转炉炼钢工艺2003

转炉炼钢工艺朱荣Tel:01-62332515，Email:zhurong@炼钢工艺授课内容

参考书：钢铁冶金学（陈家祥）转炉炼钢学（徐文派）氧气转炉炼钢工艺与设备（王雅贞）转炉炼钢工艺(4学时)电炉炼钢工艺(4学时)铁水预处理工艺(2学时)钢水炉外精炼工艺(2学时)1转炉炼钢的发展1855－1856年英国人亨利.贝塞麦(Henly)开发了酸性底吹空气转炉炼钢法；1878年英国人托马斯(S.G.Thomas)碱性底吹空气转炉炼钢法；1940年廉价获得氧气后，瑞士、奥地利开发了顶吹氧气转炉，1952年在奥地利林茨(Linz)和多纳维茨城(Donawitz)建成第一座30吨碱性顶吹氧气转炉(LD转炉)；或称BOF(BasicOxygenFurnace)。1970年开发顶底复合吹炼转炉。我国的炼钢发展史。氧气转炉的种类

氧气顶吹转炉氧气底吹转炉氧气侧吹转炉氧气顶底复合转炉顶吹氧气转炉炼钢工艺特点完全依靠铁水氧化带来的化学热及物理热;生产率高（冶炼时间在20分钟以内）；质量好（*气体含量少：（因为CO的反应搅拌，将N、H除去）可以生产超纯净钢,有害成份（S、P、N、H、O）〈80ppm；冶炼成本低，耐火材料用量比平炉及电炉用量低；原材料适应性强，高P、低P都可以。

转炉炼钢的热平衡及物料平衡热平衡是计算炼钢过程的热量收入（铁水的物理及化学热）及热量支出（钢液、炉渣、炉气、冷却剂、热量损失）物料平衡是计算炼钢过程中加入炉内和参予炼钢过程的全部物料（铁水、废钢、氧气、冷却剂、渣料和耐材等）及炼钢过程中产物（钢液、炉渣、炉气及烟尘等）“负能炼钢”转炉炼钢是一个能量有富裕的炼钢方法，衡量转炉炼钢的重要指标之一，转炉工序能耗及炼钢厂能耗。当炉气回收的总热量>转炉生产消耗的能量时，实现了转炉工序“负能炼钢”；当炉气回收的总热量>炼钢厂生产消耗的总能量时，实现了炼钢厂“负能炼钢”。日本君津钢厂、我国宝钢、武钢三炼钢厂均已实现炼钢厂“负能炼钢”。转炉设备转炉炉体及转炉倾动系统铁水、废钢、散状材料设备氧枪提升机构转炉烟气净化与回收设备2氧气射流及熔池搅拌氧枪吹炼参数决定转炉的冶炼过程及冶炼结果氧枪心藏是氧枪喷头；有关氧枪及氧枪喷头设计有专门介绍

氧气射流属于气体动力学的范畴。氧气射流对熔池的物理作用

转炉实际上是一个黑箱，对炉内的运动状态是冷态实验的分析结果。氧流作用下熔池的循环运动，动量传递，氧压或氧速越高，凹坑越深，搅拌加剧。

氧气射流对熔池的化学作用直接氧化---氧气射流直接与杂质元素产生氧化反应；间接氧化---氧气射流先与Fe反应生成后FeO，FeO传氧给杂质元素。是直接氧化还是间接氧化为主呢？是间接氧化为主，最主要一点是由于氧流是集中于作用区附近（4％的面积），而不是高度分散在熔池中。

氧枪喷头的种类直简型收缩型拉瓦尔型多孔拉瓦尔型。（马赫数控制在1.8-2.1）喷头设计需考虑的因素主要根据炼钢车间生产能力大小、原料条件、供氧能力、水冷条件和炉气净化设备的能力来决定。考虑到转炉的炉膛高度、直径大小、熔池深度等参数确定其孔数、喷孔出口马赫数和氧流股直径。对于原料中废钢比高、高磷铁水冶炼或需二次燃烧提温等情况，则其氧枪喷头的设计就需特殊考虑。3顶吹转炉的过程描述上炉出钢--倒完炉渣(或加添加剂)--补炉或溅渣--堵出钢口--兑铁水--装废钢--下枪--加渣料（石灰、铁皮）--点火--熔池升温--脱P、Si、Mn----降枪脱碳。看炉口的火，听声音。看火亮度--加第二批（渣料）--提枪化渣，控制“返干”。降枪控制终点（FeO），倒炉取样测温，出钢。技术水平高的炉长，一次命中率高。50%。（宝钢是付枪）根据分析取样结果--决定出钢（或补吹）－-合金化。

不要补吹的就是通常说的一次命中。冶炼技巧钢液碳的判断方法取样分析、磨样、看火花、付枪。钢液磷的判断方法取样分析、渣的颜色及气孔；钢液温度判断方法接触热电偶、看炉口火焰、看钢液颜色、读秒表。钢液颜色：白亮、青色、浅兰、深兰、红色冶炼过程渣、钢成份变化冶炼过程钢中[N][O]成份变化4炼钢用原辅材料原材料铁水：加70-85%(%C=4,%Si=0.4-1.0,%P=0.02-0.15,%S=0.001-0.050)废钢：加15-30%(厚度小于150mm，清洁)生铁块：调温及配碳烧结矿（改性铁）4炼钢用原辅材料辅助材料：石灰：有效CaO成分，块度，控制石灰吸水萤石：CaF2，能改善炉渣流动性生白云石：CaMg(CO3)2,造渣及护炉菱镁矿：MgCO3调渣剂铁合金、冷却剂及增碳剂耐火材料分类：碱性耐火材料(MgO)酸性耐火材料(SiO2)中性耐火材料(碳质及铬质)耐火材料的主要性质：耐火度、荷重软化温度、耐压强度、抗热震性、热膨胀性、导热性、抗渣性、气孔率等。5转炉耐火材料及护炉技术炉衬寿命：炉衬寿命影响转炉的工作时间及生产成本。炉龄是钢厂一重要生产技术指标。炉衬损坏的原因：铁水、废钢及炉渣等的机械碰撞和冲刷炉渣及钢水的化学侵蚀炉衬自身矿物组成分解引起的层裂急冷急热等因素。5转炉耐火材料及护炉技术5转炉耐火材料及护炉技术提高炉龄的措施：耐材质量；系统优化炼钢工艺；补炉工艺新工艺：溅渣护炉工艺，九十年代，美国开发成功转炉溅渣护炉技术，在我国达到最高效益，炉龄30000。5转炉耐火材料及护炉技术溅渣护炉的基本原理：是利用高速氮气把成分调整后的剩余炉渣喷溅在炉衬表面形成溅渣层。溅渣层固化了镁碳砖表层的脱碳层，抑制了炉衬表层的氧化，并减轻了高温炉渣对砖表面的冲刷侵蚀。6转炉冶炼工艺转炉冶炼五大制度

装料制度供氧制度造渣制度温度制度终点控制及合金化制度

6.1装料制度

确定合理的装入量，需考虑的两个参数：炉容比：(V/T,m3/t),0.8-1.05(30-300t转炉)；熔池深度：需大于氧气射流的冲击深度800-2000mm(30-300t转炉)装料制度：定量装入、定深装入；分阶段定量装入。分阶段定量装入：1－50炉，51－200炉，200炉以上，枪位每天要校正。交接班看枪位。供氧强度Nm3/t.min氧气流量Nm3/h操作氧压Mpa氧枪枪位m基本操作参数6.2供氧制度6.2供氧制度供氧强度(Nm3/t.min)决定冶炼时间，但太大，喷溅可能性增大，一般3.0-4.0。氧气流量大小(Nm3/h)：装入量，C、Mn、Si的含量，由物料平衡计算得到，50-65Nm3/h。氧压(Mpa)喷头的喉口及马赫数一定，P大，流量大,有一范围0.8－1.2Mpa。氧枪枪位，由冲击深度决定，1/3-1/2。6.2供氧制度

吨钢耗氧量计算％ C Si Mn P S 铁水成分４.３0０.８００.２００.１３０.０４ 成品成分０.２００.２７０.５００.０２０.０２ 转炉公称容量为100吨时，炉渣量为：100×10％＝10吨铁损耗氧量10×15％×16/(16＋56)＝0.33吨［C］→[CO]耗氧量100×(4.30%-0.20%)×90%×16/12=4.92吨［C］→[CO2]耗氧量100×(4.30%-0.20%)×10%〕32/12=1.09吨［Si］→[SiO2]耗氧量100×0.8%×32/28=0.914吨［Mn］→[MnO]耗氧量100×0.2%×16/55=0.058吨［P］→[P2O5]耗氧量100×0.13%×(16×5)/(31×2)=0.168吨[S]1/3被气化为SO2,2/3与CaO反应生成CaS进入渣中,则［S］不耗氧。总耗氧量＝0.33+4.92+1.09+0.914+0.058+0.168=7.48吨/1.429＝5236Nm3实际耗氧量＝5236/0.9/99.5%=5847Nm3实际吨钢耗氧量＝5847/100=58.37Nm3/t两种操作方式：软吹：低压、高枪位，吹入的氧在渣层中，渣中FeO升高、有利于脱磷；硬吹：高压低枪位(与软吹相反)，脱P不好，但脱C好，穿透能力强，脱C反应激烈。6.2供氧制度氧枪操作方式氧枪操作就是调节氧压和枪位。氧枪的操作方式：衡枪变压：压力控制不稳定，阀门控制不好；恒压变枪：压力不变，枪位变化，目前主要操作方式6.2供氧制度6.3造渣制度炼钢就是炼渣。造渣的目的：通过造渣，脱P、减少喷溅、保护炉衬。造渣制度：确定合适的造渣方式、渣料的加入数量和时间、成渣速度。渣的特点：一定碱度、良好的流动性、合适的FeO及MgO、正常泡沫化的熔渣。造渣方式单渣法：铁水Si、P低，或冶炼要求低。双渣法：铁水Si、P高，或冶炼要求高。留渣法：利用终渣的热及FeO，为下炉准备。石灰加入量确定石灰加入量是根据铁水中Si、P含量及炉渣碱度R确定。铁水含磷小于0.30%时：石灰加入量(kg/t)=2.14×W[Si]×R×1000/AA为石灰中的有效氧化钙A=W（CaO)－R×W（SiO2)

R×W（SiO2)W为石灰自身SiO2占用的CaO。当Si、P高时，需计算石灰补加量。成渣速度

转炉冶炼时间短，快速成渣是非常重要的，石灰的溶解是决定冶炼速度的重要因素。石灰的熔解：开始吹氧时渣中主要是SiO，MnO，FeO,是酸性渣，加石灰后，石灰溶解速度，可用下式表J＝K（CaO+1.35MgO-1.09SiO2+2.75FeO+1.9MnO-39.1）形成2CaO*SiO2，难熔渣。FeO,MnO,MgO可加速石灰熔化。因为可降低炉渣粘度，破坏2CaO*SiO2的存在。采用软烧活性石灰、加矿石、萤石及吹氧加速成渣。

成渣途径

钙质成渣低枪位操作，渣中FeO含量下降很快，碳接近终点时，渣中铁才回升。适用于低磷铁水、对炉衬寿命有好处。

铁质成渣过程

高枪位操作，渣中FeO含量保持较高水平，碳接近终点时，渣中铁才下降。适用于高磷铁水、对炉衬侵蚀严重；FeO高，炉渣泡沫化严重，易产生喷溅。CaO(+MgO)-FeO(+MnO)

-SiO2(+P2O5)相图ABC钙质成渣ADC铁质成渣白云石造渣提高渣中MgO的含量，延长炉衬寿命；渣中饱和MgO的概念；一般根据冶炼情况，MgO控制在6－10％采用白云石造渣应注意加入时间，防止涨炉底及粘氧枪。大喷溅转炉喷溅分：爆发性喷溅、金属喷溅及泡沫渣喷溅。喷溅的主要原因低温吹氧，氧位较高，碳氧反应不平衡，吹入的氧成为FeO，脱C反应较慢，当温度升高后C-O反应激烈；渣粘稠，金属喷溅。操作中防止喷溅的措施控制渣量吹氧脱碳的温度控制控制枪位，保证渣中FeO在一定范围(15－20％)保持合适的炉容比6.4温度制度温度控制就是确定冷却剂加入的数量和时间影响终点温度的因素：铁水成分:[%Si]=0.1,升高炉温约15℃铁水温度：铁水温度提高10℃，钢水温度约提高6℃（30t）铁水装入量：每增加1吨铁水，终点钢水温度约提高8℃（30t）废钢加入量：每增加1吨废钢，终点钢水温度约下降45℃（30t）此外，炉龄、终点碳、吹炼时间、喷溅等有影响。6.4温度制度

温度控制措施熔池升温降枪脱C、氧化熔池金属铁。金属收到率降低；熔池降温加冷却剂(矿石、球团矿、氧化铁皮、废钢)；废钢冶炼时一般不加。6.5终点控制及合金化制度终点控制指终点温度和成分的控制终点标志：钢中碳含量达到所炼钢种的控制范围钢中P达到要求出钢温度达到要求终点控制方法终点碳控制的方法：一次拉碳法、增碳法、高拉补吹法。一次拉碳法：按出钢要求的终点碳和温度进行吹炼，当达到要求时提枪。操作要求较高。优点：终点渣FeO低，钢中有害气体少，不加增碳剂，钢水洁净。氧耗较小，节约增碳剂。终点控制方法增碳法：所有钢种均将碳吹到0.05%左右，按钢种加增碳剂。优点：操作简单，生产率高，易实现自动控制，废钢比高。高拉补吹法：当冶炼中，高碳钢种时，终点按钢种规格略高一些进行拉碳，待测温、取样后按分析结果与规格的差值决定补吹时间。终点温度确定所炼钢种熔点：T＝1538－∑△T×j

△T:钢中某元素含量增加1％时使铁的熔点降低值，j钢中某元素％含量。考虑到钢包运行、镇静吹氩、连铸等要求钢水合金化满足脱氧的要求满足钢种的要求有精炼的转炉，作为预脱氧及初步合金化。合金加入原则：脱氧能力先弱后强，先难熔。合金加入量(kg)＝(钢种规格中限％－终点残余成分％)/A

A=(铁合金中合金元素含量％×合金元素收得率％)10007转炉冶炼的自动控制在计算机时代，如何提高炼钢效率，降低炼钢成本，使炼钢由经验向科学转化，是炼钢技术发展的必然。转炉吹炼的技术特点：①脱碳速度快，准确控制吹炼终点比较困难：②热效率高，升温速度快；③容易发生炉渣或金属喷溅；④吹炼后期脱碳速度减慢，金属—炉渣之间远离平衡，容易造成钢渣过氧化。转炉冶炼的自动控制1．对氧气顶吹转炉控制的要求①铁水质量稳定，能准确知道铁水成份和重量；②废钢量稳定，有害残余元素含量低；③石灰等其他造渣剂的化学成份及块度稳定。2.控制方案静态控制模型动态控制模型全自动控制模型转炉自动化控制的具体要求（1）能实现远程预报，根据目标钢种要求和铁水条件，能确定基本命中终点的吹炼工艺方案；（2）能精确命中吹炼终点，通常采用动态校正方法，修正计算误差，保证终点控制精度和命中率；（3）具备容错性，可消除各种系统误差，随机误差和检测误差；（4）响应迅速，系统安全可靠。静态控制模型静态控制是动态控制的基础，根据物料平衡和热量平衡；静态控制的原理是：质量守恒；先确定出终点的目标成份和温度及出钢量，并选择适当的操作条件，进行装入量的计算；确定物料收支和热收支的关系输入计算机；铁水、废钢、生铁块、铁皮、铁矿石等；可计算需要的氧气量，在单位时间内的氧气流量，从所需的氧量可计算出所需要的冶炼时间；用热收支方面进行分析定论。模型基础—脱C曲线

第一阶段：脱C速度逐渐增大，Si、Mn的反应控制了脱C反应、先脱Si、Mn，后脱C。

Vc＝－d[C]/dt=K1t第二阶段：脱C速度与C含量基本无关。如Vc

变快，说明脱C速度随氧流量的变化而变化。

Vc=－d[C]/dt=K2＝k2QO2

K2=(1.89QO2-0.048h枪位-28.5)×10-3(试验数据)3.第三阶段：碳下降到一定后，碳的传质成了限制环节。

Vc＝－d[C]/dt=K3[%C]脱碳速度与时间的关系动态模型控制是在运行途中对轨道进行计算和检测。并给予修正的一种控制方法。钢液中的[C]和温度测定，钢液中的[C]和温度是随时间推移而变化的。动态控制的条件：点测的条件,部份连续检测

能测定其轨道（途中测定钢液中[C]和温度）；途中测定时，如果测定值和预测的值不同，采取修正的手段。控制轨道修正手段1、温度、碳合适，按原轨道控制；2、温度低及碳低，脱碳升温、当温度合适，终点碳低，加增碳剂；3、温度高碳高，脱碳升温、当终点碳合适，终点温度太高，加冷却剂；动态控制采用的两种方法副枪动态控制技术在吹炼接近终点时（供O2量85％左右），插入副枪测定熔池[C]和温度，校正静态模型的计算误差并计算达到终点所需的供O2量或冷却剂加入量。炉气分析动态控制技术通过连续检测炉口逸出的炉气成分，计算熔池瞬时脱碳速度和Si、Mn、P氧化速度，进行动态连续校正，提高控制精度和命中率。动态控制技术未解决的问题不能对吹炼造渣过程进行有效监测和控制，不能降低转炉喷溅率；不能对终点[S]、[P]进行准确控制，由于[S]、[P]成分不合格，造成“后吹”；不能实现计算机对整个吹炼过程进行闭环在线控制。模型控制的发展全自动转炉吹炼技术全自动吹炼控制技术，通常包括以下控制模型：静态模型——确定吹炼方案，保证基本命中终点；吹炼控制模型——利用炉气成分信息，校正吹炼误差，全程预报熔池成分（C、Si、Mn、P、S）和炉渣成分变化；造渣控制模型——利用炉渣检测信息，动态调整顶枪枪位和造渣工艺，避免吹炼过程“喷溅”和“返干”。终点控制模型——通过终点融枪校正或炉气分析校正，精确控制终点，保证命中率。采用人工智能技术，提高模型的自学习和自适应能力。全自动吹炼控制技术的冶金效果①提高了终点控制