（钢铁冶金专业论文）韶钢120t复吹转炉吹炼工艺优化水模实验研究.pdf

东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t 韶钢12 0 t 复吹转炉吹炼工艺优化水模实验研究 摘要 顶底复吹转炉炼钢法是在顶吹和底吹氧气转炉炼钢法的基础上，综合两者的 优点和克服两者的缺点而发展起来的炼钢方法。目前，复吹转炉炼钢法已成为世 界上的主要炼钢方法。虽然复吹转炉炼钢法从诞生至今已有2 5 年多的历史，但是 就其底吹工艺而言仍然存在不少问题和不同观点。本研究是配合韶关钢厂新建1 2 0 t 复吹转炉的操作工艺，特别是对底部供气元件的支数和布黄方式，详细地进行了 研究，进而确定了适合韶钢1 2 0 t 复吹转炉的最佳操作工艺参数。 本研究根据相似原理，在1 ：1 0 的转炉模型上通过水模型实验，研究了底部供 气元件支数和布置方式、氧枪枪位以及顶、底吹气体流量对熔池混匀时间、喷溅、 穿透深度及冲击面积的影响，得出如下结论： f 1 1 纯顶吹转炉的熔池混匀时间随着氧枪枪位的变化，存在一个最短值，即存 在一个最佳氧枪枪位。韶钢1 2 0 t 纯顶吹转炉的最佳氧枪枪位为1 6 0 m m ( 原型对应值 为1 6 0 0 m m ) ，最佳顶吹气体流量为2 7 9 8 n m 3 h ( 原型对应值为2 2 0 0 0 n m 3 h ) 。 ( 2 ) 复吹转炉底部供气元件布置方式比底部供气元件支数对熔池混匀时间的 影响更大，并且底部供气元件在炉底偏心非对称布置更有利于熔池的搅拌。研究 得到的韶钢1 2 0 t 复吹转炉的最佳底部供气元件支数为4 支，其布置方式如图6 1 所示。 ( 3 ) 最佳底部供气元件布置方案的熔池混匀时间明显短于原底部供气元件布 置方案的熔池混匀时间，其最短熔池混匀时间为2 6 s ，比原底部供气元件布置方案 的最短熔池混匀时间4 0 s 缩短了3 5 。 ( 4 1 优化后得到的最佳底部供气元件布置方案的最佳氧枪枪位为1 6 0 m m ( 原型 的对应值为1 6 0 0 m m ) ，最佳顶吹气体流量为3 0 5 2 n m 3 h ( 原型的对应值为 2 4 0 0 0 n m 3 h ) ，最佳底吹气体流量为1 2 6 n m 3 h ( 原型的对应值为1 0 8 0 n m 3 h ) 。 关键词：复吹转炉底部供气元件工艺参数混匀时间偏心非对称布噩 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o l dm o d e l s t u d y o n b l o w i n g p r o c e s so p t i m u mf o r12 0 t t o p - b o r o m c o m b i n e db l o w nc o n v e r t e ro fs h a os t e e l a b s t r a c t t o p - b o t t o mc o m b i n e db l o w nc o n v e r t e rp r o c e s si n t e g r a t e st h ea d v a n t a g e so fb o t h t o pa n db o t t o mb l o w nc o n v e r t e rp r o c e s sa n do v e r c o m e st h ed i s a d v a n t a g e s o ft h e m t h u s ，a tp r e s e n t ，i th a sb e c o m et h em a i ns t e e l m a k i n gp r o c e s si nt h ew o r l d t o p - b o t t o m c o m b i n e db l o w nc o n v e r t e rp r o c e s sh a sb e e nu s e df o rm o r et h a n2 5y e a r ss i n c ei t s n a i s s a n c e ，b u ta st h eb o t t o mb l o w i n gm o d e i sc o n c e m e d ，t h e r eh a sb e e nm a n y p r o b l e m s a n dd i v e r g e s i nt h i se x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，t h et o p b o t t o mc o m b i n e db l o w np r o c e s s b a s e do ns h a os t e e l s n e w l y b u i l t 1 2 0 tc o m b i n e db l o w nc o n v e r t e r , t h en u m b e ra n d c o n f i g u r a t i o no fb o t t o mt u y e r e sw e r es t u d i e dw i t hc o l dm o d e le x p e r i m e n t s t h e nt h e o p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e r f o rs h a os t e e l s1 2 0 tc o n v e r t e rw e r e p u tf o r w a r d t h e e x p e r i m e n t s i sc a r r i e do u ti na1 ：10c o n v e r t e rb a s e do nt h es i m i l i t u d ep r i n c i p l e e f f e c t so f t h en u m b e ra n dc o n f i g u r a t i o no f t h eb o t t o mt u y e r e s ，o x y g e nl a n c eh e i g h t ，t o p a n db o t t o mg a sf l o w r a t e0 1 1t h ec o m p l e t em i x i n gt i m e ，s p l a s h i n g ，p e n e t r a t i o nd e p t ha n d a r e ao f i m p a c tz o n eh a v eb e e ns t u d i e d f r o mt h er e s e a r c h ，t h ec o n c l u s i o na r el i s t e da s f o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ec o m p l e t em i x i n gt i m ec h a n g e sw i t h i n c r e a s ei no x y g e nl a n c eh e i g h ti nt o p b l o w nc o n v e r t e r ，a n dt h e r ee x i s t sao p t i m u ml a n c eh e i g h tt om i n m i z et h ec o m p l e t e m i x i n gt i m e t h eo p t i m u mo x y g e nl a n c eh e i g h to fs h a os t e e l s 12 0 tc o n v e r t e ri nt o p b l o w np r o c e s si s 1 6 0 r a m ( c o r r e s p o n d i n gt o1 6 0 0 m m m i ni n d u s t r i a lc a s e ) ，t h eo p t i m u m f l o w r a t ei s2 7 9 8 n m h ( c o r r e s p o n d i n gt o2 2 0 0 0 n m j hi ni n d u s t r i a lc a s e ) ( 2 ) e f f e c to f t h eb o t t o m t u y e r ec o n f i g u r a t i o n o nt h ec o m p l e t em i x i n gt i m ei sm u c h l a r g e rt h a n t h en u m b e ro ft h eb o t t o mt u y e r e s t h ee c c e n t r i ca s y m m e t r yc o n f i g u r a t i o no f t h eb o t t o mt u y e r e sa tt h ec o n v e r t e rb o t t o mi si nf a v o ro f t h eb a t hs t i r r i n g t h eo p t i m u m c o n f i g u r a t i o no f t h eb o t t o m t u y e r e sf o r12 0 tc o m b i n e db l o w n c o n v e r t e ro fs h a os t e e li s s h o w e di nf i g 6 1w i t hf o u rb o t t o mt u y e r e s ( 3 ) t h ec o m p l e t em i x i n gt i m eo ft h eb a t hf o rt h ec a s et h a tb o t t o mt u y e r e s a r e o p t i m u m l yc o n f i g u r e di sn o t a b l ys h o r t e rt h a nt h a t o fo r i g i n a l t h es h o r t e s tc o m p l e t e m i x i n gt i m ea f t e rb o t t o mt u y e r ec o n f i g u r a t i o no p t i m u m i s2 6s e c o n d s ，w h i c hi sl e s sb y 3 5 t h a nt h a to f t h eo r i g i n a lc o n f i g u r a t i o n ( 4 ) i nt h ec a s eo ft h eo p t i m u mc o n f i g u r a t i o no f t h eb o t t o mt u y e r e ，t h eo p t i m u m h e i g h t o fo x y g e nl a n c ei s 16 0 m m ( c o r r e s p o n d i n gt o16 0 0 m mi ni n d u s t r i a lc a s e ) ，t h e o p t i m u mt o pg a sf l o w r a t ei s3 0 5 2 n m 3 & ( c o r r e s p o n d i n gt o 2 4 0 0 0 n m 3 hi ni n d u s t r i a l i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t c a s e ) ，a n dt h eo p t i m u mb o t t o mg a sf l o w r a t ei s1 2 6 n m 3 h ( c o r r e s p o n d i n gt o 10 8 0 n m 3 h i ni n d u s t r i a lc a s e ) k e y w o r d s t o p b o t t o mb l o w n c o n v e r t e r , b o t t o mt u y e r e ，p r o c e s sp a r a m e t e r s ，c o m p l e t e m i x i n gt i m e ，e c c e n t r i ca s y m m e t r yc o n f i g u r a t i o n i v 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 本人签名： 日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 2 1 世纪钢铁工业的发展面临着机遇和挑战。2 0 0 3 年6 月下旬，英国梅帕林咨 询公司( m e p s ) 预计全球钢材消费量到2 0 0 7 年将达到8 9 4 亿吨，增幅为1 0 6 。 亚洲钢材消费量占全球总消费量的比重将达4 7 ，而且增长还可持续。世界钢材 消费量的持续增长，为钢铁工业发展，特别是发展中国家钢铁工业发展提供了良 好的机遇。同时环境保护等对钢铁工业发展也产生了巨大的压力，使钢铁工业面 临着严峻的挑战。面对机遇和挑战，钢铁企业必须努力发展高效生产工艺，降低 生产成本，提高产品质量和减轻对环境的污染，走可持续发展之路。 1 1 转炉炼钢技术的发展 转炉炼钢是目前世界上最主要的炼钢方法。即使到2 1 世纪的前期，转炉钢的 生产比例仍将保持在6 0 - 7 0 。2 0 世纪中期，氧气转炉炼钢法的诞生不仅引起了 炼钢技术的进步，而且在其后的不断发展与演变过程中带动了高炉大型化、连铸、 炉外精炼技术的发展，奠定了2 0 世纪现代钢铁生产工艺的基础。图l 川给出了转 炉炼钢技术的发展概况。 图】1 炼钢方法发展图 f i g 1 1 s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f d e v e t o p m e n to f s t e e l m a k i n gp r o c e s s 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 追溯转炉炼钢技术的发展，可以划分为三个技术发展时期。3 j 1 1 1 转炉大型化时期( 1 9 5 0 1 9 7 8 年) 这一时期，处于转炉炼钢技术的发展初期，其发展目标是完善转炉炼钢工艺 和设备，提高生产效率，实现大型化。这一时期的主要技术进步是开发完善了o g 法转炉除尘、煤气回收、静态计算机控制与副枪动态检测，使转炉基本实现由静 态模型和副枪动态模型相结合的全过程控制炼钢等一系列工艺装备技术，发明了 底吹转炉吹炼工艺。随着转炉炼钢技术的不断完善，提出了转炉的大型化，以获 得更高的生产能力和经济效益。因此，6 0 年代就出现了2 0 0 3 0 0 t 的大型转炉，7 0 年代以后，2 5 0 - 3 0 0 t 的转炉一直是世界转炉炼钢的主力炉型。这一时期，转炉炉 龄不高，广泛采用“三吹二”或“二吹”的操作体制。 1 1 2 转炉复合吹炼技术时期( 1 9 7 8 1 9 9 0 年) 这时期，连铸技术在国际上迅速发展，出现了全连铸炼钢厂。连铸的采用 对转炉炼钢的生产稳定性和终点控制的准确性提出了更高的要求。为了改善项吹 转炉吹炼后期渣钢反应远离平衡，实现平稳吹炼的目标，对比分析了顶吹、底吹 转炉的优缺点，于1 9 7 8 年由卢森堡阿尔卑德公司( a r b e d ) 和法国钢铁研究总院 ( i r s i d ) 共同研究开发出顶吹氧、底吹惰性气体的复吹工艺，即l b e 技术。随后， 复吹技术迅速推广，并研究出了各种顶底复合吹炼工艺方法【4 j 。转炉采用复合吹炼， 明显改善了转炉的终点操作，使吹炼后期钢渣反应趋近平衡。降低了终点钢水、 炉渣的氧化性，不仅改善了钢水质量，而且有利于提高炉龄。在这一时期，转炉 平均炉龄达到3 0 0 0 一一8 0 0 0 炉，传统的“三吹二”或“二欧一”生产体制逐渐改变。 1 1 - 3 高效、高自动化、高洁净度钢冶炼时期( 1 9 9 0 年) 这时期，社会对洁净钢的生产需求日益增加，迫切需要建立起一种全新的、 能大规模、廉价地生产纯净钢的生产体制。围绕纯净钢生产，研究开发出长寿高 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1 0 0 0 0 炉，初步实现“一座转炉吹炼制”。同时，由于钢铁生产的技术进步，也使人们逐 渐认识到，单纯依赖一个生产工序或单元生产技术的改进，很难达到最佳的经济 效果。因此，必须从钢铁生产的整体出发，对整个炼钢生产流程进行改变，才能 满足洁净钢生产的技术要求。因此，日本学者提出了“分阶段精炼”的工艺思想， - 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 并付之于实践，不断完善改进这一新工艺流程。经过近1 0 年的努力，日本基本解 决了新流程所面临的技术问题，实现了转炉炼钢的第三次技术进步。如表1 1 2 1 所 示，采用新工艺转炉的钢水质量和生产效率明显提高，而生产成本降低。 表1 1 转炉技术经济指标变化 t a b l e1 1 c h a n g e s o f t e e h n i c a la n de c o n o m i ct a r g e to f c o n v e r t e r 钢水质量控匍精度 工艺 c 】肼 s i p 舭【o 】臃 c 】m 温度 传统复台吹炼工艺00 3 o 1 20 0 2 50 0 3 00 0 8 - - 0 1 00 0 31 5 分阶段冶炼丁艺0 0 3 o 6 00 0 1 0o 0 1 0 0 0 6 00 0 11 0 工艺冶炼周期m i n转炉作业率 石灰消耗k g f 1钢铁料消耗，k g f 1 传统复合吹炼工艺3 5 4 07 5 8 01 0 0 1 2 0 1 1 2 0 分阶段冶炼工艺2 0 2 59 2 9 65 0 6 01 0 6 0 1 2 本课题研究的目的和意义 1 2 1 本课题研究的目的 本研究是针对韶钢1 2 0 t 复吹转炉操作工艺参数的优化而进行的。众所周知， 顶底复吹转炉炼钢法是在顶吹和底吹氧气转炉炼钢法的基础上，在原有的顶吹转 炉底部吹入气体以改善熔池的搅拌，综合两者的优点和克服两者的缺点而发展起 来的炼钢方法。因此，顶底复合吹炼的核心技术之一就是：如何有效地调节与控 制熔池的搅拌效果，满足不同吹炼阶段对冶金反应热力学和】动力学条件的要求， 以实现复合吹炼所具有的吹炼平稳、冶炼时间短、去磷效果好、终点钢水含氧量 低、炉渣含氧化铁低和成本低等优点。要达到这些目的，就必须研究顶底复吹熔 池运动的规律和最佳化的顶、底吹参数及底部供气元件支数和布置方式。本课题 研究的目的就是通过物理模拟的研究方法，对韶钢新建1 2 0 t 复吹转炉的底部供气 元件支数及其布置位置进行优化研究，并在此基础上再对其复吹转炉的冶炼工艺 参数进行全面的优化，使其复吹转炉达到最佳的冶金效果，从而充分发挥复吹转 炉在炼钢生产中的积极作用。 1 2 2 本课题研究的意义 转炉复吹技术作为一项卓有成效的重大技术，由于其与项吹转炉炼钢法相比， 具有吹炼平稳，终渣氧化铁低、铁耗及脱氧合金消耗少等优点5 , 6 ，自1 9 7 8 年开发 3 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 成功以来在世界范围内得到了迅速的推广和普及。各国冶金二 作者为了此项技术 的发展和完善，在短时间内进行了大量的试验研究工作，目前发展已比较成熟。 我国在8 0 年代初，在复吹转炉技术试验成功之后，此项技术也得到了迅速的推广。 但随着复吹转炉炼钢技术的不断发展，又出现了一些新的问题，而且由于各，一转 炉条件，产品要求各异，许多问题还需要具体对待和研究。 前人关于复吹转炉底部供气元件的支数和布置方式对熔池搅拌效果的研究， 虽然也取得了很多成果，并且形成了一些完整的理论和公式，但关于底部供气元 件的支数和布置方式对熔池搅拌的影响，还存在着分歧： f 1 1 底部供气元件支数增加还是减少更有利于熔池的搅拌； ( 2 ) 底部供气元件对称布置还是非对称布置更有利于熔池的搅拌。 另外，随着转炉复吹技术在我国的广泛应用，国内复吹转炉的底部供气元件 支数的发展经历了一个由多到少的发展过程，由最初的6 支、4 支发展到2 支甚至 1 支。但近年来，随着溅渣护炉技术的发展，转炉炉龄得到了很大的提高，底部供 气元件寿命已不能与转炉炉龄同步，因此很容易堵塞底部供气元件。所以，现在 国内复吹转炉底部供气元件支数又逐渐由少向多发展，由原来的1 支、2 支、4 支 发展到了4 支、6 支、8 支甚至1 6 支。因此前人探讨的影响吹炼效果的底部供气 元件布置的最佳化以及有关参数的研究，无论是模型研究或在工业上的研究，总 的看来还不够细致和深入。所以在实际中出现底部供气元件布置的仿照化或多样 化，是否是最佳布置则普遍缺少深入细致的研究。底部供气元件支数增加，对溅 渣护炉可能有利，但其是否有利于复吹转炉的熔池搅拌效果，怎样能将二者有机 的结合起来以充分发挥复吹转炉的冶金效果，成为了一个迫切需要解决的问题。 1 3 本课题研究的内容 本研究以韶钢1 2 0 t 复吹转炉为研究对象，对其操作工艺参数进行水模型优化 研究，其研究内容主要包括： ( 1 ) 在纯顶吹条件下，通过变化不同的氧枪枪位和顶吹气体流量，优化出韶钢 1 2 0 t 纯顶吹转炉的最佳工艺参数。 ( 2 ) 在顶底复吹的条件下，研究不同的底部供气元件支数和布置方式对转炉熔 池搅拌的影响，从而确定韶钢1 2 0 t 复吹转炉最佳的底部供气元件支数和布置位置。 ( 3 ) 在优化出来的最佳底部供气元件支数和布覆位置的基础上，变化不同的氧 枪枪位、顶吹、底吹气体流量，通过对优化出的最佳底部供气元件布置方案和韶 关钢铁公司提供的原底部供气元件布置方案进行进一步的对比实验，最终确定韶 钢1 2 0 t 复吹转炉的最佳操作工艺参数。 4 塑! 垄兰堡主兰堡丝查 苎三皇圭些簦垄 第二章文献综述 帚一早义陬猕逊 转炉顶底复合吹炼技术，其基本形式是顶吹氧+ 底吹惰性气体，但是由于各个 厂家的具体条件不同、研究方法不同，因而开发出许多具有不同特点的复合吹炼 技术。随着社会的进步和科学技术的飞速发展，转炉项底复合吹炼技术目前在许 多国家得到了广泛的应用。复吹转炉的研究工作一开始就是在水模实验的基础上 发展起来的，并逐渐应用于大生产。由于水模实验比较直观，并且与工业生产能 很好的符合，各种参数易得，易用数模进行计算，以便于计算机控制，因此，得 到各国专家学者的普遍关注，并作了大量的工作。 2 1 顶底复合吹炼法的发展现状与特征 2 1 1 顶底复合吹炼技术开发的历史背景 众所周知，l d 炼钢法即氧气顶吹转炉炼钢法是世界炼钢技术的一项革命，对 世界钢铁生产在2 0 世纪5 0 年代开始所产生的飞跃发展起了决定性作用。自1 9 5 2 年l d 法问世以来，短短2 0 年，l d 法炼钢的钢产量已接近世界钢产量的5 0 ， l d 炼钢法如此迅速地推广应用，主要得益于其诸多优点。然而，1 9 6 8 年o b m 炼 钢法即氧气底吹转炉炼钢法的诞生，使处于垄断地位的l d 法受到了挑战和冲击。 这是因为氧气底吹转炉炼钢法显示出许多优于顶吹法之处，可归纳为口】： ( 1 ) 熔池搅拌力强，相当或大于项吹法的1 0 倍，因此，熔池的成分、温度均匀、 操作平稳，且可防止喷溅和金属损失。 ( 2 ) 脱碳速度快，熔池碳氧反应更处于平衡状态，因此更适合于冶炼低碳钢， 即使转炉终点【c 为o ，0 1 0 0 2 时，也不会出现渣、钢过氧化现象，且有较高的残 锰收得率，因此比氧气顶吹转炉炼钢法有更高的钢水和合金收得率。 由于以上两点明显的优点，从7 0 年代开始，西德、美国、法国、比利时、瑞 典以及r 本相继投产了一些氧气底吹转炉。 然而，氧气底吹转炉也存在一些自身难以克服的缺点，如： ( 1 ) 由于熔池上方形成不了类似顶吹法的熔状区，因此脱磷困难； ( 2 ) 由于仅极少量c o 在炉内燃烧成c 0 2 ，因此产生热量比顶吹法低，废钢比 低于顶吹法4 左右； ( 3 ) 由于使用碳氢化合物冷却底部供气元件，因此钢水 h 】比顶吹法高。 5 一 东北大学硕士学位论文 第- 7 - 章文献综述 因为顶吹法和底吹法各有长处和短处，而自身又无法克服其短处，因此，促 使人们去思考寻找集两者优点而克服两者缺点的新途径。另外，7 0 年代，连铸技 术在全世界迅速发展，对炼钢在钢质和成分上提出了更高要求，因此这种集顶吹 和底吹优点的新技术的研究加快了步伐，并终于在1 9 7 8 年开发成功了l b e 技术， 很快在西欧、北美迅速推广。 2 1 2 复吹转炉吹炼的技术特点 表2 ，1 1 1 i 给出了顶吹转炉、底吹转炉和顶底复吹转炉冶金特点的比较。从表2 1 可以看出，复吹转炉结合了项吹、底吹转炉的优点，却避免了二者的缺点。因而 成为非常有效的精炼工艺。 表2 1 氧气转炉吹炼方式的技术比较 t a b l e2 1t e c h n i c a lc o m p a r i s o no f d i f f e r e n to x y g e nc o n v e l t e rp r o c e s s e s 畋炼方式顶吹转炉底吹转炉复吹转炉 反应速度脱碳速度快，氧效率较高脱碳速度更快，氧效率更高脱碳速度快，氧效率高 热效率可二次燃烧，热效率高无二次燃烧热效率低司二次燃烧热效率高 化渣速度化渣速度较快 化遣困难更易于成渣 脱磷能j j较强弱强，脱磷反应趋近平衡 吹炼平稳性差，易发生喷溅好，基本不喷溅较好，可控制喷溅 终点控制较困难易于畋低碳较容易 脱碳能力差后期钢渣易过氧化好，钢渣不会过氧化较好，有利于避免钢渣过氧化 复吹转炉的吹炼特点可用“复吹特征参数”- - i s c o ( i n d e xo fs e l e c t i v ec a r b o n o x i d a t i o n ) ( 最初用于底吹转炉) ，即碳的优先氧化指数来表示8 】： i s c o ；妥婴 垒 ( 2 1 ) 【2 q ( ，：+ 岛儿矽r 。 式中 q 。，岛一分别为氧气和冷却气体流量，n m 3 m i n ； w 一钢水重量，t ； r 熔池混匀时间，s 。 式( 2 1 ) 右边第一括号项表示熔池中上升气体内的c o 分压，第二括号项表示动 力学因素。在熔池中碳与其它元素的选择性氧化，一方面与p c 0 有关，另一方面与 碳的传质速度( 与w x 成比例) 有关。为了使碳优先氧化，需要降低p c o ，使碳的 传质速度高于氧的传质速度。用c o 分压与供氧速度和供碳速度的比值的乘积可以 一6 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 评价碳优先氧化的指标。从上式可知，i s c o 值越小，说明底吹搅拌气量越大，熔 池混匀时间t 越短，越可以使碳氧化到较低的浓度。其冶金效果表现为：随i s c o 值减少，熔池c 0 反应更趋于平衡，适宜冶炼超低碳钢；终渣氧化铁含量降低， 残锰提高；但化渣不好，给脱磷造成一定困难。表2 2 【1 给出了几种不同复吹工艺 的特征参数及冶炼效果。 表2 2 不同复吹工艺l s c o 参数与冶金效果比较 t a b l e2 2c o m p a r i s o no fi s c op a r a m e t e ra n dm e t a l l u r g i c a le f f e c tf o rc o m b i n e db l o w np r o c e s s e s 工艺名称 l dl d k gk b o p q - b o p 底吠气体 无c o 、a r 、n ， 0 2 - c 3 h 80 2 c 3 h b 供气强度m 3 - t _ l m i n 。1 00 0 0 5 0 2 lo 1 5 3 5 , - - 4 0 i s c o2 2 5 1 3 06 45 8 终渣t f e ( 【c 】= o0 7 时) 2 0 1 81 31 0 2 1 3 顶底复合吹炼法发展现状与特征 2 1 - 3 1 顶底复合吹炼法发展现状 复吹法开始在工业中推广应用，可以说是从1 9 8 0 年开始的。其发展速度之快， 就是当初的l d 转炉也是无法与之比拟的。1 9 8 0 年在德国、法国、卢森堡、美国 正式推广应用。1 9 8 1 年普及到日本，到1 9 8 5 年底全世界有1 5 6 座不同吨位的转炉 实现复合吹炼。至今，法、日、美已全面推广应用此技术【9 】。以下数字可以说明转 炉复合吹炼工艺在世界范围内的推广情况：1 9 8 3 年有复吹转炉8 3 座，1 9 8 8 年有 1 4 0 座，到1 9 9 0 年达到2 2 8 座。特别是日本，在8 0 年代中期就基本上全部采用复 吹转炉炼钢法。奥地利、澳大利亚、比利时、意大利、加拿大、卢森堡、葡萄牙、 法国、瑞士、韩国等国的转炉也全部或几乎全部都采用复合吹炼法i l 。 我国转炉复吹技术的研究与开发是从7 0 年代末开始的，于1 9 8 0 年派人赴日 考察，1 9 8 1 年冶金部列为重点课题开展试验工作，1 9 8 2 年在首钢、新抚钢6 t 转炉 上进行复合吹炼的工业性试验，先后取得了成功。1 9 8 3 年在大中型转炉进行了工 业性试生产。从1 9 8 4 年开始，我国的转炉复吹工艺迅速发展并向全国推广。到1 9 8 6 年底已有2 0 多个转炉车间，3 8 座转炉( 首、鞍、武、太、包、上、宝、马、唐、 攀钢等) ，约占全国钢产量的5 0 左右。我国转炉复吹技术起步较早，并取得了同 国外类似的冶金效果和经济效益。但是，由于我国氧气转炉总体装备水平落后， 与国外先进水平相比还有一定的差距一川。 目前，经过广大冶金工作者的努力，转炉复吹技术已闩趋成熟，成为炼钢技 一7 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 术的主要发展方向。 表2 3 各种复合吹炼法的主要特征 t a b l e2 3p r i n c i p a lc h a r a c t e ro f v a r i o u sc o m b i n e db l o w np r o c e s s e s 底吹氧比例f ) 使用其他气体种类及流 名称发明厂家及流量 底部供气元件类型 量小m 3 ( m i nt ) n m ( r a i nt ) l d k g k a w a s a k is t e e lo a t n 2 , 00 1 00 5 单管喷嘴 l b ea r b e d j r s i d0 a t n 2 , 0 , 02 5弥散型透气砖 i ，d o 下bk o b es t e e l0 a r n 2 ，00 1 o 1 0环缝管式 a r c 0 2 n 2 ，00 4 5 或 n k c b n i p p o nk o k a n ( n k k ) 0 多孔细钢管透气砖 0 1 1 2 l d a b n i p p o ns t e e l o a t c 0 2 他，00 4 - 01 0多孔细钢管透气砖 j l 系统j o f l e sa n dl a u g h l i n0a l 0 0 1 4 - 0 3 1透气砖 b s c b a p b s c ( t e e s s i d el a b ) 5 1 5 a l 0 0 7 5 - 0 2 0 双层套管 l d o b n i p p o ns t e e l 1 0 2 0 03 08天然气遮盖双层套管 l d h ch a i n a u t s a m b r e c r m5 8 00 8 0 2 0天然气遮盖双层套管 s t ba n d 内喷嘴0 2 c o 外喷嘴 s u m l t o m om e t a l s8 1 0 0 1 5 02 5 双层套管 s 下b p c 0 2 n 2 a r , 0 0 3 0 7 k b o pk a w a s a k is t e e i2 0 - - 4 0 , 07 l5天然气遮盖 双层套管 o b m sm a x h j t t e - t i ss t e e i 6 0 - $ 0 天然气遮盖和侧喷嘴双层套管 k m s - k s k l o c k n e r - m a x h a t t e 1 0 0 , 45 55天然气遮盖喷嘴双层套管 h b s c h o o g o v e n s - b s c 0 n 2 a r , 00 4 - 0 2 5 环缝管式 a l c ia r b e d0a t n 2 , 0 - 02 5 2 1 3 2 顶底复合吹炼法分类与特征 继奥地利人d r , e d u a r d 等于1 9 7 3 年研试转炉顶底复合吹氧炼钢之后，世界各 国普遍开始了对转炉复吹的研究工作，出现了各种类型的复吹转炉炼钢方法。这 些方法虽然大同小异，但也各有其特点。一般说可以分成以下几大类”“： ( 1 ) 1 0 0 顶吹0 2 + 从顶部加石灰块+ 惰性气体搅拌； f 2 ) 9 0 9 5 顶吹0 2 + 从顶部加石灰块+ 5 - 1 0 底吹0 2 ； ( 3 ) 7 0 8 0 顶吹0 2 + 2 0 3 0 底吹0 2 + 底吹石灰粉； f 4 ) 6 0 8 0 底吹0 2 + 底吹石灰粉+ 2 0 - - - 4 0 顶吹0 2 + 喷吹油燃气预热废钢； 8 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 ( 5 ) 1 0 0 底吹0 2 + 底吹石灰粉+ 附加0 2 + 顶底部喷吹煤粉 基于上述分类，就现有复吹法归纳分述如下 7 , 1 2 】： ( 1 ) 顶吹氧、底吹惰性气体方法 该技术为加强搅拌型复吹方法，底吹气体为n 2 、a r 及c 0 2 弱氧化性气体，底 吹气体流量大致在0 3 n m 3 t m i n 以下，其目的主要是加强搅拌效果来获得较好的冶 金效果。代表技术有l b e 、l d k g 、l d o t b ，n k c b ，l d a b 及j & l 系统。 ( 2 ) 顶底复合吹氧法 该技术是指顶底同时吹氧、在底吹氧的同时也可吹入部分熔剂，属于强化冶 炼型的复吹方法。底吹氧量约为顶吹的5 4 0 ( 0 2 1 5 n m h tr a i n ) 。供气元件为双 层套管，中心吹0 2 ，外层吹c 0 2 、n 2 、a r 及天然气保护。代表技术有b s c b a p ， l d 0 b ，l d h c ，s t b 及s t b p 、k b o p 法等。 f 3 ) 顶底吹氧、喷加燃料法 该技术指顶吹氧、底吹或侧吹氧，同时底喷或加入燃料，属于增加废钢型的 复吹方法。代表技术有o b m s ，k m s ，k s ，h o o g o v e n s b s c 与a l c i 法等。其中 k s 法采用1 0 0 底吹0 2 ，同时底喷煤粉，实现1 0 0 废钢氧气炼钢。 各种类型复吹方法及其主要特征示于表2 3 1 4 , 1 2 , 1 3 中。 2 2 复吹转炉底部供气元件及其发展 图2 1 炉底供气元件的演变过程 f i g 21s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f d e v e l o p m e n tp r o c e s so f b o t t o mt u y e r e s 顶底复吹转炉结构上与传统顶吹转炉相比，最根本的区别是在炉底增设了供 气元件和供气系统。由于转炉复吹法在炉底上设置了供气元件，促使人们首先想 到如何延长炉底供气元件的寿命，以便于与炉龄同步。所以，底部供气元件、供 气源就成为引人注目并加以研究的重要课题。尤其供气元件的结构和材质及布置 一9 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 形式不仅关系到炉子的寿命和搅拌效果，而且还关系到冶炼钢种范围和经济效益。 因此，可以说复吹技术发展演进过程也就是供气元件不断改进和完善的过程，它 是转炉复吹技术的核心。 炉底供气元件从一开始发展，就区分为喷嘴型和砖型两大类，喷嘴型是沿用 底吹转炉经验发展起来的，砖型则基本上是借鉴钢包吹氩透气塞的经验。这两类 供气元件沿着两种不同的发展渠道，不断地改进发展，出现了各种不同的结构形 式并各具特点 1 4 , 15 1 6 】。炉底供气元件的演变过程如图2 1 1 3 】所示。 1 喷嘴型供气元件 它有单管、双层套管、环缝管式等。单管式供气元件是最早使用的。它为圆 形等截面钢管。适用于喷吹m 、n 2 等气体，由于流量调节范围小和易烧损，已很 少使用。双层套管式中心管通氧，内外管间环缝通碳氢化合物保护介质，或者内 管和环缝均通m 、n 2 、c 0 2 等相同介质，但压力和流量不同。实践证明，此种供 气元件防止内管粘结是较为有效的。其主要缺点是气量调节幅度受限制，不能根 据冶炼要求做较大气量调节。环缝管式供气元件是将内管用泥料堵塞、环缝通气， 最大限度的扩大双层套管枪的内外压差。它的气体流量调节幅度可以增大到qn 一 q 最小= 1 0 ，但它不适于喷吹氧化性较强的气体，并且保持同心度较难。 2 砖型供气元件 砖型供气元件供气量可调范围大，不易堵塞，在生产中得到大量应用。主要 包括弥散型透气砖、砖缝组合型和直孔型透气砖三类。弥散型透气砖是由法国和 卢森堡联合研制成功，透气元件与钢包吹氩供气塞类似，适于喷吹加、n 2 搅拌气 体，气体阻力大、透气量小，不能喷吹氧化性气体。为了解决弥散型透气元件致 密度问题，世界各国先后研制出砖缝组合型供气元件。砖缝组合型供气元件是由 多块耐火材料以不同形式拼凑各种砖缝并外包不锈钢板而成，气体经砖体下部气 室通过砖缝进入炉内。其供气阻力小，适合于喷吹惰性气体，但容易漏气而且各 缝隙气流不均。在开发砖缝组合型透气元件的同时，在奥钢联及北美相继出现直 孔型透气砖。沿砖的断面分布很多贯通的直孔道，此孔道是在制砖时将许多细的 易熔金属丝埋入砖内，然后在焙烧过程中使金属丝熔出而成。其供气阻力小而且 气流分布均匀，不容易漏气。 3 金属与砖的复合型供气元件 金属与砖的复合型供气元件分为多孔型供气元件和类环缝管式直孔型供气元 件两种。多孔型供气元件于8 0 年代初由日本钢管公司发明，称之为m h p ( m u l t i p l e h o l ep l u g ) 。该供气元件是把不锈钢钢管埋入耐火材料中制成。此种供气元件经过 改进后，不仅调节气量幅度比较大，而且通过适当控制供气压力也可以做到中断 供气。类环缝管式直孔型供气元件是在吸取双层套管和细金属直孔砖使用经验的 基础上改进的。环缝管式直孔砖和埋入细金属管的类环缝管式喷嘴，具有环缝管 1 n 一 末北大学硕士学位论支 第二章文献综述 和细金属管多孔塞砖的优点，不仅喷出气流的稳定性而且剥落和抗变形以及抗气 流的反冲击力都具有优越性，而且成型也比多孔塞砖容易。 综上所述，喷嘴型和砖型供气元件出现稳定、分散、细流的发展方向。多微 管元件的出现，展现出砖、喷嘴两类元件向多微管元件统一发展的趋势。 2 3 国内外关于复吹熔池搅拌的研究 随着氧气顶吹转炉规模的大型化，人们开始认识到炉内的熔体并没有充分混 合，搅拌力不足是大型转炉的致命弱点。因此，研究混合对冶金反应有重要意义。 冶金范畴中关于熔体混合程度，提出了“混合均匀时间”和“搅拌能”的概念1 7 1 。 2 3 1 国外关于复吹熔池搅拌的研究 1 9 7 5 年，中西等人【l 在分析不同精炼设备的混合均匀时间与搅拌能关系的基 础上，进行数学处理，得到钢液混匀时间( t ) 与搅拌能( ) 的定量关系： r = 8 0 0 s “4 ( 2 2 ) 这使冶金工程技术人员可以方便地定量分析精炼容器中气体喷吹的冶金效 率。但是他们在搅拌能密度( 8 ) 的计算中忽略了容器几何尺寸的影响，并且在计算 气流在液柱上浮而向周围液体介质释放的能量时，将气体膨胀功计算了两次。其 后，森一美及鞭壤等人不仅从理论上，而且也从试验中证明，t 不仅取决于e ，而 且还与设备大小有关1 1 ”。1 9 7 9 年，赫莱进一步通过量纲分析法，求得混匀时间的 计算公式【1 3 】： ，一、 6 托f 、d i f ：0 0 1 8 9 f 旦1f h o _ r p1 日y0 2 s 8 - 0 2 s ( 2 3 ) l 开 lr 式中：d 熔池直径，m ；h 熔池深度，m ；y - 动力粘度，m 2 s ；o 表面张力，n m ； d 钢液密度，k g m 3 ：1 1 - 钢液粘度，p a s ；搅拌能量密度，w m 3 。 1 9 8 0 年，中西等人【19 j 通过冷模试验，将底吹法和顶吹法的熔池混合均匀时间、 钢渣之间的传质速度作了对比，发现底吹法的熔池混匀时间最短，钢渣问的传递 速度快。进而对底部供气元件的支数、配置、熔池深度和气体流量的影响进行了 研究。试验指出f 和底部供气元件支数的1 3 次方成比例地增大，当熔池的深度比 较浅时，由于有吹透现象，所以吹入气体所具有的能量便不能充分地向熔池传质。 并且，中西等人还导出了评价顶吹气体运动的能量关系式，从而指出顶吹气体所 具有的能量用于搅拌混合的利用率和底吹法的利用率相同。因此，可把t 和e 的 关系式扩大应用到顶底复合吹法和顶吹法。但是，作者认为，把- g 和e 的关系式 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 应用于顶吹法还有一些问题。 1 9 8 2 年，k y o j in a k a n i s