢一 武钢三 梅 钢 宝 钢二 本 钢原 君津 首 钢 济钢 艾 莫伊登

图 2 给出大型转炉炉容比与供 氧强度的关系。随着炉容比增加， 氧强度的关系。随着炉容比增加， 供氧强度可相应提高。 供氧强度可相应提高。在小炉容比 条件下提供氧强度， 条件下提供氧强度，实现转炉强化 冶炼，必须采取以下技术措施： 冶炼，必须采取以下技术措施：图2

4.0

Y=1.71+1.59X3.5 3.0

2.5

2.0 0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

炉容比 /m3/t

大中型转炉炉容比与供氧强度的关系

(1)优化顶枪设计和供氧工艺。在提高熔池脱碳速度的前提下， (1)优化顶枪设计和供氧工艺。在提高熔池脱碳速度的前提下，保证快速化 优化顶枪设计和供氧工艺 避免炉渣返干； 渣，避免炉渣返干； (2)优化复吹工艺，强化熔池传质，避免因反应不平衡引发的各种喷溅； (2)优化复吹工艺，强化熔池传质，避免因反应不平衡引发的各种喷溅； 优化复吹工艺 (3)优化造渣工艺 加速石灰熔化，避免炉渣中期返干。 优化造渣工艺， (3)优化造渣工艺，加速石灰熔化，避免炉渣中期返干。

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氧 枪 设 计氧枪的直径、孔数、喉囗尺寸、中心夹角和马赫数等参数， 氧枪的直径、孔数、喉囗尺寸、中心夹角和马赫数等参数，不仅直接 影响氧枪出囗处射流的流动特性，也与熔池中氧气射流的冲击面积、 影响氧枪出囗处射流的流动特性，也与熔池中氧气射流的冲击面积、冲击 深度和熔池搅拌特性有关，直接影响到熔池脱碳与化渣速度。 深度和熔池搅拌特性有关，直接影响到熔池脱碳与化渣速度。为最大限度 缩短冶炼时间，提高供氧强度(达到3.7Nm3/t.min),保证化

渣效果，设 缩短冶炼时间，提高供氧强度(达到3.7Nm /t.min),保证化渣效果， 计了五种喷头进行生产试验。试验喷头均为五孔，具体参数如表1所示。 计了五种喷头进行生产试验。试验喷头均为五孔，具体参数如表1所示。表1 试验用氧枪喷头参数枪型 1#喷枪 1#喷枪 2#喷枪 2#喷枪 3#喷枪 3#喷枪 4#喷枪 4#喷枪 5#喷枪 5#喷枪 喉口直径 /mm 38.1 38.5 36.5 38.0 37 出口直径 /mm 47.6 49 47.6 50.0 50 扩张长度 /mm 115 115 115 115 115 中心夹角 /° 12 13 12 13 14 马赫数 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 孔数 5 5 5 5 5

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熔池最大冲击深度通常，氧气射流对熔池的最大冲击深度取熔池深度的54~57%为宜。如表2所示。 通常，氧气射流对熔池的最大冲击深度取熔池深度的54~57%为宜。如表2所示。 54~57%为宜 本钢原四孔氧枪平均吹炼枪位为1.5~1.6 1.5~1.6米 平均工作氧压为0.9MPa 0.9MPa, 本钢原四孔氧枪平均吹炼枪位为1.5~1.6米、平均工作氧压为0.9MPa,采用冷态模 拟方式测出氧气射流对熔池的冲击深度为0.6 0.6米 仅为熔池深度的40% 40%, 拟方式测出氧气射流对熔池的冲击深度为0.6米，仅为熔池深度的40%,射流冲击力 明显不足。考虑到吹炼过程中炉底上涨现象严重，而且熔池深度为1.5m 1.5m, 明显不足。考虑到吹炼过程中炉底上涨现象严重，而且熔池深度为1.5m,氧枪吹炼 的最大冲击深度应为熔池深度的50~ 60%。即当熔池最大冲击深度达到60% 60%时 的最大冲击深度应为熔池深度的50~ 60%。即当熔池最大冲击深度达到60%时，一次 反应区距炉底仍有0.6 0.6米 所以熔池最大冲击深度为50%~60% 50%~60%时 反应区距炉底仍有0.6米。所以熔池最大冲击深度为50%~60%时，对炉底工作层衬砖 的安全不会造成危害。提高冲击深度有利于提高熔池脱碳速度， 的安全不会造成危害。提高冲击深度有利于提高熔池脱碳速度，可以有效地改善炉 底上涨的状况。 底上涨的状况。 表2钢 厂 宝钢二炼 唐 钢 本 钢 装入量 /t 300 160 170 装入 深度 /m 1.2 1.2 1.5

氧气射流对熔池冲击深度出口 直径 /mm 69 55.6 49.6 氧枪 直径 /mm 406 273 219 基本 枪位 /m 2~2.6 1.8~2 1.5 最低 枪位 /m 2 1.5~1.6 冲击 深度 /mm 650 680 600 冲击 深度比 /% 54.2 56.7 40

喉口 直径 /mm 52 43.6 38.2

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氧枪枪位与熔池冲击深度的关系Ф299氧枪喷头对熔池冲击深度的模拟试验结果 表3 Ф299氧枪喷头对熔池冲击深度的模拟试验结果压力/MPa 深度/m 枪位/m 1.815 2.117 2.420 0.568 0.522 0.502 0.62 0.60 0.56 0.73 0.68 0.64 0.7 0.8 0.9

通过实验证明，随着枪位的降低和工作氧压的提高， 通过实验证明，随着枪位的降低和工作氧压的提高，氧气射流 对熔池最大冲击深度增加。综合考虑保护炉底和加快脱碳速度，对 对熔池最大冲击深度增

加。综合考虑保护炉底和加快脱碳速度， Ф299大流量五孔氧枪吹炼压力取0.8MPa,工作枪位取1.81m比较合 Ф299大流量五孔氧枪吹炼压力取0.8MPa,工作枪位取1.81m比较合 大流量五孔氧枪吹炼压力取0.8MPa 1.81m 理。

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氧枪冲击面积Ф299氧枪和原四孔枪在正常工作枪位范围内，枪位变动幅度为1.33倍时， Ф299氧枪和原四孔枪在正常工作枪位范围内，枪位变动幅度为1.33倍时，氧 氧枪和原四孔枪在正常工作枪位范围内 1.33倍时 气射流对熔池的冲击面积的变化幅度分别为200%、155%。 气射流对熔池的冲击面积的变化幅度分别为200%、155%。即在同样的枪位变动幅度 200% 内，Ф299氧枪的冲击面积平均比原四孔枪作用面积增大1.96倍。综合考虑脱碳速 Ф299氧枪的冲击面积平均比原四孔枪作用面积增大1.96倍 氧枪的冲击面积平均比原四孔枪作用面积增大1.96 度和化渣效果，确定Ф299氧枪吹炼过程枪位为2.12m比较合理。 度和化渣效果，确定Ф299氧枪吹炼过程枪位为2.12m比较合理。 Ф299氧枪吹炼过程枪位为2.12m比较合理 表4 氧枪枪位与氧气射流对熔池冲击面积的关系压力/MPa 枪位 最低 枪位 过程 枪位 最高 枪位 冶炼同期 氧枪冲击 面积比 面积/比值 m2/% 原四孔枪1.5m Ф299枪1.8m 原四孔枪1.75m Ф299枪2.12m 原四孔枪2.0m Ф299枪2.4m 最低枪位 过程枪位 最高枪位 S 1.24 1.76 1.48 3.6 1.96 4.0 1.42 2.04 2.43 0.7 % 6.9 9.78 8.2 20 10.9 22 1.42 2.02 2.44 S 1.23 1.68 1.44 3.28 1.76 3.92 1.37 2.23 2.28 0.8 % 6.8 9.3 8 18 9.8 22 1.37 2.24 2.25 S 1.16 2.56 1.41 3.2 1.88 3.76 2.21 2 2.27 0.9 % 6.4 14 7.83 17.8 10.4 21 2.19 2.02 2.27

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实际枪位的确定氧枪操作枪位的设定，通常可由经验公式计算确定。 氧枪操作枪位的设定，通常可由经验公式计算确定。计算工作枪位计 算经验公式如下： 算经验公式如下： H=(25~40) H=(25~40)×D出口 氧枪枪位高度( H—氧枪枪位高度(mm) 氧枪枪位高度 mm) D出口—出口直径(mm) 出口 出口直径(mm) 出口直径 国内外100吨以上转炉， 100吨以上转炉 国内外100吨以上转炉，确定氧枪操作枪位时通常取氧枪出口直径的 30~40倍 根据这一经验并结合现场操作确定Ф299 Ф299氧枪冶炼各期操作枪 30~40倍。根据这一经验并结合现场操作确定Ф299氧枪冶炼各期操作枪 位详见表5 位详见表5。表5操作阶段 枪位 /m 点火 1.7

Ф299氧枪操作枪位 Ф299氧枪操作枪位化渣 1.8~2.2 返干 2.3~3.0 终点 1.7 副枪取样 1.7

考虑到转炉炉容比小，铁水Si含量低(<0.4%),转炉渣量低于其 考虑到转炉炉容比小，铁水Si含量低(<0.4%),转炉渣量低于其 Si含量低(<0.4%), 它钢厂等特殊情况。可将实际操作的最低枪位下调100mm 定为1.7m 100mm, 1.7m; 它钢厂等特殊情况。

可将实际操作的最低枪位下调100mm,定为1.7m;同 时为保证快速化渣，可将操作枪位上限提高100mm 定为2.5m 100mm, 2.5m。 时为保证快速化渣，可将操作枪位上限提高100mm,定为2.5m。

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转炉底吹强搅拌复合吹炼工艺技术 复吹工艺设计 复吹设备与底吹工艺

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复吹工艺设计通常，转炉底吹供气强度决定了熔池混匀时间。随着底吹搅拌强度的增加， 通常，转炉底吹供气强度决定了熔池混匀时间。随着底吹搅拌强度的增加， 熔池混匀时间逐渐减小。为了保证超低碳钢的冶炼， 熔池混匀时间逐渐减小。为了保证超低碳钢的冶炼，通常取熔池混匀时间小于 50sec,则底吹最大供气强度应达到0.10Nm3/t.min以上。 50sec,则底吹最大供气强度应达到0.10Nm /t.min以上。 以上

熔池混匀时间与底吹供气强度的关系

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复吹工艺设计根据日本钢厂的经验，可采用ISCO指数( 根据日本钢厂的经验，可采用ISCO指数(Index of Selective Carbon ISCO指数 Oxidation)计算合理的底吹供气强度。ISCO指数定义如下 指数定义如下： Oxidation)计算合理的底吹供气强度。ISCO指数定义如下： 2QO ISCO = 2Q + Q d O Q O W / τ 长寿复吹转炉 武钢二炼 N2 + Ar 0.02~0.08 124.2 15 包钢 N2 + Ar 0.03~0.20 105 14.5 本钢 N2 + Ar 0.03~0.12 111 12.75 (FeO) 济钢 N2 + Ar 0.03~0.10 94.2 11.2 (FeO)

表1工艺名称 底吹气体 供气强度 /Nm3/t.min ISCO 终渣T.Fe/% [C]=0.07%时 顶吹 转炉 无 0 225 20 底吹 转炉 O2 3.5~4.0 58 10

不同吹炼工艺转炉ISCO值 不同吹炼工艺转炉ISCO值 ISCO常规复 吹转炉 N2 + Ar 0.005~0.2 130 18

表2 复吹转炉底吹供气强度供气模式 A B C 终点[C]含量/% <0.10 0.10-0.25 >0.25 前期供气强度 /Nm3/t.min (N2) 0.04-0.03 0.04-0.03 0.04-0.03 后期供气强度 /Nm3/t.min (Ar) 0.12 0.06 0.03 生产钢种 低碳镇静钢 中碳镇静钢 高、中碳钢

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底吹供气元件及布置钢研总院专利产品“长寿型双环缝式底吹供气元件” 钢研总院专利产品“长寿型双环缝式底吹供气元件”。双环缝式底吹供气元 件由多层不锈钢无缝钢管组成。底吹供气元件布置在炉底0.45D 0.45D半径同心圆上 件由多层不锈钢无缝钢管组成。底吹供气元件布置在炉底0.45D半径同心圆上 在吹炼与溅渣过程中，由于环缝式底吹喷嘴出口气流的冷却强度大， 在吹炼与溅渣过程中，由于环缝式底吹喷嘴出口气流的冷却强度大，容易在 喷嘴端部形成蘑菇头。维护得当的蘑菇头可以很好地保护透气元件， 喷嘴端部形成蘑菇头。维护得当的蘑菇头可以很好地保护透气元件，并不易 被烧损。另一方面，环缝式底吹喷嘴气流集中，射流动能大， 被烧损。另一方面，环缝式底吹喷嘴气流集中，射流动能大，不易在吹炼或 溅渣过程中发生堵塞。因此

,可在全炉役期保持良好的透气性。 溅渣过程中发生堵塞。因此，可在全炉役期保持良好的透气性。

0.4 5D

30 °

图3

自过滤环缝式底枪外型

图4

底吹供气元件的布置方式

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底吹供气系统底吹供气系统原理及控制方式具有以下特点： 底吹供气系统原理及控制方式具有以下特点： 采用独立控制系统，每支底吹供气元件的流量可单独控制； 采用独立控制系统， 采用独立控制系统 每支底吹供气元件的流量可单独控制； 采用模式控制方式，根据冶炼钢种要求选定控制模式后，由计算机全程 采用模式控制方式， 采用模式控制方式 根据冶炼钢种要求选定控制模式后， 闭环控制，无须人工干预； 闭环控制，无须人工干预； 专门设制了底枪磨茹头生长与控制模块，以保护底枪不被烧损和堵塞； 专门设制了底枪磨茹头生长与控制模块， 专门设制了底枪磨茹头生长与控制模块 以保护底枪不被烧损和堵塞； 设制了底枪空气吹堵模块，一旦发生底枪堵塞可用压缩空气复通。 设制了底枪空气吹堵模块， 设制了底枪空气吹堵模块 一旦发生底枪堵塞可用压缩空气复通。

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复吹基本工艺在本钢长寿复吹转炉冶炼技术中，根据不同钢种的冶炼终点碳含量， 在本钢长寿复吹转炉冶炼技术中，根据不同钢种的冶炼终点碳含量， 制定了不同的底吹供气强度，旨在不增加钢水氮含量的同时， 制定了不同的底吹供气强度，旨在不增加钢水氮含量的同时，最大限度 的减少氩气的消耗量。本钢各钢种的基本底吹供气强度，如表1所示。 的减少氩气的消耗量。本钢各钢种的基本底吹供气强度，如表1所示。 在实际冶炼中，通过根据钢水的终点碳含量，人工预选定底吹供气模式， 在实际冶炼中，通过根据钢水的终点碳含量，人工预选定底吹供气模式， 由计算机来自动执行人工选定的供气模式，完成底吹的气种及供气量的 由计算机来自动执行人工选定的供气模式， 控制。 控制。表1供气 模式 A B C

本钢炼钢厂长寿复吹工艺高、 本钢炼钢厂长寿复吹工艺高、中、低碳钢的底吹供气强度终点[C] 含量/% <0.10 前期供气强度 /Nm3/t.min(N2) 0.03~0.04 0.03~0.04 0.03~0.04 后期供气强度/Nm3/t.min (Ar) 0.11 0.06 0.03 生产钢种 低碳镇静钢 中碳镇静钢 高碳镇静钢

0.10-0.25 ≥0.25

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优化复吹工艺——保持平稳吹炼 保持平稳吹炼在小炉容比条件下提高熔池供氧强度，最重要的是解决化渣操作问 在小炉容比条件下提高熔池供氧强度， 要求吹炼前期，能迅速成渣；吹炼中期，尽量避免炉渣返干； 题。要求吹炼前期，能迅速成渣；吹炼中期，尽量避免炉渣返干；吹炼 后期，加速熔池脱碳，促进钢--渣

平衡。为保持吹炼平稳， 后期，加速熔池脱碳，促进钢--渣平衡。为保持吹炼平稳，根据吹炼过 --渣平衡 程中的不同阶段特点，制定了合理的顶底复合吹炼工艺参数。 程中的不同阶段特点，制定了合理的顶底复合吹炼工艺参数。3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 0.24

副 枪测试

0.22 0.20 0.18

枪位

0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06

枪位 /m

2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0

底 吹供气强度

0.04 0.02

0.00 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

吹氧量 /x100Nm3

图4 合理的顶底复合吹炼工艺参数

底 吹供气强度 /Nm3/t.min.

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复吹转炉长寿维护技术

复吹转炉长寿技术 底吹喷嘴长寿技术

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复吹转炉长寿技术本钢在采用转炉强化供氧、复吹、终点控制等项综合技术改造后， 本钢在采用转炉强化供氧、复吹、终点控制等项综合技术改造后，进 一步优化了转炉溅渣工艺、炉渣改质工艺。转炉炉龄提高到一个新的水平。 一步优化了转炉溅渣工艺、炉渣改质工艺。转炉炉龄提高到一个新的水平。 平均炉龄由溅渣前的3177炉提高到9425 3177炉提高到9425炉 最高炉龄由溅渣前的4434 4434炉提 平均炉龄由溅渣前的3177炉提高到9425炉，最高炉龄由溅渣前的4434炉提 高到10328炉。本钢转炉炉龄综合技术改造、溅渣前后相比，提高了近3倍。 高到10328炉 本钢转炉炉龄综合技术改造、溅渣前后相比，提高了近3 1032812000 10000 转炉炉龄 /炉 8000 6000 4000 2000 0 98 99 2000 年 01 02 03 平均炉龄 最高炉龄 9425.710328

7138 6421 5105 5432.25 5126 4701 4434 4697.5 3177 2507

长寿炉龄经济效益： 长寿炉龄经济效益： 本钢炼钢厂每个炉役维修费用为220万元(耐材及砌筑人工费用), 220万元 ),年 本钢炼钢厂每个炉役维修费用为220万元(耐材及砌筑人工费用),年 节约两个炉役，本钢炼钢厂采用溅渣护炉技术后年直接经济效益442.7万元。 442.7万元 节约两个炉役，本钢炼钢厂采用溅渣护炉技术后年直接经济效益442.7万元。

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复吹转炉长寿炉龄的主要技术措施优化砌炉工艺， 1. 优化砌炉工艺，提高筑炉质量 针对本钢转炉炉衬设计及砌筑方式所存在问题， 针对本钢转炉炉衬设计及砌筑方式所存在问题，本钢炼钢 厂做了如下改造： 厂做了如下改造： 砌筑合门方式，采用了专用砖型作为合门砖。 (1)砌筑合门方式，采用了专用砖型作为合门砖。从而 保证了炉衬的砌筑质量。 保证了炉衬的砌筑质量。 转炉炉底工作层进行了减薄，减薄幅度约为50mm 50mm。 (2)转炉炉底工作层进行了减薄，减薄幅度约为50mm。 炉底减薄以后的炉衬，在一定程度上缓解了转炉的喷溅， 炉底减薄以后的炉衬，在一定程度上缓解了转炉的喷溅，利于 炉帽部份的维护。

炉帽部份的维护。 采用多晶纤维板作为转炉炉衬的保温层。 (3)采用多晶纤维板作为转炉炉衬的保温层。缓解了耐 材急冷急热对炉衬寿命的影响。 材急冷急热对炉衬寿命的影响。

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