浅谈炼钢技术

摘要：传统的转炉炼钢过程是将高炉来的铁水经混铁炉混匀后兑入转炉，并按一定比例装入废钢，然后降下水冷氧枪以一定的供氧、枪位和造渣制度吹氧冶炼。当达到吹炼终点时，提枪倒炉，测温和取样化验成分，如钢水温度和成分达到目标值范围就出钢。随着用户对钢材性能和质量的要求越来越高，钢材的应用范围越来越广，同时钢铁生产企业也对提高产品产量和质量，扩大品种，节约能源和降低成本越来越重视。在这种情况下，转炉生产工艺流程发生了很大变化。铁水预处理、复吹转炉、炉外精炼、连铸技术的发展，打破了传统的转炉炼钢模式。已由单纯用转炉冶炼发展为铁水预处理——复吹转炉吹炼——炉外精炼——连铸这一新的工艺流程。这一流程以设备大型化、现代化和连续化为特点。氧气转炉已由原来的主导地位变为新流程的一个环节，主要承担钢水脱碳和升温任务。关键词：转炉炼钢冶炼工艺一、我国转炉的发展概况1951年碱性空气侧吹转炉炼钢法首先在我国唐山钢厂试验成功，并于1952年投入工业生产。1954年开始厂小型氧气顶吹转炉炼钢的试验研究工作，1962年将首钢试验厂空气侧吹转炉改建成3t氧气顶吹转炉，开始了工业性试验。1966年上钢一厂将原有的一个空气侧吹转炉炼钢车间，改建成3座30t的氧气顶吹转炉炼钢车间，并首次采用了先进的烟气净化回收系统，于当年8月投入生产，还建设了弧形连铸机与之相配套，试验和扩大了氧气顶吹转炉炼钢的品种。这些都为我国日后氧气顶吹转炉炼钢技术的发展提供了宝贵经验。此后，我国原有的一些空气侧吹转炉车间逐渐改建成中小型氧气顶吹炼钢车间，并新建了一批中、大型氧气顶吹转炉车间。小型顶吹转炉有天津钢厂20t转炉、济南钢厂13t转炉、邯郸钢厂15t转炉、太原钢铁公司引进的50t转炉、包头钢铁公司50t转炉、武钢50t转炉、马鞍山钢厂50t转炉等；中型的有鞍钢150t和180t转炉、攀枝花钢铁公司120t转炉、本溪钢铁公司120t转炉等；90年代宝钢又建成250t转炉车间，武钢引进250转炉，唐钢建成150转炉车间，重钢和首钢又建成80t转炉炼钢车间；许多平炉车间改建成氧气顶吹转炉车间等。到1998年我国氧气顶吹转炉共有221座，其中100t以下的转炉有188座，（50~90t的转炉有252座），100-200t的转炉有23座，200t以上的转炉有10座，最大公称吨位为300t。顶吹转炉钢占年总钢产量的82.67%。随着用户对钢材性能和质量的要求越来越高，钢材的应用范围越来越广，同时钢铁生产企业也对提高产品产量和质量，扩大品种，节约能源和降低成本越来越重视。在这种情况下，转炉生产工艺流程发生了很大变化。铁水预处理、复吹转炉、炉外精炼、连铸技术的发展，打破了传统的转炉炼钢模式。已由单纯用转炉冶炼发展为铁水预处理——复吹转炉吹炼——炉外精炼——连铸这一新的工艺流程。这一流程以设备大型化、现代化和连续化为特点。氧气转炉已由原来的主导地位变为新流程的一个环节，主要承担钢水脱碳和升温的任务。二、顶吹氧气转炉炼钢工艺特点完全依靠铁水氧化带来的化学热及物理热;生产率高（冶炼时间在20分钟以内）；质量好（*气体含量少：（因为CO的反应搅拌，将N、H除去）可以生产超纯净钢,有害成份（S、P、N、H、O）〈80ppm；冶炼成本低，耐火材料用量比平炉及电炉用量低；原材料适应性强，高P、低P都可以。三、转炉设备转炉炉体及转炉倾动系统铁水、废钢、散状材料设备氧枪提升机构转炉炉体及转炉倾动系统（三）转炉冶炼工艺转炉冶炼五大制度：装料制度、供氧制度、造渣制度、温度制度、终点控制及合金化制度。3.1装料制度确定合理的装入量，需考虑的两个参数：3炉容比：(V/T,m3/t),0.8-1.05(30-300t转炉)；熔池深度：需大于氧气射流的冲击深度800-2000mm(30-300t转炉)装料制度：定量装入、定深装入；分阶段定量装入。分阶段定量装入：1－50炉，51－200炉，200炉以上，枪位每天要校正。交接班看枪位。3.2供氧制度基本操作参数供氧强度Nm3/t.min氧气流量Nm3/h操作氧压Mpa氧枪枪位m供氧强度(Nm3/t.min)决定冶炼时间，但太大，喷溅可能性增大，一般3.0-4.0。氧气流量大小(Nm3/h)：装入量，C、Mn、Si的含量，由物料平衡计算得到，50-65Nm3/h。氧压(Mpa)喷头的喉口及马赫数一定，P大，流量大,有一范围0.8－1.2Mpa。氧枪枪位，由冲击深度决定，1/3-1/2吨钢耗氧量计算：％CSiMnPS铁水成分４.３0０.８００.２００.１３０.０４成品成分０.２００.２７０.５００.０２转炉公称容量为100吨时，炉渣量为：100×10％＝10吨铁损耗氧量10×15％×16/(16＋56)＝0.33吨［C］→[CO]耗氧量100×(4.30%-0.20%)×90%×16/12=4.92吨［C］→[CO2]耗氧量100×(4.30%-0.20%)×10%×32/12=1.09吨［Si］→[SiO2]耗氧量100×0.8%×32/28=0.914吨［Mn］→[MnO]耗氧量100×0.2%×16/55=0.058吨［P］→[P2O5]耗氧量100×0.13%×(16×5)/(31×2)=0.168吨[S]1/3被气化为SO2,2/3与CaO反应生成CaS进入渣中,则［S］不耗氧。总耗氧量＝0.33+4.92+1.09+0.914+0.058+0.168=7.48吨/1.429＝5236Nm3实际耗氧量＝5236/0.9/99.5%=5847Nm3实际吨钢耗氧量＝5847/100=58.37Nm3/t两种操作方式：软吹：低压、高枪位，吹入的氧在渣层中，渣中FeO升高、有利于脱磷；硬吹：高压低枪位(与软吹相反)，脱P不好，但脱C好，穿透能力强，脱C反应激烈。氧枪操作方式氧枪操作就是调节氧压和枪位。氧枪的操作方式：衡枪变压：压力控制不稳定，阀门控制不好；恒压变枪：压力不变，枪位变化，目前主要操作方式3.3造渣制度炼钢就是炼渣。4造渣的目的：通过造渣，脱P、减少喷溅、保护炉衬。造渣制度：确定合适的造渣方式、渣料的加入数量和时间、成渣速度。渣的特点：一定碱度、良好的流动性、合适的FeO及MgO、正常泡沫化的熔渣造渣方式：单渣法：铁水Si、P低，或冶炼要求低。双渣法：铁水Si、P高，或冶炼要求高。留渣法：利用终渣的热及FeO，为下炉准备。成渣速度转炉冶炼时间短，快速成渣是非常重要的，石灰的溶解是决定冶炼速度的重要因素。石灰的熔解：开始吹氧时渣中主要是SiO，MnO，FeO,是酸性渣，加石灰后，石灰溶解速度，可用下式表J＝K（CaO+1.35MgO-1.09SiO2+2.75FeO+1.9MnO-39.1）形成2CaO*SiO2，难熔渣。FeO,MnO,MgO可加速石灰熔化。因为可降低炉渣粘度，破坏2CaO*SiO2的存在。采用软烧活性石灰、加矿石、萤石及吹氧加速成渣。成渣途径钙质成渣低枪位操作，渣中FeO含量下降很快，碳接近终点时，渣中铁才回升。适用于低磷铁水、对炉衬寿命有好处。铁质成渣过程高枪位操作，渣中FeO含量保持较高水平，碳接近终点时，渣中铁才下降。适用于高磷铁水、对炉衬侵蚀严重；FeO高，炉渣泡沫化严重，易产生喷溅。吹炼过程熔池渣的变化3.4温度制度温度控制就是确定冷却剂加入的数量和时间影响终点温度的因素：铁水成分:[%Si]=0.1,升高炉温约15℃铁水温度：铁水温度提高10℃，钢水温度约提高6℃（30t）铁水装入量：每增加1吨铁水，终点钢水温度约提高8℃（30t）废钢加入量：每增加1吨废钢，终点钢水温度约下降45℃（30t）此外，炉龄、终点碳、吹炼时间、喷溅等有影响温度控制措施：熔池升温：降枪脱C、氧化熔池金属铁。金属收到率降低；熔池降温：加冷却剂(矿石、球团矿、氧化铁皮、废钢)；废钢冶炼时一般不加。3.5终点控制及合金化制度终点控制指终点温度和成分的控制终点标志：5钢中碳含量达到所炼钢种的控制范围钢中P达到要求出钢温度达到要求终点控制方法：终点碳控制的方法：一次拉碳法、增碳法、高拉补吹法。一次拉碳法：按出钢要求的终点碳和温度进行吹炼，当达到要求时提枪。操作要求较高。优点：终点渣FeO低，钢中有害气体少，不加增碳剂，钢水洁净。氧耗较小，节约增碳剂。增碳法：所有钢种均将碳吹到0.05%左右，按钢种加增碳剂。优点：操作简单，生产率高，易实现自动控制，废钢比高。高拉补吹法：当冶炼中，高碳钢种时，终点按钢种规格略高一些进行拉碳，待测温、取样后按分析结果与规格的差值决定补吹时间。终点温度确定：所炼钢种熔点：T＝1538－∑△T×j△T:钢中某元素含量增加1％时使铁的熔点降低值，j钢中某元素％含量。考虑到钢包运行、镇静吹氩、连铸等要求四、转炉炼钢流程介绍转炉炼钢是把氧气鼓入熔融的生铁里，使杂质硅、锰等氧化。在氧化的过程中放出大量的热量（含1%的硅可使生铁的温度升高200摄氏度），可使炉内达到足够高的温度。因此转炉炼钢不需要另外使用燃料。炼钢的基本任务是脱碳、脱磷、脱硫、脱氧，去除有害气体和非金属夹杂物，提高温度和调整成分。归纳为：“四脱”（碳、氧、磷和硫），“二去”（去气和去夹杂），“二调整”（成分和温度）。采用的主要技术手段为：供氧，造渣，升温，加脱氧剂和合金化操作。本专题将详细介绍转炉炼钢生产的工艺流程，主要工艺设备的工作原理以及控制要求等信息。由于时间的仓促和编辑水平有限，专题中难免出现遗漏或错误的地方，欢迎大家补充指正。4.1转炉冶炼目的将生铁里的碳及其它杂质（如：硅、锰）等氧化，产出比铁的物理、化学性能与力学性能更好的钢。钢与生铁的区别：首先是碳的含量，理论上一般把碳含量小于2.11%称之钢，它的熔点在1450-1500℃，而生铁的熔点在1100-1200℃。在钢中碳元素和铁元素形成Fe3C固熔体，随着碳含量的增加，其强度、硬度增加，而塑性和冲击韧性降低。钢具有很好的物理、化学性能与力学性能，可进行拉、压、轧、冲、拔等深加工，其用途十分广泛。氧气顶吹转炉炼钢设备工艺如图4所示。按照配料要求，先把废钢等装入炉内，然后倒入铁水，并加入适量的造渣材料（如生石灰等）。加料后，把氧气喷枪从炉顶插入炉内，吹入氧气（纯6度大于99％的高压氧气流），使它直接跟高温的铁水发生氧化反应，除去杂质。用纯氧代替空气可以克服由于空气里的氮气的影响而使钢质变脆，以及氮气排出时带走热量的缺点。在除去大部分硫、磷后，当钢水的成分和温度都达到要求时，即停止吹炼，提升喷枪，准备出钢。出钢时使炉体倾斜，钢水从出钢口注入钢水包里，同时加入脱氧剂进行脱氧和调节成分。钢水合格后，可以浇成钢的铸件或钢锭，钢锭可以再轧制成各种钢材。氧气顶吹转炉在炼钢过程中会产生大量棕色烟气，它的主要成分是氧化铁尘粒和高浓度的一氧化碳气体等。因此，必须加以净化回收，综合利用，以防止污染环境。从回收设备得到的氧化铁尘粒可以用来炼钢；一氧化碳可以作化工原料或燃料；烟气带出的热量可以副产水蒸气。此外，炼钢时，生成的炉渣也可以用来做钢渣水泥，含磷量较高的炉渣，可加工成磷肥，等等。氧气顶吹转炉炼钢法具有冶炼速度快、炼出的钢种较多、质量较好，以及建厂速度快、投资少等许多优点。但在冶炼过程中都是氧化性气氛，去硫效率差，昂贵的合金元素也易被氧化而损耗，因而所炼钢种和质量就受到一定的限制。4.2转炉冶炼原理简介转炉炼钢是在转炉里进行。转炉的外形就像个梨，内壁有耐火砖，炉侧有许多小孔（风口），压缩空气从这些小孔里吹炉内，又叫做侧吹转炉。开始时，转炉处于水平，向内注入1300摄氏度的液态生铁，并加入一定量的生石灰，然后鼓入空气并转动转炉使它直立起来。这时液态生铁表面剧烈的反应，使铁、硅、锰氧化(FeO,SiO2,MnO,)生成炉渣，利用熔化的钢铁和炉渣的对流作用，使反应遍及整个炉内。几分钟后，当钢液中只剩下少量的硅与锰时，碳开始氧化，生成一氧化碳（放热）使钢液剧烈沸腾。炉口由于溢出的一氧化炭的燃烧而出现巨大的火焰。最后，磷也发生氧化并进一步生成磷酸亚铁。磷酸亚铁再跟生石灰反应生成稳定的磷酸钙和硫化钙，一起成为炉渣。当磷与硫逐渐减少，火焰退落，炉口出现四