转炉炼钢设备与工艺235页

炼钢技术—设备与工艺提纲1.炼钢原理2.炼钢方法3.炼钢方法的发展演变4.转炉炼钢车间设备组成5.转炉炼钢工艺6.钢水炉外精炼技术炼钢原理根据所炼钢种的要求把生铁中的含碳量去除到规定范围，并使其它元素的含量减少或增加到规定范围的过程。简单地说，是对生铁降碳、去硫、磷、调硅、锰含量的过程。这一过程基本上是一个氧化过程，是用不同来源的氧(如空气中的氧、纯氧气、铁矿石中的氧)来氧化铁水中的碳、硅、锰等元素。反应生成的一氧化碳很容易从铁水排至炉气中而被除掉。生成的二氧化硅、氧化锰、氧化亚铁互相作用成为炉渣浮在钢水面上。化学反应主要有：2FeO+Si——2Fe+SiO2FeO+Mn——Fe+MnO生铁中硫、磷这两种元素在一般情况下对钢是有害的，在炼钢过程中必须尽可能除去。在炼钢炉中加入石灰(CaO)，可以去除硫、磷：2P+5FeO+3CaO——5Fe+Ca2(PO4)2(入渣)在使碳等元素降到规定范围后，钢水中仍含有大量的氧，是有害的杂质，使钢塑性变坏，轧制时易产生裂纹。故炼钢的最后阶段必须加入脱氧剂(例如锰铁、硅铁和铝等)，以除去钢液中多余的氧：Mn＋FeO——MnO＋FeSi＋2FeO——SiO2＋2FeAl＋3FeO——Al2O3＋3Fe同时调整好钢液的成分和温度，达到要求可出钢，把钢水铸成连铸坯或钢锭。炼钢方法炼钢的方法主要有转炉、电炉和平炉三种。平炉炼钢的主要特点是可搭用较多的废钢(可搭用钢铁料的20—50％的废钢)，原料适应性强，所用的原料有废钢、废铁、铁矿石和溶剂（石灰石和生石灰）。反应所需的热量是由燃烧气体燃料（高炉煤气，发生炉煤气）或液体燃料（重油）所提供。但冶炼时间长，已被淘汰。转炉炼钢广泛采用氧气顶吹转炉或顶底复吹转炉，生产速度快(1座300吨的转炉吹炼时间不到20分钟，包括辅助时间不超过1小时，而300吨平炉炼1炉钢要7个小时)，品种多、质量好，可炼普通钢，也可炼合金钢。电炉炼钢是用电能作热源进行冶炼。原料可以是废钢、也可以是海绵铁，现代电弧炉甚至可以用大量铁水。主要用于冶炼特殊合金钢。炼钢方法的发展演变KMS转炉1978西德KS转炉1981西德顶底复合吹氧+喷吹煤粉废钢预热喷石灰粉二次燃烧很高废钢比大量高热值废气顶底复合吹氧+石灰粉二次燃烧高废钢比生产率高N、P、S、C、O低渣内FeO低无喷溅污染低废钢比低全低吹O2+石灰粉生产率高含氮量低污染低喷溅渣钢不平衡OBM/Q-BOP1968年西德平炉1865年英国生产率低，能源和耐火材料消耗高电炉1900年生产率低，能源和耐火材料消耗高酸性转炉1860年碱性转炉1879年英国炉底寿命短炉容小钢水含氮高喷溅污染废钢比低LD转炉1948年奥地利复合吹炼，用各种成分的惰性气体OBM/Q-BOP复合吹炼1977氧枪或侧吹喷嘴全量废钢大量高热值废气全量铁水预处理转炉高效冶炼铁水Si0.3%吹炼时间20min顶吹弱供氧少渣冶炼底吹强搅拌顶底复吹变流量操作脱磷效率90%无补炉作业，炉龄10000炉脱硫效率60%一座转炉生产体制[C]3.5%转炉炼钢车间设备组成氧气顶吹转炉总图转炉系统设备炉型炉壳炉体支撑转炉倾动机构转炉炉型转炉炉型：指用耐火材料砌成的炉衬内形。转炉的炉型是否合理直接影响着工艺操作、炉衬寿命、钢的产量与质量以及转炉的生产率.合理炉型的要求：(1）要满足炼钢的物理化学反应和流体力学的要求，使熔池有强烈而均匀的搅拌(2）符合炉衬被侵蚀的形状以利干提高炉龄；(3）减轻喷溅和炉口结渣，改善劳动条件；(4）炉壳易于制造炉衬的砌筑和维修方便。转炉炉型炉型类型：按金属熔池形状的不同，转炉炉型可分为筒球型、锥球型和截锥型三种，转炉炉型A筒球型熔池形状由一个球缺体和一个圆筒体组成。它的优点是炉型形状简单，砌筑方便炉壳制造容易。熔池内型比较接近金属液循环流动的轨迹，在熔池直径足够大时，能保证在较大的供氧强度下吹炼而喷溅最小，也能保证有足够的熔池深度，使炉衬有较高的寿命。大型转炉多采用这种炉型转炉炉型B锥球型熔池由一个锥台体和一个球缺体组成。这种炉型与同容量的筒球型转炉相比若熔池深度相同则熔池面积比筒球型大，有利于冶金反应的进行，同时，随着炉衬的侵蚀熔池变化较小，对炼钢操作有利。欧洲生铁含磷相对偏高的国家采用此种炉型的较多。我国20~80t的转炉多采用锥球型对筒球型与锥球型的适用性，看法尚不一致。有人认为锥球型适用于大转炉（奥地利），有人却认为适用于小转炉（前苏联）。但世界上已有的大型转炉多采用筒球型。转炉炉型C截锥型截锥型熔池为上大下小的圆锥台。其特点是构造简单且平底熔池便于修砌这种炉型基本上能满足炼钢反应的要求适用于小型转炉。我国30t以下的转炉多用这种炉型。国外转炉容量普遍较大故极少采用此种形式。此外，有些国家（如法国、比利时、卢森堡等）的转炉，为了吹炼高磷铁水，在吹炼过程中用氧气向炉内喷入石灰粉。为此他们采用了所谓大炉膛炉型，这种炉型的特点是：炉膛内壁倾斜，上大下小，炉帽的倾角较小（约50°）。因为炉膛上部的反应空间增大，故适应吹炼高磷铁水时渣量大和泡沫化严重的特点。这种炉型的砌砖工艺比较复杂，炉衬寿命也比其他炉型低，故一般很少采用。转炉炉型主要参数的确定转炉的公称容量炉型主要参数炉容比高宽比炉型主要尺寸熔池部分尺寸炉身部分尺寸炉帽部分尺寸出钢口部分尺寸炉衬部分转炉的公称容量转炉的公称容量又称公称吨位，是炉型设计、计算的重要依据，但其含义目前尚未统一，有以下三种表示方法：（1）用转炉的平均铁水装入量表示公称容量；（2）用转炉的平均出钢量表示公称容量；（3）用转炉年平均炉产良坯（锭）量表示公称容量转炉的公称容量由于出钢量介于装人量和良坯（锭）量之间，其数量不受装料中铁水比例的限制，也不受浇铸方法的影响，所以大多数采用炉役平均出钢量作为转炉的公称容量。根据出钢量可以计算出装入量和良坯〔锭）量出钢量＝装人量/金属消耗系数装人量＝出钢量*金属消耗系数金属消耗系数：指吹炼1t钢所消耗的金属料数量。视铁水含硅、含磷量的高或低，波动于1.1一1.2之间炉容比转炉的炉容比是转炉的有效容积与公称容量之比，其单位m3／t。炉容比的大小决定了转炉吹炼容积的大小，它对转炉的吹炼操作、喷溅、炉衬寿命、金属收得率等都有比较大的影响。如果炉容比过小，即炉膛反应容积小，转炉就容易发生喷溅和溢渣，造成吹炼困难，降低金属收得率并且会加剧炉渣对炉衬的冲刷侵蚀，降低炉衬寿命；同时也限制了供氧量或供氧强度的增加，不利于转炉生产能力的提高。反之，如果炉容比过大，就会使设备重量、倾动功率、耐火材料的消耗和厂房高度增加使整个车间的投资增大。炉容比选择炉容比时应考虑以下因素：（1）铁水比、铁水成分。随着铁水比和铁水中硅磷、硫含量的增加炉容比应相应增大。若采用铁水预处理工艺时，炉容比可以小些（2）供氧强度。供氧强度增大时，吹炼速度较快，为了不引起喷溅就要保证有足够的反应空间，炉容比相应增大些。（3）冷却剂的种类。采用铁矿石或氧化铁皮为主的冷却剂，成渣量大，炉容比也需相应增大；若采用以废钢为主的冷却剂成渣量小，则炉容比可适当选择小些目前使用的转炉，炉容比波动在0.85~0.95之间（大容量转炉取下限）。近些年来为了在提高金属收得率的基础上提高供氧强度，新设计转炉的炉容比趋于增大，一般为0.9~1.05。高宽比高宽比是指转炉总高（H总）与炉壳外径（D壳）之比是决定转炉形状的另一主要参数。它直接影响转炉的操作和建设费用。因此高宽比的确定既要满足工艺要求，又要考虑节省建设费用口在最初设计转炉时高宽比选得较大。生产实践证明，增加转炉高度是防止喷溅，提高钢水收得率的有效措施。但过大的高宽比不仅增加了转炉的倾动力矩，而且厂房高度增高使建筑造价也上升。所以，过大的高宽比没有必要。在转炉大型化的过程中，H总和D壳随着炉容量的增大而增加，但其比值是下降的。这说明直径的增加比高度的增加更决，炉子向矮胖型发展。但过于矮胖的炉型，易产生喷溅，会使热量和金属损失增大。目前，新设计转炉的高宽比一般在1.35~1.65的范围内选取，小转炉取上限，大转炉取下限炉型主要尺寸的确定h2一球缺高度；H0一熔池深度；H身一炉身高度；H帽一炉帽高度；H内一转炉有效高度；H总一转炉总高D一熔池直径；D壳一炉壳外径；d一炉口内径；D出一出钢日直径；一炉帽倾角筒球型氧气顶吹转炉主要尺寸炉型主要尺寸的确定熔池直径（D）：转炉熔池在平静状态时金属液面的直径。计算方法：推荐经验公式：D：熔池直径，mG：新炉金属装入量，tt:吹氧时间，minK：比例系数，可参考下表：50t以下：1.85~2.1050~120t:1.75~1.85200t:1.55~1.60250t以上：1.50~1.55tGKD炉型主要尺寸的确定转炉公称容量/t30t30~100100吹炼周期/min28~3232~3838~45吹氧时间/min12~1614~1816~20转炉冶炼周期和吹氧时间推荐值•结果还应与容量相近、生产条件相似、技术经济指标较好的炉子进行对比并适当调整•上述公式对中小炉子较为适用，对大型炉子有差距。炉型主要尺寸的确定其他计算方法：•利用统计方法，找出现有炉子直径和容量之间的关系，作为计算熔池直径的依据。武汉钢铁设计院推荐如下公式：•由国外一些30一300t转炉实际尺寸统计的结果得出下面计算公式：T：炉子容量，t4.0)05.066.0(TDTD20392.0炉型主要尺寸的确定熔池深度（H0）：熔池深度是指转炉熔池在平静状态时，从金属液面到炉底的深度。从吹氧动力学的角度出发，合适的熔池深度应既能保证转炉熔池有良好的搅拌效果，又不致使氧气射流穿透炉底，以达到保护炉底，提高炉龄和安全生产的目的。计算方法：a）筒球形熔池b）锥球形熔池c）截锥形熔池炉型主要尺寸的确定b)筒球形熔池：圆柱体和球缺两部分组成。考虑炉底稳定性和熔池适当深度，一般球缺体的半径R为熔池直径的1.1~1.25倍。国外大于200t转炉为0.8~1.0倍。当R=1.1D时，金属熔池的体积为：因此：熔池深度为：320046.0D79.0DHV熔23079.0046.0DDVH熔炉型主要尺寸的确定b)锥球形熔池：由倒锥台和球缺体两部分组成。据统计，球缺体曲率半径R=1.1D，球缺体高h2=0.09D，倒锥台地面直径d1=(0.895~0.92）D。熔池体积为：熔池深度为：3200363.0D70.0DHV熔23070.00363.0DDVH熔炉型主要尺寸的确定c)截锥形熔池：熔池体积为：熔池深度为：)D(1221121dDdhV熔20574.0DVH熔炉型主要尺寸的确定炉帽倾角（）：一般取60~680，大炉子取下限，以减小炉帽高度。如＜530，则炉帽砌砖有倒塌的危险；但倾角过大，将导致锥体部分过高，出钢时容易从炉口下渣。炉口直径（d）：在满足兑铁水、加废钢出渣、修炉等操作要求的前提下，应尽量缩小炉口直径，以减少喷溅、热量损失和冷空气的吸入量。一般炉口直径为；大转炉取下限，小转炉取上限Dd)53.0~43.0(炉型主要尺寸的确定炉帽高度（H帽）：炉帽的总高度是截锥体高度（H锥与炉口直线段高度H直）之和。设置直线段的目的是为了保持炉口形状和保护水冷炉口，其高度H直一般为300~400mm。炉帽高度的计算公式如下：炉帽容积为：）（（直锥帽400~300tan)21dDHHH直锥直锥帽）（HddDdDHVVV222412炉型主要尺寸的确定炉身高度（H身）：转炉熔池面以上、炉帽以下的圆柱体部分称为炉身。炉身直径就是熔池直径计算方法：2244DVHHDVVVVV身身身身熔帽总身V总：转炉的有效容积，根据转炉吨位和选定的炉容比确定，m3V帽，V身，V熔：炉帽、炉身、金属熔池的容积，m3H身：炉身高度，m炉型主要尺寸的确定出钢口尺寸：设置出钢口的目的：为了便于渣钢分离，使炉内钢水以正常的速度和角度流入钢包中，以利于在钢包内进行脱氧合金化作业和提高钢的质量。出钢口主要参数包括出钢口位