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转炉炼钢工艺


Converter Steelmaking Process

1 转炉炼钢的发展
1855-1856年英国人亨利.贝塞麦(Henly)开发了 酸性底吹空气转炉炼钢法; 1878年英国人托马斯(S.G.Thomas)碱性底吹空气 转炉炼钢法; 1940年廉价获得氧气后,瑞士、奥地利开发了顶 吹氧气转炉。

--转炉炼钢的发展
1952年在奥地利林茨(Linz)和多纳维茨城 (Donawitz)建成第一座30吨碱性顶吹氧气转炉(LD 转炉);或称BOF(Basic Oxygen Furnace)。 1970年开发顶底复合吹炼转炉。 我国的炼钢发展史。 1949年前,1949-1979年,1979-1995年, 1995年以后。

现代转炉炼钢技术
转炉炼钢技术发展可划分为三个时代: ? 转炉大型化时代(1950~1970年) 以转炉大型化技术为核心,逐步完善转炉炼钢工艺 与设备。 ? 转炉复合吹炼时代(1970~1990年) 连铸技术的迅速发展,对转炉炼钢的稳定性提出更 高的要求。 ? 洁净钢冶炼时代(1990年~ ) 社会对洁净钢的生产需求日益增高。迫切需求建立 起一种全新的、能大规模廉价生产纯净钢的生产体制。

氧气转炉的种类
氧气顶吹转炉 氧气底吹转炉(或氧气侧吹转炉 ) 氧气顶底复合转炉

转炉炼钢方法的发展演变

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。

转炉设备
1.转炉本体系统包括:转炉炉体及其支撑系统—— 托圈、耳轴、耳轴轴承和支撑座,以及倾动装置。 2.氧枪及其升降、换枪装置 3.副枪装置 4.散状料系统 5.烟气净化系统

转炉炉体及转炉倾动系统

氧气顶吹转炉炉型设计
炉型定义 如下图所示,转炉由炉帽、炉身和炉底三 部分组成。按熔池形状来分,常见的氧气顶吹转 炉炉型由筒球型、锥球型和截锥型三种。

炉型选择
(1)筒球型:其熔池形状由一圆筒体和一球缺体组成。这种炉型 衬砌筑简单,炉壳易于制作,其形状比较接近于金属流的循 环轨迹。 (2)锥球型:其熔池形状由一倒锥体和一球缺体组成,倒锥角度 一般为12~30°。这种炉型的形状更符合钢渣环流的要求, 炉衬蚀损后,其形状变化较小,对操作较为有利。 (3)截锥型:该炉型的熔池形状为一倒锥体。在装入量和熔池直 径相同的情况下,其熔池最深。因此不适应于大容量转炉。

炉型设计
炉型设计的主要任务是确定所选炉型各部位的主要参数 和尺寸,据此再绘制出工程图。氧气顶吹转炉的主要尺 寸如下图: (1)熔池尺寸的确定:应根据 装入量、供氧强度、喷嘴类 型、冶炼动力学条件以及对炉 衬蚀损的影响综合考虑。 (2)熔池直径D:熔池直径通 常指熔池处于平静状态时金属 液面的直径。它主要取决于金 属装入量和吹氧时间。

转炉炉容比(V/T)
是指转炉腔内的自由空间的容积V(单位m3)与金属 装入量(铁水+废钢+生铁块 单位t)之比。

装入量过大,则炉容比相对就小,在吹炼过程中可 能导致喷溅增加、金属损耗增加、易烧枪粘钢; 装入量过小,则熔池变浅,炉底会因氧气射流对金 属液的强烈冲击而过早损坏,甚至造成漏钢 。

大型转炉的炉容比一般在0.9~1.05米3/吨之 间,而小型转炉的炉容比在0.8米3/吨左右。 通常铁水含磷高、供氧强度大、用铁矿石或氧化 铁皮做冷却剂等情况,则炉容比应选取上限。

转炉高径比(H/D)
是指转炉腔内的自由空间的高度(单位m)与熔池直 径比m之比。 高径比一般为0.8-1.8; 决定转炉氧枪的吹炼强度,冶炼时间等; 同时影响溅渣的好坏; 决定氧枪喷头的设计参数,如喷头的射流角等。

2 氧气射流及熔池搅拌
氧 枪 吹 炼 参 数 决 定转 炉 的 冶 炼 过 程 及 冶炼 结果 氧枪心藏是氧枪喷 头; 有 关 氧 枪 及 氧 枪 喷头 设计有专门介绍

氧气射流对熔池的物理作用
转炉实际上是一个黑箱,对炉内的运动状态是 冷态实验的分析结果(水模型试验)。 氧流作用下熔池的循环运动,动量传递,氧压或 氧速越高,凹坑越深,搅拌加剧。

氧气射流对熔池的化学作用
直接氧化---氧气射流直接与杂质元素产生氧 化反应; 间 接 氧 化 --- 氧 气 射 流 先 与 Fe 反 应 生 成 后 FeO ,FeO传氧给杂质元素。 是直接氧化还是间接氧化为主呢? 是间接氧化为主,最主要一点是由于氧流 是集中于作用区附近(4%的面积),而不是 高度分散在熔池中。

氧枪喷头的种类

直简型 收缩型 拉瓦尔型 多孔拉瓦尔型。 (马赫数
控制在1.8-2.1)

多孔拉瓦尔喷嘴

氧枪喷头及氧枪

喷头设计需考虑的因素
主要根据炼钢车间生产能力大小、原料条件、供氧 能力、水冷条件和炉气净化设备能力来决定。 考虑到转炉的炉膛高度、直径大小、熔池深度等参 数确定孔数、喷孔出口马赫数和氧流股直径。 对于原料中废钢比高、高磷铁水冶炼或需二次燃烧 提温等情况,则氧枪喷头的设计就需特殊考虑。

喉口直径的计算
当供氧量Q和喷嘴前氧压确定后,就可以按弗林公式计 算喉口直径,即:
Q q = 176 . 4 C D A 孔 P0 T0

式中 T0——氧气滞止温度,k; A——喉口断面积,cm2; P0——喷嘴前压力(吹损时允许正偏离20%), Mpa (绝对)。 此外喷嘴加工的光洁度对流量也有一定的影响,因粗 糙表面必定增加附面层高度。

氧气射流的数值模拟
采 用 大 型 CFX 软 件对不同条件下的 氧气射流进行模 拟。 从理论上证实了超 音速氧气射流外套 环氧射流可减缓超 音速氧气射流的衰 减。 数值模拟解决了 喷枪设计的问题。

枪位高度范围
枪位高低,对氧枪喷头出口马赫数M的选取有 着直接影响。 在一定的氧射流出口速度下,枪位高可避免 烧枪,但为保持射流对熔化的搅拌能力,即 保证一定的冲击深度,需要降枪 射流出口马赫数M决定枪位。

喷枪高度的确定(例)
ρ出 β ? d出 ? 2 H= ?? ? ? ω出 ρe g ? h ?
2

? 34 P0 d 喉 ? H = ? ? ( cm ) ? h ? 3 .8 ?

2

现以计算三孔喷头为例,计算喷枪高度。由于 P0=8kg/cm2,M出=1.845,d*=23.2mm,d出=28.4mm, T0=303K,,设熔池深度为1000mm,假定取平均冲 击深度为熔池深度的25%,则h=250mm, 喷枪高度 H为 :1050mm

熔池冲击深度
氧气射流深入熔池的深度(即冲击深度)对吹炼 工艺影响很大,必须保证氧流对熔池具有合适的 冲击深度,使熔池得到均匀而强烈的搅拌,即有 较大的脱碳速度,同时又具有一定的化渣能力。 当L/h<0.3时,即冲击深度过浅,则脱碳速度和 氧的利用率会大为降低,增加渣中FeO。 当1/h>0.7时,即冲击深度过深,有可能损坏炉 底和金属喷溅严重。

熔池冲击深度

冲击深度的确定
在适合的炉容比情况下,如果熔池装入量过浅,可 考虑将熔池砌成台阶形。 对于单孔喷头,平均冲击深度可取熔池深度的2550%,而最大冲击深度可取熔池深度的50-75%。对 于三孔或四孔喷枪,平均冲击深度可取熔池深度的 25-40%,最大冲击深度可取熔池深度的60-70%。

射流熔池穿透深度计算
用弗林公式计算最大穿透深度
346.7 × d × P0 + 3.81 h= H

式中h:穿透深度(cm), H:枪位高度(cm) d : 喷 头 喉 口 直 径 ( cm ) , P0 : 滞 止 压 力 (MPa) 本公式是经验式,最适合单孔射流氧枪。

h/d出=(ρ出/ ρ钢)1/2.(β/H)1/2.V出/g1/

2

第2可用理论式:式中:h 冲击反应区深度 m; ρ出 出口气体密度kg/m 3(1.1) ; ρ钢 钢液 密度kg/m 3 ; β 常数,决定于射流的马赫数M,当M=0.5-3.0 时,距出口 15×d出后 β=6-9,M大取上限; H 枪位 m; V出 射流出口速度 m/s; g 重力加速度 m 2 /s 这公式是推导出的,很准,一般是设计反应区深度以 h/d出=25-50%为好。通常最大冲击深度L与熔池深度h之 比选取L/h=0.6-0.7。

氧枪的长度

氧枪的控制系统
氧枪在吹炼过程中需要频 繁升降,而且要求位置准 确,因此氧枪的升降机构 是转炉上的重要设备之 一。 氧枪的升降机构,更换装 置,枪位控制,安全联 销,检测仪表等,应由炼 钢工程师提出要求和提供 必要的数据进行设计。

3 顶吹转炉的过程描述
上炉出钢--倒完炉渣(或加添加剂)-- 补炉或溅渣--堵出钢 口--兑铁水--装废钢--下枪--加渣料(石灰、铁皮)-- 点 火-- 熔池升温--脱P、Si 、Mn----降枪脱碳。 看炉口的火,听声音。看火亮度--加第二批(渣料)--提枪 化渣,控制“返干”。 降枪控制终点(FeO),倒炉取样测温,出钢。 技术水平高的炉长,一次命中率高。50%。(宝钢是付枪) 根据分析取样结果--决定出钢(或补吹)--合金化。 不要补吹的就是通常说的一次命中。

冶炼技巧
钢液碳的判断方法 取样分析、磨样、看火花、付枪。 钢液磷的判断方法 取样分析、渣的颜色及气孔; 钢液温度判断方法 接触热电偶、看炉口火焰、看钢液颜色、 读秒表。 钢液颜色:白亮、青色、浅兰、深兰、红色

冶炼过程渣、钢成份变化

冶炼过程钢中[N][O]成份变化

4 炼钢用原辅材料

铁水: 废钢: 生铁块: 烧结矿(氧化球团)

铁 水
成分:70-85%(%C=4,%Si=0.4-1.0, %Mn=0.5, %P=0.02-0.15,%S=0.001-0.050) 铁水温度的高低是带入转炉物理热多少的标志, 这部分热量是转炉热量的重要来源之一。因此, 铁水温度不能过低,否则热量不足,影响熔池的 温升速度和元素氧化过程,还容易导致喷溅。要 保证转炉铁水温度大于1250℃。

废钢
废钢是转炉主要金属料之一,是冷却效果稳定的冷 却剂。适当的增加废钢比,可以降低转炉炼钢成 本、能耗、和炼钢辅助材料消耗。 废钢主要来源于本厂的返回废钢和社会外购废钢。 如铸坯的切头切尾;轧钢厂的切头切尾等;另外机 械加工废品、车屑;钢管和钢板的切边等;以及废 旧设备。 注意:加入15-30%(厚度小于150mm,清洁)

生铁块及烧结矿(氧化球团)
生铁是调温及配碳 烧结矿可提高金属收得率,造渣等

铁合金:品种较多,但是生产成本高,因此要选用适当牌号 的铁合金,以降低钢的成本。转炉常用的铁合金有Fe-Mn、 Fe-Si、Mn-Si合金、Ca-Si合金、铝、Fe-Al、Ca-Al-Ba合金 等。其化学成分及质量均应符合国家标准规定。

4 炼钢用原辅材料
辅助材料: 石灰:有效CaO成分,块度,控制石灰吸水 萤石:CaF2,能改善炉渣流动性 生白云石:CaMg(CO3)2,造渣及护炉 菱镁矿:MgCO3调渣剂 铁合金、冷却剂及增碳剂

石灰
石灰是转炉炼钢用量最大的廉价造渣材料,主要 成分是CaO,具有很强的脱磷、脱硫能力,不损害 炉衬。 石灰的渣化速度是转炉炼钢成渣速度的关键,因 此炼钢用石灰除了有效CaO含量要高,SiO2和S含量 低,适当的块度要求之外,对其活性度也要提出 要求。

石灰的活性度
石 灰 的 活 性 度 ( mg/mL) 是 石 灰 反 应 能 力 的 标 志,也是衡量石灰质量的重要参数。活性度大的 石灰反应能力强,成渣速度快。 此外石灰极易水化潮解,生成Ca(OH) 2 要尽量 使用新焙烧的石灰,同时对石灰的贮存的时间应 加以限制。

我国炼钢用石灰标准
化学成分w/% 项目 CaO SiO2 S 活性 度 /mL 块度 /m m 烧碱 /% 生 (过) 烧率 /%

指标

≥90

≤3

≤0.1

>300

5~40

<4

≤14

萤石
萤 石 的 主 要 成 分 是 CaF2 。 纯 CaF2 的 熔 点 在 1418℃。萤石能使CaO和阻碍石灰熔解的2CaO·SiO2 外壳的熔点显著降低,造渣加入萤石可以加速石 灰的熔解,改善炉渣的流动性。 但同时加剧炉衬的损坏,并污染环境。 炼 钢 用 萤 石 的 wCaF2 应 大 于 85%,wSiO2≤5.0 % , wS≤0.10%,块度在5-40mn,并要干燥清洁。

5 转炉耐火材料及护炉技术
转炉是高温冶金设备,所以必须用耐火材料堆砌。 特别是内衬,不仅承受高温钢水与熔渣的化学侵蚀,还 要承受钢水、熔渣、炉气的冲刷作用,以及废钢的机械 冲撞等。 耐火材料不仅关系着内衬的寿命,还影响着钢的质 量。 凡是具有抵抗高温及在高温下能够抵抗所产生的物理 化学作用的材料统称耐火材料。

耐火材料
耐火材料分类: 碱性耐火材料(MgO) 酸性耐火材料(SiO2) 中性耐火材料(碳质及铬质) 耐火材料的主要性质: 耐火度、荷重软化温度、耐压强度、抗热震 性、热膨胀性、导热性、抗渣性、气孔率等。

转炉炉龄
炉衬寿命:炉衬寿命影响转炉的工作时间及生产 成本。炉龄是钢厂一重要生产技术指标。 炉衬损坏的原因: 铁水、废钢及炉渣等的机械碰撞和冲刷 炉渣及钢水的化学侵蚀 炉衬自身矿物组成分解引起的层裂 急冷急热等因素。

护炉技术
提高炉龄的措施: 耐材质量; 系统优化炼钢工艺; 补炉工艺 新工艺:溅渣护炉工艺, 九十年代,美国开发成 功转炉溅渣护炉技术, 在我国达到最高效益, 炉龄30000。

溅渣护炉
基本原理: 是利用高速氮气把成分调整后的剩余炉渣(或 改质炉渣)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。

溅渣护炉的技术特点
操作简便 利用氧枪和自动控制系统,改供氧气为供氮 气,即可降枪进行溅渣操作; 成本低 充分利用了转炉高碱度终渣和制氧厂副产品氮 气,加少量调渣剂(如菱镁球、轻烧白云石)就可以实 现溅渣 ; 时间短 一般只需3~4min即可完成溅渣护炉操作,不影 响正常生产; 溅渣均匀覆盖整个炉膛内壁上,基本不改变炉膛形状; 工人劳动强度低,无环境污染; 由于炉龄提高,节省修砌炉时间,对提高钢产量和平 衡、协调生产组织有利。

6

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

6.1

装料制度

确定合理的装入量,需考 虑的两个参数: 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。

6.2 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

6.2 供氧制度
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
% 铁水成分 成品成分 C 4.30 0.20 Si 0.80 0.27 Mn 0.20 0.50 P 0.13 0.02 S 0.04 0.02

转炉公称容量为100吨时,炉渣量为 :100×10%=10吨 铁损耗氧量 [C]→[CO] 10×15%×16/(16+56)=0.33吨 耗氧量 100×(4.30%-0.20%)×90%×16/12=4.92吨 100×(4.30%-0.20%)×10%×32/12=1.09吨 100×0.8%×32/28=0.914吨 100×0.2%×16/55=0.058吨 100×0.13%×(16×5)/(31×2)=0.168吨

[C]→[CO2] 耗氧量 [Si]→[SiO2]耗氧量 [Mn]→[MnO]耗氧量 [P]→[P2O5] 耗氧量

吨钢耗氧量计算(续)
[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

6.2 供氧制度
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。

软吹与硬吹对熔池的影响

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

转炉枪位控制
几个钢厂转炉吹炼过程射流穿透深度L及L/L0
3.0

2.5

y=-3.49× 10 x +0.005x+0.999 r=0.84

-6 2

序号 1 2

厂名 水 钢 唐钢二炼 南京钢厂 济 钢 宝钢1炼 上钢1厂 太钢二炼 三明钢厂 长治钢厂

初期 0.61~0.77 0.57~0.63 0.55~0.65 0.57~0.63 0.56~0.60 0.63~0.71 0.70~0.75 0.52~0.60 0.60~0.70

中期 0.59~0.62 0.64~0.70 0.62~0.70 0.63~0.66 0.60~0.71 0.59~0.70 0.65~0.75 0.57~0.63 0.58~0.62

后期 0.77 0.70~0.75 0.72~0.78 0.69 0.72~0.76 0.73~0.82 0.75~0.82 0.52~0.61 0.70~0.75

枪位高度 (m )

2.0

3
1.5

4 5

1.0

6 7
0 50 100 150 200 250 300

0.5

炉 子 吨 位(t)

8 9

转炉枪位高度与炉子吨位的关系

转炉枪位控制

宝钢一炼钢吹炼过程枪位变化

炉气定碳法动态控制枪位曲线 索里梅厂

6.3造渣制度
炼钢就是炼渣。 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。

石灰加入量确定
石灰加入量是根据铁水中Si、P含量及炉渣碱度R确定。 铁水含磷小于0.30%时: 石灰加入量(kg/t)=2.14×W[Si]×R×1000/A A为石灰中的有效氧化钙 A= W(CaO) -R × W(SiO2) R × W(SiO2) W为石灰自身SiO2占用的CaO。 当Si、P高时,需计算石灰补加量。

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SiO2,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+1.9MnO39.1) 形成2CaO*SiO2,难熔渣。 采用活性石灰、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 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。

CaO(+MgO)-FeO(+MnO) -SiO2(+P2O5)相图

ABC钙质成渣 ADC铁质成渣

炉渣造渣制度

“铁质”成渣路线的成渣过程

“钙质”成渣路线的成渣过程

吹炼过程熔池渣的变化

白云石造渣
提高渣中MgO的含量,延长炉衬寿命; 渣中饱和MgO的概念;一般根据冶炼情况, MgO控制在6-10% 采用白云石造渣应注意加入时间,防止涨炉 底及粘氧枪。

大喷溅
转炉喷溅分:爆发性喷溅、金属喷溅及泡沫渣 喷溅。 喷溅的主要原因 低温吹氧,氧位较高,碳氧反应不平衡, 吹入的氧成为FeO,脱C反应较慢,当温度升高 后 C-O反应激烈; 渣粘稠,金属喷溅。

操作中防止喷溅的措施
控制渣量 吹氧脱碳的温度控制 控制枪位,保证渣中FeO在一定范围(15-20 %) 保持合适的炉容比

大喷溅时,选择逃跑路线!

6.4 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5 ℃ 铁水装入量:增加1吨铁水,钢水约提高5℃ 废钢加入量:增加1吨废钢,钢水约下降20 ℃ 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。

6.5 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: 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。

拉碳法
“拉碳”,就是在吹炼时判定已达终点而停止吹氧。由 于在中、高碳钢种的含碳范围内,脱碳速度较快,一次判别 终点不太容易,所以采用高拉补吹的办法。国内在采用高 拉补吹法吹炼中、高碳钢时,一般根据吹炼时特征,参考供 氧时间及耗氧量,按所炼钢种碳规格稍高一些来拉碳,取 样分析(或测温定碳),再按这一含碳量碳的脱碳速度补 吹一定时间,以使其达到所要求的终点。

国外氧气转炉常用采“高拉碳”操作冶炼高碳钢,如美国普韦洛厂用氧 气转炉生产高碳钢占全部产量的6l%,均采用“高拉碳”法的工艺进行 生产。采用“高拉碳”法生产高碳钢,是因所用铁水含硫量在0.02%~ 0.03%,含磷量全部在0.048%~0.080%之间。用这样的铁水炼 钢,成品中硫和磷含量几乎无须考虑。“高拉碳”法冶炼高碳钢,渣中 氧化铁低,金属收得率略高,氧气和脱氧剂消耗略低,终点钢水中气 体含量较低。

终点控制方法
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。

增碳法
增碳法就是终点按低碳钢控制(在为数不少的厂家和 场合,甚至采取“一吹到底”的操作方法),然后在出钢过 程中增碳,使钢水中的含碳量达到所炼钢种的要求范围之 间。在增碳法中,要求所用增碳剂纯度高,硫含量低,以 免对钢水造成污染。 这种方法在操作上易于掌握,但在其后的增碳过程 中,应着重把握两个环节:一是增碳剂的质量,二是增碳 剂的收得率。 在某些炼钢能力大于炼铁能力的场合下,为了用有限 的铁水生产更多的钢,多吃废钢降低铁耗,往往采用增碳 法终点控制。欧洲大多数钢厂都把终点含碳量控制在 0.07%左右,然后在钢包内用石油焦增碳操作来冶炼中 高碳钢。

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

钢水合金化
满足脱氧的要求 满足钢种的要求 有精炼的转炉,作为预脱氧及初步合金化。 合金加入原则:脱氧能力先弱后强,先难熔。 合金加入量(kg) = (钢种规格中限%-终点残余成分%)/A
A=(铁合金中合金元素含量%×合金元素收得率 %)1000

7 顶底复合吹炼转炉
工艺特点 ? ? 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 ? 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 ? 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 0.03~0.12 Nm3/t.min范 围。

钢液的搅拌能
搅拌能ω(W/t)可由下式: 底吹:ωB=(28.5QBT/ W) lg (1+L/1.48) 顶吹:ωT =0.0453 QTd / (WX) u2 (0,0)cosξ 式中: QB——底吹气体量,dm3/min;
QT——顶吹气体量,dm3/min; T——绝对温度,K; W——钢水质量,t; d――顶吹喷枪喷孔直径,m; X——距顶吹喷枪前端的距离,m; L——钢浴深度,m; ξ——顶吹喷枪喷孔倾角,(?); u(0,0)——顶吹喷枪喷孔山口气体的线速度,m/s。

底吹供气元件

细金属管多孔塞式供气元件
目前大量使用的 是细金属管多孔式 供气元件。 使用寿命是决定 其使用效果的主要 因素。 国内底砖寿命相 对较低。

复吹转炉的使用效果
? 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

长寿复吹转炉冶炼工艺
在高炉龄条件下实现100%复吹,是全世界钢铁厂亟 待解决的重大技术难题。 美国发明了溅渣护炉技术,但没有解决延长炉底喷 嘴寿命的技术难题"炉龄大幅度提高后,复吹比显著降 低,最终导致放弃复合吹炼工艺。 日本和西欧各国为了保证复吹工艺效果,至今尚未 采用溅渣护炉技术“中国钢铁企业成功地解决了复吹转 炉。

底吹喷嘴的维护
经常观测炉底高度,防止炉底上涨; 炉底严重上涨时,应用氧气及时处理; 采用低枪位溅渣,可抑制蘑菇头生长; 提高吹炼后期底部供气强度可抑制蘑菇头生长; 一旦发生喷嘴堵塞,可采用复通氧技术,即喷吹氧 化性气体,及时疏通喷嘴。

8 转炉炼钢的物料平衡及热平衡
炼钢过程的物料平衡和热平衡计算是建立在物质与能量守 恒的基础上的。 比较整个冶炼过程中物料、能量的收入项和支出项,为改 进操作工艺制度,确定合理的设计参数和提高炼钢技术经 济指标提供定量依据。 掌握转炉的物料和能量的利用情况,了解转炉的工作能 力和热效率,从而为改进工艺、实现转炉最佳操作,降低 原材料消耗及合理利用能源。

物料平衡
物料平衡是计算炼钢过程中加入炉内和参与 炼钢过程的全部物料(铁水、废钢、氧气、冷却 剂、渣料和耐材等)及炼钢过程中产物(钢液、 炉渣、炉气及烟尘等)之间的平衡关系。
元素, % 铁水 钢水 氧化量 C 4.28 0.18 4.10 Si 0.85 0 0.85 Mn 0.58 0.17 0.41 P 0.150 0.015 0.135 S 0.037 0.025 0.012

吨钢物料平衡表
项目 铁水 废钢 石灰 白云石 矿石 萤石 氧气 氮气 炉衬 总计 收入 质量kg 981 113.3 54.4 29.4 9.8 3.9 76.76 1.15 4.9 1274.6 % 76.96 8.89 4.28 2.31 0.77 0.31 6.02 0.09 0.37 100.00 项目 钢水 炉渣 炉气 烟尘 喷溅 铁珠 支出 质量kg 1000 136.36 105.1 15.70 9.81 10.91 % 78.25 10.67 8.22 1.23 0.77 0.86

总计

1277.88

100.00

热平衡

热平衡是计算炼钢过程的热量收入(铁水的 物理及化学热)及热量支出(钢液、炉渣、炉 气、冷却剂、热量损失)之间的平衡关系。

热平衡计算
项目 铁水物理热
元素放热和成 渣热 热收入 热量kJ

114553

94135 54558 24067 2878.2 2554.6 4145.7 4355.3 1576.3 6304.4 332.7
215326

% 53.12 43.72 25.34 11.18 1.34 1.19 1.93 2.02 0.73 2.93 0.15 100.0

项目 钢水物理热 炉渣物理热 矿石物理热 烟尘物理热 炉气物理热 铁珠物理热 喷溅物理热 吹炼物理热 废钢物理热

热支出 热量,kJ

129770.1 31079.9 4242.5 2614.7 17337.3 1602.3 1450.1 10782.9 16779.1

% 60.17 14.41 1.97 1.21 8.04 0.74 0.67 5.00 7.78

C Si Mn P Fe SO2 P2O5 烟尘氧化 炉衬放热 共计

共计

215326.2

100

工序能耗
转炉炼钢是一个能量有富裕的炼钢方法,衡量 转炉炼钢的重要指标之一,转炉工序能耗及炼 钢厂能耗=

工 艺 过程 及 辅 助生 产耗能量-回收并外供 统计期内合格产品的产 量

的能量

“负能炼钢”
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”。

转炉节能

每生产1吨钢需要产生20~32吨原材料,同时消 耗大量的能源。我国钢铁工业能源消耗量,占全国能 耗的9%左右,比发达国家水平高20-30%以上。 吨钢综合能耗=

统计期内的能源消耗总量 统计期内的合格钢锭 + 连铸坯总量

“标准煤”
生产计算中使用“标准煤”作为能耗指标的 单位。 每1kg标准煤的发热量为29.31MJ。

宝钢 铁水比(%) 82.75 回收煤气量(Nm3/t) 105.9 转炉工序能耗(kg/t) -10.67 钢产量(万吨) 948

武钢三炼钢 83 105.8 -2.82 266

君津钢厂 89 99.8 -6.27 -

中国钢铁能耗与主要产钢国比较
800 715 kgce/t 700 600 500 400 655 683 602 663

吨钢能耗

日本

法国

德国

英国

中国

宝钢耗能情况
宝钢吨钢综合能耗趋势图 1250 kgce/t 1150 1050 950 850 750
799 760 766 821 800 807 785 790 780 737 767 748 731 699 713 1133 1002

吨钢标煤

650 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 年份

9 转炉冶炼的自动控制
在计算机时代,如何提高炼钢效率,降低炼钢 成本,使炼钢由经验向科学转化, 是炼钢技术 发展的必然。
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。

转炉冶炼的自动控制
1.对氧气顶吹转炉控制的要求 ①铁水质量稳定,能准确知道铁水成份和重量; ②废钢量稳定,有害残余元素含量低; ③石灰等其他造渣剂的化学成份及块度稳定。 2. 控制方案 静态控制模型 动态控制模型 全自动控制模型

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。

静态控制模型
静态控制是动态控制的基础,根据物料平衡和热量平 衡; 先确定出终点的目标成份和温度及出钢量,并选择适当 的操作条件,进行装入量的计算; 确定物料收支和热收支的关系输入计算机; 铁水、废钢、生铁块、铁皮、铁矿石等; 可计算需要的氧气量,从所需的氧量可计算出所需要的 冶炼时间; 用热收支方面进行分析定论。

动态模型控制
是在运行途中对轨道进行计算和检测。并给予修正 的一种控制方法。 钢液中的[C]和温度测定,钢液中的[C]和温度是随 时间推移而变化的。 动态控制的条件: 点测的条件, 部份连续检测能测定其轨道(途中测 定钢液中[C]和温度); 途中测定时,如果测定值和预测的值不同,采取修 正的手段。

控制轨道修正手段
1、温度、碳合适,按原 轨道控制; 2、温度低及碳低,脱碳 升温、当温度合适,终点 碳低,加增碳剂; 3、温度高碳高,脱碳升 温、当终点碳合适,终点 温度太高,加冷却剂;

控制采用的两种方法
副枪控制技术 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。

碳指数动力学模型
基于副枪测量的动态终点控制模型的理论依据,是转炉吹炼 末期的碳指数动力学模型。即:尽管脱碳效率并不直接与所 有炉次的熔池碳含量有关,但与已在冶炼的这一炉钢的含碳 量直接有关。 根据这个假定和由气体分析及质量流量计读数计算的脱碳速 度,就能计算冶炼过程中指数衰减方程中的系数,然后用这 个方程解出熔池的瞬时碳含量和达到目标碳含量所需的氧气 量。 描述后期脱碳过程的指数方程可写成: R=Rp{1-exp[-K(C-C0)]}

式中R——瞬时脱碳速度,用氧枪每立方米供氧量脱碳的公斤数表示; Rp——冶炼进程中的最大脱碳速度; K——对正在进行的炉次为一常数; C——脱碳速度为R时的熔池碳含量的百分数; C0——R外推到零时熔池碳含量。

C=

? l n (1 ? R / R p ) K

+ C0

dC R= = R p {1 ? exp[ ? K ( C ? C 0 )]} dO

需要的氧量为:

ΔOc = ∫

cf

c

1 dC R p {1 ? exp[? K (C ? C0 )]}

终点碳的动态预测公式:

由于模型计算公式采用的是多元非线性方程,因此很难用回归等方 法确定其系数,通过现场经验总结,可以基本判定其范围,利用穷举法 将冶炼数据代入计算,得出误差最小的α、β值,即确定为模型系数。

通过选定目标碳含量而确定不同的模型系数,读取动态吹氧量、动态冷却剂加入量及副枪 测定碳含量,然后完成终点碳含量的计算,并与取样化验值进行对比,一方面作为命中率统 计,另一方面与前面相邻3炉的误差对比分析,以确定模型系数是否需要自学习,如需要自学习 则调用自学习功能生成新的系数并保存,如不需要自学习则直接返回初始界面,准备进行下一 炉次的计算。

终点温度模型
Tf =Tb+ A △OT
式中 Tf ——要求的终点温度; Tb—— 用消耗式热电偶测得的温度; A—— 操作常数,它表示单位吹氧量的升温值; OT—— 从热电偶测温时起为了获得要求的终点温度所 需要的热量而应吹入的氧量。
过程控制计算机对OT值和OC值进行比较,如果OC大于OT,便确定使终点碳和 终点温度同时命中目标所需加入的冷却剂量。如果OT大于OC,最初是用升高氧 枪的办法来降低脱碳效率并把更多的铁氧化成氧化铁,来进行校正,从而使终 点温度和终点碳同时命中。另一个更加易行的方法是为降碳而进行后吹,以便 在要求的终点温度倒炉。

气体分析的吹炼控制模型
O
' c

=

d O d t

c

式中

d O d t

B

dO B dt dOc dt

——氧枪氧流量; ——单位时间内与碳反应的氧量。

从烟罩中的废气成分求出: dOc 21 = (0.5CO + CO2 + O2 ? N 2 )V dt 79

式中 CO、CO2、O2和N2——废气体积V中测定的组分;

经初步试验证实该设备的取样装置适于工作之后,对于大量未控炉次进行 了数据积累,以得出控制方案中将要用到的枪高、氧流量QW和OC之间的 关系。在控制范围以内,用变动枪高、氧流量、或枪高及氧流量的办法来调 整计算变量。

副枪测定控制系统
图为日本鹿岛钢厂采用 的典型副枪测定终点控 制系统,该系统由一个 动态模型和一个反馈计 算模型组成。动态控制 模型计算副枪测量过程 中以及吹炼结束时所需 要的氧量和冷却剂量, 同时使用由副枪所测得 的值和实际操作值,实 时估算钢水温度和碳含 量。

烟气分析动态控制系统计算流程示意图

动态控制技术未解决的问题
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。

转炉智能吹炼技术
智能吹炼控制技术,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——通过终点副枪校正或炉气分析校正, 精确控制终点,保证命中率。

转炉智能吹炼技术-
人工智能技术的采用

人工智能技术是利用机器模仿人脑从事推理、规划、设 计、思考、学习等思维活动、解决需由专家才能处理好 的复杂问题。 炼钢中常用:专家系统、模糊逻辑控制、神经网络控 制、分层递阶控制、遗传算法等。 我国宝钢和武钢使用较好,其它钢铁企业的新建车间也 在引进。

过程控制示意图

智能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%;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。

模型控制的精度

实例

10 转炉主要冶炼品种
氧气钢顶吹转炉炼钢工艺与铁水预处理及钢水炉外精炼相 结合,可冶炼大部分原电炉钢,冶炼品种400个。 目前转炉冶炼的主要品种有: 型钢类:如重轨钢、钢筋钢 线材类:软线、硬线、焊线、冷墩线 钢板类:中厚板、薄板(钢带、管线)、硅钢

11 转炉的煤气回收及渣处理
转炉吹炼过程中,在炉口排出大量棕红色的浓烟。烟 气的温度很高,含有大量CO和少量CO2 及微量其它成分的 气体,还夹杂着大量氧化铁、金属铁粒和其它细小颗粒的 固体尘埃。 转炉烟气的特点是温度高、气量多、含尘量大,气体 具有毒性和爆炸性,直接排放有很大的危害,必须净化、 回收。转炉煤气正是烟气中的气体部分,因此要回收煤气 必须首先对烟气净化、除尘。

烟气的净化
烟气净化系统主要有三种: 采用未燃法回收煤气的文氏管湿法净化系统。 采用燃烧法的文氏管湿法净化系统。 采用静电除尘的干式净化系统。 其中,采用未燃法回收煤气的文氏管湿法净化系统的 方法,既可以回收煤气又可以回收余热。

未燃法回收煤气系统

转炉煤气回收利用
煤 气 回 收 量 通 常 为 60 ~ 110m3/t 钢 。 热 值 为 1400 - 1800×4.18KJ/m3。CO含量为60-90%左右。 转炉煤气可以做燃料或化工原料。 转炉煤气的含氢量少,燃烧时不产生水汽,而且煤气中不 含硫,可用于混铁炉加热、钢包及铁合金的烘烤、均热炉的燃 料等,同时也可送入厂区煤气管网,作为生活煤气使用。

转炉煤气可以做化工原料
转炉煤气中可以合成化工原料。制甲酸 钠,甲酸钠是染料工业中生产保险粉的一种 重要原料,代替了锌粉,节约了金属。 制合成氨。是我国农业普遍需要的化学 肥料。转炉煤气中CO含量较高,所含P、S等 杂质少,利于生产合成氨。

转炉的污泥及污水处理
在烟气净化过程中,由于使用湿法净化,形成了大量 的污水、污泥。污泥的成分主要是氧化铁、氧化钙、二 氧化硅和氧化镁等,是转炉造渣的原料,可造球后返回 使用。 在全湿净化系统中形成的大量污水,污水中的悬浮物经 分级、浓缩沉淀、脱水、干燥后将烟尘回收利用。去污 处理后的水,还含有细小悬浮物,需处理澄清后再循环 使用。 烟尘污泥量为:13-15kg/t钢 新水补充量6-10 m3/t钢。

转炉炉渣的利用
钢水的11-13%, 120-150kg/t钢; 可回收利用总渣量的80-90%,100kg左右; 其中约:30%,球团; 30%,铺路; 30%,水泥; 10%,渣钢回用。

转炉核心技术
? ? ? ? ? ? ? ? ? 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

转炉技术发展方向
·转炉钢水成分温度直接测定与转炉闭环控制技术 ·转炉全方位信息检测技术 ·转炉冶炼过程与终点智能精确控制技术 ·转炉铁水三脱技术 转炉少渣溅渣相结合的冶炼技术 ·转炉生产高合金比钢种技术 ·转炉内熔融还原合金化冶炼技术 ·转炉低排放控制技术

能源转换 能源转换 功能 功能 多种产品制 多种产品制 造功能 造功能
钢 钢 铁 铁 制 制 造 造 流 流 程 程

社会废弃物 社会废弃物 处理功能 处理功能

市场竞争力 市场竞争力

可持续发展 可持续发展

资源、能源可供性 资源、能源可供性

以钢厂为核心的循环经济链
120万KW
发电厂 煤气 焦化 高 炉 转 炉

800~1000万吨钢铁厂
连 铸 热 连 轧 冷 连 轧

14~28万吨废塑料

废渣 120万吨废钢 烧结

300万吨
水泥厂 产品


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