氧气底吹转炉炼钢

通过转炉底部的氧气喷嘴，把氧气吹入炉内熔池进行炼钢的方法。简史??氧气底吹转炉始于改造托马斯转炉(见托马斯法)。西欧富有高磷铁矿资源，用它炼出的生铁含磷高达1.6%〜2.0%。以这种高磷铁水为原料的传统炼钢方法即托马斯法，也即碱性空气底吹转炉法，其副产品钢渣可作磷肥。对于高磷铁水，托马斯法过去一直是综合技术经济指标较好的一种炼钢方法。直至20世纪60年代，西欧还存在年产能力约1000万t钢的托马斯炉。但作为炼钢氧化剂的空气，其中氧气仅占1/5,其余4/5的氮气不仅吸收大量热量，并使钢中氮含量增加，引起低碳钢的脆性。为此人们一直试图用纯氧代替空气，以改进钢的质量和提高热效率。但采用氧气后，化学反应区的温度很高，底吹所用氧气喷嘴很快被烧坏。1965年加拿大空气液化公司为了抑制氧气炼钢产生的大量污染环境的褐色烟尘，试验在氧枪外层通气态或液态冷却剂，取得了预期效果，并同时解决了氧枪烧损快的问题。1967年联邦德国马克西米利安冶金厂(Maximilianshttte)引进了这项技术，以丙烷为氧喷嘴冷却剂，用于改造容量为24t的托马斯炉，首先试验成功氧气底吹转炉炼钢，取名OBM法。1970年法国文代尔一西代尔公司(Wendel—Sidelor??Co.)的隆巴(Rombas)厂以燃料油为氧喷嘴冷却剂，也成功地将241托马斯炉改造成氧气底吹转炉，称为LWS法。随后用氧气底吹氧枪改造的托马斯炉在西欧得到迅速推广,炉容量大多为25〜70t,用于高磷铁水炼钢，脱磷仍在后吹期完成，副产品钢渣作磷肥。1971年美国钢铁公司(U.S.Steel?Corp.)引进COBM法，为了解决经济有效地吹炼低磷生铁和设备大型化问题，在该公司炼钢实验室的30t试验炉上作了系列的中间试验，增加了底部吹氧同时喷吹石灰粉的系统，吹炼低磷普通铁水可在脱碳同时完成脱磷，称为Q—B0P法。随后，在菲尔菲德(Fairfield)厂和盖里(Gary)厂分别建设了两座2001Q—B0P炉和3座2351Q—B0P炉。前者取代原有平炉，后者取代正在建设的氧气顶吹转炉。从而实现了氧气底吹转炉的大型化，并扩大了应用范围。到20世纪70年代末氧气底吹转炉年产钢能力总计约3500万1。在中国，1973年钢铁研究总院在300kg氧气底吹试验转炉上进行了底吹氧气和石灰粉的炼钢试验。随后，该院与北京钢铁设计研究总院及有关单位合作，在唐山钢厂、首都钢铁公司、济南第二钢厂及马鞍山钢铁公司先后完成了51氧气底吹转炉炼钢的工业性试验。同时还进行了铁水提铌、提钒的试验。后由于顶底复吹转炉的出现和发展而停止。工艺特点??氧气底吹转炉所用炉衬耐火材料、原材料及基本工艺和氧气顶吹转炉相同或相似。主要金属炉料是铁水和约10%〜25%的废钢。供氧压力约为0.6〜1.0MPa(6〜10atm)。每炉吹炼时间(吹氧时间)一般为15〜20min。每炉冶炼周期(本炉出钢到下炉出钢时间)一般为30〜40min。氧耗量为50〜60m3/1。主要工艺特点是从转炉底部供氧。(见图1)装有氧喷嘴的转炉炉底可以拆卸、更换。氧喷嘴由同心的双层套管组成。内层为铜管或不锈钢无缝管，外层用碳素钢无缝管。内层通氧气，并可同时喷吹石灰粉。两层套管之间的间隙通冷却剂。冷却剂通常为气态或液态的碳氢化合物，如天然气、丙烷或燃料油等。依靠碳氢化合物裂解吸热，并在氧流周围形成保护气膜，以及高速气流带走热量，以降低氧喷嘴及其附近反应区的温度，达到保护氧气喷嘴、减缓烧损的目的。为了使熔池搅拌均匀，反应界面大，吹炼平稳，并避免氧喷嘴个数少、直径过大、氧流比较集中而导致氧气穿透熔池，因此采用多支氧喷嘴，分散供氧。每支氧喷嘴的内径尺寸不超过熔池深度的1/35。这个数据适用于吹氧压力约为0.5〜1MPa的中、小型转炉。例如：容量为301的转炉，熔池平均深度为700mm，据此每支氧喷嘴最大内径为20mm；氧气压力为0.8MPa；氧气含石灰粉为1〜2kg/m3，则氧气流量约为130m3/h?cm2；耗氧量为60m3/1；吹炼时间最多为20min。因此可以算出：需要供氧流量为5400m3/h，所需氧喷嘴内管总横截面约为42cm2，所需氧喷嘴数为14个。大型氧气底吹转炉的氧喷嘴直径与熔池深度之比可以大于上述数据，一般不超过熔池深度的1/15。例如200〜2401氧气底吹转炉所用氧喷嘴数可采用10〜16个。氧喷嘴之间以及氧喷嘴与炉壁之间要有适当间距，使熔池搅拌均匀和反应平稳，并减轻对炉衬耐火材料的侵蚀。氧喷嘴的布置偏于炉底平面的后部半圆内，以便在倒炉取样和出钢时，氧喷嘴能露出渣液面，避免钢渣喷溅。由于氧气底吹转炉吹炼比较平稳，喷溅少，故其炉体比氧气顶吹转炉矮胖，炉体的高宽比（H/D）约为1〜1.1。炉容比约为0.8〜1.0m3/t。氧气底吹转炉车间立面布置示意图见图2。其厂房高度比氧气顶吹转炉的低（因为没有顶吹氧枪），可节约厂房建设的费用。此点尤其利于利用原有平炉厂房，将平炉改建成氧气底吹转炉，可节约改建的投资由于氧气底吹转炉在炼钢时，氧气是从炉底多个氧喷嘴分散地直接吹进熔池，所以搅拌条件好，氧气流和液态金属的接触面积大，化学反应迅速而均匀。碳与氧接近平衡状态，也就是说，与氧气顶吹转炉相比，熔池含氧量较低且分布较均匀，所以吹炼平稳，喷溅少。由于熔池中铁元素比其他元素多得多，所以氧气无论由顶部吹入或由底部吹入，氧原子与铁原子碰撞的概率最大，且反应的吉布斯能变量为负值，所以氧化铁首先形成。但在底吹氧条件下，不稳定的氧化铁在上浮过程中，被熔池中与氧的亲和力强于铁的元素（如硅、锰、碳等元素）所还原。所以底吹氧气转炉的渣中氧化铁含量较低，见图3。并且由于氧喷嘴冷却剂降低了高温反应区的温度，铁的蒸发损失少，而已蒸发的铁经过熔池的过滤作用又使这种损失进一步减少。因此，其烟尘量约为氧气顶吹转炉的1/3。由于上述原因，氧气底吹转炉的金属收得率比氧气顶吹转炉高2％左右。美国钢铁公司盖里厂曾将两者铁平衡进行对比（见表1）氧气底吹转炉的氧耗量及石灰消耗量也较低。吹炼终点钢液的余锰较高、氧含量低，所以还可节省锰铁等脱氧剂的消耗量。特别是喷吹石灰粉，由于颗粒细，比表面积大，增加了反应界面，成渣快，脱磷、脱硫的效率高。由于氧气底吹转炉钢中氧含量低（见图4），而且低碳时可以依靠底吹气流的强搅拌作用，特别适合生产低碳钢和超低碳钢，且质量较好。同时，由于底部供氧，铁水中所含各种元素被氧化形成的氧化物，在由熔池底部上浮过程中，在一定的温度条件下，不稳定的氧化物大部分会被熔池中与氧亲和力较强的元素所还原。因而能够较好的实现选择氧化。所以用氧气底吹转炉进行铁水预处理，通过控制温度等条件，从铁水中提取所需的共生元素，可以取得比较好的技术经济指标。例如从含钒铁水中进行提钒试验；中国还曾用于从含铌铁水中提铌试验。结果表明，可以获得含氧化铁及其他杂质较低的优质富钒渣或富铌渣（这种渣可进一步制取钒铁、铌铁或其纯金属。提钒或提铌后的半钢可进一步炼钢）。并且钒、铌和铁的收得率也较高。中国某些单位进行的从含铌、磷铁水中提铌试验结果见表2。由所列数据可见，氧气底吹转炉所得的富铌渣含.Nb205最高，含P205和FeO最低，渣中（Nb）/（P）比最高。而且熔池深度愈深，这种效果愈加明显。富铌渣中含Nb量与提铌后半钢中残留铌含量之比（Nb）/[Nb]均最高，表示铌的收得率高；渣中含FeO低，表示铁的损失少。问题和发展前景氧气底吹转炉的主要缺点是：由于高温区在转炉底部，炉底寿命低于炉身和炉帽。由于采用了碳氢化合物作氧枪冷却剂，既增加了设备的复杂性，且碳氢化合物高温裂解产生氢气，使熔池含氢量较高。冶炼高质量钢时需要在吹炼末期喷吹惰性气体进行脱氢处理。由于冷却剂的吸热以及炉气中含CO较高，也就是碳的燃烧不完全，废钢加入量稍低于氧气顶吹转炉为了增加氧气底吹转炉的废钢加入量，OBM法的发明者马克西米利安冶金厂曾试验在OBM转炉的熔池以上增设氧枪，使炉气中的CO二次燃烧，充分利用这部分新增热能，以增加废钢加入量。后来又在OBM转炉上底吹煤粉，开发了KMS法和KS法，进一步增加废钢加入量，并且后者可全部采用废钢。氧气底吹转炉的这一发展，更有利于它取代平炉，而且对于各种氧气转炉应用外加热源以便多吃废钢和生铁等冷料有普遍意义。氧气底吹转炉和氧气顶吹转炉相比，各有优缺点，前者搅拌条件好，后者成渣快。因此人们设想把两者优点结合起来。这就是20世纪70年代中期开始发展起来的顶底复吹转炉炼钢成为氧气转炉炼钢一项重要发展。由