转炉炼钢新技术 文档.doc

转炉炼钢及新技术 摘要 当前，主要有二种炼钢工艺，较为普遍的是以高炉铁水和废钢为原料的顶吹氧气工艺或底吹氧气工艺也称为转炉），其次是以预还原球团矿或高质量的工业废钢为原料的电弧（炉）工艺。（平炉工艺曾占粗钢产量的100，现已缩减到几乎为零）。在氧气炼钢工艺中，把来自于高炉的含饱和碳的铁水兑人一个容量约为100一300吨的转炉中，然后用氧气从金属熔池上面向熔池喷吹约I5分钟（顶吹），或者通过熔池底部喷嘴喷入氧气和丙烷的混合气体（底吹）。当前顶吹比底吹工艺更普遍采用，但新钢厂中逐渐被底吹氧气炼钢工艺所代替。顶一底复吹工艺也被实际应用。 关键词：转炉炼钢 氧枪 溅渣护炉技术 1前言 转炉炼钢法的特点是设备简单、投资少收效快；生产周期短、产量高；原材料为铁水，不需要从外部引进热源，而是向铁水吹入氧气，与铁水中的碳、锰、磷、硅等元素氧化而放热，使钢熔熔池获得必要的冶炼温度（一般为1600摄氏度左右）。氧气转炉炼钢主要有顶吹转炉炼钢，此外还有底吹转炉和顶底复吹转炉炼钢。生产的钢种主要是低碳钢和部分合金钢。 2 氧气炼钢工艺氧气炼钢工艺主要对以铁水（生铁液）和废钢组成的金属填装料进行精炼，并通过使用高纯度氧气快速生产所需要的含碳量和温度的钢。在精炼过程中，加入各种炼钢熔剂以去除金属熔池中的硫和磷，使成份达到所需要的水平。具有代表性的氧气工艺，每炉次生产熔炼量为180吨的钢液需要45分钟，其中，仅有l5分钟时间用于实际的精炼过程。其余时间（30分钟）为炉子装料、取样并检测钢液成分、以及测量钢液温度、出钢、倒渣等各过程所需时间之和。在氧气炼钢工艺中，硅、碳、锰、磷和铁等元素的氧化所释放的热量）为熔化废钢、造渣和提升熔化温度到所需要的温度提供能量。对给定炉次的铁水、废钢和熔剂的装人量需经计算而定，以便在达到规定氧量的吹炼终点，钢液熔池的含碳量和温度均达到合格的(出钢）要求。各炼钢工艺的主要区别在于采用不同的方法以控制熔池的供氧量来进行冶炼。氧气和不需要的元素硫除外）不可避免地和一部分铁元素形成氧化物，这些氧化物或以气体形式脱离熔池，或进人渣中。脱硫机理不涉及与氧的直接反应而是直接地依赖于渣况（主要有碱度、氧化状况和温度）。在精炼铁水和脱碳过程中，熔池熔点升高。为了保持熔池的熔化状态必须由氧化反应提供足够的热量。氧气工艺的原理和类型氧气炼钢是气体炼钢的一个分支。在氧气炼钢工艺中，高纯度氧气在燃烧压力下喷入熔池或喷向熔池表而，将熔池中的铁水、废钢和熔剂吹炼成钢。有很多不同的提供氧化性气体的方法。当前在工业化工艺方面有三种方法。其中一种为转炉顶吹法，氧化性气体由喷管或喷枪的特殊喷嘴以超音速气流输送到氧枪喷嘴出口处。该喷管或氧枪为水冷式并通过敞开的炉口降入转炉内。在底吹工艺中，氧气通过转炉底部的若干个风口喷入熔池，氧气通过由两个同心管组成的风口吹入。氧气通道为内管的中心、而碳氢化合物冷却剂则通过同心管的圆环通道喷入。许多底吹工艺使用甲烷或丙烷作为碳氢冷却剂，而其他底吹工艺使用燃油。碳氢冷却剂在钢液温度下分解并在离开风口末端时吸收热量从而保护氧气风口免遭早期过热和过度烧蚀。2.1 氧枪和吹炼条件氧气顶吹转炉装置，包括氧枪、副枪和提升转移装置，结构相当复杂。例如，一座大型现代转炉的氧枪（连同冷却水及管道）重约1.5吨。氧枪提升及转移装置位于转炉上部。一副氧枪应以一定的流速供氧并形成预期的射流，有足够高的寿命且设计简单。供氧速率一般为5 - 8m3/min/t,即相当于每分钟在1-1.5MPa的压力下，向一座350吨的转炉供氧2800m3。氧枪有单喷嘴式（小型转炉）和多喷嘴式。大型转炉的氧枪有5-7个喷嘴。喷嘴的轴线与氧枪的轴线成15-20度的夹角。喷嘴通常有一个8-10度的锥度。喷嘴的尺寸、数量和形状的选择应考虑下列因素：(1)在特定的供热期间氧气射流应尽可能穿入金属熔池中（金属熔池需要碳的氧化和对金属的良好搅拌）；(2)相反在其他期间,氧气射流必须作用于熔池表面而不是深层，以便加速渣中石灰的溶解并形成一定碱度的流动渣；(3)氧气射流对熔池表面的作用应避免金属和渣的喷溅对炉衬造成危害。（即实施所谓的软吹是必要的）；(4)氧枪结构应趋于简单目操作可靠。综上所述，氧枪应满足各种不同的要求。在转炉中，两副氧枪同时使用或交替使用的试验表明这些方法使转炉操作相当复杂。通过使用一种两阶段氧枪（第二阶段供氧使从熔池中逸出的一氧化碳二次燃烧）可取得一定的积极效果。但这种方法由于氧枪的生产和操作存在一定的困难而并不普及。原则上能够在理论上计算出氧气射流和熔池的相互作用关系。例如，空气动力学可以分析一个相对简单的问题，即气体射流射人一种气体介质中时，气体射流对非弹性流体表面的作用。这一问题与转炉吹炼过程可类比，但只适用于吹炼的最初时刻。一旦吹炼开始，通过喷嘴的冷氧气流将与从熔池表面产生的热的废气流产生相互作用。这些气体的成分、温度和粉尘含量在很宽的范围内变化。一定的氧气和这些气体反应并氧化粉尘中的金属颗粒和一氧化碳，O2+2CO =2CO2，这个反应改变了气流的成分和温度。熔池中发生一定的变化：气体射流在熔池表面形成波动并搅拌金属，进而熔池表面出现渣层，其厚度不断变化，因此，气体射流所冲击的介质变为非弹性。这一问题可以通过实验室条件下的模拟来解决，然后对各种制式的氧枪在转炉操作中通过试验进行测试。模拟结果可用来导出经验计算公式。在生产过程中,氧枪连续不断地进行水冷。氧枪端部在最恶劣的条件下工作，其头部是可换的，并由具有高的导热系数的铜材料制成（其导热系数几乎是钢的8倍）。有两种形式的氧枪：中心供氧式和中心水冷式，后一形式的氧枪可保证较高的熔池吹炼强度和较好的端部冷却条件，但前一种形式的氧枪因其安装和修理比较容易而应用比较广泛。氧枪端部经焊接（大多数）锻造或铸造制成，氧枪和氧枪头在工厂中由特殊工序生产，一副氧枪的平均寿命为300炉次，因此，一座转炉的氧枪一个月可更换数次，氧枪尺寸比较大（长度可达25米），通过使用带有两个支座的特殊装置（一个为短的、可移动支座，另一个为长的紧固于车间金属结构框架之上的固定支座），可以消除氧枪的不可控震动。此外，还可通过安装于车间顶部的机械装置使氧枪对中，来削减其振幅。 2.2氧枪精确定位控制 定位数据的处理采用点线结合的方法，对于极限位、待吹位、开氧/闭氧位、变速位等需精确定位的关键点，采用10次往返计数值加权平均的方法，以抵消提升加速和下降加速引起的卷扬钢绳弹性形变所造成的定 位误差。对于纵轴线上的枪位显示数据，则采用自动定量补偿和人工校准相结合的方法予以处理:即当氧枪提升和下降的过程中，在编码器读数的基础上，分别加或减一个补偿量，这个补偿量是对氧枪1000次往返读数与实测枪位误差的统计处理结果，用这一数据补偿，在氧枪的工作行程上，可以达到2CM的定位精度，完全能够满足枪位指示的精度要求。另外，为提高系统的可靠性，通过MMI设置了枪位校准按钮，当控制误差较大时，可以把氧枪下降到校准点，按下校枪按钮进行软手动校枪，此时定位系统自动初始化，恢复设定精度。 枪位计算公式如下: L升=(W+M-N升)(3.1416D)S L降=(W+M+N降)(3.1416D)S 其中: L升:提升过程实际枪位; L降:下降过程实际枪位; W:计数模板当前计数值; N升:提升过程补偿量; N降:下降过程补偿量; M:校准点初始计数读数; S:编码器每周脉冲数; D:提升装置卷扬辊直径。 2.3 氧气转炉热平衡某种冷却剂的选择取决于技术经济因素，冷却剂通常主要用废钢。一定量的铁矿石也被加入转炉中，用来弥补铁的氧化损失，并加速渣的形成。料中废钢的比例既可通过增加热输入项，也可通过减少热输出项来增加。下列技术已在实践中得到应用：(1)提高兑入转炉中的铁水温度（主要通过减少铁水由高炉至转炉过程中的热损失）；（2）通过氧燃烧嘴（或氧油烧嘴）进行转炉废钢预热；(3)应用添加剂（煤、焦炭、碳化钙等）在其氧化时放出较多的热；(4)通过合理组织生产，缩短设备修理时间和取样时间等来减少热损失。废气余热预热废钢也是一种有前途的方法，但其技术上尚不完善。 3 转炉生产 通过多年的氧气转炉生产实践，通常采用下列转炉装料顺序。上炉出钢完毕首先装人废钢（废钢料预先称量，并被运至转炉，由起重机吊起，倾斜倒入炉中），废钢加入后，立刻将需要量的铁水兑入炉中（铁水包小车应在预定时间内运至转炉车间），兑铁水完毕，转炉摇至垂直位置，氧枪下降，吹炼开始。成渣剂和其他添加剂以磨屑态加入(粒度大小为20-25mm);这些材料组合在一起，通常称为松散料，它们可由三种不同的方式加入：(1)所有松散料在兑入铁水之前或在废钢加入之前一次性加入转炉中；(2）松散料在吹炼过程中由转炉顶部连续加入；(3)部分松散料（约为总料量的一半）在吹炼开始时加入，剩余的部分在吹炼过程中几分钟之内连续加入。第二种方法最普遍。一座300吨的现代转炉，其冶炼周期平均约为42分钟，时间分配如下：加入废钢和兑人铁水 10 min吹氧17 min倾炉取样6 min出钢、出渣、修补炉衬 9min从吹氧开始一个典型的转炉炉次可由图表说明。杂质氧化、熔池加热和炉渣形成等过程同时进行。它们相互影响，整个过程取决于炉料和成渣剂的成分、特性、氧枪设计、氧气压力和流量及吹炼过程。3.1 炉料成分为了与贝塞麦生铁（高硅含量）和碱性贝塞麦生铁（高磷含量）相区别，转炉炼钢用的生铁通常被叫做平炉生铁或平炉成分生铁。氧气转炉原则上可用各种成分的生铁进行冶炼，但为了操作方便，必须对硅、锰、磷、硫含量进行一定限制。（1）硅含量硅能被氧化形成二氧化硅并放出热量，所以二氧化硅加速了渣中石灰的溶解及渣的熔化进程，释放出的热被用于熔化废钢。然而，硅含量特别高时形成二氧化硅数量太高，必须加人大量的石灰。此外，渣中二氧化硅浓度过高损害炉衬。由于以上原因，生铁中硅含量应限制在0.3-0.8之间。特别推荐高炉低温操作以确保生铁中低的硅含量。但是如果想得到更低的硫含量则比较困难。所以低硅生铁在高炉车间使用无硫焦碳进行生产。（2）锰含量生铁中最佳锰含量应考虑用以下因素加以解决：1)锰的氧化生成热：2)锰的氧化物能降低碱性渣的熔点，会加速渣的形成。3)在转炉吹氧过程中锰几乎被完全氧化，高浓度的锰意味着高的氧化损失，降低钢的收得率；4)在高炉中由普通矿石生产的生铁中锰含量可以通过往高炉中加锰矿的方法加以提高，但这样做增加了生铁成本；5)生铁中存在的锰能促进金属脱硫。在大多数情况卜，氧气转炉用的生铁含有0.3-0.8的锰。（3）磷和硫的含量生铁中硫和磷的含量应尽量低。通常生铁中含有不超过0.2的磷和不超过0.04的硫。转炉中的废钢应该满足对有害元素含量的限制要求,此外，也要限制废钢块料的尺寸，使其不损害炉衬。渣料和固体氧化物必须满足一般要求。特别注意避免使用粉末状材料，因为废气很容易将此种材料带走。3.2 转炉钢的脱氧和合金化转炉工艺有两个典型特点，它们决定了转炉钢脱氧和合金化的种类：(1)氧被连续供应，如在整个加热过程中气相被氧化；(2)在冶炼末期，含有大量的渣（占金属重量的13 -15%），此渣中氧化铁活性高，例如氧化物含量高，渣中含有大量磷。如果不采取措施，由于金属和氧化性渣的相互作用，前期脱氧工作将前功尽弃。由于终渣氧化性和碱性降低，部分磷可能被还原并且从炉渣进入金属。为避免此问题，采用以下技术脱氧和合金化：1)采用各种方式尽可能阻止出钢时终渣进入钢包（此技术有时称为“渣分离）。此问题绝非简单，因为转炉翻转较慢，导致渣先从出钢口流出，一段时间后，金属开始流出；此外，部分渣随同最后的金属流入钢包；有许多技术用于阻止渣进入钢包。例如，出钢前用石棉塞堵住出钢口，往转炉中投入一个比钢水轻比渣重的耐火塞，它浮于渣钢界面，金属流完后可堵上出钢口。向钢包中加入白云石以增加渣层厚度等。这些技术不能完全阻止渣流入钢包，但减少了包中渣含量。2）脱氧过程完全转移至钢包中进行。3）生产低合金钢的情况下，大量的脱氧剂和合金添加剂加入到金属中，比钢水密度高的铁合金部分直接加入转炉中；然后，转炉摇炉数分钟以最终均匀钢水中的添加剂。4)脱氧剂和合金添加剂在一个单独的容器中熔化（通常如电炉）并在转炉出钢时倒入钢包中，合金添加剂的预先熔化使在转炉中生产低、中合金钢成为可能，而且在某些情况下，甚至能生产高合金钢。钢包中的钢水通过惰性气体搅拌，达到均匀温度和成份的目的。碳氧化生成的一氧化碳搅拌熔池，促进钢水中气体和非金属夹杂的去除，从而提高钢的质量。如果严格执行操作规程，并且炉料的成份稳定，那么向钢包中添加的碳的氧化程度将变化很少，增碳操作可取得很好的效果。4 转炉溅渣护炉技术现状及特点 转炉溅渣护炉技术与复吹炼钢技术，并列为现代炼钢工艺的两项重大新技术。我国冶金工作者借鉴国外转炉溅渣护炉的技术思想，迅速开发了适合于中国国情的各种转炉溅渣护炉技术，涂层测厚仪广泛推广采用，并获得巨大的经济效益。我国采用转炉溅渣护炉技术的几年里，炉龄发生了质的飞跃，与采用溅渣技术前相比，我国转炉龄提高了5-10倍，转炉炉龄已不是制约转炉生产能力发展的瓶颈。目前我国转炉平均炉龄已接近万炉，最高炉龄已达267万炉(武钢)，同时我国涂层测厚仪在小型转炉、半钢冶炼转炉及复吹转炉领域的溅渣护炉技术，走在世界前列，形成具有中国特色的专利技术。4.1 我国转炉涂层测厚仪溅渣护炉技术现状溅渣前我国中小转炉炉龄仅为1000-2000炉，中型转炉炉龄仅为3000-4000炉。转炉炉龄低已成为制约我国转炉发挥能力、降低成本的“瓶颈”。近年来我国结合国情开发下列溅渣护炉技术：(1) 具有增压、调峰及防泄漏涂层测厚仪功能的氮气供应、检测及检测控制设备；(2) 适用高TFe、高温炉渣的调质、改质材料；(3) 适用高TFe、高温炉渣的调质、改质工艺； (4) 溅渣氮气喷吹工艺及溅渣氧枪的维护技术； (5) 结合溅渣技术的优采用，降低炼钢终点温度及提高终点碳含量的工艺优化。4.2 半钢冶炼转炉溅渣护炉技术 (1) 半钢冶炼的特点 转炉半钢冶炼工艺在我国攀钢、承钢涂层测厚仪等钢厂采用。经提钒后的铁水(半钢)具有以下特点： -铁水含碳低，一般小于35，造成炼钢热量不足；-铁水Si为痕迹，炼钢化渣困难；-上述原因造成半钢冶炼炉渣碱度高，为了将降低炉渣的涂层测厚仪粘度和熔点，采用高FeO化渣工艺，加剧对炉衬侵蚀。(2) 半钢冶