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3、转炉炼钢工艺制度(上)


转炉炼钢工艺制度
? 一、装入制度

? 二、供氧制度
? 三、造渣制度 ? 四、石灰渣化机理 ? 五、造渣方法 ? 六、温度制度

? 七、终点控制
? 八、脱氧及合金化

一、装料制度

1、装料次序
对使用废钢的转炉,一般先装废钢后装铁

水。先加洁净的轻废钢,再加入中型和重型废钢,
以保护炉衬不被大块废钢撞伤,而且过重的废钢

最好在兑铁水后装入。
为了防止炉衬过分急冷,装完废钢后,应立 即兑入铁水。炉役末期,以及废钢装入量比较多的 转炉也可以先兑铁水,后加废钢。

2、装入量
装入量指炼一炉钢时铁水和废钢的装入数

量,它是决定 转炉产量 、 炉龄 及 其他技术经

济指标 的主要因素之一。装入量中铁水和废钢
配比是根据热平衡计算确定。通常,铁水配比为
70%-90%,其值取决于铁水温度和成分,炉容比、 冶炼钢种、原材料质量和操作水平等。

确定装入量时,考虑的因素:
?

炉容比:它是指转炉内自由空间的容积与金属装
入量之比(m3/t),通常在0.7-1.0波动,我国转炉 炉容比一般0.75。 熔池深度:合适的熔池深度应大于顶枪氧气射流 对熔池的最大穿透深度,以保证生产安全,炉底

?

寿命和冶炼效果。
?

炉子附属设备:应与钢包容量、浇注吊车起重能 力、转炉倾动力矩大小、连铸机的操作等相适应。

控制装入量的方法
目前国内采用三种即定量装入量、定深装入量 和分阶段定量装入法。 ◆ 定量装入量指整个炉役期间,保证金属料装入 量不变; ◆ 定深装入量指整个炉役期间,随着炉子容积的 增大依次逐渐增大装入量,保证每炉的金属熔池深 度不变; ◆ 分阶段定量装入法指将整个炉按炉膛的扩大程 度划分为若干阶段,每个阶段实行定量装入法。分 阶段定量装入法兼有两者的优点,是生产中最常见 的装入制度。

目前,国内的大中型转炉均采用混铁炉 (转炉容量的15~20倍)供应铁水,即高 炉来的铁水储存在混铁炉中,用时倒入铁 水罐天车兑入(解决高炉出铁与转炉用铁 不一致的矛盾,同时保证铁水的温度稳定, 成分波动小);废钢则是事先按计算值装 入料斗,用时天车加入。 目前国内各厂普遍采用溅渣护炉技术, 因而多为先加废钢后兑铁水,可避免兑铁 喷溅。但补炉后的第一炉钢应先加铁水后 兑加废钢。

二、供氧制度
供氧制度的主要内容包括确定合理的喷头结构、
供氧强度、氧压和枪位控制。供氧是保证杂质去除速 度、熔池升温速度、造渣制度、控制喷溅去除钢中气 体与夹杂物的关键操作,关系到终点的控制和炉衬的 寿命,对一炉钢冶炼的技术经济指标产生重要影响。

1、氧 枪
氧枪是转炉供氧的主要设备,它是由喷头、
枪身和尾部结构组成。 喷头是用导热性良好的紫铜经锻造和切割加 工而成,也有用压力浇铸而成的。喷头的形状有 拉瓦尔型、直筒型和螺旋型等。目前应用最多的 是多孔的拉瓦尔型喷头。拉瓦尔型喷头是收缩— 扩张收缩型喷孔,当出口氧压与进口氧压之比p 出/p0<0.528时形成超音速射流 。

拉瓦尔型喷孔示意图

枪身:它由三层同心套管构成,中心管道氧 气,中间管是冷却水的进水通道,外层管是出水 通道。喷头与中心套管焊接在一起。

枪尾部:枪尾部接供氧管,进水管和出水管。

熔池的搅拌强度与射流的冲击强度密切相关。 氧射流的冲击力大(硬吹),则射流的穿透 深度大,冲击面积小,对熔池搅拌强烈;反 之软吹,则射流的穿透深度小,冲击面积大, 对熔池搅拌弱。 在氧射流的作用下,熔池将受到搅拌, 产生环流、喷溅、振荡等复杂运动。

?

在不同的吹炼方式下,熔池的化学反应所表现形式 也不同。硬吹时,载氧液滴大量进入钢中,碳氧反

应激烈,熔池氧化性较弱;软吹时,则进入钢中氧
少,熔渣氧化性提高。
?

研究已表明,顶吹氧吹炼过程中,用于熔池搅拌的
能量主要来自碳氧反应产生是气体,氧射流的贡献 并不大,即使其能量全部用于搅拌熔池,也仅仅是 CO搅拌能的10%-20%。因此,顶吹转炉的缺点之一 就是吹炼前、末期搅拌不足,因为此时产生CO气泡

数量有限。

2、渣钢乳化
?

在顶吹氧气转炉吹炼过程中,特别是吹炼过程剧化 的开始阶段,有时炉渣会起泡并从炉口溢出,这就 是吹炼过程中发生的典型的乳化和泡沫现象。

?

由于氧射流对熔池的强烈冲击和CO气泡的沸腾作用,
使熔池上部金属、熔渣和气体三相剧烈混合,形成

了转炉内发达的乳化和泡沫状态。

转炉内的泡沫现象示意图
1-氧枪; 2-气-钢-渣乳化相; 3-CO气泡; 4-金属熔池; 5-火点; 6-金属液滴; 7-CO气流;

8-飞溅出的金属液滴;
9-烟尘

乳化是指金属液滴或气泡弥散在炉渣中,若液 滴或气泡数量较少而且在炉渣中自由运动,这种现 象称为渣钢乳化或渣气乳化。 若炉渣中仅有气泡,而且气泡无法自由运动, 这种现象称炉渣泡沫化。 由于渣滴或气泡也能进入到金属熔体中,因此

转炉中还存在金属熔体中的乳化体系。

渣钢乳化是冲击坑上沿流动的钢液被射流撕裂 或金属滴所造成的。 通过对230tLD转炉乳液取样分析,发现其中金 属液滴比例很大:

吹氧6-7min时

占45%-80%;

10-12 min时 占40%-70%; 15-17min时 占30%-60%。 可见,吹炼时金属和炉渣密切相混。

研究表明,金属液滴比金属熔池的脱碳、 脱磷、脱锰更有效。金属液滴尺寸愈小,脱 除量愈多。而金属液滴的含硫量比金属熔池 的含硫量高,金属液滴尺寸愈小,含硫量愈 大。生产实践表明,冶炼中期硬吹时,由于 渣内富有大量CO气泡以及渣中氧化铁被金属 液滴中的碳所还原,导致炉渣的液态部分消 失而“返干”。

软吹时,由于渣中(FeO)含量增加,

并且氧化位(即Fe3+/Fe2+ )升高,持续时
间过长就会产生大量起泡沫的乳化液,乳化

的金属量非常大,生成大量气体,容易发生
大喷或溢渣。因此,必须正确调整枪位和供

氧量,使乳化液中的金属保持某一百分比。

3、供氧参数
◆供氧压力:

保证射流出口速度达到超音速,并使喷头出
口处氧压稍高于炉膛内炉气压力。对三孔喷头, 供氧压力可由下式经验计算:
p o ? 8 .3 3 ? 1 0 ?
5
2

Q?

T0

d喉口

◆氧气流量:指在单位时间内向熔池供氧的数量,常用 标准状态下体积量度,其单位为m3/min或m3/h。

氧气流量是根据吹炼每吨金属料所需要的氧气量、
金属装入量、供氧时间等因素决定。即
氧气流量 ? 单 位 金 属 的 需 氧 量 ?m
3

t ? ? 金 属 装 入 量 ?t ?

供 氧 时 间 ? m in ?

◆供氧强度:指在单位时间内每吨钢的氧耗量,它 的单位是m3/(t· min)。 供氧强度的大小根据转炉的公称吨位、炉容比 来确定。

小型转炉的供氧强度为 2.5-4.5m3/(t· min),
120t以上的转炉一般为2.8-3.6m3/(t· min)。

4、供氧操作
供氧操作是指调节氧压或枪位,达到调节氧 气流量、喷头出口气流压力及射流与熔池的相互 作用程度,以控制化学反应进程的操作。 供氧操作分为恒压变枪、恒枪变压和分阶段 恒压变枪几种方法。

所谓枪位,是指氧枪喷头端面距静止液面的距离,常 用H表示,单位是m。 目前,一炉钢吹炼中的氧枪操作有两种类型,一种 是恒压变枪操作,一种是恒枪变压操作。比较而言,恒 压变枪操作更为方便、准确、安全,因而国内钢厂普遍 采用。 1)、枪位的变化范围和规律 关于枪位的确定,目前的做法是经验公式计算, 实践中修正。 一炉钢冶炼中枪位的变化范围可据经验公式确定: H=(37~46)P×D出 式中 P——供氧压力,MPa; D——喷头的出口直径,mm; H——枪位,mm。

2)、枪位的调节 生产条件千变万化,因此具体操作中还 应根据实际情况对枪位进行适当的调节。 (1)铁水温度:若遇铁水温度偏低,应先压枪 提温,而后再提枪化渣,以防渣中的(FeO)积聚 引发大喷,即采用低-高-低枪位操作。 (2)铁水成分:铁水硅、磷高时,若采用双渣 操作,可先低枪位脱硅、磷,倒掉酸性渣;若单 渣操作,由于石灰加入量大,应较高枪位化渣。 铁水含锰高时,有利于化渣,枪位则可适当低些。

(3)装入量变化:炉内超装时,熔池液 面高,枪位应相应提高,否则,不仅化渣 困难而且易烧坏氧枪。 (4)炉内留渣:采用双渣留渣法时,由 于渣中(FeO)高,有利于石灰熔化,因 此吹炼前期的枪位适当低些,以防渣中 (FeO)过高引发泡沫喷溅。 (5)供氧压力:高氧压与低枪位的作用 相同,故氧压高时,枪位应高些。

(6)后期提枪调渣控终点。 吹炼后期,C-O反应已弱,产生喷溅 的可能性不大,此时的基本任务是调好炉 渣的氧化性和流动性继续去除硫磷,并准 确控制终点碳(较低),因此枪位应适当 高些。 (7)终点前点吹破坏泡沫渣。 接近终点时,降枪点吹一下,均匀钢 液的成分和温度,同时降低炉渣的氧化铁 含量并破坏泡沫渣,以提高金属和合金的 收得率。

3)、恒压变枪操作的几种模式 高—低—高的六段式操作 开吹枪位较高,及早形成初期渣;二批料加入后适 时降枪,吹炼中期炉渣返干时又提枪化渣;吹炼后期先提 枪化渣后降枪;终点拉碳出钢。 B 高—低—高的五段式操作 五段式操作的前期与六段式操作基本一致,熔渣返 干时可加入适量助熔剂调整熔渣流动性,以缩短吹炼时间。 A

三、造渣制度
造渣是转炉炼钢的一项重要操作。所谓造渣,是指
通过控制入炉渣料的种类和数量,使炉渣具有某些性质, 以满足熔池内有关炼钢反应需要的工艺操作。造渣制度 是确定合适的造渣方法、渣料的种类、渣料的加入数量 和时间以及加速成渣的措施。由于转炉冶炼时间短,必

须快速成渣,才能满足冶炼进程和强化冶炼的要求,同
时造渣对避免喷溅、减少金属损失和提高炉衬寿命都有 直接影响。

1、成渣过程及造渣途径
转炉冶炼各期,都要求炉渣具有一定的碱度, 合适的氧化性和流动性,适度的泡沫化。
?

吹炼初期,要保持炉渣具有较高的氧化性,∑(FeO)
稳定在25%-30%,以促进石灰熔化,迅速提高炉渣碱 度,尽量提高前期去磷去硫率和避免酸性渣侵蚀炉 衬;

?

吹炼中期 ,炉渣的氧化性不得过低(∑(FeO)保持在
10%-16%),以避免炉渣返干;

?

吹炼末期,要保证去除P、S所需的炉渣高碱度,同时
控制好终渣氧化性,如冶炼[C]≥0.10%的镇静钢,终 渣(FeO)应控制不大于15%-20%;冶炼沸腾钢,终渣

(FeO)应不小于12%,需避免终渣氧化性过弱或过强。

炉渣粘度和泡沫化程度也应满足冶炼进程需要。
前期要防止炉渣过稀,中期渣粘度要适宜,末期

渣要化透作黏。泡沫性炉渣应尽早形成,并将其
泡沫化程度控制在合适范围,以达到喷溅少、拉

碳准、温度合适、达到磷硫去除的最佳吹炼效果。

2、转炉成渣过程:
?

吹炼初期,炉渣主要来自铁水中Si、Mn、Fe的氧化

产物。加入炉内的石灰块由于温度低,表面形成冷凝
外壳,造成熔化滞止期,对于块度为40mm左右的石 灰,渣壳熔化需数十秒。由于发生Si、Mn、Fe的氧 化反应,炉内温度升高,促进了石灰熔化,这样炉 渣的碱度逐渐得到提高。

?

吹炼中期,随着炉温的升高和石灰的进一 步熔化,同时脱碳反应速度加快导致渣中 (FeO)逐渐降低,使石灰融化速度有所减 缓,但炉渣泡沫化程度则迅速提高。由于

脱碳反应消耗了渣中大量的(FeO),使化
渣条件恶化,出现返干现象。

?

吹炼末期,脱碳速度下降,渣中(FeO)再次升高, 石灰继续熔化并加快了熔化速度。同时,熔池中 乳化和泡沫现象趋于减弱和消失。 初期渣,主要矿物为钙镁橄榄石和玻璃体(SiO2)。

?

钙镁橄榄石是锰橄榄石 (2MnO.SiO2)、铁橄榄石
(2FeO.SiO2)和硅酸二钙(2CaO.SiO2)的混合晶体。 当(MnO)高时,它是以2FeO. SiO2 和2MnO.SiO2 为 主,通常玻璃体不超过7%-8%,渣中自由氧化物相 (RO)很少。

?

中期渣:石灰与钙镁橄榄石和玻璃体作用,生成
CaO.SiO2 ,3CaO.2SiO2 ,2CaO. SiO2 和3CaO.SiO2 等

产物,其中最可能和最稳定的是2CaO.SiO2,其熔点
为2130℃。
?

末期渣:RO相急剧增加,生成的3CaO. SiO2 分解为 2CaO.SiO2和CaO,并有2CaO.Fe2O3生成。

吹炼过程熔池渣的变化

四、石灰渣化机理
炼钢过程中成渣速度主要指的是石灰熔化速度, 所谓的快速成渣主要指的是石灰快速熔解于渣中。
?

吹炼初期,各元素的氧化产物FeO、SiO2、MnO、 Fe2O3等形成了熔渣。加入的石灰块就浸泡在初期 渣中,初期渣中的氧化物从石灰表面向其内部渗 透,并与CaO发生化学反应,生成一些低熔点的矿 物,引起石灰表面的渣化。这些反应不仅在石灰 块的外表面进行,而且也在石灰气孔的内表面进 行。

?

但是在吹炼初期,SiO2易与CaO反应生成钙的硅酸 盐,沉集在石灰块表面上,如果生成物是致密的, 高熔点的2CaO.SiO2(熔点2130℃)和3CaO.SiO2(熔 点2070℃),则将阻碍石灰的进一步渣化熔解。 如生成 CaO.SiO2 (熔点1550℃)和3CaO.2SiO2 (熔点1480℃)则不会妨碍石灰熔解。

?

影响石灰溶解速度的因素主要有:
石灰本身质量 铁水成分 炉渣成分 供氧操作

采用白云石或轻烧白云石代替部分石灰石造 渣,提高渣中MgO含量,减少炉渣对炉衬的侵蚀, 具有明显效果。
?

MgO在低碱度渣中有较高的熔解度,采用白 云石造渣,初期渣中MgO浓度提高,会抑制熔解 炉衬中的MgO,减轻初期炉渣对炉衬的侵蚀。同 时,前期过饱和的MgO会随着炉渣碱度的提高而 逐渐析出,使后期渣变粘,可以使终渣挂在炉衬 表面上,形成炉渣保护层,有利于提高炉龄。

?

在保证渣中有足够的∑(FeO)、渣中

(MgO),不超过6%的条件下,增加初期渣
中MgO含量,有利于早化渣并推迟石灰石表

面形成高熔点致密的2CaO.SiO2壳层。

萤石的主要成分为CaF2,并含有SiO2、Fe2O3、 Al2O3、CaCO3和少量磷、硫等杂质。它的熔点约 1203K。萤石加入炉内后,在高温下即爆裂或碎块 并迅速熔化。它的作用体现在: ? CaF2与CaO作用形成熔点为1635K的共晶体,直 接促进石灰的熔化; ? 萤石能显著降低2CaO.SiO2的熔点,使炉渣在高 碱度下有较低的熔化温度; ? CaF2可降低炉渣粘度

喷 溅
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喷溅是顶吹转炉吹炼过程中经常出现的一种现象, 尤其是爆发性大喷,是炼钢的一种恶性事故。实 践表明,喷溅会造成大量铁损和热量损失,使温 度及成分难于控制,并且污染环境。
喷溅主要源自碳氧的不均衡反应,瞬间产生大量 的气体,从炉口夺路而出,将金属和熔渣托出炉 外。爆发性喷溅、泡沫性喷溅和金属喷溅是氧气 顶吹转炉吹炼常见的喷溅。

?

?

在操作中防止喷溅的基本措施是:控制好熔池温度, 前期不过低,中、后期不过高。严格避免强烈冷却 熔池,以确保脱碳反应均衡地发展,消除爆发式CO反应;同时控制好渣中(FeO)含量,使渣中(FeO) 不出现明显聚集现象,防止炉渣过分发泡或引发爆 发性的C-O反应。在吹炼中期注意控制渣中(FeO), 勿使过低,以免炉渣严重返干,造成金属喷溅。


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