第5章转炉炼钢

1第五章转炉炼钢武汉科技大学冶金工程系周进东2铁—碳相图35.1转炉炼钢概述5.1转炉炼钢概述所谓炼钢，就是将铁水、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。炼钢的基本任务:四脱：C、S、P、O；二去：气体、夹杂；二调整：温度、成分。45.1转炉炼钢概述转炉炼钢以铁水和废钢为主原料，向转炉熔池吹入氧气，使杂质元素氧化，杂质元素氧化放热提高钢水温度，一般在25~35min内完成一次精炼的快速炼钢法。目前转炉炼钢是世界上最主要的炼钢生产方法。转炉炼钢法的发展经过了顶吹(LD法)、底吹(如Q-BOP法)和复吹。在我国，主要采用LD法(小转炉)与复吹(大中型转炉)。氧气复吹转炉示意图55.2转炉炼钢设备转炉炼钢由转炉、转炉倾动机构、熔剂供应系统、铁合金加料系统、供氧系统、OG系统、钢包及钢包台车、渣罐及台车等部分组成。1-料仓；2-称量料仓；3-批料漏斗；4-烟罩；5-氧枪；6-转炉炉体；7-出钢口；8-废钢料斗；9-往钢包加料的运输车；10-钢包；11-渣罐；12-铁水罐；13-运输机氧气顶吹转炉的设备及附属设备65.2转炉炼钢设备（1）转炉炉体•转炉作为反应容器，用于装铁水和废钢。转炉炉体由炉壳、托圈、耳轴和耳轴轴承座四部分组成。7炉底结构有两种类型，即固定式炉底和可拆卸式活炉底。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。5.2转炉炼钢设备8转炉炉型转炉炉型是指转炉内部自由空间的几何形状，由耐火材料砌成。筒球型锥球型截锥型5.2转炉炼钢设备9转炉内衬绝热层永久层填充层工作层5.2转炉炼钢设备10托圈和耳轴托圈、耳轴是用以支撑炉体和传递倾动力矩的机构。转炉和托圈的全部载荷都通过耳轴经轴承座传递给地基。5.2转炉炼钢设备11能使转炉炉体正反旋转360°，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2）转炉倾动机构倾动机构转炉倾动机构的作用是转动炉体。5.2转炉炼钢设备125.2转炉炼钢设备3）熔剂供应系统熔剂供应系统一般由贮存、运送、称量和向转炉加料等几个环节组成。熔剂通过皮带运输机运送到转炉的高位料仓，称量后加入到转炉。熔剂用于炼钢的造渣、保护炉衬和冷却钢水，主要有：石灰、轻烧白云石和生白云石、萤石、矿石和氧化铁皮等。135.2转炉炼钢设备铁合金供应系统一般由贮存、运送、称量和向钢包加料等几个环节组成。熔剂通过皮带运输机运送到中位料仓，称量后加入到钢包。铁合金用于钢水的脱氧和合金化。转炉炼钢常用的铁合金有锰铁、硅铁、硅锰铁和铝等。4）铁合金加料系统145.2转炉炼钢设备155.2转炉炼钢设备5）供氧系统供氧系统一般是由制氧机、加压机、中间储气罐、输氧管、控制闸阀，测量仪表及喷枪等主要设备组成。供氧系统是炼钢工艺中的关键技术，送氧管道和氧枪是炼钢工艺的关键设备之一。氧枪由枪身和喷头组成。枪身是由三种不同直径的无缝钢管套装而成，通水冷却。喷头用导热良好的紫铜制成，孔形状一般采用拉瓦尔管的形状，大型转炉普遍应用了三孔﹑四孔﹑五孔喷头。16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。氧枪5.2转炉炼钢设备17氧枪喷头喷头(BlowHead)是将压力能转换成动能的能量转换器，目前氧枪使用的喷头多为拉瓦尔喷头。•收缩段•喉口•扩张段5.2转炉炼钢设备185.2转炉炼钢设备氧枪结构示意图195.2转炉炼钢设备6）底部供气系统顶底复吹技术的关键部件是复吹转炉的底部供气元件。底部供气元件分为两大类，即喷嘴型和砖型。205.2转炉炼钢设备7）烟气处理系统（OG系统）转炉炉内的气体称为炉气，炉气离开炉口进入烟罩后称为烟气。氧气转炉在吹炼期间产生大量含尘炉气，其温度高达1400~1600℃，炉气中含有大量CO和含铁60％左右的粉尘。转炉炉气的处理方法主要有燃烧法和未燃烧法。未燃法是在炉口上方采用可以升降的活动烟罩，使炉气在收集过程中尽量不与空气接触，经降温除尘净化后，通过风机抽入煤气回收系统中。215.2转炉炼钢设备OG系统主要是由烟罩、一级文氏管、90°弯头脱水器、二级文氏管、风机等组成，主要用于烟气净化回收，对转炉烟气采用未燃法、湿式处理方式。225.2转炉炼钢设备8）钢包及钢包台车钢包用于盛装钢水；钢包台车将钢水运送到不同的加工、处理地点。9）渣罐及台车渣罐用于盛装热炉渣；钢渣台车将热炉渣运送到不同的加工、处理地点。235.3转炉炼钢过程5.3.1转炉炼钢原料金属料铁水废钢铁合金辅助材料造渣材料氧化剂冷却剂还原剂增碳剂245.3转炉炼钢过程铁水是氧气转炉炼钢的基本原料，一般占金属料的70～100％。铁水成分和铁水温度是否适当和稳定，对简化和稳定转炉操作并获得良好的技术经济指标非常重要。（1）铁水255.3转炉炼钢过程铁水成分Si：发热元素之一，生成的SiO2是渣中主要的酸性成分，它是决定炉渣碱度和石灰消耗量的关键因素。铁水中含硅量以0.20%~0.80%为宜。Mn：有益元素，[Mn]一般在0.5%左右。P：有害元素，导致钢冷脆，强发热元素。P是高炉不能去除的元素，故只能要求[P]稳定，采用铁水预处理脱磷或相应的炼钢方法来去除。S：有害元素，导致钢热脆。[S]0.04％。采用铁水预处理脱硫，[S]0.015％。265.3转炉炼钢过程铁水温度铁水温度一般要保证大于1250℃，且保持稳定，以利于炉子热行，迅速成渣。有铁水预处理工艺，铁水温度应适当提高。275.3转炉炼钢过程废钢用量占钢铁料的20％～30％。对转炉来说，既是金属料也是冷却剂。合金钢废钢应按所含合金分组堆放。应严防混入有害杂质和危险品，并减少带入的泥沙、耐火材料和炉渣等。对外形尺寸和单重过大的废钢，应预先进行解体和切割；对轻薄料要打包或压块，以缩短装料时间。（2）废钢285.3转炉炼钢过程转炉炼钢中使用的各种铁合金进行脱氧。如Fe-Mn、Fe-Si、Fe-Cr；以及复合脱氧剂，如硅锰合金、硅钙合金、硅锰铝合金；还有铝、锰、镍等金属。铁合金应合理选用以降低成本，使用前应烘烤以减少气体带入。另外要纯净，不得混有其它夹杂物，块度要适当。（3）铁合金295.3转炉炼钢过程石灰（CaO）。碱性炼钢方法的基本造渣材料，有强的脱磷、脱硫能力，对炉衬危害小。石灰要求含有效CaO大于80～85％，含S和SiO2低，块度小而均匀，且无细粉；生烧过烧率要小；不能潮解，应保持干燥、新鲜。萤石（CaF2）。熔点低，能使CaO熔点显著降低，加速化渣，改善渣的流动性。萤石要求：CaF285%。白云石（MgO）。增加渣中Mg含量，以减少炉衬中MgO向炉渣中转移，且能促进前期化渣。（4）造渣材料305.3转炉炼钢过程氧气。炼钢中氧的重要来源。一般要求氧气纯度应大于98％，冶炼低氮钢种时，应大于99.5％。还应脱除水分。铁矿石、氧化铁皮。铁矿石要求含铁高，SiO2、P和水分少，使用前要加热。氧化铁皮要求杂质少，不含油污和水分，使用前必须烘烤。（5）氧化剂315.3转炉炼钢过程•废钢。冷却效果稳定、喷溅少，价格低。•富铁矿、团矿、烧结矿和氧化铁皮。利用它们所含FexOy氧化铁水中的杂质时，需要吸收大量的热而起到冷却的作用。•石灰石。缺少以上冷却剂时，可以使用，CaCO3分解时吸收大量热量。（6）冷却剂325.3转炉炼钢过程电炉炼钢使用的还原剂和增碳剂有石墨电极、木炭、焦炭、电石、硅铁、硅钙、铝等。氧气转炉冶炼中、高碳钢时，一般用含灰分很少的石油焦作增碳剂。7）还原剂和增碳剂335.3转炉炼钢过程5.3.2一炉钢冶炼过程一炉钢的冶炼过程是指从装料到倒尽渣为止。顶底复吹转炉炼钢的冶炼周期一般是30～40min。其中的纯吹氧时间约15～20min。345.3转炉炼钢过程转炉操作进程355.3转炉炼钢过程上炉出完钢后，加改质剂调整炉渣粘度，溅渣护炉后倒完残余炉渣，然后堵出钢口。加入底石灰，减缓废钢对炉衬的冲击。装入废钢和铁水后，摇正炉体，下降氧枪至规定枪位，开始吹炼。加入石灰保证炉渣碱度、加入轻烧白云石保证(%MgO)。365.3转炉炼钢过程当氧流与熔池面接触时，碳、硅、锰开始氧化，称为“点火”。点火后约几分钟，初渣形成并覆盖于熔池面。随着硅、锰、磷、碳的氧化，熔池温度升高，火焰亮度增加，炉渣起泡，并有小铁粒从炉口喷溅出来，此时应适当降低枪位。吹炼中期脱碳反应激烈，渣中(%FeO)降低，致使炉渣熔点增高和粘度加大，并可能出现稠渣(“返干”)现象。此时应适当提高枪位，并可加入氧化铁皮(或矿石)、可考虑加入萤石。但要防止“喷溅”。375.3转炉炼钢过程吹炼末期，[%C]降低，脱碳反应减弱，火焰变短而透明。确定吹炼终点，并提枪停止供氧(称为“拉碳”)、倒炉测温取样，若碳温合适，则出钢，否则补吹后出钢。出钢前戴挡渣帽，出钢过程中加入脱氧剂和铁合金进行脱氧合金化，在出钢末期加挡渣塞。385.3转炉炼钢过程（1）钢渣成分变化吹炼的前1/3~1/4时间，硅、锰迅速氧化到很低的含量。在碱性操作时，硅氧化较彻底，锰在吹炼后期有回升现象。在硅、锰氧化的同时，碳也被氧化。当硅、锰氧化基本结束后，随熔池温度升高，碳的氧化速度迅速提高。[C]0.15%后，脱碳速度趋于下降。开吹后不久，随硅含量的降低磷被大量氧化。硫含量在开吹后下降不明显，吹炼后期脱硫速度加快。5.3.3钢渣成分及碱度变化395.3转炉炼钢过程（2）炉渣碱度变化点火后约几分钟，由于硅、锰的氧化，其产物SiO2和MnO含量较高，加上少量的溅渣层上的低熔点渣进入渣中，初渣形成并覆盖于熔池面，此时炉渣碱度较低。随着温度的提高，石灰逐步熔化，(%CaO)逐渐提高，而(%SiO2)含量相应降低，碱度逐渐升高。405.3转炉炼钢过程（3）炉渣的作用通过对炉渣成分、性能及数量的调整，可以控制金属中各元素的氧化和还原过程；向钢中输送氧以氧化各种杂质；吸收钢液中的非金属夹杂物，并防止钢液吸气（H、N）。其它作用。副作用：侵蚀炉衬；降低金属收得率。415.3转炉炼钢过程根据[C]的氧化速度不同，炼钢过程可分为三个时期。1）氧化初期氧化初期的脱碳速度由小变大。由于氧化初期熔池温度低，Si﹑Mn氧化量多，消耗了大部分的氧，[C]的氧化受到限制。脱碳速度d[C]/dt=-k1t，与吹炼时间成正比。这一时期称吹炼初期，又叫硅﹑锰氧化期，时间从开吹到约4～5min。5.3.4吹炼过程中元素的氧化规律425.3转炉炼钢过程2）氧化中期Si、Mn氧化结束，熔池温度升高，供给的氧几乎全部用于脱碳。脱碳速度达到最大且几乎不变。这一时期称为吹炼中期，又叫碳氧化期，w[c]=3.0%-3.5%时进入吹炼中期。435.3转炉炼钢过程3）氧化后期随着碳含量下降，在钢液与气相的边界层中,碳的浓度梯度逐渐下降，使得脱碳速度越来越小。脱碳速度由大变小。这一时期称吹炼末期，又叫碳氧化后期。除碳外其他元素变化不大，主要进行终点操作。当w[c]﹤0.3%-0.7%时，进入吹炼末期。445.3转炉炼钢过程吹炼过程中金属液和炉渣成分的变化455.3转炉炼钢过程硅和氧的亲和力很强，在吹炼初期就大量氧化。在吹炼初期，一般在5min以内就被氧化到很低，一直到吹炼终点，也不发生硅的还原。生成的SiO2进入渣中。[Si]+2[O]=(SiO2)(熔池内间接氧化)[Si]+O2=(SiO2)(氧气直接氧化)硅的氧化465.3转炉炼钢过程[Mn]在吹炼初期迅速氧化，但不如[Si]氧化得快。在开始吹炼时，铁水中[Mn]含量较高，[Mn]氧化反应为放热反应，低温有利于反应进行。[Mn]+2[O]=(MnO)(熔池内间接氧化)[Mn]+1/2O2=(MnO)(氧气直接氧化)在吹炼后期，熔池温度提高，(MnO)被还原。吹炼终点钢中锰含量称为残锰或余锰。[C]+(MnO)=[Mn]+CO(g)锰的氧化475.3转炉炼钢