转炉炼钢技术的发展与展望分解

转炉炼钢技术的发展与展望冶金学院朱荣20世纪转炉炼钢技术的发展历程现代转炉炼钢的重大技术21世纪转炉炼钢技术的发展节能与环境保护内容提要一、20世纪转炉炼钢技术的发展历程氧气转炉炼钢是目前世界上最主要的炼钢方法。2l世纪的前期，转炉钢的生产比例仍将保持在60～70％。回顾50年氧气转炉炼钢发展史，可划分为三个发展时期。转炉大型化时期（1950～1970年）这一历史时期，以转炉大型化为技术核心，逐步完善转炉炼钢工艺与设备。开发了大型转炉设计制造技术、除尘与煤气回收技术、计算机静态与副枪动态控制技术、镁碳砖综合砌炉与喷补挂渣等护炉技术。转炉炉龄达到2000炉。转炉吹炼制度为“三吹二”或“二吹一”转炉技术完善化时期（1970～1990年）这一时期，由于连铸技术的迅速发展，出现了全连铸的炼钢车间。对转炉炼钢的稳定性和终点控制的准确性，提出更高的要求。为了改善转炉吹炼后期钢渣反应远离平衡，实现平稳吹炼的目标，综合顶吹、底吹转炉的优点，研究开发出各种顶底复合吹炼工艺，在全世界迅速推广。这一时期转炉炉龄达到5000炉，吹炼制度转变为“二吹二”或“三吹三”。转炉综合优化时期（1990～2010年）建立起一种全新的、能大规模廉价生产纯净钢的生产体系。围绕纯净钢生产，研究开发出铁水“三脱”预处理、高效转炉生产、全自动吹炼控制与长寿炉龄等重大新工艺技术。转炉炉龄超过10,000炉，初步实现“一座转炉吹炼制”，形成炼钢——轧钢短流程生产线。合理的H/D，合理的炉容比全悬挂倾动机构，水冷托圈、耳轴、炉帽、汽水冷却上料，称量与下料程序控制下渣检查与有效的渣铁分离装置装备技术多孔水冷拉瓦尔氧枪、兼顾二次燃烧、化渣、脱碳与搅拌功能灵活可控的炉底供气系统、长寿喷嘴与大气量调节强化搅拌功能炉渣、炉气与钢液的在线动态检测全自动吹炼控制与信息管理系统工艺控制技术除尘与煤气回收，二次除尘设施，尽可能采取干法系统炉口微压差控制与余热锅炉炉衬厚度检测与炉体维护设施节能与环保技术拆、砌炉机械二、现代转炉炼钢的重大技术转炉大型化技术2.1转炉大型化技术实现转炉大型化具有以下优点：显著提高生产效率和劳动生产率吹炼平稳，易于实现煤气回收，终点动态控制热损失小，成分稳定，有利于改善钢质量易于与精炼特别是真空精炼相匹配二、现代转炉炼钢的重大技术转炉大型化的核心技术大型转炉（≥250t）的设计制造技术水冷托圈与悬挂倾动—传动装置多孔拉瓦尔氧气喷枪OG法除尘与煤气回收技术镁碳砖生产工艺与制造技术污水、污泥处理净化技术综合砌炉与护炉工艺（喷补、挂粘渣等）吹炼静态模型控制技术终点副枪动态控制技术2.2顶底复吹转炉吹炼的工艺特点顶底复吹转炉结合了顶吹、底吹转炉的优点：反应速度快，热效率高，可实现炉内二次燃烧吹炼后期强化熔池搅拌，使钢—渣反应接近平衡保持顶吹转炉成渣速度快和底吹转炉吹炼平稳的双重优点进一步提高了熔池脱磷脱硫的冶金效果冶炼低碳钢（C=0.01～0.02%），避免了钢渣过氧化顶底复合吹炼技术的分类顶吹氧，底吹惰性气体搅拌工艺：代表方法有：LBE、LD-KG、LD-OTB、NK-CB、LD-AB等。技术特征：顶吹100%氧气，可采用二次燃烧技术提高熔池热效率；底吹惰性气体搅拌，前期吹N2气后期切换为Ar气；供气强度波动在0.03～0.12Nm3/t.min范围。顶底复合吹氧工艺代表方法：BSC-BAP、LD-OB、LD-HC、STB、STB-P、K-BOP等技术特征：顶吹氧60～95%；底吹氧5～40%；供气强度波动在0.2～2.0Nm3/t.min范围。底吹供气元件采用双层套管结构，中心管吹O2，环缝吹天然气或Ar气冷却保护喷咀。复吹转炉的经济效益渣中含铁量降低2.5～5.0%金属收得率提高0.5～1.5%残锰提高0.02～0.06%磷含量降低0.002%石灰消耗降低3～10kg/t氧气消耗减少4～6Nm3/t提高炉龄，减少耐火材料消耗复吹转炉的经济效益，因冶炼的品种、炉子的大小和各钢厂的具体情况下同而有差异。一般说来，在欧洲约为2～3.6马克/t；在美国约为0.25～1.5美元/t；在中国为6～15元/t。2.3煤气回收技术原理氧气转炉炼钢过程产生大量气体，转炉煤气温度约为1400～1500℃（物理热），煤气热值（化学潜热）约为2000kcal/Nm3，煤气量97～115Nm3/t。采用煤气回收技术回收转炉烟气的化学潜热；采用余热锅炉回收烟气的物理热.煤气回收效果当炉气回收的总热量转炉生产消耗的能量时，实现了转炉工序“负能炼钢”；当炉气回收的总热量炼钢厂生产消耗的总能量时，实现了炼钢厂“负能炼钢”。日本君津钢厂、我国宝钢、武钢三炼钢厂均已实现炼钢厂“负能炼钢”。转炉煤气成分、热值和回收气体量宝钢、武钢三炼钢、君津钢厂煤气回收效果2.4负能炼钢当炉气回收的总热量转炉生产消耗的能量时（如动力电、钢包烘烤燃料、氧气等），实现了转炉工序“负能炼钢”。当炉气回收的总热量炼钢厂生产消耗的总能量时（包括炼钢、精炼、连铸等工序的能量消耗，实现了炼钢厂的“负能炼钢”。我国宝钢、武钢已实现了转炉工序“负能炼钢”，而宝钢已实现了炼钢厂“负能炼钢”。2.5炼钢厂节能的技术措施降低铁钢比。每降低0.1％铁钢比，可降低吨钢能耗70～85kg标准煤；提高连铸比。和模铸相比，连铸可降低能耗50～80％，提高成材率7～18％，折合标准煤63～162kg/t；回收利用转炉煤气，可降低吨钢能耗3～11kg标准煤；提高连铸坯热送比，可降低吨钢能耗1.9～2.1kg标准煤；提高转炉作业率，可降低工序能耗3kg标准煤。2.6转炉长寿技术炉龄是转炉炼钢的重要技术指标，提高炉龄不仅降低了生产成本而且提高了转炉的生产效率。九十年代，美国开发成功转炉溅渣护炉技术，创造了25000炉的世界最高炉龄纪录。溅渣护炉在中国推广也取得显著的经济效益：炉龄普遍提高3～4倍，最高炉龄已达到20,000炉，吨钢炉衬耐火材料消耗降低0.2～1.0kg，补炉料消耗减少0.5～1.0kg/t，转炉利用系数提高2～3％。国内钢厂采用溅渣护炉工艺后的平均经济效益为4.0元/t，每年全国可获经济效益l.8亿元。溅渣护炉的基本原理是利用高速氮气把成分调整后的剩余炉渣喷溅在炉衬表面形成溅渣层。溅渣层固化了镁碳砖表层的脱碳层，抑制了炉衬表层的氧化，并减轻了高温炉渣对砖表面的冲刷侵蚀。溅渣护炉示意图溅渣护炉技术今后研究工作的重点开发和完善复吹转炉溅渣护炉工艺提高底吹喷嘴寿命的核心技术是控制喷咀前端生成透气蘑菇头，避免喷咀烧损；在炉役中后期，应严格控制蘑菇头生长高度，防止喷咀堵塞。开发炉体冷却工艺,进一步提高炉衬寿命溅渣后，炉龄升高炉衬减薄，会使炉壳变形更为严重，开发炉壳冷却技术，抑制炉壳变形，使炉壳寿命提高到10～15年。优化溅渣工艺，研究溅渣层与炉衬砖的结合机理。进一步提高转炉炉龄，使其能与轧钢加热炉、制氧机等设备同步运行，同步检修，以获得更好的经济效益。研究开发长寿命水冷烟罩、烟道等辅属设备，实现转炉整体设备长寿化。2.7全自动转炉吹炼技术转炉吹炼过程控制是实现转炉正常冶炼的关键。转炉吹炼的技术特点：①脱碳速度快，准确控制吹炼终点比较困难：②热效率高，升温速度快；③容易发生炉渣或金属喷溅；④吹炼后期脱碳速度减慢，金属—炉渣之间远离平衡，容易造成钢渣过氧化。转炉自动化控制的具体要求（1）能实现远程预报，根据目标钢种要求和铁水条件，能确定基本命中终点的吹炼工艺方案；（2）能精确命中吹炼终点，通常采用动态校正方法，修正计算误差，保证终点控制精度和命中率：（3）具备容错性，可消除各种系统误差，随机误差和检测误差；（4）响应迅速，系统安全可靠。转炉自动控制发展的三个阶段控制方式检测内容控制目标控制精度命中率静态控制铁水温度、成分和重量、各种辅原料成分和重量，氧气流量和枪位根据终点[C]、T要求确定吹炼方案，供氧时间和原、辅料加入量([IC]±0.03)%(T±15)℃≤50%动态控制静态检测内容全部保留，并增加副枪测温、定碳、取钢水样静态模型预报副枪检测点，根据[C]、T检测值修正计算结果，预报达到终点的供氧量和冷却剂加入量([IC]±0.02)%(T±12)℃80～90%全自动吹炼控制动态检测内容全部保留，并增加：(1)炉渣状况检测(2)炉气分析设备(3)Mn光谱强度连续检测在线计算机闭环控制：(1)顶吹供氧工艺(2)底吹搅拌工艺(3)造渣工艺(4)终点预报T、[C]、[S]、[P]全程预报碳含量和温度([IC]±0.03)%(T±15)℃对吹炼的控制精度超过5年以上的熟练操作工人≥90%动态控制采用的两种方法副枪动态控制技术在吹炼接近终点时（供O2量85％左右），插入副枪测定熔池[C]和温度，校正静态模型的计算误差并计算达到终点所需的供O2量或冷却剂加入量。炉气分析动态控制技术通过连续检测炉口逸出的炉气成分，计算熔池瞬时脱碳速度和Si、Mn、P氧化速度，进行动态连续校正，提高控制精度和命中率。采用动态控制技术存在以下缺点不能对吹炼造渣过程进行有效监测和控制，不能降低转炉喷溅率；不能对终点[S]、[P]进行准确控制，由于[S]、[P]成分不合格，造成“后吹”；不能实现计算机对整个吹炼过程进行闭环在线控制。全自动转炉吹炼技术弥补了动态控制的上述缺点，全自动吹炼控制技术，通常包括以下控制模型：静态模型——确定吹炼方案，保证基本命中终点；吹炼控制模型——利用炉气成分信息，校正吹炼误差，全程预报金属熔池成分（C、Si、Mn、P、S）和炉渣成分变化；造渣控制模型——利用炉渣检测信息，动态调整顶枪枪位和造渣工艺，避免吹炼过程“喷溅”和“返干”。终点控制模型——通过终点融枪校正或炉气分析校正，精确控制终点，保证命中率。采用人工智能技术，提高模型的自学习和自适应能力。全自动吹炼控制技术的冶金效果①提高了终点控制精度，对低碳钢（[％C]0.06％），控制精度为±0.015％；对中碳钢（[%C]=0.06～0.20％），控制精度为±0.02％；高碳钢（[％C]0.20％），控制精度为±0.05％；温度±10℃，命中率≥95％。②实现了对终点S、P、Mn的准确预报，精度为：S±0.0009％；P±0.00l4％；Mn±0.009％。③对中、高碳钢冶炼，后吹率从60％下降到32％；④喷溅率从29％下降到5.4％；⑤终点拉碳至出钢时间从8.5min缩短到2.5min；⑥铁收得率提高0.49％，石灰消耗减少3kg/t，炉龄提高30%。紧凑式连续化的专业生产线以产品为核心，将铁水预处理—转炉炼钢—炉外精炼—高效连铸—热送和连轧有机地结合起来。从铁水到成品钢材的生产周期为2.5～3小时。新工艺流程的基本特征为：1)100％铁水采用“三脱”；2)冶炼周期达到20min；3)100％钢水炉外精炼，真空精炼比大幅度提高；4)采用高速连铸技术，厚板坯的拉速提高到3.5～4.5m/min；5)100％连铸坯高温热送、热装；6)采用无头连续轧制。转炉高速吹炼工艺发展目标：建立一座转炉吹炼制，使一座转炉的产量达到传统2座转炉的生产能力。转炉冶炼周期缩短到20～25min，年产炉数≥15000炉，转炉炉龄≥15000炉。实现高效转炉工艺的基本技术措施为：1)100％铁水采用“三脱”，处理后铁水P、S≤0.01％；2)转炉采用少渣冶炼工艺，渣量≤30kg/t；3)供氧强度从3.5Nm3/t.min提高到5.0Nm3/t.min，供氧时间缩短到10min以内；4)采用全自动吹炼控制技术，控制喷溅率≤l％；5)快速出钢，从终点到出钢结束时间缩短到5min以内；6)采用炉龄长寿技术，使转炉炉龄提高到15000炉以上。分阶段冶炼工艺分阶段冶炼工艺与原冶炼工艺对比三、21世纪转炉炼钢技术的发展钢铁生产能力过剩，残酷的市场竞争将使落后的钢铁厂倒闭；环境保护对钢铁工业发展产生巨大压力，一些污染严重的落后工艺将被强制淘汰；世界钢材价格呈下降趋势。