转炉炼钢工艺过程课件.ppt

材料科学的角度看炼钢魏厚培教授,转炉炼钢,转炉炼钢的特点及发展趋势,转炉冶炼五大制度,炼钢原料,转炉炼钢原理、工艺流程及设备,转炉炼钢技术的发展简史,目录,参考文献,依照历史发展进程，按转炉炉衬性质的不同分为酸性转炉与碱性转炉；按其气体引入的部位不同，分为底吹转炉、侧吹转炉和顶吹转炉；根据供给气体的氧化性不同又可分为空气转炉和氧气转炉。转炉的分类如下：,一、钢铁冶炼技术的发展简史,1856年德国人贝斯麦就发明了底吹酸性转炉炼钢法，这种方法是近代炼钢法的开端.1879年出现了托马斯底吹碱性转炉炼钢法，它使用带有碱性炉衬的转炉来处理高磷生铁。法国人马丁利用蓄热原理，在1864年创立了平炉炼钢法，1880年,出现了碱性平炉。1952年在奥地利出现纯氧顶吹转炉。,20世纪50年代初奥地利的VoestAlpine公司才将氧气炼钢用于工业生产，从而诞生了氧气顶吹转炉，亦称LD转炉。,LD转炉,1970年后，由于发明了用碳氢化合物保护的双层套管式底吹氧枪而出现了底吹法，各种类型的底吹法转炉（如OBM,Q-BOP,LSW等）在实际生产中显示出许多优于顶吹转炉之处，使一直居于首位的顶吹法受到挑战和冲击。,OBM装置,继奥地利人Dr.Edaurd等于1973年研究转炉顶底复吹炼钢之后，世界各国普遍开展了转炉复吹的研究工作，出现了各种类型的复吹转炉，到20世纪80年代初开始正式用于生产。,顶底复吹装置,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。否则，降下氧枪进行再吹。在出钢过程中，向钢包中加入脱氧剂和铁合金进行脱氧、合金化。然后，钢水送模铸场或连铸车间铸锭。,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。在试验取得成功的基础上，我国第1个氧气顶吹转炉炼钢车间（2x30t）在首钢建成，于1964年12月26日投入生产。,近几年中国年产钢量,钢产量达到4.89亿t,2002,钢产量首次突破2亿t，达到2.234亿t,钢产量达到3.5亿t,年产钢量为1.82亿t,粗钢产量达到5.678亿t,预计2010年将突破6亿t,序号500强企业排名企业名称地区营业收入（万元）12上海宝钢集团公司上海1204154534首钢总公司北京479133849鞍山钢铁集团公司辽宁314747655本溪钢铁（集团）公司辽宁294853059武汉钢铁（集团）公司北京2731316663攀枝花钢铁（集团）公司四川2634533780广州钢铁企业集团公司广东2102981883太原钢铁（集团）公司山西2073985986江苏沙钢集团公司江苏20401981087邯郸钢铁集团公司河北2018900,国内知名钢铁企业在中国500强中的排名,二、炼钢原料,金属料：铁水、废钢、合金钢非金属料：造渣剂（石灰、萤石、铁矿石）、冷却剂（废钢、铁矿石、氧化铁）、增碳剂和燃料（焦炭、石墨籽、煤块、重油）氧化剂：氧气、铁矿石、氧化铁皮,【1】金属料,1、铁水铁水是转炉炼钢的主要原材料，一般占装入量的70%-100%。是转炉炼钢的主要热源。对铁水要求有：（1）成分；（2）带渣量；（3）温度。,1）硅（Si）硅是重要的发热元素，铁水中含Si量高，炉内的化学热增加，铁水中Si量增加0.10%，废钢的加入量可提高1.3%-1.5%。铁水含Si量高，渣量增加，有利于脱磷、脱硫。硅含量过高会使渣料和消耗增加，易引起喷溅，金属收得率降低，同时渣中过量的SiO2，也会加剧对炉衬的侵蚀，影响石灰渣化速度，延长吹炼时间。通常铁水中的硅含量为0.30%-0.60%为宜。,2）锰（Mn）锰是发热元素，铁水中Mn氧化后形成的MnO能有效促进石灰溶解，加快成渣，减少助熔剂的用量和炉衬侵蚀。同时铁水含Mn高，终点钢中余锰高，从而可以减少合金化时所需的锰铁合金，有利提高钢水纯净度。转炉用铁水对锰与硅比值要求为0.8-1.0，目前使用较多的为低锰铁水，锰的含量为0.20%-0.80%,3）磷（P）。磷是高发热元素，对一般钢种来说是有害元素，因此要求铁水磷含量越低越好，一般要求铁水P0.20%。4）硫（S）。除了含硫易切削以外，绝大多数钢种要求去除硫这一有害元素。氧气转炉单渣操作的脱硫效率只有30%-40%。我国炼钢技术规程要求入炉铁水的硫含量不超过0.05%。,对铁水带渣量的要求：高炉渣中含硫、SiO2、和Al2O3量较高，过多的高炉渣进入转炉内会导致转炉钢渣量大，石灰消耗增加，造成喷溅，降低炉衬寿命，因此，进入转炉的铁水要求带渣量不得超过0.5%。对铁水温度的要求：铁水温度是铁水含物理量多少的标志，铁水物理热得占转炉热收入的50%。应努力保证入炉铁水的温度，保证炉内热源充足和成渣迅速。我国炼钢规定入炉铁水温度应大于1250，并且要相对稳定。,2、废钢,转炉和电炉炼钢均使用废钢，氧气顶吹转炉用废钢量一般是总装入量的10%-30%。,转炉炼钢对废钢的要求：,1)废钢的外形尺寸和块度应保证能从炉口顺利加入转炉。废钢的长度应小于转炉口直径的1/2，废钢单重一般不应超过300kg。国标要求废钢的长度不大于1000mm，最大单件重量不大于800kg。2）废钢中不得混有铁合金严禁混入铜、锌、铅、锡等有色金属和橡胶，不得混有封闭器皿、爆炸物和易燃易爆品以及有毒物品。废钢的硫、磷含量均不大于0.050%。,3）废钢应清洁干燥不得混有泥沙，水泥，耐火材料，油物等。4）不同性质的废钢分类存放非合金钢、低合金钢废钢可混放在一起，不得混有合金废钢和生铁。合金废钢要单独存放，以免造成冶炼困难，产生熔炼废品或造成贵重合金元素的浪费。,3、铁合金,常用的铁合金种类：简单合金：Fe-Mn，Fe-Si，Fe-Cr，Fe-V等复合脱氧剂：Ca-Si合金，Al-Mn-Si合金，Mn-Si合金等纯金属：Mn、Ti、Ni、Al。,【2】非金属料,1、造渣剂（1）石灰碱性炼钢方法的造渣料，主要成分为CaO，由石灰石煅烧而成，是脱P、脱S不可缺少的材料，用量比较大。其质量好坏对吹炼工艺、产品质量和炉衬寿命等产生主要影响。因此，石灰CaO含量高，SiO2和S含量低，生过烧率低，活性高，块度适中，此外，石灰还应保持清洁、干燥和新鲜。,（2）萤石,萤石的主要成分是CaF2，焙烧约930。萤石助熔的特点是作用快，时间短。但大量使用萤石会增加喷溅，加剧炉衬侵蚀，污染环境。,（3）白云石,白云石的主要成分CaCO3.MgCO3。经焙烧可成为轻烧白云石，其主要成分为CaO.MgO。转炉采用生白云石或轻烧白云石代替部分石灰造渣。可减轻炉渣对炉衬的侵蚀，提高炉衬寿命具有明显效果,（4）合成造渣剂,合成造渣剂是用石灰加入适量的氧化铁皮、萤石、氧化锰或其他氧化物等熔剂，在低温下预制成型。合成渣剂熔点低、碱度高、成分均匀、粒度小，且在高温下易碎裂，成渣速度快，因而改善了冶金效果，减轻了转炉造渣负荷。,2、增碳剂,在冶炼过程中，由于配料或装料不当以及脱碳过量等原因，有时造成钢中碳含量没有达到预期的要求，这时要向钢液中增碳。常用的增碳剂有增碳生铁、电极粉、石油焦粉、木炭粉和焦炭粉。转炉冶炼中，高碳钢种时，使用含杂质很少的石油焦作为增碳剂。,3、氧化剂,氧气是转炉炼钢的主要氧化剂，其纯度达到或超过99.5%，氧气压力要稳定，并脱除水分。氧化铁亦称铁磷，是钢坯加热，轧制和连铸过程中产生的氧化壳层，铁量约占70%-75%。氧化铁皮还有助于化渣和冷却作用，使用时应加热烘烤，保持干燥。铁矿石中铁的氧化物存在形式是Fe2O3、Fe3O4和FeO其氧含量分别是30.06%，27.64%和22.28%。,三、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,(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。（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%.,1.装料制度,2.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。,3.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。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。,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。,2019/12/16,30,可编辑,1、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。2、终点的条件吹炼到达终点的具体条件是：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。3、终点控制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。,5.终点控制,脱氧：向钢液加入某些脱氧元素，脱除其中多余氧的操作。合金化：加入一种或几种合金元素，使其在钢中的含量达到钢种规格要求的操作。区别：合金元素的价格通常较高，希望尽量少氧化；脱氧元素则比较便宜，先加入，让其充分脱氧以免后加入的合金元素氧化。联系：二者都是向钢液加入铁合金，同时加入钢液的脱氧剂必然会有部分溶于钢液而起合金化的作用，如使用Fe-Si、Fe-Mn脱氧的同时调整钢液的硅锰含量；加入钢液的合金元素，因其与氧的亲和力大于铁也势必有一部分被氧化而起脱氧作用。转炉的脱氧与合金化的操作常常是同时进行的。,脱氧及合金化,四、转炉炼钢原理、工艺流程及设备,1、原理：转炉炼钢法同其他炼钢法主要区别在于不借助外加能源，仅靠吹入熔池的空气或氧气与生铁水中各种元素的放热氧化反应完成脱碳和脱除杂质的任务，并将钢液加热到出钢（1600或更高）温度。,2、氧气顶吹转炉工艺流程,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。,上炉出钢、倒渣，检查炉衬和倾动设备等并进行必要的修补和修理；倾炉，加废钢、兑铁水，摇正炉体（至垂直位置）；降枪开吹，同时加入第一批渣料（起初炉内噪声较大，从炉口冒出赤色烟雾，随后喷出暗红的火焰；35min后硅锰氧接近结束，碳氧反应逐渐激烈，炉口的火焰变大，亮度随之提高；同时渣料熔化，噪声减弱）35min后加入第二批渣料继续吹炼（随吹炼进行钢中碳逐渐降低，约12min后火焰微弱，停吹）；倒炉，测温、取样，并确定补吹时间或出钢；出钢，同时（将计算好的合金加入钢包中）进行脱氧合金化。,顶吹转炉冶炼一炉钢的操作过程,顶吹转炉冶炼视频,氧化当空气或氧气吹入铁水时，生铁中易氧化元素就开始氧化,产生的氧化物和加入的石灰形成炉渣。各项元素按其与氧结合能力的顺序依次氧化。首先氧化的是硅、锰和少量的铁。开始时因温度低(12001300)，而且石灰溶解很慢，组成低氧化钙的铁-锰-硅酸渣。随着温度升高，碳开始激烈地进行氧化。随石灰逐渐溶解，炉渣转变为硅酸钙渣或磷酸钙渣,磷和硫亦被脱除,熔池铁液中各种元素氧化的先后顺序为硅、钒、锰、铬。碳随着温度的提高而分别先于有关元素。脱氧转炉吹炼终了时，钢液中存在着少量过剩的溶解氧，一般为0.010.08。其含量主要取决于终点钢水的碳含量。但在固体钢中氧的溶解度很低,仅为0.0020.003,因此在浇铸后的钢水凝固过程中，氧便以FeO形式析出,影响钢的质量。所以,要炼成合格的钢,就必须脱氧。脱氧是将与氧亲和力较大的元素及其合金作为脱氧剂加入钢液中，利用脱氧产物不溶于钢液而析出上浮脱离钢液的原理,使钢中的含氧量降到规定限度之下。在生产中常用的脱氧元素锰、硅、铝,它们的脱氧能力依次递增。为提高脱氧效率,使脱氧产物易于形成大颗粒排出，脱氧剂的加入一般应采用由弱到强的顺序，即先加锰铁，再加硅铁，最后加铝（或铝铁）。,3、转炉炼钢主要工艺设备简介（1）转炉炉体可转动，用于吹炼钢或吹炼锍的冶金炉。转炉炉体用钢板制成，呈圆筒形，内衬耐火材料，吹炼时靠化学反应热加热，不需外加热源，是最重要的炼钢设备，也可用于铜、镍冶炼。（2）钢包精炼炉用电弧炉熔化炉料，然后将钢液倾入钢包精炼炉中，用氩气进行吹炼，能有效地清除钢液中的气体和夹杂物，提高钢液的质量。在钢包精炼炉基础上发展起来的氩氧脱碳（AOD）法和真空氩氧脱碳（VOD）法是冶炼高纯净度钢液，特别是低碳的高纯净度钢液的先进方法，特别适用于生产高强度钢、超高强度钢等钢种。,AOD精炼炉:AOD即氩氧脱碳精炼炉，是一项用于不锈钢冶炼的专有工艺。AOD炉型根据容量有3t、6t、8t、10t、18t、25t、30t等。装备水平也由半自动控制发展到智能计算机控制来冶炼不锈钢。VOD精炼炉:VOD即真空氩氧脱碳精炼炉是在真空状态下进行吹氧脱碳的炉外精炼炉，它以精炼铬镍不锈钢、超低碳钢、超纯铁素体不锈钢及纯铁为主。将初炼钢液装入精炼包中放入密封的真空罐中进行吹氧脱碳、脱硫、脱气、温度调整、化学元素调整。有三个阶段：1.吹氧阶段2.吹氩-氧混合气体阶段3.吹氩阶段,LF精炼炉:LF（ladlefurnace)直流钢包炉是具有加热和搅拌功能的钢包精炼炉。加热一般通过电极加热，搅拌是通过底部透气砖进行的。,（3）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/p00.528时形成超音速射流。,拉瓦尔型喷头示意图,枪身为3根(双流氧枪为4根)同心的无缝钢管，下端连接喷头，上头端和枪尾相连。枪尾包括供氧、进水和排水支管及连接法兰和密封胶圈，通过枪尾和车间的氧气管网和高压水管网相连接。,倾炉系统：变频调速(变频器+电机+减速机+大齿轮)倾炉机构：倾炉机构由轨道、倾炉油缸、摇架平台、水平支撑机构和支座等组成。,（4）转炉倾炉系统,1、氧气转炉炼钢法的优点,吹炼速度快，生产率高品种多，质量好原材料消耗少，热效率高，成本低基建投资少，建设速度快容易与连续铸钢相匹配氧气转炉钢具有钢中气体含量少的特点,五、转炉炼钢的特点及发展趋势,各种精炼炉的炼钢效率1-碱性转炉炼钢法，2-纯氧顶吹转炉炼钢法；3-氧气侧吹转炉炼钢法，4-平炉（氧气使用量1040Nm3t），5-电炉，6-平炉,与平炉、电炉炼钢法相比，氧气转炉炼钢法具有生产率高等特点。顶吹氧气转炉炼钢法的小时产钢量为平炉炼钢法的68倍，是效率极高的炼钢方法。,纯氧顶吹转炉既能炼普通钢，也能炼普通低碳钢。如首都钢厂采用这种方法成功地试炼了一百多种钢材。由于用纯氧吹炼，钢中氮、氢等有害气体含量较低。,低碳钢板，轴承钢,由于氧气顶吹转炉反应速度快，生产率及热效率很高，可使用约2030的废钢以及便于自动化控制，又克服了空气吹炼时钢质量差、品种少的缺点；冶炼成本低，耐火材料用量比平炉电炉用量低。,转炉炼钢示意图,基建投资和生产费用低纯氧顶吹转炉的基建投资相当于同样生产量的平炉车间的6070，生产费用也低于平炉。,铁水预处理转炉吹炼炉外精炼连铸,与连铸匹配：,宝钢远景,各种炼钢法和气体含量,注：（a）普通法，（b）矿石法,2、氧气转炉炼钢法的缺点,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废气铁尘损失大冶炼超低碳钢困难,3、转炉炼钢技术的发展趋势,合理优化工艺流程，形成紧凑式连续化的专业生产线转炉高速吹炼工艺技术建立大规模、廉价生产洁净钢的生产体系节能与环境保护,3.1合理优化工艺流程主要技术措施,100%铁水采用“三脱”与处理工艺技术；转炉实现高速吹炼，冶炼周期达到20min,在此基础上实现各工序快节奏均衡工艺；100%钢水炉外精炼，其中真空精炼比将大幅度提高；采用高速连铸技术，厚板坯的拉速将提高到3.54.5m/min,单流产量达到300万吨/年；100%连铸坯高温热送、热装；采用无头连续轧制。,已由单纯用转炉冶炼发展:铁水预处理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