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3转炉炼钢(炼钢工艺学)


第五章 转炉炼钢工艺
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 现代转炉炼钢发展趋势 氧气转炉炼钢及设备特点 转炉炼钢工艺制度 复吹转炉炼钢工艺 转炉的其他冶炼工艺介绍 转炉典型钢种的冶炼及其质量 转炉炼钢过程自动控制 转炉溅渣护炉技术

5.1 现代转炉炼钢发展趋势
自 供 热 转 炉 的 发 展 演 变 过 程

由传统供热向外加燃料联合供热转炉的发展演变过程

转炉炼钢功能的发展和完善

5.2 氧气顶吹转炉炼钢及设备特点
? 氧气转炉炼钢的特点

? 生产率高、钢中气体含量少,钢质量好;
? 可炼品种多、原料适应性强; ? 成本低、投资少、建厂快;

? 生产较均衡,利于与连铸配合,利于实现生产的自动控制;
? 氧气顶吹转炉设备 ? 炉体结构及倾动机构 ? 供氧系统 ? 供料系统 ? 废气处理系统

炉顶料仓 振动给料器 电子称 带式运输机 密封料仓 传动机构 实 心 轴

汽包 氧 枪 风 机 不 回 收 时 放 空 回收煤气 进入煤气柜

烟 道

文氏管 脱水器

溜 槽

洗 涤 塔

沉淀池
电动机 渣 罐 转 炉 吸 滤 池

水封逆止阀 送往高炉利用

支架

氧气顶吹转炉及其附属设备示意图

?转炉炉体结构及倾动机构
炉帽(锥形): 水冷炉口(顶部) 出钢口(炉帽与炉身交界处) 档渣板(环形伞状) 炉身(圆筒形) 筒球型 炉底(球形) 锥球型 截锥型 转炉

炉壳

炉体金属结构

托圈 耳轴 轴承座 工作层 炉衬——炉膛内腔 填充层 永久层 倾动机构 ——电动机、减速装置(减速机、制动装置等)

氧气顶吹转炉设备
? 散状料供应系统主要设备组成及其作用 ?主要设备有地面料仓、提升运输设备、高位料仓、 称量和加料设备。生产流程如下:
皮带运输机(皮带走廊)
散状料 地位料仓 斗式提升机 高位料仓 电磁振动给料器 汇总漏斗 溜槽 皮带运输等 自动称量漏斗 转炉炉口

氧气顶吹转炉设备
? 废气处理系统 ? 转炉烟气净化及回收处理的意义 ——防止环境污染、回收能源。 ? 烟气的处理方式有燃烧法与未燃法两种

? 烟尘的净化方式也有两种,即湿式净化与干式净化。
o 目前绝大多数顶吹转炉的烟气是采用未燃法(氮幕法)、湿 法净化回收系统,称OG系统;

o 有的也采用未燃、干式净化回收系统,又称LT系统。
o 烟气除尘设备——洗涤除尘器(文氏管)、静电除尘器、布 袋除尘器等。

燃烧法与未燃法除尘特性比较
项目
空气燃烧系数

燃烧法
α >1(α =1.2 或3~4 )

未燃法
α <1( α =0.08 )

烟气成分
烟尘成分 冷却方式

以 CO2、N2 为主
以 Fe2O3 为主,颗粒细小

以 CO(转炉煤气)为主
以 Fe O 为主,颗粒较大

废热锅炉法( α =1.2 )空 汽化冷却 气冷却法( α =3~4 )

控制α 的方法 活动烟罩 优缺点 操作简单,运行安全。处 理烟气量大(是未燃法的 4~6倍),系统设备庞大 基建投资高;颗粒细小, 除尘效率低。

活动烟罩和炉口压力调节法或 氮幕法(OG法) 烟气量(α 很小),设备体积小, 投资省(仅为燃烧法的 50%~ 60%);且可回收煤气;颗粒 较大,除尘效率高;烟气成分 以 CO为主,系统运行安全性 差,易发生爆炸事故。故要求 系统的密封性要好。 采用该法除尘且回收煤气

趋势

90度弯头脱水器 上部安全阀 汽化冷却烟道 一级文氏管 丝网除雾气 上烟罩 上烟罩 烟裙 流 量 计 V形水封 二级文氏管 下部安全阀 煤气柜 放散烟囱 测定孔

风 机

旁 通 阀

三 通 阀

水封逆止阀

OG系统的流程示意图

OG系统的流程:
烟气→烟罩→汽化冷却烟道→一级文氏管→90度弯头脱水器→二级文氏管 → 90度弯头脱水器→丝网脱水器→ 回收→三通阀→水封逆止阀→V形水封→煤气柜 风机 放散→旁通阀→放散烟囱

LT法净化、回收系统工艺流程

LT法净化、回收系统工艺流程
未燃烟气(800~1000 ℃ )→活动罩裙→冷却烟道(或余热锅炉)→蒸发冷却器 (蒸发冷却塔)→煤气冷却(150~200℃) 、干燥(水雾蒸发)、除粗尘→ 干粗尘 回收→三通阀→冷却塔→煤气柜 电除尘器(除细尘)→风机(I D)→切换站 (73 ℃ ) 干细尘 放散→放散烟囱(氮气引射装置) 热压块设备(压块)→转炉

静电除尘器的主要特点:
? 除尘效率高(净化效率高),可达99.9%,而且稳 定,不受烟气量波动的影响,最适宜捕集小于1μm 的烟尘; ? 处理烟气量大,阻力损失小(一般在30毫米水柱以 下),可用于高温烟气; ? 维护费用较低,使用寿命长。 ? 但一次性投资高(设备投资费用大),设备庞大, 占地面积大。 ? 选用时要考虑设置增湿塔,降低烟尘电阻率后再进 入静电除尘器,才能发挥其特性(电除尘器适宜烟 尘电阻率为108~1011Ω·m )。

布袋式除尘器工作原理
布袋式除尘器是干式除 尘设备 ,由许多单体布 袋组成。工作原理如下:
反吹管传动

反吹风机
净气

布袋是由普通涤纶或高 含尘气体 温纤维、或玻璃纤维制成 的编织袋。含尘气体通过 布袋过滤,尘埃附着于布 袋表面,使气与尘分离, 气得到净化。附着于布袋 表面的尘埃,定期通过反 吹风使其脱落,得到清理。

滤袋

尘粒出口

布袋式除尘器

5.3 转炉炼钢工艺制度

冶炼过程概述
从装料到出钢,倒渣,
转炉一炉钢的冶炼过程

包括装料、吹炼、脱氧
出钢、溅渣护炉和倒渣 几个阶段。 一炉钢的吹氧时间通 常为 12-18min ,冶炼周

期为30min左右。

冶炼过程概述
? 上炉钢出完钢后,倒净炉渣,堵出钢口,兑铁水和加废 钢,降枪供氧,开始吹炼。 ? 在送氧开吹的同时,加入第一批渣料,加入量相当于全 炉总渣量的三分之二,开吹4-6分钟后,第一批渣料化好, 再加入第二批渣料。如果炉内化渣不好,需加入第三批 萤石渣料。

? 吹炼过程中的供氧强度:
小型转炉为2.5-4.5m3/(t?min); 120t以上的转炉一般为2.8-3.6m3/(t?min)。

冶炼过程概述
◆开吹时氧枪枪位采用高枪位,目前是为了早化渣,多去磷, 保护炉衬; ◆在吹炼过程中适当降低枪位的保证炉渣不“返干”,不喷溅, 快速脱碳与脱硫,熔池均匀升温为原则; ◆在吹炼末期要降枪,主要目的是熔池钢水成分和温度均匀, 加强熔池搅拌,稳定火焰,便于判断终点,同时使降低渣中 Fe含量,减少铁损,达到溅渣的要求。 ? 当吹炼到所炼钢种要求的终点碳范围时,即停吹,倒炉取样, 测定钢水温度,取样快速分析[C]、[S]、[P]的含量,当温 度和成分符合要求时,就出钢。 ◆当钢水流出总量的四分之一时,向钢包中的脱氧合金化剂, 进行脱氧,合金化,由此一炉钢冶炼完毕。

冶炼工艺制度
1、冶炼前的准备 ?操作用具的准备 ?补炉操作 ?转炉溅渣护炉

2、冶炼操作 ?摇炉进料操作 ?转炉冶炼特征演示 ?转炉倒渣、出钢 ?转炉操作全程演示

炉 前 用 具 炉 后 用 具

炉前操作用具

取样瓢;补炉长瓢2;补炉短瓢;刮板;撬棒;竹片条;铝条;样模;铁锹; 长钢管;测温枪;合金料桶或运料小车;吹氧管;鎯头把

补炉长瓢 (与炉前共用); 补炉短瓢 (与炉前共用); 撬捧(与炉前共用); 长撬捧;泥塞棒; 氧气皮管, 氧气管 (与炉前共用); 铁锹;鎯头 (与炉前共用); 出钢口塞; 挡渣球。

炉后用具示意图

炉后操作用具

?转炉简介 ?转炉解剖 ?现场转炉炉内演示 ?补炉操作程序

请单击画面

转炉是炼钢 的反应容器, 它由炉帽、 炉身和炉底 组成。在炉 帽和炉身的 连接处安置 一个出钢口

转炉 剖面 图

转 炉 炉 内

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补炉操作程序
补大面程序
一般对前后大面(前后大面也 叫作前墙和后墙)交叉补。
1)摇炉使转炉大炉口向下, 倒净炉内的残钢、残渣。 2)摇炉至补炉所需的工作位置。 3)倒砂 4)贴砖 5)喷补 6)烘烤

补炉底 程序
1)摇炉使转炉大炉口向下, 2)倒净炉内的残钢、残渣。 3)摇炉至补炉所需的工作位置。 4)摇动炉子至加废钢位置往复 摇动炉子,一般不少于3次。 5)降枪。开氧吹开补炉砂。 6)烘烤

?转炉溅渣护炉简介 ?转炉溅渣护炉操作演示

溅渣护炉工艺是在转炉出钢后,
在炉内留有适当的炉渣,然后插入喷 枪,籍以向炉内吹入高压氮气,使炉 渣飞溅,覆盖到炉壁上,经冷却、凝 固并形成具有一定耐火度的渣层,从 而保护了原有炉衬,延长了转炉寿命。

转 炉 溅 渣 护 炉 操 作 演 示
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转炉摇炉进料注意事项 转炉倾动机构简介 转炉兑铁水操作程序 转炉兑铁水操作现场图示 转炉加废钢操作程序 转炉加废钢、兑铁水现场操作

摇炉进料注意事项
1、摇炉进料时必须集中思想,向前或向后摇炉要到位。 2、必须立即将摇炉手柄回复到零位,使转炉止动定位。 3、兑铁水基本转倾角度为+60°,进废钢基本转倾角 度为+45°,但兑铁水、进废钢的实际操作均需作必 要调整。倾动角度调整严格听从炉前指挥人员的指挥。 4、进料前要进行检查,一般不采用留渣作业。 5、为确保安全,炉料进炉前要先按警铃,示意炉口正前

方平台上人员避让,特别是新开炉及补炉后第一炉。
6、倒渣前必须要先按“倒渣警铃”,要求清渣组准备 好渣包并通知炉下人员远离,以防人员烫伤。

倾动机构
使转炉正反360度旋 转的机械设备,以便 进行兑铁水、加废钢 和倒渣的工艺操作。 倾动机构包括电动机、 制动器和减速器。

转炉炉体倾动的类型: (1)落地式 (2)半悬挂式 (3)悬挂式 (4)液压倾动

转炉兑铁水操作程序
兑铁水 A 准备工作

转炉具备兑铁水条件或等待兑铁水时,将铁水包吊至 转炉正前方,吊车放下副钩,炉前指挥人员将两只铁水 包底环分别挂好钩。
B 兑铁水操作

1)炉前指挥人员站于转炉和转炉操作室中间近转炉的侧 旁(如图所示)。指挥人员的站位必须能同时被摇炉工和 吊车驾驶员看到,又不会被烫伤的位置。 2)指挥吊车驾驶员开动大车和主、副钩将铁水包运至炉 口正中和高度恰当的位置。 3)指挥吊车驾驶员开小车将铁水包移近炉口位置,必要 时指挥吊车对铁水包位置进行微调。 4)指挥吊车上升副钩,开始兑铁水。 5)随着铁水不断兑入炉内,要同时指挥炉口不断下降和 吊车副钩的不断上升,使铁水流逐步加大,并使铁水流 全部进入炉内,而铁水包和炉口互不相碰,铁水不溅在 炉外。 6)兑完铁水指挥吊车离开,至此兑铁水完。

转炉兑铁水操作现场图示

加废钢 操作程序

A 准备工作
废钢在废钢跨装入废钢斗,由吊车吊起,送 至炉前平台,由炉前进料工将废钢斗尾部钢丝绳 从吊车主钩上松下,换钩在吊车副钩上待用。 如逢雨天废钢斗中有积水,可在炉前平台起 吊废钢斗时将废钢斗后部稍稍抬高或在兑铁水前 进废钢。

B 加废钢操作
炉前指挥人员站立于转炉和转炉操作室中间 近转炉的侧旁(同兑铁水位置)。待兑铁水吊车开走 后即指挥进废钢。 1) 指挥摇炉工将炉子倾动向前(正方向)至进废 钢位置。 2) 指挥吊废钢的吊车工开吊车至炉口正中位 置。 3) 指挥吊车移动大、小车将废钢斗口伸进转 炉炉口。 4) 指挥吊车提升副钩,将废钢倒入炉内。如 有废钢搭桥,轧死等,可指挥吊车将副钩稍稍下 降,再提起,让废钢松动一下,再倒入炉内。 5) 加完废钢后即指挥吊车离开,指挥转炉摇 正,至此加废钢毕。

现 场 转 炉
兑铁水 加废钢

操 作

请单击画面

5.3.1 原料装入制度
? 装料工艺对转炉炼钢的技术经济指标有明显的

影响。 ? 对使用废钢的转炉,如先装废钢后兑铁水,为 了保护炉衬不被废钢击伤,应先加洁净的轻废 钢,再加中型和重型废钢。过重的废钢,最好 在兑铁水后加入。 ? 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,以及废钢装入量很大的转炉,均应 先兑铁水后加废钢。

5.3.1 原料装入制度
不同的转炉,以及同一转炉在不同的生产条件 下,都有其不同的合理的金属装入量。 ? 装入量过大,喷溅增加,熔池搅拌不好,造渣 困难,炉衬特别是炉帽寿命缩短,供氧强度也 因喷溅大而被迫降低。 ? 装入量过小,炉产量减少。因熔池过浅,炉底 容易受来自氧气射流区的高温和高氧化铁的循 环流冲击,甚至损坏炉底。
?

转炉控制装入量的三种方法
? ? ? ? ? ? ? ? ?

?
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定量装入 在整个炉役期间,保持每炉的金属装入量不变。 优点是生产组织简便,对大型企业尤为突出。 缺点是容易造成炉役前期装入量偏大而熔池偏深,炉役后期 装入量又偏小而熔池偏浅。 大型转炉可以采用。 定深装入 在整个炉役期间,保持每炉的金属熔池深度不变。 优点是氧枪操作稳定,有利于提高供氧强度和减少喷溅,不 必担心氧气射流冲击炉底,可以充分发挥转炉的生产能力。 缺点是装入量及出钢量变化极为频繁,采用模铸时铸锭很难 配合。但对采用连铸的车间是有其优越性的。 分阶段定量装入 整个炉役按炉膛扩大的程度划分为若干阶段,各阶段实行定 量装入。 保持了比较适当的熔池深度及装入量的相对稳定性,既能满 足吹炼工艺要求,也便于组织生产,为各厂普遍采用。

影响金属装入量的因素
1)炉容比 ? 炉容比是指转炉内部自由空间的容积(V)与金属装入量(T) 之比,V/T。 ? 转炉喷溅和生产率均与其炉容比密切相关。国内外绝大多 数转炉的V/T=0.8~1.0。 ? 一般在转炉容量小、铁水硅磷含量高、供氧强度大、喷头 孔数少,用铁矿石和氧化铁皮冷却时,炉容比靠上限;反 之,则靠下限。 ? 各阶段的金属装入量应能保证一定的炉容比。 国内一些企业顶吹转炉的炉容比
厂名 吨位/t 炉熔比/m3·-1 t 宝钢 300 1.05 首钢 210 0.97 鞍钢 180 0.86 本钢 120 0.91 攀钢 120 0.90 首钢 80 0.84 太钢 50 0.97

影响金属装入量的因素
2)金属熔池深度 为保证生产安全和炉底寿命,熔池深度(H熔)应大于氧气射 流对熔池的最大穿透深度(hmax)。或 H熔=K1hmax (1) 氧气射流对熔池的穿透深度的近似计算公式:

hmax ? K 2

0 P00.5 d 0 .6 0. ?金4

(2)

按式(2)计算氧气射流的最大穿透深度时,式(1)中的系

数Kl为2.0~2.3。 ?确定熔池深度后,便可根据炉役各阶段炉衬浸蚀情况估算 出必须的金属装入量。

影响金属装入量的因素
3)浇注钢锭的重量
?

模铸时,为了保证钢锭的适当浇高,减轻缩孔、疏松缺陷 和尽量减少浇余,装入量应与浇注钢锭的重量相配合,即:
装入量 ? 钢锭单重? 钢锭支数? 浇注损失 ? (铁合金用量? 收得率) 钢水收得率

?按炉容比、熔池深度和浇注钢锭的重量算出的装入量不相同

时,首先应保证浇注一定支数的钢锭,熔池深度则可以略为加 深而不应减浅,炉容比可以略大或略小。
4) 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。

5.3.2 供氧制度
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氧气转炉炼钢以氧气作为基本的氧化剂。 转炉的供氧方法不同,炼钢过程的特点也不同。 由于喷头的孔数、氧枪与熔池面的距离或其它供氧参数不 同,也会带来不同的吹炼特点。 供氧在氧气转炉炼钢过程中起主导作用并影响全局,它支 配着氧气射流与熔池的接触面积、一次反应区的位置和尺 寸、熔池的搅拌状况、元素的氧化速度、渣中氧化铁的含 量,因而对化渣、喷溅、杂质的去除速度、终点碳和温度 的控制以及各项技术经济指标都有重大影响。 供氧是根据原材料、所炼钢种、炉子容量和尺寸及氧源压 力等条件确定氧枪的类型、结构和尺寸,吹炼过程中氧枪 在熔池面上的高度(枪位)和工作氧压。




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。

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5.3.2 供氧制度
1、氧气从氧枪中的流出 ? 氧枪出口断面上的氧流参数是最重要的特性参数,它决定 着氧气射流的基本特性。 ? 顶吹氧气转炉都采用超音速氧枪。拉瓦尔型的氧枪喷头能 够最大限度地把氧气的压力能转变为动能,可以得到稳定 的和最大流速的超音速射流。
氧枪喷孔的 出口断面积
F出口 1 ? K ?1 K ?1 2 ? ? (1 ? ?出口 )? ? 2 F临界 ?出口 ? K ?1 ?
1 1? K

氧枪喷孔的 临界断面积

F出口/F临界为定值时,改变进入喷孔前的氧气压力,不 能改变氧流的出口速度,而只能改变氧气的流量。

5.3.2 供氧制度
2、转炉炉膛内氧气射流的特性 ? 氧气射流在顶吹转炉炉膛内的流动状况和特点大致如下: ? 氧气射流分三段:射流轴心速度仍保持等于出口的速度,这 一段称为初始段。射流轴心速度逐渐降低到音速,这一段称 为过渡段,过渡段以后的亚音速段称为基本段。 ? 在转炉炉膛内,氧气射流遭到与射流运动方向相反,以CO为 主的相遇气流的作用,使射流的衰减加速。 ? 氧气射流在转炉炉膛内向下流动的过程中,将从周围抽吸烟 尘、金属滴和渣滴等比重很大的质点,使射流的速度降低, 扩张角减小。 ? 炉膛内的氧气射流,因被加热膨胀,使射程和扩张角增大。 ? 多孔喷头与单孔喷头的射流流动状况有重要区别。多孔喷头 射流的速度衰减和全能衰减都较快,因而射程较短。 ? 氧枪出口处的氧气射流,其密度显著大于周围气相介质的密 度,这应有利于射程的增大。

5.3.2 供氧制度
3、氧气射流对转炉熔池的作用 ? 氧气射流对熔池的物理作用 ? 射流的穿透深度、冲击面积和冲击点的分布
考虑实际转炉吹 炼特点的系数, 等于40

h?K

P d
0. ? 金4 (1 ?

0.5 0

0.6 0

枪位 常数,对于低粘 度的液体为40
0 P00.5d0 .6 0. ?金4

H ) d0 B

在枪位等于零(H=0)时,

hmax ? K

在喷头和氧气流量一定的情况下,降低枪位增大穿透深度时, 冲击面积随之减小;相反,提枪增大冲击面积时,穿透深度随 之减小。因此,变化枪位是调节穿透深度和冲击面积的有效方 法。

5.3.2 供氧制度
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氧气射流对熔池的搅拌 在氧气射流与熔池相遇处,射流的动能20%消耗于对熔池的搅拌, 5~10%消耗于克服对射流的推挤力, 70~80%消耗于射流冲击液体时 非弹性碰撞的能量损失。 沸腾对熔池搅拌起着主要作用。但也受氧气射流的支配。如减小氧气 射流的穿透深度而增大冲击面积,便可使CO气体沿熔池横断面分散析 出;同理,增多喷孔数和增大喷孔倾角,能使CO气体呈多股的形式在 不同的地点分散析出,因而显著改变熔池中液体循环的速度场。 “软吹”(氧压很低或枪位很高)和“硬吹”(高氧压或枪位很低)

5.3.2 供氧制度
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射流与熔池之间的相互破碎和乳化 在氧气射流及因射流而产生的CO气体的共同作用下,引起 射流与金属、炉渣之间的相互破碎,并形成金属—炉渣乳 浊液。 气体射流中液滴的最小直径d滴min理论上可按下式计算:

La? 液 d滴min ? 2 ?气 w气

拉普拉斯准数 液滴表面处气流的速度

50吨转炉在吹炼中期,金属与炉渣的接触表面积约为: 50?60=3000m2 。计算虽粗略,但说明,在顶吹氧气转炉吹 炼过程中,炉渣与金属接触的总表面积极大,有利于渣-钢 之间反应的迅速进行。

5.3.2 供氧制度
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氧气射流对熔池的化学作用 进入熔池的高速氧气射流,将射流周围坑穴中的金属表面层 以及卷入射流中的金属滴表面层氧化成Fe2O3。液滴成为将氧 传给熔池的基本载体。载氧液滴参与熔池的循环运动,并在 熔池中进行二次氧化,将氧传给金属。 在高枪位或低氧压“软吹”的情况下,射流穿透深度小,熔 池搅拌微弱,载氧液滴中的Fe2O3向熔池传氧较慢而上浮路程 较短,使炉渣的氧化性提高; 在低枪位或高氧压“硬吹”的情况下,则载氧液滴将载有较 少的氧进入炉渣,而使炉渣的氧化性降低。 部分氧直接与炉渣接触,将氧直接传给炉渣: 1/2{02}+2(FeO)=(Fe203) 由于熔池搅拌,可迅速将氧传给金属和进行杂质的氧化反应。

5.3.2 供氧制度
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氧气射流直接与金属接触氧化金属中杂质的机理有三种 不同的观点。第一种是“直接氧化”或“一步氧化”, 认为金属中的杂质被气态氧直接氧化: x[R]+y/2{O2}=RxOy 第二种是“间接氧化”或“二步氧化”,认为氧气与金 属接触首先将铁元素氧化: 2[Fc]+{O2}=2(FeO) (EeO)=[FeO] y[FeO]+x[R]=(RxOy)+y[Fe] 第三种观点实际上是上述两种观点的综合,认为在吹炼 时既有直接氧化,也有间接氧化。

5.3.2 供氧制度
4、顶吹氧气转炉的氧枪操作 ? 变动枪位是目前控制吹炼过程的重要手段。
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变动枪位可以改变射流对熔池的穿透深度和冲击面积,因 而可以控制渣中氧化铁的含量和杂质的去除速度,可以在 很大程度上控制化渣速度和喷溅的大小,还能在一定程度 上控制熔池的升温速度。 枪位根据如下的因素确定: 吹炼的不同时期

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吹炼前期—硅迅速氧化,渣中SiO2的浓度大和熔池温度不高。 要求快速熔化石灰,尽快形成碱度≦1.5~1.7的活跃的炉 渣,以免酸性渣严重浸蚀炉衬和尽量增加前期的去磷率。 温度正常时,除适当加入萤石或FeO皮等助熔剂外,一般采 用较高的枪位,使渣中的∑(FeO)稳定在25~30%的水平。

氧枪操作
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吹炼中期—强烈脱碳。吹入的氧全部消耗于碳的氧化,且 渣中的氧化铁也消耗于脱碳。渣中∑(FeO)降低将使渣的熔 点升高。渣中∑(FeO)降低过多时会使炉渣显著变粘,影响 磷、硫的继续去除,甚至发生回磷。这种炉渣变粘的现象 称为炉渣“返干”。为防止中期炉渣“返干”而又不产生 喷溅,枪位应控制在使渣中∑(FeO)含量保持在10~15%的 范围内。 吹炼后期—进一步调整好炉渣的氧化性和流动性,继续去 除磷和硫,准确控制终点。在过程化渣不太好或中期炉渣 “返干”较严重时,后期应首先适当提枪化渣,而在接近 终点时,再适当降枪,以加强熔池搅拌,均匀熔池温度和 成分,降低镇静钢和低碳软钢的终渣∑(FeO)含量,提高金 属和合金收得率并减轻对炉衬的浸蚀。

氧枪操作
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熔池深度 熔池越深,相应渣层越厚,吹炼过程中熔池面上涨越高, 故枪位也应在不致引起喷溅的条件下相应提高,以免化渣 困难和枪龄缩短。 在其它条件不变时,装入量增多,枪位应相应增高;随着 炉龄的增长,熔池变浅,枪位应相应降低;随着炉容量增 大,熔池深度增加,枪位应相应增高。 造渣材料加入量及其质量 铁水中磷、硫含量高,或吹炼低硫钢,或石灰质量低劣、 加入量很大时,由于渣量增大使熔池面显著上升,化渣困 难,枪位应相应提高。 在铁水中硫、磷含量很低,加入的渣料很少,采用“软烧” 石灰或合成造渣材料等情况下,化渣时枪位可降低,甚至 可采用不变枪位的恒枪操作。

氧枪操作
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铁水温度和成分 在铁水温度低或开新炉时,开吹后应先低枪提温,再提枪 化渣,以免使渣中积聚过多的∑(FeO)而导致强烈脱碳时发 生喷溅。为避免严重喷溅,铁水含硅量很高(>1.2%)时,前 期枪位不宜过高。 喷头结构 在一定的氧气流量下,增多喷孔数目,穿透深度减小,冲 击面积增大,枪位应相应降低。三孔氧枪的枪位约为单孔 氧枪的55~75%。直筒型喷头的穿透深度比拉瓦尔型小,因 而枪位应低些。 顶吹氧气转炉多采用恒氧压变枪位操作。 变氧压又变枪位的操作。 枪位操作演示

5.3.3 造渣工艺
吹炼过程中随着熔池温度的变化相应控制炉渣成分,使炉渣 的物理化学性质符合炼钢的要求,是造渣工艺的基本内容。 1、炉渣碱度的控制 ? 炉渣碱度和石灰加入量的确定 ? 碱度和渣中Si02量是确定石灰加入量的主要依据。以单渣法 为例,石灰加入量可按下式计算:
?

石灰量 ?

K ( R ? SiO2 ? CaO) , kg / t铁水 (%CaO)石灰 ? R(%SiO2 )石灰
考虑随炉气带走的石灰粉和 石灰在炉渣中不完全熔解的 损失系数,通常K=1.1~1.15

渣料的用量
加入炉内的渣料主要是石灰和白云石,还有少量的萤石或 氧化铁皮等熔剂。 石灰用量的确定 首先根据铁水的硅、磷含量和炉渣碱度计算,如铁水含磷 <0.3%时,炉渣的碱度R=(%CaO)/(%SiO2)=2.8~3.2,所以每 吨铁水的石灰加入量按下式计算:

1000? [%Si] ? 60 / 28? R 石灰用量(kg/t)= %CaO ? R ? %SiO2
式中:[%Si]—炉料中硅的质量分数; 60/28—表示1kgSi氧化生成60/28(=2.14)kg的SiO2。

例 某厂的铁水含磷0.25%、硅0.5%,冶炼所用石灰含 CaO:86%,SiO2:2.5%,若炉渣碱度按3.0控制,求每吨铁 水的石灰用量。

1000 ? 0.5 ? 60 / 28 ? 3.0 解:石灰用量(Kg/t)= 86 ? 3.0 ? 2.5
= 40.95 Kg/t

5.3.3 造渣工艺
?

吹炼高中磷铁水时,通常采用炉渣碱度为:

(%CaO) R? (%SiO2 ? 0.634(%P2O5 )
此时,石灰加入量可按下式计算:

K[ R(SiO2 ? 0.634P2O5 ) ? CaO] 石灰量 ? , kg / t铁水 (%CaO)石灰 ? R(%SiO2 )石灰
?石灰在炉渣中的熔解机理和影响石灰熔解速度的因素 在吹炼过程的任一时刻,熔融炉渣的实际碱度与石灰的熔解 速度紧密相关。顶吹氧气转炉中石灰的熔解过程大致如下:

5.3.3 造渣工艺
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?

? ?

?

开吹时,液态炉渣主要来自铁水中的硅、锰、铁的氧化, 渣量很少,渣中SiO2的浓度很高。 加入的大量石灰块使最初的液态炉渣冷却,在石灰块表面 生成一层渣壳,渣壳的熔化约需数十秒钟(<50秒)。 渣壳熔化后,石灰块的表面层开始与液态炉渣反应。 由于钙镁橄榄石中的FeO和MnO与Si02 的亲合力比CaO小,故 被CaO置换,生成硅酸二钙2CaO?Si02 和RO相。2CaO?Si02 熔点很高(2130℃),结构致密,是石灰熔解缓慢的重要 原因。 炉渣成分对石灰溶解速度有很大影响。对于实际转炉炉渣, 石灰的熔解速度与炉渣成分之间有一定的统计关系。
JCaO≈K1(CaO+1.35MgO-1.09SiO2+2.75FeO+1.9MnO-39.1)

5.3.3 造渣工艺
?

? ? ? ? ? ?

FeO是石灰的基本溶剂。在不引起喷溅的条件下,尽量提高 渣中FeO的浓度是加速石灰熔解的主要措施。 MnO对加速化渣的影响仅次于FeO。 炉渣中加入约少于6%的MgO有利于石灰的熔解。 FeO对石灰熔解作用机理: 它能显著降低炉渣的粘度,加速石灰块外部的传质; 它能改善炉渣对石灰的润湿和炉渣向石灰孔隙中的渗透;

它离解生成的离子(Fe2+、Fe3+、O2-)半径不大,且它与 CaO同是立方晶系,有利于FeO向石灰晶格中迁移和扩散而 生成低熔点的溶液; 渣中FeO高,能减少石灰块表面硅酸二钙的生成,可使生成 的硅酸二钙疏松,有利于其溶解。

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5.3.3 造渣工艺
?

吹炼过程中成渣的途径

吹炼过程中,熔池的温度和成分不断变化,因而炉渣的 物理化学性质也不断变化。希望炉渣成分的变化沿着最佳 的途径进行,保证碱度迅速提高、炉渣流动性良好而又不 产生喷溅,并尽可能使炉渣在开吹后不久就具有高的反应 能力。 氧气转炉吹炼的炉渣中,CaO、SiO2和∑(FeO)三者之和 一般约为75~80%,它们对炉渣的物理化学性质影响最大。 其余的氧化物中MgO的性质与CaO大致相似,P2O5与SiO2相似, MnO与FeO相似。因此,可用CaO-FeO-SiO2三元相图近似地研 究吹炼过程中的成渣途径。

CaO-SiO2-FeO+Fe2O3相图
代表初渣 的特性

按成渣过程中∑(FeO) 的含量不同可以分为 高氧化铁成渣途径 (铁质成渣途径)和低 氧化铁成渣途径(钙 质成渣途径)
代表终渣 的特性

5.3.3 造渣工艺
? 低氧化铁成渣途径,通常用低枪位吹炼。在整

?

个成渣过程中,炉渣的熔点都比较高,石灰块 熔解缓慢,因而碱度上升较慢,炉渣粘稠。特 别是吹炼中期,炉渣“返干”严重炉渣去除磷、 硫的能力很弱。 用低磷、硫原料吹炼低碳软钢时,吹炼末期熔 池含碳量降到0.1%以后,因渣中∑(FeO)急剧升 高可迅速成渣,此时采用低氧化铁成渣途径可 以避免吹炼过程中喷渣。这对超装的转炉尤为 重要。

5.3.3 造渣工艺
?

高氧化铁成渣途径,渣中含氧化铁量比较高,通常用较高 的枪位吹炼。炉渣成分变化的途径是在易熔区内,始终保 持良好的流动性,石灰熔解迅速,碱度提高快。 渣中∑(FeO)含量高,2CaO?SiO2外壳对石灰熔解的阻碍不 大,吹炼中期炉渣“返干”大大减轻,或被消除。这种造 渣方法成渣快,炉渣较早就具有良好的去除磷、硫的能力, 大大缩短了严重浸蚀炉衬的酸性渣存在时间,被普遍采用。 特别是原料磷、硫较高和吹炼高中碳钢时必须采用。

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?

高氧化铁炉渣的另一特点是泡沫化严重。因此,炉容比不 足或操作不当造成炉渣中∑(FeO)过高时,会产生严重喷溅。 在吹炼中必须注意。

5.3.3 造渣工艺
?

正确设计氧枪和控制枪位(必要时辅以变化氧压)是调节渣 中∑(FeO)含量的主要措施。在吹炼过程中加氧化铁皮、铁 矿石等,对保持渣中合理的∑(FeO)含量,加速石灰的熔解 也有较好的效果。 萤石能显著降低CaO以及2CaO?SiO2 的熔点,而且作用迅速。 吹炼前期加入萤石能加速初期渣的形成,吹炼中期加入萤 石可以防止炉渣“返干”炉渣中∑(FeO)的含量越低,萤石 的化渣效果越明显。 石灰的质量和加入方法对它的熔解速度也有很大影响。过 早加入大批量的石灰,往往会产生石灰结团,使石灰与液 态炉渣的接触面积大大减小。石灰结团后在炉渣中熔解很 慢。因此,生产中将石灰分批加入是合理的。

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5.3.3 造渣工艺
2、炉渣粘度的控制 ? 粘度是炉渣重要的动力学性质。 ? 冶炼中渣粘的原因通常是炉渣的熔点与当时的熔池 温度接近。且熔池温度低于炉渣的液相线时,则炉 渣特别粘稠。 ? 提高渣中CaF2 、∑(FeO)、MnO、MgO(6%-8%)等的含 量,都能使炉渣熔点降低,流动性改善。 ? 为延长炉龄,确保去除磷、硫的条件下,加入白云 石等含MgO的材料,可适当提高终渣的粘度。这种 熔点较高和粘度较大的终渣停吹时部分沾附在炉衬 内表面上,可使炉龄显著延长。

5.3.3 造渣工艺
3、炉渣氧化性的控制 ? 炉渣氧化性是代表炉渣对碳、锰、硅、磷等杂质氧化能力 的一种性质。它对终点钢水中的含氧量和钢的质量也有影 响,对石灰的熔解速度起着重要的作用,还影响泡沫渣和 喷溅的产生、炉衬的寿命、以及金属和铁合金的收得率。 ? 用渣中氧化铁的活度aFeO表示炉渣的氧化性是最合理的,因 为渣中的氧化铁不全呈自由状态存在。但由于确定aFeO的数 值相当复杂,生产中则普遍用氧化铁的浓度表示炉渣的氧 化性,表示方法如下: 1)单用氧化亚铁的浓度表示; 2)用氧化亚铁与三氧化二铁之和表示,即 ∑(%FeO) =(%FeO) +(%Fe 203)

5.3.3 造渣工艺
3)用以氧为基础换算的“全氧法”表示,即
∑(%FeO) =(%FeO) +1.35(%Fe203) 4)用以铁水为基础换算的“全铁法”表示,即 ∑(%FeO) =(%FeO) +0.9(%Fe203)
? ?

影响炉渣氧化性的因素:

枪位和氧压经常是起主要作用的因素。通常,在一定的供 氧强度下,枪位提高或氧压降低时,炉渣的氧化性增强。
脱碳速度对炉渣氧化性有很大的影响。脱碳速度越大,碳 夺取炉渣中的氧越强烈,而且熔池搅拌也越有力,促进炉 渣中的氧化铁向金属中传递,使炉渣氧化性大大减弱。

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5.3.3 造渣工艺
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熔池温度对炉渣氧化性的影响是间接的。熔池温度低 而使金属和炉渣粘度增大的情况下,炉渣向金属传递 氧和金属吸收射流的氧减慢,使炉渣的氧化性增强。 加入铁矿石或氧化铁皮等氧化剂使炉渣氧化性增强是 暂时的。随着炉渣向金属的传氧和脱碳等的耗氧,氧 化剂带入炉渣的氧化铁将迅速被消耗。 炉渣氧化性还与石灰的质量有关。用软烧石灰时,在 其它条件相同的情况下,由于化渣容易,炉渣氧化性 相应降低。 终渣氧化性也受金属成分的影响。随着金属中碳和锰 的含量降低,渣中∑(FeO)含量增高。

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5.3.3 造渣工艺
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终渣最佳的∑(FeO)含量与很多因素有关。除应尽可能满足 石灰完全熔解的要求外,更重要的是渣中∑(FeO)含量影响 终点钢水的含氧量和钢的质量。 降低渣中∑(FeO) 常用的方法: 尽可能控制终点碳在出钢要求的上限; 接近终点前适当降枪,吹炼含碳较高的钢种时以萤石帮助 化渣; 吹炼结束时,加入少量石灰稠化炉渣,使氧从炉渣向金属 中的传递减慢; 尽量减少出钢时进入盛钢桶的渣量。 吹炼含碳>0.2%的沸腾钢时,往往需要增强炉渣的氧化性以 提高钢水的含氧量,否则可能出现模内沸腾微弱,造成钢 锭上涨等缺陷。 吹炼含碳<0.08%的沸腾钢时,则应避免终渣氧化性过强。

5.3.3 造渣工艺
4、泡沫渣及其控制 ? 在顶吹氧气转炉吹炼过程中,金属—炉渣乳浊液的 产生可以加速金属与炉渣间的传质。在转炉熔池上 层的金属—炉渣乳浊液中实际上经常还有大量CO气 泡弥散分布在渣中形成泡沫渣。 ? 泡沫很少的炉渣中,传热和传质不受气泡的阻碍; ? 在泡沫渣中则受到气泡的严重阻碍,这对炉渣与金 属之间的物理化学反应显然是不利的。 ? 泡沫渣本身不是顶吹氧气转炉有效去磷的原因。泡 沫渣一般在炉渣∑(FeO)高和熔池温度较低时产生。

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

金属与炉渣接触及物质扩散流的示意图

液滴流 动路线

5.3.3 造渣工艺
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泡沫渣的形成机理,同金属与炉渣之间的乳化机理有 相似之处。一般认为,泡沫渣是由弥散分布在炉渣中 的气泡和气泡之间的液体渣膜组成的。炉渣的表面张 力减小和气泡之间的渣膜强度及稳定性增大,将促进 泡沫渣的形成。 在一定的含量范围内,Fe2O3、P205、CaF2、SiO2能使碱 性炉渣的表面张力显著减小,增加这些成分能提高炉 渣的泡沫化程度。 P205和SiO2,不但使炉渣的表面张力减小,而且能增大 渣膜的粘度,使泡沫稳定。MgO也有提高渣膜粘度和稳 定泡沫渣的作用,MnO则使碱性炉渣的泡沫化程度明显 降低。

5.3.3 造渣工艺
碱度对炉渣的泡沫化有很 大影响。如图所示,随着碱 度增大,泡沫化程度先是增 大,到CaO/SiO2=1.5~1.7 时达最大值;其后下降。这 可能是由于碱度为1.5~1.7 时渣中aFeO最大所致。

炉渣粘度增大,一般使泡沫渣的稳定性增加。因 为在粘性渣中气泡的上浮缓慢,使滞留在炉渣中的 气泡数量增多。 温度对炉渣的泡沫化也有很大影响。温度低使炉 渣黏度增大,促进炉渣的泡沫化。

泡沫渣控制
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炉渣泡沫化严重时,短时间提枪,借氧气射流的机械冲击 作用,使泡沫破裂,可以压制泡沫和减弱喷溅。 为避免炉渣的过分泡沫化,还应尽可能保持吹炼初期的热 行。在铁水温度较低时,应先低枪提温,待温度上升后, 再提枪化渣。 铁矿石或其它固体氧化剂不应一次加入过多,以免使熔池 温度剧烈下降,渣中∑(FeO)急剧增多。在加入铁矿石较多 时,有必要短时间降低氧压。 采用软烧石灰,可以降低化渣所要求的∑(FeO)含量,炉渣 流动性也较好,可使炉渣泡沫化程度减小。 铁水含硅量降低可以减少渣量,减轻泡沫渣的危害。加入 少量石灰石 (不超过装入量的1—1.5%)也可以抑制泡沫渣 和喷溅。

吹炼过程熔池渣的变化

5.3.3 造渣工艺
5、放渣及留渣操作 顶吹氧气转炉的造渣操作有吹炼中途不放渣的“单渣 法”,中途放出部分炉渣的“双渣法”,以及将上炉的部 分或全部终渣留在炉内作为下一炉渣料的“留渣法”(或称 “双渣留渣法”)。 ? 单渣法 用含硅量<1.0%和含磷量≤0.3~0.4%的铁水吹炼 低碳钢,在去硫率达到40%即可满足所炼钢种的要求时, 通常采用单渣法。其优点是操作简便,也节省了中间倒炉 放渣的辅助时间,能提高生产率。 ? 双渣法 当铁水含硅量>1.0%;生产去硫率>40%的钢种; 铁水含磷量达0.5—1.5%或原料含磷量虽<0.5%,但要求 生产低磷的高、中碳钢;及要在炉内加入大量易氧化元素 (例如铬)的合金钢时,应用双渣法。

5.3.3 造渣工艺
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双渣留渣法 双渣法的终渣,一般有高的碱度和比较 高的∑(FeO)含量,它对铁水具有一定的去磷和去硫 能力,熔点不高,本身还含有大量的物理热。将这种 炉渣部分地、甚至全部留在炉内,可以显著加速下一 炉初期渣的成渣过程,提高吹炼前期的去磷和去硫率, 节省石灰用量和提高炉子的热效率。 在留渣法中,必须特别注意防止兑铁水时产生严重喷 溅。如上一炉终点碳过低,一般不宜留渣。

思考题
1 名词解释:单渣法 双渣法 双渣留渣法
2 造渣方法如何选用?采用双渣法时何时倒渣为好? 3 石灰用量如何计算?渣料如何加入? 4 影响石灰溶解的因素有哪些? 5 炉渣严重泡沫化的原因是什么?

5.3.4

温度制度

? 在吹炼一炉钢的过程中,需要正确控制温度。温度制度主要

是指炼钢过程温度控制和终点温度控制。
? 转炉吹炼过程的温度控制相对比较复杂,如何通过加冷却剂 和调节枪位,使钢水的升温和成分变化协调起来,同时达到 吹炼终点的要求,是温度控制的关键。 ? 热量来源:铁水的物理热和化学热,它们约各点热量来源的 一半。 ? 热量消耗:转炉的热量消耗可分为两部分,一部分直接用于 炼钢的热量,即用于加热钢水和炉渣的热量;一部分被废气、 烟尘带走的热量,炉口炉壳的散热损失和冷却剂的吸热等。

5.3.4

温度制度

热量的消耗: ? 钢水的物理热约占70%; ? 炉渣带走的热量大约占10%; ? 炉气物理热也约占10%; ? 金属铁珠及喷溅带走热,炉衬及冷缺水带走热,烟尘物理 热,生白云石及矿石分解及其他热损失共占约10%。 ? 转炉热效率:是指加热钢水的物理热和炉渣的物理热占总 热量的百分比。LD转炉热效率比较高,一般在75%以上。 原因是LD转炉的热量利用集中,吹炼时间短,冷却水、炉 气热损失低。

5.3.4 温度制度
? 出钢温度首先取决于炼钢中的凝固温度,凝固温度则根据钢种 的化学成分而定,钢液凝固温度计算有多种经验公式,如: T凝=1536-(78[%C]+7.6[%Si]+4.9[%Mn]+34[%P]+30[%S]+ 5.0[%Cu]+3.1[%Ni]+2.0[%V]+1.3[%Cr]+18[%Ti]+3.6[%Al]) ? 出钢温度需考虑从出钢到浇注各阶段的温降。 T出=T凝+△T+△t1+△t2+△t3+△t4+△t5 式中:△T—钢液的过热度,它与钢种、坯型有关,板坯取1520℃,低合金方坯取20-25℃; △t1—出钢过程温降; △t2 —出钢完毕至精炼之前的温降; △t3 —钢水精炼过程温降; △t4 —钢水精炼完毕至开浇之前的温降; △t5 —钢水从钢包至中间包温降。

溶解于铁中的元素为1%时,纯铁凝固点的降低值
元素 C 适用范围/% <1.0 1.0 2.0 2.5 3.0 凝固点降低值/℃ 65 70 75 80 85 元素 Ti Sn Co Mo B 0-0.3 0-0.03 适用范围/% 凝固点降低值/℃ 18 10 1.5 2 90

3.5
4.0 Si Mn P S Al V 0-3.0 0-1.5 0-0.7 0-0.08 0-1.0 0-1.0

91
100 8 6 30 25 3 2

Ni
Cr Cu W As H2 O2 N2

0-9.0
0-18.0 0-0.3 18%W,0.66%C 0-0.5 00-0.03 0-0.03

4
1.5 5 1 14 1300 80 90

5.3.4

温度制度

? 转炉获得的热量除用于各项必要的支出外,还有大量富余

热量,需加入一定数量的冷却剂。
? 冷却剂除有冷却效应以外,对化渣、喷溅、氧耗、钢铁料 消耗和冷却剂加入方法均有影响。

? 要准确控制熔池温度,用废钢作冷却剂的效果最好,但为
了促进化渣,也可以搭配一部分铁矿石或氧化铁皮。 ? 富余热量的利用是否合理,可以通过物料平衡和热平衡来 检查,还可以通过物料平衡和热平衡发现操作、设备和原 材料等方面存在的问题。

顶吹氧气转炉的物料平衡和热平衡
? ?

某厂30吨顶吹氧气转炉吹炼的热平衡的结果 原始数据 原材料和终点钢水及炉渣的成分、重量、温度的实测数据 如表1和表2。 计算条件假定如下: 1)炉气平均温度为1450℃; 2)金属中烧损的碳,90%氧化为CO,10%氧化为CO2; 3)炉衬消耗量为金属料的1%; 4)炉渣中的铁珠量为渣量的8.0%; 5)烟尘损失为金属料的1.16%,成分为70%Fe203,20%FeO; 6)喷溅损失为金属料的1.2%,喷溅物的温度为1600℃; 7)采用单渣法吹炼; 8)氧气纯度为99.5%。

表1 30吨顶吹氧气转炉吹炼一炉钢的实测数据
项目 成 C Si 0.93 0.01 0.20 Mn 0.20 0.05 0.50 分/% P 0.12 0.005 0.04 S 0.04 0.014 0.04 重量 /t 31.7 3.0 温度 /℃ 1300 1670 25 终渣碱度和成分/% R 3.02 FeO 10.99 Fe2O3 4.79

铁水 4.40 终点钢水 0.06 废 钢 0.30

表2
项目 加入 量/t

原材料成分
成 分/%

Fe2O3 80

CaO
92.15 55

SiO2 10 1.58 4.30 2.60

MgO
1.25

MnO 5.00

CaF2

Al2O3 4.93

S 0.07 0.10

灼减
4.92

矿石 石灰 萤石 炉衬

1.2 2.6 0.42

95.70 40 2.40

顶吹氧气转炉的物料平衡和热平衡
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计算结果

1)终渣成分,%
Si02 CaO CaF2 7.83 MnO 2.65 MgO FeO Fe203 11.03 P205 4.77 A1203 1.70 CaS 1.29 ∑ 0.41 16.27 50.71 100.00 3.34

2)炉气成分,体积%
CO C02 N2 O2 SO2 ∑

86.90

12.19

0.33

0.50

0.08

100.00

煤气回收

顶吹氧气转炉的物料平衡和热平衡
3)全炉物料平衡
表3 全炉物料平衡表(以100kg钢铁料计算)

项 目 铁 废 石 矿 萤 炉 氧 合 水 钢 灰 石 石 衬 气 计

收 重量/kg 91.4 8.6 7.49 3.46 1.20 1.0 7.14 120.29

入 % 75.98 7.15 6.22 2.88 1.00 0.83 5.94 100.00

项 目 钢 炉 炉 喷 烟 铁 水 渣 气 溅 尘 珠

支 重量/kg 91.91 14.69 10.32 1.20 1.16 1.18 120.46

出 % 76.30 12.19 8.57 1.00 0.96 0.98 100.00

合 计

误差=(120.29-120.46)÷120.29×100%=-0.14%

顶吹氧气转炉的物料平衡和热平衡
4)全炉热平衡 未计算冷料的物理热,并假定冷料温度为25℃,作为计算的 基准温度。 表4 全炉热平衡表
项 目 铁水物理热 元素氧化放热 其中:C Si Mn P Fe CO潜热 烟尘氧化热 SiO2生成潜热 合 计 收 入

热量/kJ 108425 94180 55627 25055 1120 926 3871 83136 4443 3871 294051

% 36.87 32.02 18.92 8.52 0.38 1.32 2.88 28.27 1.52 1.32 100.00

项 目 钢水物理热 炉渣物理热 矿石分解热 炉气物理热 CO潜热 烟尘带走热 铁珠和喷溅带走热 冷却水带走热和其 它热损失 合 计





热量/kJ 132389 32805 12511 16695 83136 1885 3390 11240

% 45.02 11.16 4.26 5.68 28.27 0.64 1.15 3.82

294051

100.00

顶吹氧气转炉的物料平衡和热平衡
? 30吨顶吹氧气转炉吹炼铁水,具有如下的热工特点: ? 热量收入基本上是铁水的物理热和化学热。铁水的物理热占 有重要的地位,它与元素氧化放出的热量相当。为增加废钢 用量,应尽量提高铁水温度。 ? 在热量收入中,元素氧化放热也是重要的项目。碳氧化放出 的热量占元素氧化总放热量的一半以上。这部分热量用于加 热铁水和炉渣到终点温度是足够的。 ? 90%的碳仅在炉内氧化为CO,而没有充分燃烧成CO2。未充分 燃烧的CO的潜热占碳全部氧化时化学热的60%,应充分利用转 炉内碳的化学热。 ? 炉料中的热量约为总热量的60%,炉气带走的热量约占34%, 其它热损失约占6%,炉气热量的回收利用非常重要。

冷却剂用量确定
?冷却剂及其特点 ? 转炉炼钢的冷却剂主要是废钢和矿石。 ? 废钢的冷却效应稳定,而且硅磷含量也低,渣料消耗少,可 降低生产成本; ? 冶炼终点钢液温度偏高时,通常加适量石灰或白云石降温。 ?各冷却剂的冷却效应 ? 冷却效应是指每kg冷却剂加入转炉后所消耗的热量,用q表示, 单位是kJ/kg。 ? 矿石的冷却效应:矿石冷却主要靠Fe2O3的分解吸热,其冷却 效应随铁矿的成分不同而变化,含Fe2O370%、FeO10%时铁矿石的 冷却效应为:
q矿=1?C矿?△t+λ 矿+1?Fe2O3%?112/160?6456+FeO%?56/72?4247) =1?1.02?(1650-25)+209+1?0.7?112/160?6456+0.1?56/72?4247) =5360 kJ/kg

冷却剂用量确定
?废钢的冷却效应:废钢主要依靠升温吸热来冷却熔 池,由于不知准确成分,其熔点通常按低碳钢的 1500℃考虑,入炉温度按25℃计算,于是废钢的冷却 效应为: q废=1?[C固(t熔-25)+λ 废+ C液(t出-t熔)] =1?[0.7?(1500-25)+272+0.837(1650-1500)] =1430 kJ/kg ?氧化铁皮的冷却效应:对于50%FeO、40%Fe2O3 的氧 化铁皮,其冷却热效应为:q氧化铁皮=5311 kJ/kg ?以废钢的冷却效应为标准1,折算其它冷却剂的相对 冷却能力。

冷却剂用量确定
?冷却剂用量的确定 ? 定废钢,调矿石; ? 定矿石,调废钢。 ? 以第一种方案为例说明冷却剂用量的确定:国内目前的平 均水平是,废钢的加入量为铁水量的8~12%,取10%。则矿石 用量为: (Q余-10?q废)/q矿=(30000-10?1430)/5360=2.93 kg 即每100kg铁水加入10kg废钢和2.93kg矿石。 ?冷却剂用量的调整 ? 生产中某炉钢冷却剂的具体用量可根据实际情况调整铁矿 石的用量,调整量过大时可增减废钢的用量。

5.3.4

温度制度

? 在吹炼前期结束时,温度应为1450-1550℃,大炉子、 低碳钢取下限,小炉子、高碳钢取上限; ? 中期的温度为1550-1600℃,中、高碳钢取上限,因后 期挽回温度时间少; ? 后期的温度为1600-1680℃,取决于所炼钢种。 ? 当吹炼后期出现温度过低时,可加适量的Fe-Si或FeAl提温。加Fe-Si提温,需配加一定量的石灰,防止钢 水回磷。 ? 当吹炼后期出现温度过高时,可加适量的铁皮或矿石 降温。

实际生产过程温度的控制
?吹炼初期——如果碳火焰上来的早(之前是硅、锰氧化的火 焰,发红),表明炉内温度已较高,头批渣料也已化好,可适 当提前加入二批渣料;反之,若碳火焰迟迟上不来,说明开吹 以来温度一直偏低,则应适当压枪,加强各元素的氧化,提高 熔池温度,而后再加二批渣料。 ?吹炼中期——可据炉口火焰的亮度及冷却水(氧枪进出水) 的温差来判断炉内温度的高低,若熔池温度偏高,可加少量矿 石;反之,压枪提温,一般可挽回10~20℃。 ?吹炼末期——接近终点时,停吹测温,并进行相应调整:若 温度高,加石灰降之:高出度数?136/石灰的冷却效应。若温 度低,加硅铁并点吹提温:1kg75硅铁氧化放热13352kJ,例如, 30吨钢液提温10℃需加75硅铁:300?10?136/13352≈30 kg。

150吨转炉用矿石冷却条件下 连续测得熔池温度的变化情况

第二批渣料和冷却剂采取分小批连续加入时, 熔池温度波动小,平稳上升。

跑渣对熔池温度的影响

操作不当,发生严重跑渣时,因加入石灰抑制跑 渣,从跑渣开始至结束,约5分钟内,熔池温度没有 上升。

一次加料过多对熔池温度的影响

一次加料过多对熔池温度有很大影响。如一次加入7吨石 灰,熔池温度下降太多,不得不在终点加提温剂提温。 为了正确控制熔池温度,应该有必要的测温手段,保持设 备和操作正常,并正确掌握加料的数量和方法。

5.3.5 终点控制及出钢
? 终点控制是转炉吹炼末期的重要操作。 ? 终点控制主要是指终点温度和成分的控制。

? 终点——熔池中金属的成分和温度达到所炼钢种 要求时,称为终点。 ? 吹炼到达终点的具体条件: ? 钢中碳达到所炼钢种要求的控制范围; ? 钢中S、P低于规定下限要求一定范围; ? 出钢温度保证能顺利进行精炼和浇铸; ? 达到钢种要求控制的氧含量。

5.3.5 终点控制及出钢
1.终点(碳)的控制 ?终点碳的控制方法 ?拉碳法 ?分为一次拉碳和高拉补吹两种控制方式。 ?转炉吹炼中将钢液的含碳量脱至出钢要求时停止吹氧的控制 方式称为一次拉碳法。 ?冶炼中高碳钢时,将钢液的含碳量脱至高于出钢要求0.2~ 0.4%时停吹,取样、测温后,按分析结果进行适当补吹的 控制方式称为高拉补吹法。 ?主要优点: ?终渣的(∑FeO)含量较低,金属收得率高,且有利于延长 炉衬寿命; ?终点钢液含氧低,脱氧剂用量少,钢中非金属夹杂物少; ?冶炼时间短,氧气消耗少。

5.3.5 终点控制及出钢
? 增碳法 ? 吹炼平均含碳量大于0.08%的钢种时,一律将钢液的碳脱至 0.05%~0.06%时停吹,出钢时包内增碳至钢种规格要求的操 作方法叫做增碳法。 ? 主要优点: ? 终点容易命中,省去了拉碳法终点前倒炉取样及校正成分 和温度的补吹时间,因而生产率较高; ? 终渣的(∑FeO)含量高,渣子化得好,去磷率高,而且有利 于减轻喷溅和提高供氧强度; ? 热量收入多,可以增加废钢的用量。 ? 操作稳定,易于实现自动控制。 ? 采用拉碳法的关键在于,吹炼过程中及时、准确地判断或 测定熔池的温度和含碳量,提高一次命中率。同时寻求含 硫低、灰分少和干燥的增碳剂。

5.3.5 终点控制及出钢
2.终点的判断 ?碳含量的判断 ? 仪器判断常用热电偶结晶定碳仪,简单、准确,但速度慢。 ? 有前途的是红外、光谱等快速分析仪。 ? 经验法有看火花、看火焰、看供氧时间和耗氧量。 ? 看火花—从炉口溅出的金属液滴,遇空气被氧化而爆裂形成 火花并分叉,火花分叉越多,金属含碳越高,当[C]小于0.1% 时,爆裂的碳火花几乎不分叉,形成的是小火星。 ? 看火焰—金属含碳量较高时,碳氧反应激烈,炉口的火焰白 亮、有力,长且浓密;当含碳量降到0.2%左右时,炉口的火焰 稀薄且收缩、发软、打晃。 ? 看供氧时间和耗氧量—生产条件变化不大时,每炉钢的供氧 时间和耗氧量也不会有太大的出入,因此,当吹氧时间及耗氧 量与上炉接近时,本炉钢也基本到达终点。

5.3.5 终点控制及出钢
?温度的判断 ?常用插入式热电偶测定钢液的温度,生产中还可以借倒炉的 机会观察炉内情况凭经验进行判断。 ?若炉膛白亮、渣面上有火焰和气泡冒出,泡沫渣向外涌动, 表明炉温较高;若渣面暗红,没火焰冒出,则炉温较低。 3.出钢操作 ?出钢是转炉炼钢过程的最后环节,操作中应注意以下问题: ?红包出钢 ?出钢前将钢包内衬烤至发红达800~1000℃。 ?减少出钢时的温降,从而降低出钢温度(15~20℃),增加 废钢用量(15kg/t),并提高炉龄(150炉次)。

表1 各主要因素变化对终点温度影响及相应冷却剂调节量
因素 铁水温度 铁水Si 铁水量 铁水Mn 铁水P 普碳废钢 低硅废钢 高规废钢 生铁块 石灰 白云石 矿石 铁皮 萤石

因素变化对终点温度的影响 变化量
±10℃ ±0.1% ±1000kg ±0.1% ±0.1% ±1000kg ±1000kg ±1000kg ±1000kg ±100kg ±100kg ±100kg ±100kg ±100kg

冷却剂相应调节量 矿石/kg
±100 ±200 ±80 ±80 ±300 干300 干200 干130 干200 干50 干100 干80 干50

影响终点/℃
±6 ±12-15 ±5.1 ±5 ±20 干19.5 干13 干8 干12 干2.5 干5 干5.5-6.5 干4 干2.8

普碳废钢/kg
±300 ±600 ±240 ±240 ±900 干600 干390 干600 干150 干300 干300 干240 干150

5.3.5 终点控制及出钢
?保持适宜的出钢时间 ?为了减少出钢过程中的钢液吸气(应短些)和有利于所加合 金的搅拌均匀(应长些),需要适当的出钢持续时间。 ?50t以下转炉出钢持续时间应为1~4min;50~100t转炉应持 续3~6min;100t以上转炉应持续4~8min。 ?挡渣出钢 ?减少出钢时的下渣量,提高合金元素的收得率、防止钢液回 磷(转炉炼钢多是出钢时在包内进行脱氧合金化)。 ?目前有挡渣球、挡渣帽、挡渣塞、U型虹吸出钢口、气动挡 渣等多种方式,国内使用最多的是挡渣球和挡渣帽。

挡渣示意图

挡渣出钢

?挡渣帽 ? 减少出钢时的前期下渣(转炉出钢时,浮在钢液面上的炉渣 将首先流经出钢口,事先将挡渣帽置于出钢口内,挡住炉渣, 随后而至的钢液将其冲掉或熔化而进入钢包)。 ? 挡渣帽为圆锥体,其尺寸应与出钢口内径相适应。 ? 国内使用的挡渣帽多为铁皮或轻质耐火材料制成。 ?挡渣球 ? 减少出钢时的后期下渣(出钢结束时,正好座在出钢口上挡 住炉渣)。 ? 挡渣球的密度要介于钢液与熔渣之间,为4.2~5.0kg/cm3, 浸入钢液的深度为球的1/3左右,保证钢水流尽而又能挡住炉 渣。 ? 在出钢结束前1min左右,从出钢口的正上方投入挡渣球。

挡渣出钢演示

挡渣出钢
?挡渣效果 国内外厂家的使用结果表明,挡渣出钢后,钢包内的渣层 厚度由原来的100~150mm减少到40~60mm,钢液的回磷量 因此由0.004~0.006%下降到0.002~0.003%;锰的回收率由 80~85%提高到85~90%,硅的回收率由70~80%提高到 80~90%;夹杂物的废品率由2.3%降低到0.059%;同时,钢 包的使用寿命也大幅提高。 ?挡渣出钢注意事项 挡渣出钢后应向钢包加覆盖渣对钢液进行保温。目前,生 产上广泛使用的是炭化稻壳,其密度小、保温性能好,而且 浇注完毕不挂包。 挡渣出钢

脱氧及合金化
? 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。 ? 转炉的脱氧合金化操作主要有以下两种: 3.6 脱氧及合金化 ? 钢包内脱氧合金化—操作简单,转炉的生产率高,炉衬寿 命长,而且合金元素收得率高;但钢中残留的夹杂较多, 炉后配以吹氩装置后这一情况大为改善。 ? 操作要点: ? 合金应在出钢1/3时开始加,出钢2/3时加完,并加在钢流 的冲击处,以利于合金的熔化和均匀; ? 出钢过程中尽量减少下渣,并向包内加适量石灰,以减少 “回磷”和提高合金的收得率。

脱氧及合金化
?钢包内脱氧精炼炉内合金化—冶炼一些优质钢时,钢液必 须经过真空精炼以控制气体含量,此时多采用转炉出钢时包 内初步脱氧,而后在真空炉内进行脱氧合金化。 ? 真空炉内脱氧合金化的操作要点: ? W、Ni、Cr、Mo等难熔合金应在真空处理开始时加入, 以保证其熔化和均匀,并降低气体含量; ? 对于B、Ti、V、RE等贵重的合金元素应在处理后期加入, 以减少挥发损失。 ? 采用了钢包喂丝技术进行合金化。

合金加入量的确定
?计算公式

[% M i ]规格 ? [% M i ]残 某合金加入量(kg/炉) = ?出钢量 % M i (合金)? fi
?钢液中元素残留量: ?钢液的残Si量一般为0.01~0.02%,称“痕迹”,可以忽略。 ?钢液的残Mn量则与终点碳和造渣方法有关,终点碳低于 0.08%时残锰为铁水含锰量的30%;终点碳高于0.16%时残锰

为铁水含锰量的40%;采用双渣法时钢液的残锰为零。

合金加入量的确定
? 合金元素收得率 ? 正确估计合金元素的收得率是完成脱氧合金化任务的关键。 对于硅通常为75%左右,而锰则为80%左右,实际生产中的具 体数值与下列因素有关: ? 钢液温度高时合金元素的收得率高(均为吸热反应); ? 终点碳高时合金元素的收得率高([C]高→[O]低); ? 加入量大时合金元素的收得率高([O]一定,合金元素氧化 量也一定); ? 同时使用两种合金时脱氧能力弱的收得率高; ? 出钢过程中下渣多时合金元素的收得率低(FeO多)。 ? 注意:若用复合脱氧剂如Mn-Si合金时,按调锰计算其用量 (该合金含锰高),然后计算其所带硅量,最后计算补齐硅所 需Fe-Si合金量。

合金加入量的确定
? 应用举例 转炉使用含锰0.3%的铁水,采用拉碳法吹炼20镇静钢, 20 钢的成分为:C0.2%,Mn0.5%,Si0.8%,问: 1)用含Mn68%,C6.28%的Fe-Mn合金和含Si75%的Fe-Si合金 进行脱氧,需两种合金各多少kg?终点碳应为多少? 2)改用Mn-Si合金(含Mn68%,Si18.5%,C1.5%)和Fe-Si合 金脱氧,各需多少kg?终点碳应为多少? 已知:出钢量30吨,Si、Mn、C的收得率分别为75%、85%和 90%。

解:1)Fe-Mn用量=

(0.5% ? 0.3% ? 40%) ? 30000 ? 197 Kg / 炉 68% ? 85%

增碳量=197×6.28%×90%/30000=0.04% 故终点碳应为0.2%-0.04%=0.16% Fe-Si用量=0.8%×30000/75%×75%=427kg/炉 2)Mn-Si用量=
(0.5% ? 0.3% ? 40%) ? 30000 ? 197 Kg / 炉 68% ? 85%

增碳量=197×1.5%×90%/30000=0.01% 故终点碳应为0.2%-0.01%=0.19%
(0.8% ? 30000 ? 197 ?18.5% ? 75%) Fe-Si量= ? 379 Kg / 炉 75% ? 75%

思考题
1.名词解释:一次拉碳法 高拉补吹法 2.转炉吹炼终点的条件是什么? 法?各起什么作用? 4.一般钢种的脱氧合金化如何进行?操作要点是 什么? 增碳法

3.挡渣出钢的目的是什么?一般采用何种挡渣方

吹氧脱碳 吹氧脱磷 吹氧脱锰 吹氧脱硅 吹氧脱硫 副枪的结构 炉渣返干火焰特征 喷溅的火焰特征 取样操作

吹氧脱硅

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控制操作 如果发现火焰 较早发亮且起渣 较早,则说明铁 水温度较高,可 以提前分批加入 第二批渣料,促 使及早成渣、全 程化渣。 如果发现火焰 较暗红,说明硅、 锰氧化还未结束, 温度还较低,第 二批渣料需推迟 加入,保证冶炼 正常进行。

吹氧 脱 锰

硅锰氧化期的火焰特征
冶炼前期为硅锰氧化期,一 般在4min左右。此时期由于 加入了废钢和第一批渣料等 冷料,所以温度较低,多数 元素尚未活跃反应,火焰一 般浓而暗红。当开吹到3min 左右时要特别仔细观察,此 时火焰开始由浓而暗红渐渐 浓度减淡,颜色也逐渐由暗 红变红。当吹炼到3~4min 时,只要见到火焰中有一束 束白光出现(俗称碳焰初起) 时,则说明铁水中硅、锰的 氧化反应基本结束,吹炼开 始进入碳氧化期(碳已开始剧 烈氧化),可以开始分批加入 第二批渣料。

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碳反应期的火 焰特征

正常的火焰特征为:
火焰的红色逐渐减退,白光逐 步增强;火焰比较柔软,看上去 有规律的一伸一缩。当火焰几乎 全为白亮颜色且有刺眼感觉,很 少有红烟飘出,火焰浓度略有增 强且柔软度稍差时,说明碳氧反 应已经达到高峰值。 之后随着碳氧反应的减弱,火 焰浓度降低,白亮度变淡(此时一 般可以隐约看到氧枪)。当火焰开 始向炉口收缩,并更显柔软时, 说明碳含量已不高(大致在0.2%~ 0.3%)这时要注意终点控制。

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?返干一般在冶炼中期(碳氧化期)的后半阶 段发生,是化渣不良的一种特殊表现形式。 ?冶炼中期后半阶段正常的火焰特征是: 白亮、刺眼,柔软性稍微变差。 ?但如果发生返干,其火焰特征为: 由于气流循环不正常而使正常的火焰(有规 律、柔和的一伸一缩)变得直窜、硬直,火 焰不出烟罩; ?返干炉渣结块成团未能化好,氧流冲击到 未化的炉渣上面会发出刺耳的怪声;有时还 可看到有金属颗粒喷出。 ?一旦发生上述现象说明熔池内炉渣已经返干。

当发现火焰相对于正常火焰较暗,熔池温度较长 时间升不上去,少量渣子随着喷出的火焰被带出 炉外时,此时如果摇炉不当往往会发生低温喷溅。 当发现火焰相对于正常火焰较亮,火焰较硬、直 冲,有少量渣子随着火焰带出炉外,且炉内发出刺耳 的声音时,说明炉渣化得不好,大量气体不能均匀逸 出,一旦有局部渣子化好,声音由刺耳转为柔和,就 有可能发生高温喷溅。

操作步骤或技能实施
1) 准备好样瓢及片样板或光谱样杯。 2) 将样瓢伸入炉渣中,在瓢的内外及与瓢连接的 杆部粘好炉渣。 3) 取出样瓢,观察粘渣是否符合要求,必须要保 证炉渣全部覆盖样瓢。 4) 粘渣完全后,将样瓢迅速伸入钢水内,位置: 精炼钢包内氩气翻动钢水处,熔池的1/3~1/2深的地方, 即在钢渣界面以下200~300mm处,舀取钢水并在钢水面 上完整覆盖炉渣,然后迅速、平稳地取出样瓢。 5) 倒样瓢钢水前,沿样瓢边沿刮去少量炉渣,以便 于倒出钢水。 6) 如果是取转炉钢样,则在倒出钢水前,要插少许 铝丝。 7) 均匀倒出钢水,取片样或圆杯样。 8) 样瓢内多余钢水及炉渣就地倒在炉前生铁平台上, 冷却后及时处理。 9) 将样瓢上粘住的炉渣及时敲碎,清理干净。 10) 使用过的样瓢及时敲直,如粘有冷钢则要去除, 然后放在指定位置备用。

转 炉 冶 炼 全 过 程 演 示 一

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5.4 复吹转炉炼钢工艺
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氧气转炉顶底复吹冶炼法可以说是顶吹转炉和底吹转炉冶 炼技术不断发展的必然结果。
1978年4月法国钢铁研究院(IRSID)在顶吹转炉上进行了底 吹惰性气体搅拌的实验并获得成功,1979年4月日本住友金 属发表了转炉复合吹炼的报告,从而加速了各国对LD转炉 的改造。

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我国首钢及鞍钢分别在1980年和1981年开始进行复吹的实 验研究,并于1983年分别在首钢30吨转炉及鞍钢180吨转炉 上推广使用。

5.4.1 复吹转炉炼钢法的类型
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顶吹氧、底吹惰性气体的复吹工艺
代表方法有LBE、LD-KG、LD-OTB、NK-CB、LD-AB等,底部供 气强度在0.03~0.12m3/(t?min) 。

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顶、底复合吹氧工艺
代表方法有BSC-BAP、LD-OB、LD-HC、STB、STB-P等。顶部 供氧比为60%~95%,底部供氧比为40%~5%,底部的供 氧强度在0.2~2.5m3/(t?min)范围,属于强搅拌类型。

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底吹氧喷熔剂工艺
典型代表有K-BOP。从顶吹转炉底部,通过底枪,在吹氧的 同时,还可以喷吹石灰等熔剂,吹氧强度一般为0.8~1.3m3/ (t?min),熔剂的喷入量取决于钢水脱磷、脱硫的量。

顶底复吹转炉示意图

5.4.2 底部供气元件的类型
底部供气元件是复吹技术的核心,目前有喷咀型、砖型 和细金属管多孔塞型三类。它们都必须满足分散、细流、均 匀、稳定的供气要求。 喷咀供气元件有单管、双层套管、环缝管或双槽式等。

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单管式适用于喷吹Ar、N2等气体; 双层套管式中心管通氧气,内外管间环缝通碳氢化合物保护 介质,或内管和环缝均为Ar、N2、CO2等相同介质; 环缝管是将内管用泥料堵塞,环缝通气,最大限度地扩大了 双层套管内外的压差。 由于冷却介质流量不足、冷却过度、喷管堵塞和气流的“后 坐”现象等,喷咀型供气元件有时存在烧结和结瘤现象,需 要以冷却介质工艺参数方面加以改进。

5.4.2 底部供气元件的类型
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使用碳氢化合物作喷咀的冷却介质,在喷咀出口周围可以形 成蘑菇头(炉渣与金属的凝结层,其中有放射气孔带)对喷咀 有保护作用。蘑茹头大小取决所吹气体的冷却能力及流量。 砖型供气元件有弥散型透气砖、砖缝组合型和直孔型透气砖 三类。
弥散型透气砖适于喷吹Ar,N2搅拌气体,气体阻力大,透气 量小,不能喷吹氧化性气体; 砖缝组合型供气阻力小,适用于喷吹惰性气体,但容易漏气

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而且各缝气流不均匀;
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直孔型透气砖阻力小而且气流分布较均匀,不容易漏气。

5.4.2 底部供气元件的类型
? 多微管透气塞供气元件是钢管型与砖型供气元

件两者的结合,微管直径早期为1.5mm左右,
现增大到3-4mm。
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微管的合理排布方式是保证管上形成的蘑菇头
连接起来,因此管距应在设定蘑菇头半径的2

倍以内。

5.4.3 顶底复吹转炉内的反应
1、成渣速度 ? 复吹转炉与顶吹、底吹两种转炉相比,熔池搅拌范围大, 而且强烈,从底部喷入石灰粉造渣,成渣速度快。 ? 通过调节氧枪枪位化渣,加上底部气体的搅动,形成高碱 度、流动性良好和一定氧化性的炉渣,需要的时间比顶吹 转炉或底吹转炉都短。 2、渣中∑(FeO)含量 ? 顶底复吹转炉在吹炼过程中,渣中的∑(FeO)的变化规律和 ∑(FeO)含量与顶吹转炉、底吹转炉有所不同,这是它炉内 反应的特点之一。 ? 从吹炼初期开始到中期逐渐降低,中期变化平稳,后期又 稍有升高,其变化的曲线与顶吹转炉有某些相似之处。

复吹转炉中∑(FeO)的变化规律
? 顶吹转炉(LD)>复吹 转炉(LD/Q-BOP)>底 吹转炉(Q-BOP)。 ? 从底部吹入的氧,生成 的FeO在熔池的上升过 程中被消耗掉; ? 有底吹气体搅拌,渣中 ∑(FeO)低,也能化渣, 在操作中不需要高的 ∑(FeO); ? 上部有顶枪吹氧,所以 它的∑(FeO)含量比底吹 氧气的还高。

复吹、顶吹、底吹转炉渣中∑(FeO)的比较

5.4.3 顶底复吹转炉内的反应
3、钢水中的碳
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吹炼终点的[C]-[O]关系和脱碳反应不引发喷溅 也是反映复吹转炉的冶金特点。 复吹转炉钢水的脱碳速度高而且比较均匀,原因 是从顶部吹入大部分氧,从底部吹入少量的氧, 供氧比较均匀,脱碳反应也就比较均匀,使渣中 ∑(FeO)含量始终不高。在熔池底部生成的FeO与 [C]有更多的机会反应,FeO不易聚集,从而很少 产生喷溅。

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复吹与顶吹、底吹转炉终点的[C]-[O]关系
复吹转炉的[C]-[O] 关系线低于顶吹转 炉,比较接近底吹 转炉的[C]-[O]关系 线。在相同含碳量 下,复吹转炉铁合 金收得率高于顶吹 转炉。

吹惰性气体后对钢水中[C]和[O]的影响
底部吹入惰性气体后, 钢水中[C]-[O]的关系 线下移,因吹入熔池 中的N2或Ar小气泡降 低CO的分压,同时还 为脱碳反应提供场所。
在相同含碳量的条件 下,复吹转炉钢水中 的含氧量低于顶吹。

5.4.3 顶底复吹转炉内的反应
4、钢水中的锰
顶底复吹转炉中 ∑(FeO)低,在吹炼初期, 钢水中的[Mn]只有30%40%被氧化,待温度升高

后,在吹炼中期的后段
时间,又开始回锰,所 以出钢前钢水中的残锰 较顶吹转炉高。 2.5吨复吹转炉、顶吹转炉和底 吹转炉钢水中[Mn]的变化

5.4.3 顶底复吹转炉内的反应
5、钢水中的磷 ? 从炉底部吹入的氧气,可与金属液反应生成FeO,FeO与[P] 反应,也有可能氧直接氧化金属液中的[P]生成P2O5。 ? 强有力的熔池搅拌有利于脱磷,在吹炼初期,脱磷率可达 40%-60%,吹炼后期,脱磷又加快。复吹转炉磷的分配系数 相当于底吹转炉,比顶吹高得多。 6、钢水中的硫 顶底复吹转炉脱硫条件较好,原因有四个方面: ? 底部喷石灰粉、顶吹氧,能及早形成较高碱度的炉渣; ? 渣中∑(FeO)比顶吹低; ? 底部喷石灰粉,有利于改善脱硫动力学条件; ? 熔池搅拌好,反应界面大,也改善脱硫反应动力学条件。

5.4.4 顶底复吹转炉的冶金效果
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顶底复吹转炉石灰单耗低,渣量少,化渣速度快,能形成 高碱度氧化性炉渣,渣钢间反应能力大,提前脱磷,直接 拉碳,生产低碳钢种,对吹炼中、高磷铁水适应性强。 吹炼平稳,喷溅和吹损低,金属收得率高。

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钢液氧化性降低,终点[Mn]残提高,铁合金单耗低相当于底 吹转炉。
顶吹氧枪功能改变,枪位提高,有利于炉内CO的燃烧,提 高废钢加入量。 冶炼时间短,氧气消耗少,且底吹气量增大,顶底复吹转 炉氧耗介于顶吹与底吹之间。

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炉容比降低,转炉的生产能力提高。

5.5 转炉的其他冶炼工艺介绍
1、底吹氧气转炉炼钢法 ? 1965年加拿大液化空气公司成功研制了双层管氧气喷咀, 1967年西德马克西米利安公司引进了此喷咀技术,喷咀内层 钢管通氧气,钢管与其外层无缝管的环缝中通碳氢化合物, 利用包围在氧气外层的碳氢化合物的裂解吸热和形成还原性 气幕冷却保护氧气喷咀,成功开发了底吹氧气转炉炼钢技术, 称之为OBM法(Oxygen Bottom Blowing Maxhutfe)。与此 同时,比利时,法国研制成功与OBM 相似的方法,法国命名 为LMS法。
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1971年,美国钢铁公司引进了OBM法,1972年建设了3座200 吨底吹氧气转炉,命名为Q-BOP法(Quiet-BOP)。此后,底 吹转炉在欧洲、美国和日本又得到了进一步发展。

底吹氧气转炉结构特点
炉身和炉底可拆卸分开, 不同吨位的炉子,在底吹 上安装不同数目的吹氧喷 咀,一般为6-22支。例如 230t底吹氧气转炉有1822个喷咀,150t有12-18 个喷咀。 喷咀在炉底上的布置, 最常用的是炉底和喷咀垂 直,而且与炉子转动轴对 称。也有为了改善熔池搅 拌,喷咀与炉底倾斜布置, 而且与炉子转动轴不对称。

底吹氧气转炉结构特点
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喷咀冷却剂可采用天然气、丙烷、丁烷等碳氢化合物。 为了提高脱磷、脱硫效率,由喷咀内管吹氧的同时吹碳 粉和萤石粉等造渣剂。 根据不同精炼目的,内管除吹氧外,还可吹氩或氮气。

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底吹氧气转炉设有顶吹氧气转炉那样的氧枪,不需要高 厂房。

底吹氧气转炉炉内反应
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吹炼初期,铁水中 [Si]、[Mn]优先氧化,但[Mn] 的氧化只有30~40%,而LD转炉吹炼初期有70%以 上锰氧化。 吹炼中期,铁水中碳大量氧化,氧的利用率几乎 100%,而且铁矿石、铁皮分解出来的氧,也被脱 碳反应消耗了。这体现了底吹氧气转炉比顶吹氧气 转炉具有熔池搅拌良好的特点。渣中的(FeO)被 [C]还原,渣中(FeO)含量低于LD转炉,铁合金收 得率高。

吹炼过程中钢水成分的变化

吹炼过程中炉渣成分的变化

吹炼终点[%C]和[%O]的关系图
在钢水中[%C]>0.07时,底吹
氧气转炉和顶吹氧气转炉的[C][O]关系,都比较接近pCO=1atm, 1600℃时[C]-[O]平衡关系,但 当钢水中[%C]<0.07时,底吹氧 气转炉内的[C]-[O]关系低于 pCO=1atm时[C]-[O]平衡关系, 这说明底吹氧气转炉和顶吹氧气 转炉在相同的钢水含氧量下,与 之相平衡的钢水含碳量,底吹转 炉比顶吹转炉的要低。

锰的变化规律
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底吹氧气转炉熔池中[Mn]的变 化有两个特点: 吹炼终点钢水残[Mn]比顶吹转 炉高; 底吹氧气转炉渣中(FeO)含 量低于顶吹; CO分压(约 0.4atm)低于顶吹转炉的1atm; 喷咀上部的氧压高,Si气化为 SiO并被石灰粉中CaO所固定, 这样MnO的活度增大。

钢水中[%Mn]的理论值和实际值的比较

铁的氧化和脱磷反应
底吹氧气转炉渣中(FeO)含量低于顶吹氧气转炉,这

样不仅限制了底吹氧气转炉不得不以吹炼低碳钢为主,而 且也使脱磷反应比顶吹氧气转炉滞后进行,但渣中(FeO) 含量低,金属的收得率就高。

在低碳范围内,底吹氧气转炉的脱磷并不逊色LD炉。 其原因可归纳为在底吹喷咀上部气体中O2分压高,产生 强制气化,P生成PO(气),并被固体石灰粉迅速化合为 3CaO.P2O5,具有LD转炉所没有的比较强的脱磷能力。

? 为了提供底吹氧转炉高碳区的脱磷能力,通过炉底 喷入铁矿石粉或返回渣和石灰粉的混合料,已取得 明显的效果。 ? 可采用留渣法吹炼高磷铁水,将前炉炉渣留在炉内 一部分,前期吹入石灰总量的35%左右,后期吹入 65%左右造渣,中期不吹石灰粉。前期可脱去铁水 含磷量的50%,吹炼末期的炉渣为CaO所饱和,供 下炉吹炼用。

脱硫反应
与顶吹相比, 底吹氧转炉具 有较强的脱硫 能力,特别是 炉渣碱度为 2.5以上时表 现得更明显。

钢中的[H]和[N]
底吹氧转炉钢中
[H]比顶吹转炉的高,

其原因是底吹转炉
用碳氢化合物作为 冷却剂,分解出来

的氢被钢水吸收。
吹炼终点[C]与[N]的关系

底吹转炉与顶吹转炉的比较
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优点: 铁收得率高; Fe-Mn、Al等合金消耗降低; 脱氧剂和石灰降低; 氧气消耗降低; 烟尘少,是顶吹的1/2~1/3,喷溅少; 脱碳速度快,冶炼周期短,生产率高; 废钢比增加; 搅拌能力大,氮含量低。 缺点: 炉龄较低; ∑FeO少,化渣比较困难,脱磷不如LD; 钢种[H]含量较高;

5.5 转炉的其他冶炼工艺介绍
2、顶底复合吹炼转炉少渣冶炼
?

转炉少渣冶炼——铁水经预脱硅、预脱磷和预脱硫处理后, 为转炉提供低硅、低磷和低硫的铁水,这样就可以不大量 造渣,简化转炉操作,转炉内只进行脱碳和升温操作。

?

1979年,新日铁室兰厂开发了脱硅铁水在转炉内的小 渣量冶炼法,即SMP法(Slag Minimizing Process)。
新日铁君津厂于1982年投产了采用石灰熔剂脱磷、脱 硫预处理的ORP法(Optimizing the Refining Process)法。

?

5.5 转炉的其他冶炼工艺介绍
?

1982年,日本住友金属也投产采用了苏打粉进 行铁水预处理的SARP法(Sumitomo Alkali Refining Process)。 1983年,神户制钢开发了石灰和苏打粉联合预 处理铁水的OLTPS法。
随着转炉少渣冶炼的发展,并逐渐完善形成了 当今的转炉生产中的先进工艺流程。

?

?

复吹转炉少渣冶炼的冶金特性
?

还原性功能。吹入的锰矿粉,可利用渣量少,∑(FeO)

低,熔池温度高的特点,使MnO直接还原,回收锰矿
中的Mn,从而提高钢液中锰含量。
?

钢中的氢明显减少。由于散装料及铁合金消耗量减少, 少渣精炼时钢水和炉渣的氢含量明显减少。 铁损明显减少。由于渣量减少,渣带走的铁损明显减

?

少。

5.6 转炉典型钢种的冶炼及质量
? ?

焊条钢的冶炼及质量 低合金高强度结构钢的冶炼及质量

?
? ? ? ?

硅钢的冶炼及质量
中高碳钢的冶炼及质量

深冲钢的冶炼及质量
连铸准沸腾钢的冶炼及质量 超纯净钢的冶炼及质量

焊条钢的冶炼及质量
氧气转炉的特点: 1)残余元素含量低。由于氧气转炉炼钢主要原材料 是铁水,所用废钢量仅占总装入量的5%-20%。由于 废钢加入量少,故转炉钢所含残余合金元素少,有害 杂质很少,钢质较纯,性能优良。 2)钢中气体含量较低。由于氧气转炉碳氧反应速度 大,熔池搅拌良好,熔池反应接近平衡;采用顶底复 吹熔池反应更接近平衡。故终点钢液在相同含碳量下, 其钢液含氧量低于平炉和电炉钢。 3)生产超低碳钢很方便。与钢包真空精炼装置配合, 生产纯净钢和超纯净钢比其他炼钢炉更为合适。

焊条钢的冶炼及质量
世界各国焊条钢产生大约占钢产量的1%左右。焊条钢为 质量钢,要求化学成分稳定,硫和磷含量越低越好,其他残 余元素含量也是越低越好。 1.焊条钢的类别和化学成分要求 我国国家标准规定了熔化焊用钢丝的尺寸、外形、重量、 技术要求、试验方法、检验规则、包装、运输、贮存标志及 质量证明等,其中关于钢丝的牌号及化学成分应符合表1的 要求。 表1所规定的钢种及其化学成分,是在盘条中取样分析结 果,而不是熔炼分析结果。因此各炼钢厂厂控成分要求严于 国家标准,以确保偏析后各部位的盘条成分均能符合国家标 准。

表1 熔化焊用钢丝的牌号及化学成分
钢 序 种 号
1

化 学 成 分 /%
牌号 C
H08A H08E H08C H08MnA H15A H15Mn H10Mn2
H08Mn2Si

Mn
0.30-0.55 0.30-0.55 0.30-0.55 0.80-1.10 0.30-0.65 0.80-1.10 1.50-1.90

Si
≤0.03 ≤0.03 ≤0.03 ≤0.07 ≤0.03 ≤0.03 ≤0.07 0.650.95 0.650.95 0.600.90 0.701.10 ≤0.25

Cr
≤0.20 ≤0.20 ≤0.10 ≤0.20 ≤0.20 ≤0.20 ≤0.20

Ni
≤0.30 ≤0.30 ≤0.10 ≤0.30 ≤0.30 ≤0.30 ≤0.30

Mo

V

Cu
≤0.20 ≤0.20 ≤0.20 ≤0.20 ≤0.20 ≤0.20 ≤0.20

其它

S ≤
0.030 0.020 0.015 0.030 0.030 0.035 0.035

P
0.030 0.020 0.015 0.030 0.030 0.035 0.035

≤0.10 ≤0.10 ≤0.10 ≤0.10 0.110.18 0.110.18 ≤0.12

碳 素 结 构 钢

2 3 4 5 6 7

8

≤0.11
≤0.11 ≤0.14 ≤0.14 ≤0.10

1.70-2.10
1.80-2.10 0.80-1.10 0.90-1.20 1.20-1.60

≤0.20
≤0.10 ≤0.20 ≤0.20 ≤0.20

≤0.30
≤0.10 ≤0.30 ≤0.30 ≤0.30 0.15-0.25 0.30-0.50

≤0.20
≤0.20 ≤0.20 ≤0.20 ≤0.20 Ti 0.15

0.035
0.030 0.035 0.035 0.030

0.035
0.030 0.035 0.035 0.030

合 金 结 构 钢

9 10 11 12

H08Mn2SiA

H10MnSi

H10MnSiMo

H08MnMoA

焊条钢的冶炼及质量
碳素结构钢焊丝应具有合理的、稳定的化学成分,便于 配加焊药。各化学元素对焊条加工及焊缝性能的影响如下: 碳:焊丝中含碳量增加,会使焊缝金属含碳量增加, 提高其强度。焊缝的裂纹倾向是随着焊丝含碳量的增加而 增加,同时含碳量的增加使焊缝金属的冲击韧性σ k值下降。 焊丝含碳量过低,造成焊丝太软,焊药挤压困难,且焊缝 金属强度不够。因此碳素结构钢H08类含碳量控制在0.06% -0.09%范围内。 硅:硅影响冷拔加工性能,在焊缝中有降低塑性的倾向, 故国家标准规定碳素结构钢H08类硅含量≤0.03%。

焊条钢的冶炼及质量
锰:增加焊缝中的含锰量,可提高抗拉强度,也使塑性 和韧性提高。同时还提高焊缝的抗裂能力。实际生产中, 盘条中含锰量普遍低于熔炼成分约10%。因此锰应按钢种 规格中、上限控制,碳素焊条钢类H08A、H08E和H08C的熔 炼成分锰含量应控制在0.40%-0.50%为好。 硫和磷:都是有害元素。硫含量增加会使焊缝的热裂倾 向增大,同时使焊缝产生表面气孔的可能性增加;磷含量 增加使焊缝冷裂倾向增大,同时低温冲击值迅速降低。H08 分为A,E,C就是根据磷和硫含量不同而区分。 铜:铜含量高时易产生焊缝开裂,所以要求Cu≤0.20%。 用铁水为主要原料炼钢,残余元素铜含量远远低于0.20%, 故厂内一般不做考核。

焊条钢的冶炼及质量
2.碳素结构焊条钢的冶炼和浇注 1)严格控制成分 由于H08类碳素结构钢为沸腾钢,存在成分偏析,尤其是 硫、碳和磷在钢锭上部和中心呈正偏析。为了保证盘条质 量,冶炼时必须严格控制成分。 2)冶炼要点 (1)铁水含硫量≤0.035%时方可冶炼此钢种,出铁时尽 量少带高炉渣。 (2)冶炼本钢种时要考虑到石灰、矿石、铁块、煤等原材 料含硫量。 (3)装入量力求准确。废钢加入量以确保过程温度、终点 温度为前提。

焊条钢的冶炼及质量
(4)冶炼过程中关键是去硫,必须注意以下问题: ? 前期高温去硫,要求第一次拉碳(熔池C在0.20%~0.30%) 时温度为1650-1680℃。炉渣碱度为3.0-3.6,尽量多倒炉 渣。 ? 后吹用石灰石或生白云石调温造新炉渣,这样既可以防止 熔池温度过高又可以有效地去硫。 ? 吹炼终点碳含量在0.04%~0.06%,熔池温度在1640~ 1660℃。炉渣碱度大于3.2。 (5)为了保持钢中合适的含氧量,用1/3中碳锰铁和2/3高碳锰 铁合金化。这样钢水增碳约0.02%,有利于模内钢液沸腾。 且中碳锰铁含硅1.5%-2%,不致因中碳锰铁加入数量多增 硅而影响沸腾。

焊条钢的冶炼及质量
(6)出钢时用铁芯铝调整包内钢水氧化性。 (7)开浇平稳,随时观察模内钢液沸腾,浇注过程及时刺 铝调整钢水氧化性。 尽量使用瓶口模浇注。用瓶口模浇注时,预留高度90lOOmm,然后加瓶塞。 用敞口模浇注时必须采用铝封,加铝时要拨渣后搅拌,防 止钢水冒窜而导致钢锭开坯轧制时脱落(掉头)。 3.合金结构焊条钢冶炼浇铸要点 冶炼合金结构焊条钢,关键还是去硫和减少合金化增碳。 由于合金成分范围窄,冶炼时应有快速分析与钢包精炼相配 合。连铸小方坯时,最好采用碱性中间包包衬,并在中间包 至结晶器采用浸入式水口和保护渣浇注。

焊条钢的冶炼及质量
4.现代全连铸厂冶炼焊条钢要点 1)铁水脱硫:经过铁水预处理,入转炉的铁水含硫量 ≤0.007%,是技术合理、最经济的脱硫方法。 2)钢水经过真空脱气装置,利用钢液的碳和氧作用,使 钢中全氧含量≤40?10-6(ppm)。虽然钢中无硅和少铝,铸 坯或钢锭也不会产生皮下气泡。
3)钢水通过连铸浇成铸坯。采用全保护浇注(大包保护 套管和氩气密封、中间包至结晶器采用浸入式水口保护渣), 防止钢水二次氧化,促进在中间包和结晶器内钢液中夹杂 物的上浮,提高钢的纯洁度,提高冷拔加工性能,适宜生 产高强度高韧性等高级焊条。

低合金高强度结构钢的冶炼及质量
1.低合金高强度结构钢的化学成分和力学性能

低合金钢的特点是在碳素钢的基础上加入少量合 金元素,使钢的强度提高,改善综合性能,并使钢具 有某些特殊性能。 按低合金高强度结构钢的国家标准,屈服点σ S 分 295Mpa,345Mpa,390Mpa,420Mpa和460Mpa五类。牌 号和化学成分见下表。

表2 低合金高强度结构钢的牌号和化学成分
牌号
Q295

质量 等级
A B A B C D E A B C D E A B C D E C D E

化 学 成 分 /%
C≤
0.16 0.16 0.20 0.20 0.20 0.18 0.18 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20

Mn
0.80-1.50 0.80-1.50 1.00-1.60 1.00-1.60 1.00-1.60 1.00-1.60 1.00-1.60 1.00-1.60 1.00-1.60 1.00-1.60 1.00-1.60 1.00-1.60 1.00-1.70 1.00-1.70 1.00-1.70 1.00-1.70 1.00-1.70 1.00-1.70 1.00-1.70 1.00-1.70

Si≤
0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55

P≤
0.045 0.040 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 0.035 0.030 0.025

S≤
0.045 0.040 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 0.035 0.030 0.025

V
0.02-0.15 0.02-0.15 0.02-0.15 0.02-0.15 0.02-0.15 0.02-0.15 0.02-0.15 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20

Nb
0.015-0.060 0.015-0.060 0.015-0.060 0.015-0.060 0.015-0.060 0.015-0.060 0.015-0.060 0.015-0.060 0.015-0.060 0.015-0.060 0.015-0.060 0.015-0.060 0.015-0.060 0.015-0.060 0.015-0.060 0.015-0.060 0.015-0.060 0.015-0.060 0.015-0.060 0.015-0.060

Ti
0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20 0.02-0.20

Al≥

Cr≤

Ni≤

Q345

0.015 0.015 0.015 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70

Q390

0.015 0.015 0.015

Q420

0.015 0.015 0.015
0.015 0.015 0.015

Q460

低合金高强度结构钢的冶炼及质量
2.低合金高强度结构钢的冶炼要点 1)质量高级的低合金高强度结构钢要求钢中磷和硫量低。 因此要强化造渣工艺,做到早化渣、化好渣,保终渣碱度 在3.0~3.4,提高去除硫和磷的效率。 2)采用一次拉碳,避免后吹,以降低钢中含氧量和含氮 量。采用挡渣出钢,减少回磷,提高合金的收得率,控制 好过程和出钢温度,避免低温和高温出钢。 3)加强脱氧操作,采用复合脱氧剂如硅铝钡合金、硅钙 合金等。冶炼C,D,E级钢,要求钢中含铝量≥0.015%, 采用钢包喂铝丝稳定和提高铝的收得率,浇注时要防止钢 液二次氧化,减少钢包和中间包水口结瘤。

硅钢的冶炼及质量
1.硅钢分类和硅钢片性能 硅钢属软磁合金,软磁合金在工业上广泛用来制造导磁体、 变压器、继电器、电机、磁放大器等。软磁合金只有在外磁 场作用下才显示出磁性,去掉外磁场就要求不显示出磁性。 除硅钢外软磁合金还有纯铁、铁镍合金等。 据计算,从发电考虑每增加100kW?h时,必须相应增加 1kg硅钢片用以制造发电机、电动机和变压器。按化学成分有 低硅(1.5%左右)、中硅(2.5%左右)和高硅(3%以上)硅钢片; ? 按轧制工艺分有热轧硅钢片和冷轧硅钢片; ? 按结晶结构分有热轧的非织构硅钢片、冷轧低织构、高斯 织构(单取向织构)和立方织构(双取向织构)硅钢片; ? 按用途分为电机用或变压器用硅钢片。

表3

热轧硅钢薄钢板电磁性能和最低弯曲次数

表4

冷轧无取向硅钢带(片)铁损和磁感

硅钢的冶炼及质量
2. 硅钢板的国家标准要求
1)在不同磁场强度下要求有一定的磁感应强度 在同一磁场强度作用下,硅钢片磁感应强度值越大,其 磁性性能越好。用磁性性能好的硅钢片制造电机或变压器 时,体积较少,重量减轻,节约钢材。 2)必须有较低的铁损 所谓铁损是指硅钢片在使用时能量的损耗。它包括磁滞 损失及涡流损失之和,所以硅钢片的铁损值一直作为衡量 硅钢片质量水平的一项主要标志。 3)对脆性有一定要求 由于硅钢片要冲压成各种形状,故硅钢片的脆性要低, 否则将会影响冲模的寿命以及降成品率。一般通过反复弯 曲试验来检查其脆性。

硅钢的冶炼及质量
3.硅钢冶炼 各国的硅钢标准,均无化学成分规定。为了达到标准中对 电磁性能要求,生产硅钢的炼钢厂,都有严格的内控标准和 生产绝窍或专利。 以A钢铁公司30t转炉生产D2P为例: 内控成分(%):C 0.06,Si 2.0,Mn 0.35,P 0.08和 S≤0.020。 冶炼中化渣是关键,以提高脱硫效率,强调用调整枪位化 渣,适当加入萤石,要求早化渣、化好渣。一次拉碳(C 0.2 %左右)时,炉渣碱度3.2~3.6,温度1640-1670℃,用较高 的温度及碱度将硫降下来。 多倒渣子,再配加生白云石或石灰,使终点碳为0.06%时, 熔池温度1590~1610℃。 后吹要求低枪位、加大氧流量,目的是加强搅拌,去除S、 均匀成分并促进夹杂物上浮。

硅钢的冶炼及质量
出钢时严禁下渣,保证圆流出钢和出钢时间,使包内硅 铁熔化完毕。 为保钢水成分均匀,过去采用倒包操作,近几年采用钢 包底吹氩。底吹氩工作压力0.2MPa,时间≥4min。 为了获得良好的钢锭表面,采用保护浇铸,控制注速和 注温,以免注温、注速高产生粘模和角部裂纹等缺陷;注 温、注速低易形成沟纹或翻皮。钢锭浇至预定高度,水冷 封顶和补注使钢锭头部微凸。 为了避免钢锭发生冷裂,一律热送至初轧厂。

硅钢的冶炼及质量
B公司第二炼钢厂采用日本硅钢生产专利,生产无取向

高牌号硅钢。他们采用的生产工艺路线是: 1)KR法铁水脱硫,入转炉铁水硫≤0.005%; 2)转炉顶底复合吹炼,终点碳含量控制在0.04%左右; 3)硅钢钢水全部经过RH真空脱气处理:脱碳、脱氢、脱 氧、排除夹杂物; 4)严格控制钢水酸溶铝含量在一个极狭窄的范围内,其 他成分如锰硅含量都控制在一个狭窄的范围内:

硅钢的冶炼及质量
5)连铸采用慢速浇注,连铸坯采用热送,防止产生裂纹; 6)连铸采用全保护浇铸,结晶器使用硅钢专用保护渣; 7)连铸二冷中段采用电磁搅拌,保证等轴晶面积约占断 面积的50%。 冶炼高牌号硅钢十分困难,成分控制范围很狭窄,取向 和无取向硅钢的控制各不相同。

中高碳钢的冶炼及质量
1.60年代重轨钢、滚珠钢的冶炼及其质量 氧气转炉适合于冶炼低碳钢和超低碳钢,但也能冶炼中 高碳钢。 氧气转炉常用“高拉碳”操作冶炼高碳钢,采用“高拉 碳”法生产高碳钢是因为所用铁水含硫量在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用不着考虑。 “高拉碳”法冶炼高碳钢,渣中氧化铁低,金属收得率 高,氧气和脱氧剂消耗低,终点钢液的气体含量较低。 为了高拉碳,不得不中途倒炉取样,快速分析成分,并 进行必要的补吹,这就是“高拉补吹”工艺。这样,冶炼 时间反而延长,影响炼钢生产能力。

中高碳钢的冶炼及质量
碳高渣中氧化铁低,对脱磷不利,用中高磷铁水炼钢,不 宜采用“高拉碳”来冶炼中高碳钢。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。 60年代中期,首钢曾在氧气转炉上大批量试制滚珠轴承钢 GCrl5和GCr9。冶炼采用“高拉补吹”,炉内合金化(铬铁加 进炉内吹氧助熔)。氧气转炉冶炼轴承钢钢号及成分见表5。 冶金部标准:轴承钢应用电炉冶炼并需经真空脱气处理。

表5 氧气顶吹转炉轴承钢钢号及化学成分
钢类 铬 轴 承 钢 钢号
GCr9 GCr15 GCr15SiMn GCr10 GMnMOV GMnMoVRe ZG1

C
1.001.10 0.951.05 0.951.05

Si
0.150.35 0.150.35 0.450.65

Mn
0.200.40 0.200.40 0.901.20

P
<0.027 <0.027 <0.027 ≧0.030 <0.027 <0.027 <0.03 <0.03 <0.03

S
<0.020 <0.020 <0.020 ≧0.030 <0.020 <0.020 <0.030 <0.030 <0.030

Cr
0.901.20 1.301.65 1.301.65

Mo

V

Re

Nb

0.320.42
0.951.05 0.951.05

0.170.37
0.150.40 0.150.40

0.400.70
1.101.40 1.101.40

0.801.20
0.400.60 0.400.60 0.150.25 0.150.25

0.10

新 轴 承 钢

0.951.10
0.951.10 0.951.10 0.951.10 0.951.05 0.951.05

0.550.80
0.550.80 0.450.65 0.450.65 0.150.40 0.150.40

1.101.30
1.101.30 0.751.05 0.751.05 1.301.50 1.301.50

0.200.30
0.200.30 0.200.40 0.200.40 0.200.30 0.200.30 0.150.25 0.150.25 0.100.15

ZG1Re ZG2

0.10

ZG2Re
GMnVNb GMnVNbRe

<0.03
<0.03 <0.03

<0.030
<0.022 <0.022

0.10
0.030.05 0.030.05

中高碳钢的冶炼及质量
2.高碳硬线钢的冶炼及其质量

按优质碳素结构钢标准GB699-88技术条件,钢的熔炼成分 杂质Ni,Cr,Cu含量都应小于0.25%,硫和磷含量都不大于 0.035%,硅含量0.17%-0.37%,锰含量0.50%-0.80%。 采用真空脱气处理和全连铸保护浇铸,则钢质纯净,加工 性能好,制出的钢丝绳寿命也越长;反之钢中夹杂物多,粗 系硅酸盐评级高,冷拔时易断线,只能制钢绞线和普通弹簧。 因此,没有钢包精炼和合适的连铸新工艺技术,则不宜生产 高质量纯净钢。 硬线钢工艺及其质量见表6。

表6 硬线钢生产工艺及其质量
质量水平 世界先进水平 ①铁水脱硫扒渣-转炉复吹 -RH (大断面全保护浇铸或钢锭) 二火成材 ②EF-LF-RH (大断面全保护浇铸或钢锭) 二火成材 ≤30 国内先进水平 国内较好水平 ①转炉-吹氩-钢锭 二火成材 ②EF-LF-断面 ≥150mm方坯全保护 浇铸-高速线材轧机

生产 工艺 路线

同左

钢材含氧量 /PPm

31-50

51-80

钢材 (φ 5.5-10mm) 无粗系夹杂物 夹杂物 各类夹杂物细系≤0.5级 金相评级

各类夹杂物粗系 无粗系夹杂物 ≤2.0级 各类夹杂物细 各类夹杂物细系 ≤2.0级 系≤1.0级

续表6 硬线钢生产工艺及其质量
质量水平 世界先进水平 国内先进水平 国内较好水平

钢材成分%C %S
拔丝情况 制造成品 质量情况

目标值±0.02 ≤0.010
减径尺寸 ≤φ0.12mm冷拔和 捻绳无断裂 能制轮胎子午线 优质钢丝绳 寿命大于两年

目标值±0.02 ≤0.010

中限±0.040 ≤0.017

φ0.13φ0.21- φ0.30mm φ0.20mm百公里 百公里线长断线 线长断线一次 三次以内 能制轮胎子午线 可制优质钢丝绳 优质钢丝绳 寿命1年 寿命大于1-1.5年

深冲钢的冶炼及质量
深冲用薄钢板的钢种很多,有代表性的第一代为 08F和08镇静钢,第二代为08Al钢,第三代为IF钢 (超低碳、超低氮、超低硫和加钛、铌形成碳氮化合 物,即铁素体无间隙原子钢)。 1.对深冲钢的要求 1)具有良好的深冲成形性能; 2)具有一定的强度和塑性; 3)表面质量应该良好; 4)为了保证深冲用钢的冲压加工性能,对钢的显 微组织如铁素体晶粒度或实际晶粒度、游离渗碳体 组织、带状组织等都有一定的要求。

深冲钢的冶炼及质量
2.08Al钢的冶炼及其质量 根据国家标准GB5213-85,钢的牌号和熔炼化学成分应符 合如下规定。08Al钢:C≤0.08%,Si痕迹,Mn≤0.40%、酸 溶铝Als0.02%-0.07%,P≤0.020%,S≤0.030%。钢中残 余铬、镍和铜应分别不大于0.03%,0.1%和0.15%。厚度不 大于2mm的钢板和钢带的力学性能要求见表7,在交货状态进 行杯突试验冲压深度要求见表8。 硅使铁素体的强度提高并促使铁素体晶粒粗化。硅对钢的 冷加工变形硬化作用极强,同时降低钢的塑性。 铝在深冲用钢中的作用十分重要。除了脱氧外,铝与钢中 的N结合成A1N,从而减少固溶于铁素体的自由氮,减少氮对 位错的钉扎作用和时效以及保证冲压成形时出现滑移线。A1N 促进了冷轧后退火时薄饼形晶粒的形成,有利于冲压成形。

表7 深冲用钢板的力学性能

表8 杯突试验冲压深度规定(mm)

深冲钢的冶炼及质量
3.IF钢的冶炼及其质量 IF钢由于深冲性能很好,并有一定的强度,近几年发展很 快,广泛应用于汽车工业。目前世界IF钢冷轧钢板主要产于 日本、美国和西欧等工业发达国家。 以日本川崎公司为例,采用铁水预处理和顶底复合吹炼, 在真空精炼前钢水成分(%):C≤0.06,Mn≤0.15,P≤0.010, S≤0.015,T[O]≤0.025和[N]≤0.0040,钢水温度1631℃。 通过多功能RH-MFB真空精炼装置,处理36min。钢水温度损失 24℃,处理毕钢水温度1597℃。 真空精炼结束时的钢水成分(%):
C Si Mn P S a0 T[O] Nb Ti 0.0003 0.015 0.12 0.012 0.008 0.0028 ≤0.0011 0.009 0.029 Als 0.042

深冲钢的冶炼及质量
钢水连铸时,采用碱性钢包和中间包、氩气密 封,全保护浇注技术和电磁搅拌等新技术,保证钢 水不产生二次氧化,不增碳,不增氧和不增氮,钢 中氧化物夹杂能在中间包和结晶器内上浮,为保护 渣所捕捉。 我国宝钢也用铁水喷吹脱硫、顶底复合吹炼、 RH真空脱气装置和板坯连铸机全保护浇注生产IF钢, 其化学成分(%):
C Si Mn P S Als Ti Nb [N] 0.0035 0.02 0.14 0.009 0.008 0.045 0.054 0.010 0.0031

连铸准沸腾钢的冶炼及质量
为了克服硅铝镇静钢的缺点和解决用连铸不能浇铸沸腾 钢的问题,70年代日本新日铁公司大分厂首先开发成功连 铸用准沸腾钢。 其特点只用少量铝而不用硅脱氧,且钢中铝含量范围很 狭窄,仅为0.005%-0.010%。这样窄的含铝量范围保证脱 氧完全,只有在钢水进行真空处理的条件下才能实现。 对钢水进行真空处理是连铸生产准沸腾钢的前提条件。 日本几家钢厂生产的准沸腾钢化学成分及采用炉外精炼方 法如表9所示。 准沸腾钢生产的热轧板、冷轧板和表面处理钢板的操作 性、成形性、表面质量和焊接性能都很好。准沸腾钢与沸 腾钢或压盖钢相比,质量情况如表10所示。

表9 日本几家钢厂准沸腾钢化学成分及精炼方法
钢 种

生产厂家
日本新日铁 公司大分钢 厂

炉外精炼 方法 RH-OB 真空精炼 处理

化 学 成 分 /% C Si Mn P S Al N

0.04

0.01
≤ 0.02 ≤ 0.03

0.25
0.10.25 0.200.25

0.015
≤ 0.025 ≤0.025 ≤ 0.025 ≤0.02

0.014
≤ 0.025 ≤ 0.022 ≤ 0.025 ≤0.02

0.006
0.010.03

0.0022
≤ 0.0025

薄 日本钢管公 板 司京滨厂、 用 福山厂 钢 日本新日铁 公司 日本中山钢 线 铁公司船町 材 钢厂 用 日本神户钢 钢 铁公司加古 川钢厂

多动能 0.01RH真空 0.05 精炼处理 RH-PB 0.03真空精炼 0.05 处理 RH-PB 真空精炼 处理 < 0.02

≤ 0.0020.007 0.0025 < 0.005 0.01

0.04
≤ 0.03

0.25
0.150.65

-

多动能 0.04RH真空 0.18 精炼处理

-

表10 准沸腾钢的质量
热轧薄板 项目 评价 冷轧薄板 项目 评价 镀锌板 项目 评价 镀锡板镀铬板 项目 评价

表面缺陷 平整度 轧制生产率 成形性 表面处理性 焊接性

◎ ◎ ○ ◎ ○ ○

表面缺陷 平整度 轧制生产率 成形性 退火特性 表面处理性 焊接性

◎ ◎ ○ ◎ ○ ○ ○

表面缺陷 平整度 粘着性 成形性 表面处理性

◎ ◎ ○ ◎ ○

表面缺陷 平整度 硬度 耐蚀性 表面特性

◎ ◎ ○ ○ ○

◎:优于沸腾钢或压盖钢; ○:相当于沸腾钢或压盖钢。

超纯净钢的冶炼及质量
超纯净钢冶炼工艺采用铁水预处理,使入转炉铁水 S≤0.005%,P≤0.01%。转炉采用顶底复合吹炼,一次拉碳 出钢。 终点碳约0.03%,N≤20?10-6(ppm),S≤50?10-6(ppm), P≤50?10-6(ppm); 挡渣出钢,采用碱性材质的钢包不加A1弱脱氧。钢水在多 功能RH真空精炼装置处理,使精炼毕钢水含碳量≤15?10-6 (ppm),[N]≤20?10-6(ppm),[H]≤1?10-6 (ppm), T[O]≤10?10-6 (ppm),[S]≤10?10-6 (ppm)和 [P]≤15?10-6 (ppm)。

超纯净钢的冶炼及质量
钢水在连铸时,钢包保护套管和氩气密封,中间包采用 大容量、碱性耐火材料、合理的挡渣堰和墙以及中间包用 渣、氩气密封、中间包液面自动控制,浸入式水口和专用 结晶器保护渣,结晶器液面自动控制和电磁制动技术。二 冷自动配水、气水雾化冷却、电磁搅拌等新技术应用。 保护钢水不产生二次氧化,不增氮,不增碳,不增氢, 氧化物夹杂在中间包和结晶器中能上浮,为保护渣所捕捉。 目前日本生产超纯净钢,钢中[H]+[N]+[O]+ [S]+[P]的 全部含量45~70?10-6 (ppm)。

超纯净钢的冶炼及质量
我国宝钢于1993年也成功冶炼了第一炉超纯净钢,钢中 [P]20?10-6(ppm),[S]25?10-6(ppm),[N]27?10-6(ppm), [H]1.3?10-6(ppm),[O]23?10-6(ppm),五元素含量之和为 96.3?10-6(ppm)。 超纯净钢生产与近十多年RH向多功能发展有密切关系。 ? 在RH装置真空室内钢水上面安装了氧枪喷吹氧气的RH-KTB 技术。 ? 在真空室的下部安装了能向钢水喷吹熔剂粉末的喷枪的 RH-PB技术。 ? 在RH真空室内钢水上面设置喷枪,可吹氧也可以通过天燃 煤气和氧气,加A1设备脱氧或钢水提温的RH-MFB技术。

5.7 转炉炼钢过程自动控制

1、顶吹氧气转炉炼钢的静态和动态控制 ? 静态控制 ? 以物料平衡和热平衡为基础建立一定的数学模型,按照已知的 原材料条件和吹炼终点温度和含碳量的要求计算材料的加入量 和供氧量,按计算结果装料和吹炼,吹炼过程中不再进行修正。 ? 为了实现静态控制,要求稳定原料条件和工艺操作、迅速准确 地称量、分析各种原材料、测定温度、流量和压力;编制切合 实际的数学模型。 ? 静态控制的终点命中率可达70%左右,约比人工控制提高10~ 20%。静态控制有三种数学模型: ? 理论模型 理论模型是根据炼钢过程的物料平衡和热平衡方程 式及按照生产情况作的一系列假设推导出来的。如将冶炼低碳 钢的各种变量分成三类:

5.7 转炉炼钢过程自动控制
?

?

?

?

第一类是主要变量 如铁水成分、温度和重量,渣料重量,终 渣成分和碱度,钢水重量,冷却剂重量,枪位及上下两炉的 间隔时间等; 第二类假定为常数 如吹炼时间,终点钢水成分,渣料成分, 炉子热损失等; 第三类可以忽略不计 如废钢成分和块度,铁水带入的渣量及 炉龄等。 统计分析模型 统计分析模型是应用数理统计方法,对大量 生产数据进行统计分析,如用回归分析的方法,建立各种原 材料的加入量与各种影响因素之间的数量关系的方程式。

5.7 转炉炼钢过程自动控制
?

增量模型 增量模型是将顶吹氧气转炉整个炉役期间工艺 因素变化的影响看作是连续函数,相邻两炉炉型对操作结 果的影响由于相差极微而看成是一样的。以上一炉操作情 况为基础,对下一炉操作因素的变化加以修正,作为下一 炉的数学模型。其数学通式为:y0=y1+f(x0-x1) 式中y0—下一炉控制参数的目标值; y1—上一炉控制参数的实际结果; x0—下一炉的变量; x1—上一炉的变量。 三种模型中,理论模型包含了许多假设条件,命中率往往 较低。统计模型比理论模型接近生产实际,命中率也比理 论模型有所提高。增量模型的命中率一般较高。

?

5.7 转炉炼钢过程自动控制
? ?

?

动态控制 在静态控制的基础上,在吹炼过程中不断测定熔池温度和 含碳量作为反馈信息,按照一定的数学方程式计算和修正 对炼钢过程进行动态控制。其终点含碳量和温度的命中率 可达90%以上。动态控制有两种方式: 吹炼条件控制—不直接控制终点,而是使整个吹炼过程按 标准状态进行,或控制成渣过程,使吹炼稳定,熔池含碳 量和温度沿着一定的轨道变化。代表这种方式的有CRM模型 和克虏伯模型。

?

CRM模型是通过连续测定废气温度和炉口噪声推定熔池 的脱碳速度和成渣过程。发现脱碳速度和升温速度与 预计轨道不符时,调节供氧量和枪位进行校正。在噪 声降低到预定范围时,即稳定供氧量和枪位。

5.7 转炉炼钢过程自动控制
?

? ?

克虏伯模型是测定废气温度,据以控制供氧量和枪位,使 废气温度和脱碳速度与给定值相一致。当成渣不良或发生 喷溅前,可以提枪调节脱碳速度,使吹炼稳定。 终点控制—这种方式又分为轨道跟踪法和动态停吹法。 轨道跟踪法是在吹炼后期,参照以往的典型曲线,将测得 的含碳量和温度信息输入计算机,算出预计的曲线。以此 为基础,继续用检测的信息算出新的预计曲线。这样反复 进行,直至吹炼终点。越接近终点,预计的曲线越接近实 际曲线。 为达到目标含碳量和温度所需的氧气量QC和QT。若QC=QT, 即达到目标含碳量与达到目标温度所需的氧气量相等,则 无需调整操作。如QC>QT,应加入冷却剂;QC<QT,则应提高 枪位,使终点含碳量和温度同时命中。

5.7 转炉炼钢过程自动控制
?

动态停吹法是开吹前先用静态模型进行装料计算。接近终点

时,由测得的信息,根据对接近炉次或类似炉次的回归分析 获得的脱碳速度与含碳量的关系,以及升温速度与温度的关 系,判断最佳停吹点。停吹后按需要允许作相应的修正动作。 最佳停吹点应是含碳量和温度同时命中,或含碳量和温度二 者有一项命中,但另一项不需补吹,只经某些修正动作即可 达到目标要求。 动态停吹法的优点是操作简便,有可能实行固定操作。

动态控制
轨迹1是停吹时含碳量 和温度同时命中;轨迹 2和3是含碳量和温度二

者不能同时命中,但不
必补吹,只需作6或7轨 迹修正就可达到目标值, 也不必在吹炼过程中作 4或5轨迹修正。

5.7 转炉炼钢过程自动控制
2、温度和含碳量的测定 ? 熔池温度的测定 ? 炉壁—保护套管—热电偶测温 在炉壁埋入有保护套管的 热电偶,连续测定钢水温度。优点是结构简单,精度高。 关键是保护套管寿命的提高。 ? 导光测温 在炉壁预埋导光体,一端与钢水接触,用光电 比色高温计通过导光体传出的钢水亮度连续测温。 ? 副枪连续测温 水冷副枪与氧枪并行,可以自由升降,前 端有镁质套管,热电偶外面用金属陶瓷套管保护,套管可 以更换,测温精度为±8℃。 ? 间断式温度检测器 投掷式热电偶是将热电偶装在铸铁模里, 测温时投入炉内,在导线绝缘尚未烧坏前测出钢水温度。 设备简单,精度高(±4℃),但测温元件是消耗性的,操作 费用高。

5.7 转炉炼钢过程自动控制
? ?

?

熔池含碳量的测定 连续测定熔池含碳量——炉口烟气温度定碳、碳平衡法和 脱碳速度计等。 间断定碳的方法——测温定碳副枪、氧浓差电池法、中子 辐射法和检测金属谱线法等。

采用副枪进行动态控制示意图
1700 4.0 1600 [C],% 3.0 2.0 1.0 1300 0 t目标±12℃ [c]目标±0.02% 中间测定点 停吹 静态控制区间 初始条件误差 引起的偏差 动态控制区间

1500

[c]
对初始条件 偏差的修正

t,℃
1400

t

开吹

转炉采用副枪进行动态控制的流程图





用副枪动态控制包括如下步骤: 1)采用静态模型计算装料量、供 氧量及枪位; 2)供氧量达到约90%时,用副枪 测温、定碳,确定吹炼条件引 起的温度和碳的偏差; 3)根据脱碳和升温模型及冷却剂 的冷却效果,计算达到终点碳 需要的氧量和由此产生的升温 量,得出达到终点时的钢水温 度。如计算温度高于出钢的目 标温度,再计算出冷却剂的用 量;如低于出钢的目标温度, 则增加供氧; 4)在吹炼终点,测出钢水温度和 含碳量,根据终点预计值与实 际值之间的差别,自动修正控 制模型,供下炉使用。

5.8 转炉溅渣护炉技术
1.溅渣护炉技术的发展和特点 ? 发展概况 ? 技术特点 2.溅渣护炉工艺和实践 ? 基本原理和操作方法 ? 基本工艺参数 ? 溅渣护炉和冶炼工艺的相互影响 3.溅渣护炉技术的基础研究 ? 炉渣成分和结构的变化 ? 溅渣层与炉衬的结合机理 ? 溅渣层的抗侵蚀性 4.溅渣护炉带来的问题 5. 溅渣护炉的经济效益

发展概况
?

?

?

?

?

炉龄是转炉炼钢一项综合性技术经济指标。 转炉炉衬工作在高温、高氧化性条件下,通常以0.2— 0.8mm/炉的速度被侵蚀。 为保证转炉正常生产和提高炉衬寿命,如采用焦油白云 石砖、轻烧油浸白云石砖,贴补、喷补、摇炉挂渣等措 施,使炉龄提高到1000炉以上。 进入80年代,转炉普遍采用镁碳砖,综合砌炉,使用活 性石灰造渣,改进操作,采用挂渣、喷补相结合的护炉 方法,使转炉炉龄又有明显提高。 溅渣护炉是近年来开发的一项提高炉龄的新技术。该技 术最先是在美国共和钢公司的大湖分厂(GreatLakes), 由普莱克斯(Praxair)气体有限公司开发的。

发展概况
?

?

?

1991年,美国LTV公司的印地安那哈的厂用溅渣作为 全面护炉的一部分。1994年9月该厂232t顶吹转炉的 炉衬寿命达到15658炉,喷补料消耗降到0.38kg/t 钢,喷补料成本节省66%,转炉作业率由1984年的 78%提高到1994年的97%。 美国内陆钢公司炉龄已超过20000炉。加拿大、英国、 日本等也已相继投入试验和应用。 我国从1994年开始转炉溅渣护炉试验,采用和发展 的速度很快。鞍钢、首钢、宝钢、武钢、太钢等一 些转炉厂采用溅渣护炉技术,炉龄大幅度提高,取 得了明效果。其中,宝钢、首钢炉龄已逾万炉。

技术特点
?

操作简便 炉渣调整成分后,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、轻烧白云石等)就可实现溅渣, 还可以降低吨钢石灰消耗; 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;

?

?

?

溅渣均匀覆盖在整个炉膛内壁上,基本上不改变炉膛形状;

技术特点
? ? ?

工人劳动强度低,无环境污染; 炉膛温度较稳定,炉衬砖无急冷急热的变化; 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;

?

由于转炉作业率和单炉产量提高,为转炉实现“二吹 二”或“一吹一”生产模式创造了条件。

基本原理和操作方法
溅渣补炉的基本原理是在转炉出钢后,调整终渣 成分,并通过喷枪向渣中吹氮气,使炉渣溅起并附着 在炉衬上,形成对炉衬的保护层,减轻炼钢过程对炉 衬的机械冲刷和化学侵蚀,从而达到保护炉衬、提高 炉龄的目的。 如:太钢目前的三段溅渣法(前期不溅,中期间隔 溅,后期炉炉溅),溅渣时炉衬最大平均侵蚀速度为 0.095mm/炉,相当于不溅渣时侵蚀速度的1/3。

溅渣(a)与未溅渣(b)时残留炉衬对比图

4409炉

1196炉

基本原理和操作方法
溅渣护炉操作步骤: 1)将钢出尽后留下全部或部分炉渣; 2)观察炉渣稀稠、温度高低,决定是否加入调渣剂,井观 察炉衬侵蚀情况; 3)摇动炉子使炉渣涂挂到前后侧大面上; 4)下枪到预定高度,开始吹氮、溅渣,使炉衬全面挂上渣 后,将枪停留在某一位置上,对特殊需要溅渣的地方进行 溅渣; 5)溅渣到所需时间后,停止吹氮,移开喷枪;

6)检查炉衬溅渣情况,是否尚需局部喷补,如已达到要求, 即可将渣出到渣罐中,溅渣操作结束。

基本原理和操作方法
有效地利用高速氮气射流将炉渣均匀地喷溅在炉 衬表面,是溅渣护炉的技术关键,其效果取决于:
?熔池内留渣量和渣层厚度;

?熔渣的物化性质,包括成分、熔点、过热度、表面 张力和粘度; ?溅渣气体的动力学参数,包括喷吹压力和流量,枪 位及喷枪孔数和夹角等。

基本工艺参数
1)熔池内的合适渣量

? 冷态试验结果,各种顶吹气体流量条件下,11%渣量溅渣 效果最好。
? 国内几家钢厂溅渣实践和效果表明,渣量在100kg/t较为 合适。 2)炉渣性质 ? 渣成分-终渣碱度(GaO/SiO2)为3左右、MgO含量8%左右就 可以保证MgO达到饱和。严格控制渣中FeO含量。 ? 炉渣粘度-渣稠不易溅起且附着力差;渣稀,溅渣覆盖较易, 但覆盖层较薄。

? 调渣剂-改变渣成分,提高熔化温度,提高护炉效果。

溅渣量与顶枪枪位、气体流量及渣量 之间的关系(顶枪夹角14.5°)

a—渣量8%;b—渣量11%;c—顶吹气体流量26.8m3/h 顶吹气体流量:1--19.2m3/h;2--23.0m3/h;3--26.8m3/h

基本工艺参数
3)氮气压力和流量 ? 按照各厂溅渣经验,氮气压力一般与氧气压力接近时,可 取得较好效果。 4)顶吹喷枪工艺参数 ? 枪位-最大溅渣量与一定枪位对应,枪位过高或过低都使溅 渣量减少。 ? 喷枪夹角-12°喷孔夹角喷枪溅渣效果优于14.5°夹角喷枪。 5)复吹转炉底气对溅渣的影响-复吹转炉溅渣量比顶吹转炉多, 而且溅渣量更集中于耳轴部位。 6)溅渣时间-一般吹氮时间为3—5min。 溅渣护炉存在的问题之一是炉底上涨、底吹喷孔堵塞, 这一问题在国内外均未得到很好解决。

底气对转炉溅渣量影响

顶枪夹角14.5°,顶吹气体流量23.0m3/h,渣量11% 底吹气体流量:1-0 m3/h;2-0.825 m3/h; 3-1.65 m3/h;

溅渣护炉和冶炼工艺的相互影响
1)溅渣护炉对冶炼工艺的影响 ? 对冶炼操作的影响-由于溅渣炉底有上涨现象,因此枪位 控制要比未溅渣炉役相应提高,以避免造成喷溅、炉渣 返干和增加氧气消耗量。 ? 对钢中氮含量和质量的影响-吹氮溅渣后,主要是防止阀 门漏气造成吹炼终点氮含量高。 2)冶炼对溅渣的影响 ? 冶炼终点温度对溅渣覆盖层的影响-出钢温度每降低1℃ 转炉炉龄可提高120炉。 终点温度对覆盖层的影响 ≤1650℃ 1650-1680℃ 1680-1700℃ >1700℃
溅渣层均匀 炉帽部位无溅渣层, 炉帽、耳轴无溅 覆盖 其余位置有溅渣层 渣层,出钢面溅 渣层仍在 侵蚀严重,耳轴 以上无溅渣层

溅渣护炉和冶炼工艺的相互影响
? 炉渣氧化性的影响-终渣FeO控制在低限,对保护炉 衬有利。
(FeO)对溅渣覆盖层的影响
(FeO) 12-15% 侵蚀炉帽部分 (FeO) ≤10% 基本不侵蚀 (FeO) 15-18% ≤1650℃ ≥1650℃ 炉帽无溅渣层, 耳轴,炉帽以上 耳轴薄 均无溅渣层

? 炉渣粘度-渣稀侵蚀严重,渣偏稠不侵蚀,容易挂 上炉壁。 ? 炉渣成分-为提高溅渣护炉效果,应在适当的范围 内,尽量提高MgO含量及终渣碱度。

炉渣成分和结构的变化
1)转炉终渣-渣中的硅酸盐相以发达的板条状C3S为主, C2S含量极少。结合相为铁酸二钙(C2F)和RO相,约 占总量的15%,结晶的MgO包裹在C3S晶体中或游离 在结合相中。 2)调质渣-改质后的炉渣往往出现弥散未熔的石灰或 MgO颗粒,同时C2S含量增加并发育为良好的板条状。 3)溅后渣-岩相结构发生明显变化,C3F被破碎成细小 颗粒,均匀弥散在铁酸钙结合相中,使炉渣密度增 大。

溅渣层与炉衬的结合机理
? 溅渣层与镁碳砖的结合部分为三个区域:烧结层、结合层 和溅渣层。其结合机理为: ? 在溅渣初期,低熔点流动性好的富铁炉渣沿衬砖表面显微 气孔和裂纹向MgO机体内扩散,形成以(MgO?CaO)Fe2O3为 主的烧结层; ? 随溅渣进行,颗粒状的高熔点氧化物(C3S,C2S和MgO)被 溅射到衬砖表面,形成以镶嵌为主的机械结合,同时富铁 的低熔点炉渣包裹在砖表面突出的MgO颗粒周围形成的化学 结合层; ? 随溅渣的进一步进行,大颗粒C3S,C2S和MgO晶团被溅射到 结合层表面,并与铁酸钙、RO相结合,冷却固熔形成衬砖 表面溅渣层。

溅渣层与炉衬的结合机理
进一步提高溅渣护炉效果的途径:

1)采用溅渣护炉技术后,炉衬材质的性能不应降 低;
2)进一步控制和降低渣中(FeO)含量; 3)合理调整渣中(MgO)含量; 4)提高溅渣层熔化性温度,以降低炉渣过热度;

降低出钢温度,提高终点命中率,减少一次倒 炉到出钢的时间,合理匹配转炉操作工序。

溅渣层的抗侵蚀性
1)溅渣层对转炉初期渣有较强的抗侵蚀能 力,能够起到保护炉衬的作用; 2)溅渣层对高温终渣的抗侵蚀能力很差, 进一步提高溅渣层的熔点是抗侵蚀能力的关 键。 生产中,保持一炉一溅和低温出钢有利护 炉。

溅渣护炉带来的问题
1)炉底上涨-炉渣在炉底停留的时间越长,粘结在炉 底的就越多,导致炉底上涨。炉底上涨太多时,可 加入小块硅铁并吹氧,将上涨部分侵蚀掉。 2)喷枪粘结-喷枪冷却强度大时,喷枪不易结渣,即 使有粘渣,移出喷枪喷水冷却,粘渣就会掉落。如 果炉内有残留钢液,则会使喷枪表面粘钢,这时, 粘结的炉渣在冷却后不易脱落。

溅渣护炉带来的问题
3)设备维修问题-炉衬寿命的延长,原来更换炉衬时维 修的项目如水冷烟罩、管道的清理维修,转炉驱动 装置、冷却系统、除尘系统、盛钢桶车、吊车等都 有相应延长服役时间问题,现在一些钢厂采用不同 炉龄段计划维修的办法。 4)经济炉龄问题-经济炉龄与炉龄和原料价格有关。每 个转炉厂不同阶段都有一个经济炉龄区,即吨钢成 本最低,取得最佳经济效益炉龄区。炉衬砖和修砌 费的成本与炉龄成反比关系,而氮气、补炉料、稠 渣剂等的费用随炉龄增长而消耗量增加,对降低成 本的负效应也越大。

溅渣护炉的经济效益
1)耐火材料消耗大幅度降低 ? 美国印地安那哈伯厂采用溅渣护炉炉役达到15658炉时,炉衬 砖消耗由1.2kg/t钢降到0.38kg/t钢,补炉料消耗也降到 0.37kg/t钢。由于耐火材料消耗降低,使吨钢成本减少0.45 美元。 ? 鞍钢转炉溅渣护炉试验也取得了明显效益,炉衬砖消耗下降 0.7kg/t,减少至0.8kg/t;喷补料下降1.22kg/t,减少至 0.88kg/t。 2)大幅度地提高转炉作业率 ? 美国印地安那哈伯厂采用溅渣护炉后,转炉作业率由原来的 78%提高到97%,砌炉造成的炼钢停产由原来每年81天减少 到11天。 ? 鞍钢转炉试验后很短时间炉龄提高到2倍以上,生产能力提高 5%以上,吨钢综合成本降低6元。

溅渣护炉的经济效益
3)减少废渣排出 溅渣护炉采用炼钢终渣作为护炉材料,从而减少 了废弃渣量。废旧炉衬砖作为含镁稠渣剂,也减少 了废弃衬砖的数量,有利于环境保护。 4)投资回报率高 美国阿尔戈马钢公司认为:溅渣是一种经济可行 的操作,投资回收期不到一年。我国对19个冶金企 业62座转炉的测算,投资回收期为1.3年。


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