炼钢工艺流程及典型案例介绍

1炼钢培训讲义•唐山港陆钢铁有限公司2013年9月10日2目录•第一章：炼钢主要任务、反应原理及工艺流程•第二章：氧气转炉的主要任务、附属设备•第三章:精炼炉•第四章：连铸（铁包、钢包、中间包）•第五章：氧气转炉喷溅的控制3炼钢的主要任务是将铁水、废钢等炼成具有所要求化学成分的钢，并使其具有一定的物理化学性能和力学性能，主要的任务概括为“四脱、两去、两调整”“四脱”：脱碳、脱硫、脱磷、脱氧；“两去”:去除有害气体、去除有害杂质；“两调整”：调整钢液温度，调整合金料成分。⑴脱碳并将其含量调整到一定的范围。钢中含碳量增加，则硬度、强度、脆性都将提高，而延展性能将下降；反之，含碳量减少，则硬度、强度下降，而延展性提高。所以，炼钢过程必须按钢种规格将碳氧化至一定范围。⑵去除杂质，主要包括：①脱磷、脱硫：对绝大多数钢种来说，P、S均为有害杂质，P可引起钢的冷脆，而S则引起钢的热脆，因此，要求在炼钢过程中尽量除之。第一章炼钢的主要任务硫、磷、氧、氮和夹杂物4②脱氧：由于在转炉冶炼过程中，向熔池中输入大量的氧以氧化杂质，致使钢液中溶入一定量的氧，它将大大影响钢的质量。因此，需降低钢中的含氧量。一般是向钢液中加入比铁有更大亲氧力的元素来完成（如Al、Si、Mn等合金）。•③去除气体和非金属夹杂物：钢中气体主要指溶解在钢中的氢和氮；非金属夹杂物包括氧化物、硫化物、磷化物、氮化物以及它们所形成的复杂化合物。在转炉冶炼中，主要靠碳—氧反应时产生CO气泡的逸出，引起熔池沸腾来降低钢中气体和非金属夹杂物。•⑶调整钢液成份和温度。•为保证钢的各种物理、化学性能，除控制钢液的碳含量和降低杂质含量外，还应加入适量的合金元素使其含量达到钢种规格范围；为保证钢液能顺利浇铸，根据冶炼过程的要求不断将钢液温度调整到合适的范围。•⑷将钢液浇铸成质量合格的钢坯。•通过连铸，将钢液浇铸成各种不同断面、不同尺寸的质量合格的钢坯。•炼钢过程通过供氧、造渣、加合金、升温、搅拌等手段完成炼钢基本任务第一章炼钢的主要任务5脱碳主要任务脱磷、脱硫脱氧合金化去气和夹杂提高温度措施炼钢过程使用氧化剂，如吹入氧气，加入铁矿石等措施措施措施措施使用造渣剂造好渣加入脱氧剂、合金料利用碳氧反应氧气转炉炼钢：铁水的物理热和化学热，不需外来热源第一章炼钢的主要任务：61.2炼钢反应的原理炼钢的化学反应：（1）硅的氧化与还原[Si]+{O2}＝(SiO2)[Si]+2(FeO)＝(SiO2)+2[Fe]（2）锰的氧化与还原[Mn]+[FeO]＝(MnO)+[Fe]（3）脱碳反应[C]+[O]＝{CO}（4）脱磷反应[P]+2(FeO)=(P2O5)+2Fe2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5Fe（5）脱硫反应[FeS]+(CaO)＝(CaS)+(FeO)[FeS]+(MnO)＝(MnS)+(FeO)[FeS]+(MgO)＝(MgO)+(FeO)7项目钢生铁碳(质量分数)≤2％，一般0.04～1.7％＞2％，一般2.5～4.3％硅、锰、磷、硫含量较少较多熔点1450～1530℃1100～1150℃机械性能强度、塑性、韧性好硬而脆，耐磨性好可锻性好差焊接性好差热处理性能好差铸造性好更好1.3钢和生铁的主要区别钢和生铁最根本的区别是含碳量不同，钢中含碳量≤2％，生铁含碳量＞2％。81.4炼钢生产工艺及主要设备流程图9工艺流程图合格废钢（计量后）高炉铁水600吨混铁炉75（150）t氧气顶吹转炉炉外精炼炉外精炼5流方坯连铸机双流板坯连铸机合格铁水（计量后）造渣(合金)料1.5炼钢生产工艺流程10第二章氧气转炉主要任务氧气转炉的主要任务：以铁水和废钢为原料，向转炉熔池吹入氧气，使杂质氧化，杂质元素氧化热提高钢水温度，一般在25-35分钟内完成一次精炼的快速炼钢法。包括混铁炉、顶底吹转炉和炉后喂丝机三个部分。特点：钢中气体含量少Ni、Cr、Mo、Cu、Sn等残余元素含量低原材料消耗少，热效率高，成本低112.1氧气转炉主要设备混铁炉：•高炉和转炉之间的炼钢辅助设备。主要用于调节和均衡高炉和转炉之间铁水供求的设备，保证不间断地供给转炉需要的铁水，铁水在混铁炉中储存和混匀铁水成份及均匀温度，对转炉炼钢非常有利。铁出铁铁炉转炉兑铁122.1氧气转炉炉体结构（主体结构）13炉底结构有两种类型，即固定式炉底和可拆卸式活底。炉壳要具有足够的强度和刚度，一般采用低合金钢容器钢板制作。托圈、耳轴是用以支撑炉体和传递动力矩的机构。转炉和托圈的全部载荷都通过耳轴经轴承座传递给地基炉底结构有两种类型，即固定式炉底和可拆卸式活底。2.2氧气转炉炉体结构142.2氧气转炉炉体结构（倾动机构）•倾动机构：能使转炉炉体正反旋转360度，在启动、旋转和制动时，能保持平稳，并能准确的停在要求的位置上，安全可靠。•电动机•减速装置•内衬：绝热层永久层填充层工作层152.3氧气转炉主要设备（氧枪）氧枪由喷头、枪身和枪尾组成，通常吹氧装置都带两只氧枪，一只工作，一只备用。枪身由三层同心圆钢管组成，枪尾与进水管、出水管和进氧管相连。喷头：是将压力能转换成动能的能量器，目前氧枪使用的喷头多为拉瓦喷头。氧枪：氧气转炉炼钢中的主要工艺设备之一162.4氧气转炉的辅助设备•炉料喷补设备：喷补方法分为湿法和干法两种。喷补机的驱动电机经减速器带动搅拌器旋转，将料斗内的补炉料进行搅拌，并通压缩空气使其搅拌充分、混合均匀。在输送胶管的出口接一根钢管并通水；混有补炉料的高速空气流将水雾化，被浸湿的补炉料由压缩空气喷射到炉衬需要修补的各个部位。•拆炉机：转炉炉衬在吹炼过程中，由于机械、化学和热力作用而逐渐被侵蚀变薄，直到无法修补时，必须停止吹炼。此时，转炉即结束了一个炉役的使用周期，称一个炉役期，只有重新修砌炉衬才能继续炼钢。修炉操作包括炉衬的冷却、拆除旧炉衬和砌筑新炉衬等炉料喷补172.4氧气转炉的辅助设备铁水包鱼雷铁包车炉渣盆•铁（钢）包车的作用是承载钢包、接受钢水并运送钢包过跨182.5氧气转炉的气体•一、氧气•氧气是氧气转炉炼钢的主要氧化剂，要求含氧量达到99.5%以上，并脱除水分与皂液。•工业用氧是通过制氧机把空气中的氧气分离、提纯来实现的。炼钢用氧由制氧厂供给，用管道输送到炉前。要求氧压稳定，满足吹炼所要求的最低压力，并且安全可靠。•二、氮气和氩气•氮气和氩气是制氧机制取氧气过程中的副产物，由于氮气和氩气的沸点都比氧气低，因此在液态空气加热精馏时，通过不同的分离塔，精确地控制精馏温度和压力，就可以得到工业氮气和氩气。氩气与氧气的沸点十分接近，制取氩气更困难一些。192.5氧气转炉的气体•五、液化天然气•天然气是蕴藏在地下的烃和非烃气体混合物，通常所称的天然气多指油、气田气。绝大多数的天然气主要成分为甲烷，其含量达80%-90%以上，是一种可燃性气体。202.6氧气转炉附属设备•四、一氧化碳•一氧化碳是可燃性气体，它在燃气中得到广泛应用。要求其纯度很高。•转炉煤气回收要求：含氧量小于于2%（公司执行小于1.2%）；一氧化碳含量高于20%；总之，主要的问题是防止爆炸和中毒，故应谨慎对待。212.6氧气转炉附属设备•转炉煤气柜：•作用收储转炉煤气，平衡管网压力。222.7氧气转炉的主要原料•转炉对铁水进行冶炼操作•转炉炼钢主要是以液态生铁为原料的炼钢方法。其主要特点是：靠转炉内液态生铁的物理热和生铁内各组分（如碳、锰、硅、磷等）与送入炉内的氧进行化学反应所产生的热量，使金属达到出钢要求的成分和温度。转炉冶炼的炉料主要为铁水、造渣料（如石灰、石英、萤石等）、铁合金（如硅铁、锰铁等）、脱氧剂（如硅化铁等）以及增碳剂（如碳粉等），为调整温度，可加入废钢及少量的冷生铁块和矿石等。•转炉炼钢的原材料分为金属料、非金属料和气体。金属料包括铁水、废钢、铁合金，•非金属料包括造渣料、熔剂、冷却剂，•气体包括氧气、氮气、氩气、二氧化碳等。•232.7氧气转炉的主要原料（铁水）•一、炼钢用原材料炼钢用原材料分为主原料、辅原料和各种铁合金。氧气顶吹转炉炼钢用主原料为铁水和废钢（生铁块）。炼钢用辅原料通常指造渣剂（石灰、萤石、白云石、合成造渣剂）、冷却剂（铁矿石、氧化铁皮、烧结矿、球团矿）、增碳剂以及氧气、氮气、氩气等。炼钢常用铁合金有锰铁、硅铁、硅锰合金、硅钙合金、金属铝等。•一、铁水•铁水铁水是转炉炼钢的主要原料，一般占入炉量的70%-100%。铁水的物理热和化学热是转炉炼钢的基本热源,，应努力保证入炉铁水温度大于1300摄氏度，以保证炉内热源充足和成渣迅速•铁水成分：硅是重要的发热元素之一。锰是弱发热元素、磷是强发热元素•铁水带渣量高炉渣中含s、A2o3量较高，过多的高炉渣进入转炉内会导致转炉钢渣量大，石灰消耗增加，容易造成喷溅，降低炉衬寿命。因此，兑入转炉的铁水要求带渣量不得超过0.5%。242.7氧气转炉的金属料（废钢）•二、废钢•目前我国的钢铁积累量达六亿多吨，按循环期“9”年计算，每年有废钢)3000万吨，若废钢的回收利用率以80%计算，则可供使用的废钢将有2400万吨。近年来，为了降低转炉炼钢的能耗，提高转炉废钢加入量是其主要措施之一。特别是顶底复合吹炼转炉工艺的出现，使废钢加入量进一步提高。•用普通吊车加入废钢，将吊车的主钩和副钩吊起废钢料槽，像兑铁水那样依靠主、副钩的联合动作把废钢加入转炉。252.7氧气转炉的合金料（散装料）•转炉常用的铁合金是锰铁、硅铁和铝。其它铁合金有钒铁、钛铁、硼铁、镍铁、铬铁、钼铁、钨铁等。对它们的基本要求是成分、数量准确，粒度适中（一般为15-50mm），干燥、无杂质。决不允许不明成分的铁合金入仓。冶炼优质钢或高合金时加入的铁合金需经加热。262.7氧气转炉的非金属料（散装料）轻烧石灰废钢粒轻烧白云石272.8氧气转炉的非金属料（散装料）•有的转炉车间还设计了向钢水罐加入液态铁合金的系统。向钢水罐加入液态铁合金的系统包括加料机构，熔化合金的电炉和运送铁合金的自行式铁合金平车。•有的钢厂冶炼钢种加铝量大，为改善铝的分布和准确控制钢中含铝量，设置了向钢水罐专门使用的插铝机。铝丝直径为5-20mm，铝丝插入速度为10-30米每秒，在加铝的同时还向钢液中吹入惰性气体。282.8氧气转炉的工艺过程•重要的工艺节点：•兑铁•投料•吹氧•出钢•扒渣292.8氧气转炉的工艺过程4转炉加废钢1、混铁炉兑入铁水2、混铁炉出铁3转炉兑铁水302.8氧气转炉的工艺过程转炉吹炼5、转炉吹炼6出钢7出渣312.8氧气转炉的工艺•1、吹炼过程吹炼前期，也称硅锰氧化期；吹炼中期，也称碳的氧化期；终点控制，确保温度、成份、终渣。•2、转炉冶炼的五大制度炼钢过程冶炼工艺分为五大制度：装入制度供氧制度、造渣制度、温度制度、终点控制及脱氧合金化制度。•3、供氧制度a、喷嘴的类型及特点根据喷嘴的孔数可以分为单孔喷嘴和多孔喷嘴。大型转炉一般不用单孔氧枪，多孔氧枪有三、四、五、六孔等类型。b、供氧制度中的几个工艺参数氧气流量与供氧强度、氧压、枪位等c、供氧操作恒压变枪操作恒枪变压操作322.8氧气转炉的工艺•4、造渣制度造渣就是要确定合适的造渣方法、渣料的加入数量和时间以及如何快速成渣。转炉炼钢造渣的目的是：去除磷、硫，减少喷溅，保护炉衬，减少终点氧含量。1、造渣方法有单渣法、双渣法、留渣操作等。2、渣料加入量的确定石灰加入量（t）=铁矾土的加入量：冶炼低碳钢时铁矾土加入量不大于1.0吨；冶炼中高碳钢时铁矾土加入量不大于1.5吨。332.8氧气转炉的工艺•5、温度制度温度制度主要是指过程温度控制和终点温度控制，过程温度是确保终点温度合格的关键。a、热量的来源氧气顶吹转炉热量的主要来源是铁水的物理热和化学热。b、出钢温度的确定终点钢水温度主要根据以下原则确定：1）钢种的凝固温度；2）浇注温度；3）钢水温降数值；4）浇注方式5）二次精炼方式及时间。•6、终点控制钢水达到钢种成分和温度要求的时刻，称之为“终点”。1）钢中碳含量达到所炼钢种控制要求；2）钢中P、S含量低于规格以下的一定范围；3）出钢温度能保证进行精炼和浇铸；4）对于沸腾钢，钢水应具有一