钢包耐火内衬火焰喷补工艺设计

纯氧与燃料混合燃烧，产生近3000℃高温火焰，满足钢包耐火内衬火焰喷补需要。以天然气为主，同时配少量无烟煤煤粉，作为与氧气混合燃烧的燃料。天然气作为主要燃料的优点：天然气来源容易，除了民用，工业上也广泛使用，大部分钢铁企业已经建有天然气管网。与其它类型的燃气相比，产生相同的发热量，天然气需要的气量多，恰好适合作为气流输送物料的气体。火焰喷补时，天然气既是燃料的主要部分，又是将粉状喷补料和煤粉，由喷粉罐气力输送至火焰喷补喷嘴的气体。配入少量的煤粉用途：一方面对氧气与天然气混合燃烧的温度有小幅度提高，提升主喷嘴的火焰硬度。另一方面，钢包耐火内衬火焰喷补时，大部分区域氧气与燃料混合燃烧为过氧燃烧。但某些特定区域，如在透气砖气流出口处，需要氧气与燃料混合燃烧为欠氧燃烧，煤粉在燃烧中不能燃尽，部分煤粉随喷补料沉积在新形成的耐火内衬层中。

火焰喷补的主火焰设计为强旋转高温短火焰。主喷嘴出口到内衬壁喷补面的距离设定为260～380mm，太远距离会形成长燃烧火焰，向四周扩散的热量增加，使得加热内衬壁喷补面的热效率降低。氧气与燃料在喷嘴内，进行强旋转预混合后喷出，产生燃烧强度极高的高温短火焰，且不得在喷嘴内部有燃烧的可能。根据燃烧理论，氧气与天然气混合燃烧的火焰传播速度＜9米/秒。要求氧气与燃料，在喷嘴内进行强旋转预混合的轴向流速为30～36米/秒，远大于其燃烧的火焰传播速度，确保喷嘴内没有回火的隐患。在喷嘴内，混合气体的轴向流速过高，喷出后将会造成主火焰出现脱火现象。脱火即突然熄火，而主喷嘴内的氧气与燃料已混合均匀喷出，遇到火星将会出现爆燃的重大安全事故。独立于主火焰之外的辅助火焰，由十多个相互独立的辅助喷嘴，沿着主喷嘴的外圈布置成圆环型，共同喷出的辅助火焰，组成了火焰桶，主喷嘴的火焰在其内部正中。辅助火焰防止主喷嘴的火焰不脱火，同时对迅速提升钢包耐火内衬，正在喷补的局部表面温度，同样发挥辅助、不可或缺的作用。主喷嘴内氧气与燃料强旋转喷出后，混合气流的轴向流速极速下降，很快低于燃烧的火焰传播速度，从而得到稳定、持续的燃烧，产生向四周扩散的高温火焰，加热原耐火内衬壁的面积增大。强旋转气流使喷补料离开喷嘴时，迅速向四周散开喷出，接触到原内衬的面积同样增大。喷补料不会出现散不开，而积堆的现象。火焰喷补时，按照氧气与天然气的要求配比量、流速，必须分别迅速调整，精准控制管道内氧气、天然气的压力和流量。对管道内氧气、天然气的调整、控制、计控计量的各种气阀、仪器、仪表等，能否满足要求，同样是钢包耐火内衬火焰喷补成功的关键。

炼钢钢包的原始耐火内衬，通常用各种型号的镁碳砖和铝镁碳砖，由人工砌筑建造成型。钢包承载钢液后，内衬壁表层出现薄薄的脱碳层。有脱碳层，才能使喷补料附着到内衬壁的表层，并烧结成一体。耐火内衬导热系数低，火焰喷补时，近3000℃主、辅高温火焰，快速加热内衬壁表面，达到略高于钢液的温度，即1700℃左右高温，仅在内衬壁表面的脱碳层内，且不会迅速向耐火内衬深层传递太多的热量。钢包耐火内衬火焰喷补的喷补料组成成分及比例：CaF2氟化钙8%；SiO2氧化硅14%；CaO氧化钙24%；MgO氧化镁54%，粒度＜1.5mm，其中80%粒度＜1mm;水份＜0.5%；氧化铁＜0.1%。CaO石灰有极强的吸潮、吸水性，注意保存期喷补料的保护。氧化铁是钢包内还原性精炼钢液的有害元素，严格控制在喷补料中的存在。喷补料形成的内衬壁表面喷补层，与高温钢液直接接触，对钢液的洁净度没有负面影响。喷补层将在超高温环境中，形成易熔的三元化合物：CaO•MgO•2SiO2辉透石熔点1390℃；CaO•MgO•SiO2钙镁橄榄石熔点1498℃；3CaO•MgO•2SiO2镁蔷薇辉石熔点1436℃；2CaO•MgO•2SiO2镁方柱石熔点1458℃。另外萤石熔点1360℃。喷补料随着混合气流强旋转，高速从主火焰喷嘴喷出，快速向四周扩散，随着近3000℃高温火焰，散开式喷洒在已被加热到高温的局部内衬表面。在内衬的1700℃左右高温表层和近3000℃高温火焰，共同夹持下，喷到内衬表面的喷补料，快速形成有32～38%比例的液相化合物。由常温固体粉状喷补料，迅速转变成高温熔融状态的喷补层，粘附在钢包耐火内衬壁上。原耐火内衬与喷补层之间，形成高温液相烧结后，陶瓷结合成一体，发育出耐火内衬新层。随后在持续超高温火焰作用下，萤石直接升华消逝，内衬壁新层中的大部分易熔化合物，被渗出到表面后流失。在流失之前，将增强随后新喷洒上喷补料，对内衬表层的附着率。留下高熔点化合物，成为内衬壁新层的骨料，在炼钢生产过程中，抵御高温钢液的侵蚀。原始内衬作为内衬新层附着的基体，并高强度结合成一体，表层再被高温钢液侵蚀，火焰喷补再重新修复，钢包耐火内衬始终保持可信的安全厚度。