转炉提钒工艺与设备(钒渣-五氧化二钒-三氧化二钒-金属钒-钒铁-钒铝合金-碳氮化钒-钒电池)

1转炉提钒工艺与设备（钒渣-五氧化二钒-三氧化二钒-金属钒-钒铁-钒铝合金-碳氮化钒-钒电池）原创邹建新崔旭梅教授等转炉提钒工艺与设备提钒的原材料：高炉铁水；提钒的产品：钒渣+半钢；提钒的工艺：氧气顶吹法；提钒的主体设备：炼钢转炉。1转炉提钒工艺过程（1）铁水供应将脱硫后的铁水扒渣，再用起重机将铁水兑入转炉。（2）冷却剂供应a.生铁块、废钒渣：用电磁起重机装入生铁料槽,再用起重机加入提钒炉。b.铁皮球、污泥球、铁矿石：用翻斗汽车运至地面料仓，由单斗提升机运到37.56m平台，经胶带运输机送到炉顶料仓内。使用时由炉顶料仓电磁振动给料机给料,经称量斗称量后加入转炉。(3)氧气和氮气供应氧气用管道输送到车间内,氧气纯度为99.5％；压力0.49～1.18MPa；氮气压力0.294～0.392Mpa。(4)吹炼提钒吹炼前根据铁水条件加入生铁块或废钒渣,然后兑入铁水,摇正炉体下枪供氧吹炼，在吹炼过程中可根据吹炼情况加适量铁皮球、铁矿石、污泥球，吹炼结束时先出半钢进入半钢罐。(5)出钒渣转炉炉下钒渣罐采用16m3渣罐,每个渣罐能容纳吹炼钒渣8~12炉。钒渣罐通过炉下电动渣罐车拉至钒渣跨，用起重机吊至16m3钒渣罐车上；每4辆车组成一列(3辆钒渣罐车,一辆废渣车),用火车拉至钒渣破碎间，废渣拉至弃渣场。2转炉提钒设备以攀钢转炉提钒主要设备为例。设计工艺参数：公称容量120吨，设计炉产半钢138吨，提钒周期30min/炉，纯吹氧时间8min，日提钒最大炉数68炉(2吹2时)，设计年产钒11万吨/年，半钢295万吨/年。2转炉炉型参数：高9050mm，炉壳外径6530mm，高宽比1.386，熔池内经5180mm,熔池深度1400mm，转炉有效容积136m3，炉容比V/t0.986，炉口外径2480mm。提钒转炉主要设备有冷却料供应系统、转炉及其倾动系统、氧枪系统、烟气净化及回收、挡渣镖加入装置等。(1)冷却料供应系统冷却剂供应系统包括地下料坑、单斗提升机、皮带运输机、卸料小车、高位料仓、振动给料器、称量料斗以及废钢槽、天车等设备，这些设备保证提钒用原料的正常供应。a.生铁块、废钒渣：火车运输→钒渣跨→料坑装槽→吊至9m平台→平板车运输→吊车加入炉内。b.铁皮、污泥球、铁皮球、铁矿石等：汽车运输→地面料坑→提升机→高位料仓→称量→炉内。c.半钢覆盖剂(增碳剂、蛭石、碳化硅、半钢脱氧覆盖剂等)：汽车运输→地面料坑→提升机→高位料仓→称量→半钢罐。地下料坑的作用:暂时存放用火车或汽车运输来的提钒冷却剂，保证提钒转炉连续生产的需要。单斗提升机的作用:把贮存在地下料仓的各种散状料提升运输到高位料仓，供给提钒生产使用。高位料仓的作用:临时贮料，保证转炉随时用料的需要。料仓的大小决定不同冷却剂的消耗和贮存时间。每座提钒转炉单独使用4个高位料仓。(2)转炉炉体转炉及其倾动系统包括转炉炉体、托圈及耳轴、减速机、电动机、制动装置等，这些设备保证转炉的运转。由炉壳及其支撑系统(托圈、耳轴、联接装置和耳轴轴承座等)组成。炉体外面是炉壳，用钢板焊接而成，里面是炉衬，砌筑的耐火砖。①炉壳作用：保证转炉具有固定的形状和足够的强度，能承受相当大的倾动力矩、耐火材料及炉料的重量以及炉壳钢板各向温度梯度所产生的热应力、炉衬的膨胀应力等。②炉壳材质：用低合金钢板制作成型，不同部位钢板厚度不同。如120吨转炉，炉帽55mm，炉身70mm，炉底60mm。③炉壳本身——由炉帽、炉身和炉底组成。a.炉帽。炉帽做成圆锥形，目的是减少吹炼时的喷溅和热损失，并有利于炉气的收集，炉口采用通水冷却。炉帽通水冷却优点：3其一是使炉口不粘渣或很少粘渣,人工易清除；其二由于水从耳轴经过,可对耳轴进行冷却；其三提高炉帽寿命,防止炉口钢板在高温下产生变形。在锥形炉帽的下半段有截头圆锥形的护板，防止托圈上堆积炽热的炉渣。炉帽上设有出钢口,出钢口最易损坏,一般设计成可拆卸式的。b.炉身。炉身为圆筒形，它是整个炉壳受力最大的部分，转炉的整体重量通过炉身钢板支撑在托圈上，并承受倾炉力矩。c.炉底。炉底为球形，其下部焊有底座以提高强度。炉帽、炉身、炉底三部分之间采用不同曲率的圆滑曲线连接,以减少应力集中。炼钢吹钒转炉炉体如图5.1.3所示。图5.1.3炼钢转炉炉体图5.1.4氧枪喷头（3）供氧设备氧气顶吹转炉吹炼所需的氧气由氧枪输入炉内，通过氧枪头部的喷头喷射到熔池上面，是重要的工艺装置，如图5.1.4所示。其设备组成：氧枪本体、氧枪升降机械、换枪装置等。①氧枪本体：喷头、枪身及连接管接头组成。a.枪身：由中心管、中层管、外层管三根无缝钢管同心套装而成,三层管从内向外依次输送氧气、供水和排水。b.喷头：采用纯紫铜制成→目的是提高寿命。分类：单孔、三孔和多孔。单孔用于小型转炉，大中型转炉一般采用3~7孔。注意多孔喷头由多个拉瓦尔喷孔组成。喷头结构：是拉瓦尔型的，由收缩段、喉口段、扩张段构成。作用：将压力能转换成动能的能量转换器。其能量转换过程：当高压氧(1.5MP左右)通过收缩段时流速增加，在喷头出口处获得超音速流股，它能较好的搅拌熔池，有利于提高氧枪寿命和炉龄。②氧枪提升机构及更换装置：由升降卷扬机、氧枪升降小车、横移小车等组成。③氧枪走行控制点。a.最低点。是氧枪的最低极限位置，取决于转炉公称吨位。喷头端面距炉液面高度300~500mm，大型转炉取上限。4b.吹炼点。是转炉进入正常吹炼时氧枪的最低位置，也称吹氧点。主要与转炉公称吨位、喷头类型、氧压等有关。攀钢为1.4~2.0m。c.氧气关闭点。此点低于开氧点位置，氧枪提升至此点氧气自动关闭，过迟关氧会对炉帽造成损失，倘若氧气进入烟罩，会引起不良后果，过早关氧会造成喷头灌渣。攀钢为3m。d.变速点。氧枪提升会下降至此点，自动改变运动速度，此点的确定是在保证生产安全的情况下缩短氧枪提升或下降的非作业时间。另外此点也设置为氧气开氧点。攀钢为3m。e.等候点。此点在炉口以上，此点以不影响转炉的倾动为准，过高会增加氧枪升降辅助时间。攀钢为9m。f.最高点。指生产时氧枪的最高极限位置，应高于烟罩氧枪插入孔的上缘，以便烟罩检修和处理氧枪粘钢。攀钢为14m。g.换枪点。更换氧枪的位置，它高于氧枪最高点。3转炉提钒工艺制度（1）装入制度装入制度：就是确定转炉合理的铁水重量和合适的生铁块量，以保证转炉提钒过程的正常进行。装入量：装入量是指转炉冶炼中每炉装入的金属总重量，主要包括铁水和生铁块。在确定合理的装入量时，必须综合考虑以下因素：炉容比：炉容比是指转炉新砌砖后转炉内部自由空间的容积(V)与金属装入量(T)之比，以V／T表示，单位m3/t。入炼钢炉的装入量：为了保证每炉半钢尽可能的一一对应转炉炼钢，减少半钢组罐，因此提钒转炉的装入量应尽可能的接近炼钢炉装入量。（2）供氧制度转炉提钒的供氧制度：就是使氧气流股合理的供给熔池，以及确定合理的喷头结构、供氧强度、供氧压力、氧枪枪位，为熔池创造良好的物理化学反应条件。供氧制度的主要参数有氧气流量、氧气压力、供氧枪位、吹氧时间以及喷头形状等，是控制吹钒过程的中心环节。耗氧量：是指将1吨含钒铁水吹炼成半钢时所需的氧量，单位为m3/t。一般根据不同的铁水成分和吹炼方式，耗氧量有很大差异，同时耗氧量的多少也影响着半钢中的碳和余钒的多少，还与供氧强度和搅拌情况有关，是交互作用的。供氧强度：单位时间内每吨金属的耗氧量，单位为(标态)m3／(t．min)。供氧强度的大小影响吹钒过程的氧化反应程度，过大时喷溅严重，过小时反应速度慢。吹炼时间长，5会造成熔池温度升高，超过转化温度，导致脱碳反应急剧加速，半钢残钒量重新升高。一般在吹氧初期可提高供氧强度，后期减少。氧气工作压：氧气工作压力是指氧气测定点的压力，也就是氧气进入喷枪前管道的压力，它不是喷头前的压力，更不是氧气出口压力。氧压高对熔池搅拌大，化学反应和升温速度较快。氧压小则形成了软吹，渣中(FeO)高，温度和成份不均匀，易烧伤氧枪喷头。在同样的供氧量的条件下，供氧压力大可加强熔池搅拌，强化动力学条件，有利于提高钒等元素的氧化速度。氧气流量：指单位时间内向熔池供氧的数量，单位为m3/mim。氧气流量大使反应和升温加快，钒得不到充分氧化，过小的流量使供氧强度不够，搅拌不力，反应不能进行完全。氧枪枪位：是指氧枪喷头顶端与熔池平静液面的距离，它是吹炼过程调节最灵活的参数。氧枪枪位可以分为实际枪位，显示枪位，标准枪位。实际枪位：指某时刻的枪头距平静液面的高度，它与氧枪位置和装入量及熔池直径有关。氧枪枪位控制主要考虑的因素：a.保证氧气射流有一定的冲击面积；b.保证氧气射流在不损坏炉底的前提下有足够的冲击深度。目前提钒转炉采用恒压变枪，分阶段低—高—低枪位的方式供氧操作方式。此操作方式的优点是操作简单、灵活，吹炼过程比较稳定。提钒纯供氧时间控制在5—6.5min左右。(3)冷却制度提钒冷却制度：就是确定合理的冷却剂加入数量、加入时间以及各种冷却剂加入的配比。转炉提钒加入冷却剂的目的是为了调节过程温度，防止过程温度上升过快，提高钒的氧化率，达到“去钒保碳”的目的。冷却剂加料量的依据：装入量、入炉温度、冷却剂的冷却强度和已经加入生铁块重量等。冷却剂加入时间控制：冷却剂能够降低前期升温速度同时保证冷却剂在提钒终点时能够充分熔化。冷却剂的加入方式及数量：用铁矿石、氧化铁皮、铁皮球、冷固球团、废钒渣、生铁块等作冷却剂。冷却剂必须在吹氧2分钟内加完。兑铁后，生铁块、废钒渣用废钢槽由转炉炉口加入；铁矿石、氧化铁皮、铁皮球、冷固球团从炉顶料仓加入炉内。生铁块、废钒渣在开吹前加完，废钒渣加入量≤2吨/炉。提钒冷却剂加入量最多不超过2.5吨。提钒用冷却剂冷却效应值比为铁块:废钒渣:冷固球团:铁皮球:铁矿石=1:1.5:3.5:5.0:5.6。6(4)终点控制提钒终点控制：主要指半钢温度控制、半钢碳控制及钒渣（渣态、质量）控制三个方面。目前要求半钢温度控制在1340℃—1400℃，半钢碳含量≥3.5%，钒渣V2O5品位要求≥12.0%。2~3炉倒一次钒渣：在转炉中积累2~3炉炉渣才出钒渣，留渣操作可以使钒尖晶石进一步长大，有利于提高钒回收率；有利于铁在渣中沉降，降低(TFe)含量；加快了生产节奏，提高生产效率。4影响转炉提钒的主要因素(1)铁水成分的影响铁水中Si、Mn、Cr、V的含量直接影响钒渣中钒的含量。①钒渣中全铁含量对渣中钒含量的影响最大。渣中全铁∑(FeO)含量取决于供氧强度和氧枪枪位等。随(FeO)浓度增大，硅酸盐相的体积分数增大，尖晶石相的不均匀性增大，并在尖晶石相颗粒边缘生成磁铁矿[Fe(Fe·V)2O4]或[Fe0·TiO2-Fe(Fe·V)2O4]，氧气顶吹转炉钒渣含较多磁铁矿。随(FeO)浓度降低，尖晶石相组织较均匀。②铁水中钒的影响1977年我国统计了雾化提钒、转炉提钒的铁水原始成分与半钢残钒量对钒渣中五氧化二钒浓度的影响规律：(V2O5)=6.224+31.916[V]-10.556[Si]-8.964[V]余-2.134[Ti]-1.855[Mn]上述规律说明铁水中原始钒含量高得到的钒渣V2O5品位提高。③铁水硅的影响a.Si在钒氧化热力学条件中的作用吹钒过程中，铁水中Fe、V、C、Si、Mn、Ti、P等元素的氧化速度取决于铁水中该元素的含量、吹钒时的热力学条件和动力学条件，而反应能力的大小又取决于铁水组分与氧的化学亲和力——标准生成自由能ΔGθ。[Si]+O2=(SiO2)ΔGθ=－946350+197.64T[V]+3/4O2=1/2(V2O3)ΔGθ=－601450+118.76T从以上两个反应式可知，[Si]与氧的亲合力比[V]与氧的亲合力强，铁水[Si]含量较高时，将抑制[V]的氧化，所以应严格控制铁水中[Si]的含量。b.铁水中硅对钒渣渣态的影响铁水中的[Si]氧化后生成(SiO2)，初渣中的(SiO2)与(FeO)、(MnO)等作用生成铁橄榄石[Fe·Mn]2SiO4等低熔点的硅酸盐相，使初渣熔点降低，钒渣粘度降低，流动性增加。7在铁水[Si]较低时(≤0.05%)，通过向熔池配