转炉底吹复吹工艺

冶金学之炼钢篇阎立懿东北大学钢铁冶金研究所2011年5月3日～6月30日/1#教学楼301（No9）10/19/20221东北大学/阎立懿主要内容第一章炼钢概述第二章炼钢基础理论第三章炼钢原材料第四章转炉炼钢法第五章电炉炼钢法10/19/20222东北大学/阎立懿第四章转炉炼钢法——氧气顶吹炼钢工艺

氧枪顶吹转炉一炉钢冶炼操作过程主要包括:

1）装料；2）吹氧；3）造渣；4）终点控制；5）出钢、脱氧及合金化；6）护炉、倒渣及堵口等六个阶段。吹炼各期钢水成分及炉渣成分的变化规律，见表：

因素阶段熔池温度氧化性碱度脱碳速度脱磷速度吹炼前期低高（＞25%）低低中吹炼中期中低（＜15%）中高高吹炼后期高中(15%~20%)高低低10/19/20223东北大学/阎立懿五大工艺制度：装料制度装料顺序、装入量控制方法，转炉的炉容比。供氧制度供氧压力、供氧流量及供氧强度，强调氧枪的枪位对熔池中的冶金过程产生的影响。造渣制度合适的造渣方法、渣料的种类、渣料的加入数量和时间。温度制度主要是指炼钢过程温度控制和终点温度控制——氧气转炉炼钢热平衡及其热效率的定义。终点控制是指终点温度和成分的控制，实质是碳含量和温度的控制，给出拉碳、拉碳法、增碳法的含义。挡渣出钢技术，溅渣护炉技术及其基本原理。10/19/20224东北大学/阎立懿第四章转炉炼钢法4.4氧气底吹转炉

4.4.1底吹转炉法的发展

虽然上世纪50年代制氧技术的突破，为氧气炼钢奠定了坚实基础。但在1950～1960年期间，底吹转炉并没有完全用纯氧吹炼，只用40%的富氧，如果再提高富氧度，喷咀寿命将大幅度降低。

底吹喷嘴及其炉底寿命是氧气底吹转炉技术关键！10/19/20225东北大学/阎立懿

1965年加拿大液化空气公司成功研制了双层套管氧气喷咀，1967年前西德马克西米利安钢铁公司将此技术用在托马斯转炉上，成功开发了氧气（纯氧）底吹转炉炼钢技术，称之为OBM法（OxygenBottom-blownMaximilian）。该喷咀内层钢管通氧气，环缝中通碳氢化合物，利用包围在氧气外层的碳氢化合物的裂解吸热和形成还原性气幕冷却保护氧气喷咀。10/19/20226东北大学/阎立懿

与此同时，法国研制成功与OBM相似的方法，命名为LMS法（由三个公司开发的），他们是以液态的燃料油作为氧气喷嘴的冷却介质，在30吨OBM炉取得了较好的效果，使得钢中[N]大为降低，炉子寿命大为提高。1971年，美国钢铁公司引进了前西德的OBM法，1972年建设了3座200吨氧气底吹转炉，命名为Q-BOP法（Quiet-BOP）。此后，底吹转炉在欧洲、美国和日本又得到了进一步发展，如日本1977年建设当时最大的230吨Q-BOP设备。10/19/20227东北大学/阎立懿4.4.2氧气底吹转炉结构特点1）设备概貌10/19/20228东北大学/阎立懿

2）设备结构特点炉型与LD转炉相似，但高/径比小于LD转炉的。底吹转炉的炉身和炉底是可拆卸分开，以满足底吹供气系统的维护。炉底上安装有10～20支吹氧喷咀。没有顶吹氧枪，不需要高厂房，这对生产率不高的平炉改为氧气底吹转炉十分有利。采用“天然气、丙烷、丁烷等碳氢化合物”作为喷咀冷却剂的双，是提高炉底寿命的关键。为提高脱磷、硫效率，由喷咀内管吹氧的同时可以吹石灰粉和萤石粉等造渣剂，还可以吹氩、氮气。10/19/20229东北大学/阎立懿4.4.3氧气底吹转炉炉内反应

1）吹炼过程各成分的变化

其过程与LD大体一样，特点如下：吹炼初期，铁水中[Si]、[Mn]优先氧化，但[Mn]的氧化只有30％～40％，这与LD吹炼初期有70％的锰氧化不同。吹炼中期，铁水中[C]大量氧化，氧气脱碳利用率很高（接近100％），锰有回升，减少脱氧用Fe-Mn的消耗。吹炼末期，磷的氧化才加速进行（脱磷滞后），锰的氧化也加速，但钢中[Mn]还较高。10/19/202210东北大学/阎立懿

从吹炼初期开始，（CaO）高的碱性渣就已生成，在整个吹炼过程中，渣中的（FeO）和（MnO）都在低于LD法的水平上变化。

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2）碳氧化与[C]-[O]平衡在钢水中[％C]>0.07时，底吹转炉和顶吹转炉的[C]-[O]关系，都比较接近PCO=1atm、1600℃时[C]-[O]平衡关系；但当钢水中[％C]<0.07时，底吹转炉内的[C]-[O]关系低于PCO=1atm时[C]-[O]平衡关系，这说明在相同的钢水含氧量下，与之相平衡的钢水含碳量，底吹比顶吹的要低。——氧气脱碳效率高，底吹法冶炼低碳钢更容易！10/19/202212东北大学/阎立懿

3）锰的变化规律

底吹转炉与顶吹转炉比较熔池中[Mn]的变化有两个特点：吹炼终点钢水残[Mn]高；[Mn]的氧化量小，反应几乎达到平衡。

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底吹转炉[Mn]氧化的少、残锰高的原因：

炉渣氧化性越强，越有利于锰的氧化！而底吹转炉渣中（FeO）含量低于顶吹的，反应：（FeO）＋[Mn]＝（MnO）＋[Fe]即钢水中的[Mn]取决于炉渣的氧化性。底吹转炉炉渣碱度高，自由氧化物MnO的活度大，钢水残锰增加、降低Fe-Mn消耗。10/19/202214东北大学/阎立懿4）铁的氧化和脱磷反应

底吹转炉（FeO）低，尤其初期（FeO）低，使得初中期脱磷不明显，后期（FeO）提高脱磷显著，使脱磷反应比顶吹转炉滞后进行。冶炼低碳钢时，（FeO）较高，脱磷问题不突出；但冶炼高碳钢时，因（FeO）较低影响脱磷。10/19/202215东北大学/阎立懿

为了提高冶炼高碳钢的脱磷能力，底吹转炉通过炉底喷入铁矿石粉或返回渣和石灰粉的混合料，提高渣氧化性及碱度，加之底吹转炉熔池搅拌剧烈，大大地改善了渣-钢接触，提高了脱磷效果。

对于高磷铁水的情况：可采用留渣法，即将前炉炉渣留在炉内一部分，前期吹入石灰粉约为总量的35％，后期吹入约65％进行造渣。前期可脱去铁水含磷量的50％，吹炼末期的炉渣为CaO所饱和，供下炉吹炼用。10/19/202216东北大学/阎立懿5）脱硫反应

230吨底吹转炉吹炼过程中，当熔池中的碳达到0.8％左右时，[S]达到最低值，说明吹炼初期固体CaO粉末就有一定的直接脱硫能力。与顶吹相比，底吹转炉具有较强的脱硫能力（图230t底吹转炉内渣钢间硫分配比与炉渣碱度的关系），特别是炉渣碱度为2.5以上时表现得更明显。10/19/202217东北大学/阎立懿

钢液中[C]能增加硫的活度系数、降低氧活度，另外，同一温度下高碳钢液的流动性比低碳钢的好，所以高碳钢脱硫比较容易。

底吹转炉即使在钢水低碳范围内，仍有一定的脱硫能力，原因是炉内的CO分压比顶吹的低（弱氧化性气氛），而且熔池内的搅拌强烈（改善渣-钢接触，硫在渣-钢的分配比较高，接近于平衡值）对脱硫有力。10/19/202218东北大学/阎立懿6）钢中的[H]和[N]由于Q-BOP转炉中熔池搅拌强烈，气泡在铁液中上升产生的清洗作用有利于脱氮；但底吹转炉使用碳氢化合物作为冷却剂，分解出来的氢被钢水吸收氢，使得底吹转炉钢中[H]要比顶吹转炉的高1～3ppm，如某厂顶吹转炉钢水中平均含[H]量为2.6ppm，而底吹转炉平均为4.5ppm。吹炼终点[C]与[N]的关系10/19/202219东北大学/阎立懿4.4.4氧气底吹转炉冶金特点

1）优点吹炼过程平稳，喷溅及喷溅损失少；渣中氧化铁含量低、渣量少，金属及合金收得率高；氧气脱碳效率高、脱碳速度快，氧气消耗降低；锰氧化减少、残锰量增多，降低锰铁合金消耗；熔池搅拌强烈，脱硫能力强，氮含量低；铁的蒸发损失及烟尘少。2）缺点炉龄（炉底寿命）较低；渣中氧化铁含量低，化渣比较困难，脱磷能力较低;碳氢化合物冷却剂作用，使钢中[H]含量较高*10/19/202220东北大学/阎立懿4.5顶底复合吹炼转炉

4.5.1复吹转炉法发展氧气顶底复吹转炉法可以说是顶吹转炉和底吹转炉冶炼技术不断发展的必然结果。

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氧气顶吹转炉（LD）法中主要搅拌动力是C-O沸腾，吹炼末期脱碳变慢、熔池搅拌强度减弱，而且炉容量越大、这个问题越突出。为解决此问题，1973年开始的奥地利人爱德华（Eduard）、1975年的法国钢铁研究院(IRSID)等进行大量复吹炼钢工艺试验研究。于1978年在卢森堡阿尔贝德公司埃施-贝尔瓦尔厂的180吨顶吹转炉上增设底吹惰性气体以加强熔池搅拌，并获得成功，这就是国际上影响较大的复吹法——LBE法（LanceBubblingEquilibrium）。10/19/202222东北大学/阎立懿与此同时，日本的川崎制铁株式会社，由美国钢铁公司（USS）引进Q-BOP法后，进行了广泛的模型研究与工业试验，在1980年分别开发成功顶吹氧、底吹惰性气体的LD-KG法（即LD-KawasakiGas法）和顶底吹氧的K-BOP法，扩大了复吹转炉的类型、加速了各国对LD转炉的改造。我国首钢及鞍钢分别在1980年和1981年开始进行复吹的实验研究，并于1983年分别在首钢30吨转炉及鞍钢180吨转炉上推广使用，效果明显。10/19/202223东北大学/阎立懿4.5.2复吹转炉法的类型按底吹方式分：氧气顶吹、惰性气体底吹工艺；氧气顶、底复合工艺；氧顶吹、氧＋喷熔剂底吹工艺三种。

1）氧气顶吹、惰性气体底吹并采取顶部加石灰块造渣，代表方法：LBE/法研院、LD-KG/日川崎、LD-OTB/日神户、NK-CB/日钢管。K——Kawasaki

底吹惰性气体种类有：Ar、N2、CO2，底部供气强度在0.03～0.12m3/（t·min）。底部多采用双层套管式或多孔透气塞式供气元件。10/19/202224东北大学/阎立懿2）氧气顶、底复合工艺

方法有：LD-OB/新日铁、STB

/日住友、STB-P/日住友、LD-HC/比利时、BSC-BAP/英钢等。底吹氧气需要采用双层管式供气元件，使氧气得到屏蔽，以避免氧气与炉底耐火材料直接接触；顶部供氧比为60％～90％，底部供氧比为40％～10％，底部的供氧强度在0.2～2.5m3/（t·min）范围，属于强搅拌类型。其中STB-P法是日本住友金属，在底吹O2、CO2、N2基础上，在转炉顶部喷吹石灰粉，以改善高碳钢去磷，并用于不锈钢的生产。

BSC-BAP是英国钢公司开发的，用底吹空气代替氧气，同时吹N2或Ar，并用N2作为冷却介质。10/19/202225东北大学/阎立懿3）氧气顶吹、氧＋喷熔剂底吹工艺

典型代表：K-BOP/日川崎由日本川崎制铁株式会社在顶吹转炉的基础上开发的，是将占总氧量30%的氧气＋石灰粉（造渣剂）一道从炉底吹入熔池的，吹氧强度一般为0.8～1.3m3/（t·min），熔剂的喷入量取决于钢水脱磷、脱硫的需要。底部多采用双层套管式供气元件。10/19/202226东北大学/阎立懿顶底复吹转炉示意图

10/19/202227东北大学/阎立懿4.5.3顶底复吹转炉内的反应

1）成渣速度——快复吹与顶吹、底吹两种转炉相比，熔池搅拌范围大、强烈，成渣速度快。通过调节氧枪枪位化渣，加上底部气体的搅动，形成高碱度、流动性良好和一定氧化性的炉渣，成渣时间比顶吹或底吹转炉的都短。从底部喷入石灰粉造渣的情况，如K-BOP法成渣速度就特别快。10/19/202228东北大学/阎立懿复吹转炉中∑(FeO)的变化规律

2）渣中∑(FeO)含量复吹转炉在吹炼过程中，渣中的(FeO)的变化规律和(FeO)含量与顶吹转炉、底吹转炉有所不同，这是复吹转炉炉内反应的特点之一。

10/19/202229东北大学/阎立懿渣中∑(FeO)的比较

就(FeO)含量而言，顶吹（LD）＞复吹（LD-OB）＞底吹（Q-BOP）。底部吹入的氧，生成FeO在熔池的上升过程中被消耗掉（铁还原）；底吹气体搅拌，尽管渣中(FeO)低，但化渣不成问题（在操作中不需要高的(FeO)）；上部顶枪吹氧，(FeO)含量比底吹法的高。10/19/202230东北大学/阎立懿3）钢水中的碳吹炼终点的[C]-[O]关系和脱碳反应不引发喷溅，这反映出复吹转炉的冶金特点。复吹转炉顶吹（大部分氧）、底吹（少部分氧），供氧比较均衡，钢水的脱碳速度高、脱碳反应快，而且均比较均匀，使渣中∑(FeO)含量始终不高（也高不起来）。在熔池底部生成的FeO与[C]有更多的机会反应，FeO不易聚集，从而也很少产生喷溅。10/19/202231东北大学/阎立懿

复吹转炉的[C]-[O]关系线低于顶吹转炉，比较接近底吹转炉的[C]-[O]关系线。当底部吹入惰性气体后，钢水中[C]-[O]的关系线下移，原因是吹入熔池中的N2或Ar小气泡降低CO的分压，同时还为脱碳反应提供场所。与顶吹转炉相比，在相同含碳量下，复吹转炉[O]低、合金收得率高。10/19/202232东北大学/阎立懿4）钢水中的锰

顶底复吹转炉中∑(FeO)低，在吹炼初期，钢水中的[Mn]只有30%～40%被氧化，待温度升高后，在吹炼中期的后段时间，又开始回锰，所以出钢前钢水中的残锰较顶吹转炉高。

钢水中[Mn]的变化比较10/19/202233东北大学/阎立懿5）钢水中的磷从炉底部吹入的氧气，可与金属液反应生成（FeO），（FeO）与[P]反应，也有可能氧直接氧化金属液中的[P]生成P2O5。从反应的动力学看，强有力的熔池搅拌有利于脱磷，在吹炼初期，脱磷率可达40%～60%，以后保持一段平稳时间，吹炼后期，脱磷又加快。10/19/202234东北大学/阎立懿6）钢水中的硫

复吹转炉脱硫条件要好于顶吹及底吹转炉，原因有以下几个方面：渣中∑(FeO)比顶吹低。底部喷石灰粉、顶吹氧，调渣灵活，能及早形成较高碱度、流动性好的炉渣。底部喷石灰粉，改善渣-钢接触、增加反应界面