现代转炉炼钢技术.doc

目 录1.1 转炉炼钢技术的发展11.1.1 发展概要11.1.2 转炉炼钢技术发展的进程11.1.3 转炉炼钢技术的展望41.2 顶底复合吹炼技术51.2.1 复吹技术开发的历史背景51.2.2 顶底复合吹炼技术的分类61.2.3 复吹的主要技术特点61.2.4 复吹冶金效果和经济效益81.3 转炉基本操作工艺101.3.1 装入制度101.3.2 供氧制度111.3.3 造渣制度111.3.4 温度制度111.3.5 终点控制与出钢合金化111.4 典型钢种的冶炼要点及其质量121.5 长寿命炉衬技术131.5.1 溅渣护炉的基本原理141.5.2 溅渣护炉的技术要点141.5.3 溅渣护炉的优点及负面影响161.6 转炉节能和负能炼钢的实现181.6.1 概述181.6.2 转炉炼钢的热工特点181.6.3 转炉炼钢的直接能源消耗191.6.4 转炉能量的回收191.6.5 转炉工序能耗计算191.6.6 转炉炼钢的主要节能途径201.6.7 转炉负能炼钢的实现211.7 计算机控制炼钢211.7.1 计算机控制炼钢的发展概要211.7.2 计算机控制炼钢的优点211.7.3 炼钢计算机控制系统的结构及其功能221.7.4 静态和动态模型231.7.5 计算机控制炼钢应具备的条件261.8 铁水预处理与转炉双联法炼钢261.8.1 运载容器中的铁水预处理261.8.2 转炉双联法32现代转炉炼钢技术1.1 转炉炼钢技术的发展1.1.1 发展概要1855年，英国亨利.贝塞麦发明酸性空气底吹转炉，首次用铁水炼液态钢。1856年，Robert Mushet 向钢液内加Mn-Si-Fe进行脱氧，阻止浇注后凝固的钢锭产生蜂窝气泡，使钢锭能顺利进行热处理。1878年，英国人S.G.ThoMas发明碱性空气底吹转炉，以白云石加少量粘土作粘结剂制成炉衬，加石灰造碱性渣，解决了高磷铁水的脱磷问题。由于托马斯炼钢法是空气底吹，N较高，易产生时效硬化现象。当时采用（1） 富氧鼓风（O2 30-32%）；（2） 混合气体（O2 50%，CO2 30-32%）；（3） 氧气中加H2O。来降低钢中的N含量。上世纪40年代初大型空气机问世，随即产生了氧气顶吹转炉。首先在1847年瑞士人罗佰特（Robert）、杜勒（R.Durrer）在2.5吨转炉进行顶吹氧试验，于1848年3月试验成功。奥地利联合钢铁公司获悉并观察后：在奥地利林茨（Linz）2t和15t转炉上试验，于1949年10月成功。在林茨（Linz）新建30t转炉工厂，于1952年开工生产。奥地利阿尔卑斯矿业公司在多那维茨（Donawitz）新建30t转炉工厂，于1953年投产生产，并命名为LD氧气顶吹转炉炼钢法。1967年，原联邦德国和法国建成氧气底吹转炉。由于从炉底吹入氧气，使冶炼过程更加平稳，脱碳能力强，有利冶炼超低碳钢种，铁和锰的氧化损失较氧气顶吹转炉小，也适用高磷铁水炼钢，这一工艺的出现受到炼钢界的普遍重视。1969年，原联邦德国采用钢包喷射冶金技术。1974年，英国首先在1.25t转炉上，1975年法国和卢森堡合作在65t转炉上先后试验成功顶底复合吹炼转炉炼钢。1.1.2 转炉炼钢技术发展的进程LD氧气顶吹转炉炼钢法自1952年诞生以来，半个多世纪的发展大致有以下特点：（1）LD基本炼钢技术的完善和转炉大型化的实现这一技术发展过程主要在20世纪50年代初至60年代末完成。对于当时来说，这种技术的完善首先是为了安全、连续、稳定地进行炼钢生产的目的，其次再考虑进一步提高生产能力和品种适应的问题，因此这些基本炼钢技术的完善可归纳为1：1）氧枪的改进，单孔多孔枪头；2）OG法除尘系统的完善，开始回收煤气；3）扩大对原料的适应性，如高磷铁水的使用；4）品种扩大，低碳到中、高碳及合金钢；5）炉料改进，提高炉龄，从开始的数百炉提高到数千炉。随着上述基本炼钢技术的不断完善，对转炉大型化提出了要求，以求更高的生产能力和经济效益。因此，在60年代初就出现了容量为200t的转炉，到60年代末就出现了300t或大于300t的转炉。众所周知，从70年代开始，容量为250300t的转炉一直是当今世界转炉炼钢的主力炉型。（2）经验操作转变为科学控制炼钢这一技术发展过程主要完成于20世纪50年代末至70年代末。由于转炉炼钢反应速度快、时间短，很难采用取样分析的方法来监控炼钢过程，也无法直接观察炉内的反应过程，而只能根据对火焰、声音第二次信息的观察体会逐步形成操作人员的经验，从而来调节反应过程和对终点的控制，这就是所讲的经验炼钢。约100年来，贝氏麦、托马斯转炉都是依靠经验来炼钢的。由于经验炼钢的局限性，自然提出了炼钢过程实施科学控制的要求。从经验炼钢到科学控制炼钢大约经历了以下几个历程：1）20世纪50年代末到60年代初，炼钢科学工作者利用热力学试验数据已能精确计算出炼钢过程化学反应生成的热。这为科学控制炼钢过程打下了理论基础2。2）19601965年，称量、检测、分析仪表迅速发展，对加入转炉的主、副原料的质量、温度及化学成分可以进行测量，逐步实现能准确计量地加入炉料，另外，计算机已用于生产，主要是采集、记录生产过程中的数据，而不进行控制。3）19651970年，采用计算机设定计算值并进行炼钢过程的监控，这实际上已是利用静态模型对炼钢过程进行开环控制的指导，然而终点的闭环控制尚未实现。4）19701980年，借助于测量技术的进一步发展，已能准确连续测量出吹入转炉的氧量及对废气的成分进行分析，特别是副枪技术的开发，使转炉炼钢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的目标。20世纪80年代以来，随着计算机技术的全面推广以及各种检测手段的迅速发展，科学炼钢已达到很高水平，这为保证钢水质量、降低消耗及提高劳动生产率发挥了重要作用。因此，可以说，转炉从经验炼钢发展到科学控制炼钢是转炉炼钢技术发展的一个十分重要的方面。（3）顶底复合吹炼技术的开发与完善这一技术的发展过程主要完成于20世纪70年代末到80年代末。1968年，正式用于工业生产的氧气底吹转炉（OBM）在德国诞生。人们发现，底吹工艺与顶吹工艺相比有显著的优点，特别是在生产低碳钢时，即由于熔池搅拌强度大，脱碳速度快，碳氧反应趋于平衡。以后人们又发现将底吹率降低到30%甚至更低也能获得相同的冶金效果，这就为开发顶底复合吹炼技术打下了基础。60年代末，由于连铸技术迅速发展，特别是后来全连铸钢厂的出现，对转炉炼钢在时间、温度、成分及钢水质量方面提出了更高的要求。因此，集顶吹和底吹优点为一体的复合吹炼技术的开发引起了高度重视。1977年，卢森堡阿尔卑德公司和德国钢铁研究院共同开发出顶吹氧、底吹惰性气体的复合吹炼技术，即LBE技术。在此后的十多年里，复吹技术在全世界推广，至1990年，日本转炉钢复吹比已达83.5%，西欧为60.1%。顶底复合吹炼技术主要包括以下三种类型：1）顶吹氧、底吹惰性气体工艺；2）顶底复合吹氧工艺；3）顶底复吹氧及喷吹燃料工艺。复合吹炼技术明显改善了转炉终点操作，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，这不仅提高了钢水质量，还降低金属吹损、耐材消耗及降低铁钢比所引起的节能等经济效益。因此可以说，复合吹炼技术将转炉炼钢向提高质量、降低消耗方向大大推进了一步，它是转炉炼钢技术进步的又一重要方面。（4）高效、高自动化、高洁净度炼钢技术的发展从1990年至本世纪末，由于社会对钢材的质量及价格的要求日益增高，炼钢技术发展的重点就体现在长寿高效、计算机全自动炼钢及高洁净钢系统生产技术三个方面。1）长寿高效技术：长寿命炉衬技术的发展，特别是溅渣护炉技术的开发与应用，使炉龄可以提高到12万炉以上，不仅可大大降低耐材消耗，更重要的是改变传统“三吹二”、“二吹一”模式，大大提高转炉利用率，实现转炉“高效化”。2）计算机全自动炼钢技术：在科学控制炼钢的基础上，成熟应用静态模型、副枪及动态模型、加之吹炼过程防喷溅动态枪位、加料控制以及终点磷、硫预报快速出钢技术，使转炉炼钢实现全过程自动控制，终点碳、温双命中率可稳定保持在90%以上，同时能降低终点钢水氧含量，为洁净钢生产打下良好基础。3）高洁净度钢生产技术：由于提高钢的洁净度可以明显改善钢材性能，因此洁净钢的需求日趋扩大。然而人们认识到洁净钢不能单纯依靠某一工序的技术改进而获得，因而“分阶段精炼”3的洁净钢系统技术得到迅速发展，形成了新的、能大规模廉价生产洁净钢的生产体系，典型的“分阶段精炼”流程为：铁水“三脱”转炉少渣冶炼多功能二次精炼连铸保护浇铸和中包冶金。近20年来，洁净钢生产技术得到迅速发展，比如已能生产出TO1010-6的轴承钢、钢帘线，（S）1010-6的管线钢等等。综观转炉炼钢技术的发展历史，不难看出所有技术进步始终都是围绕着以下目标：1）提高转炉的生产效率；2）提高钢水质量，满足社会日益苛刻的需求；3）降低转炉炼钢的生产成本；4）降低炼钢能源消耗及回收利用炼钢过程产生的能源；5）减少对环境的污染，实现清洁生产。21世纪，转炉炼钢技术面临更具挑战性的形势，总目标是利用钢材本身较好的生态特征在与其他材料的竞争中获得更多市场。1.1.3 转炉炼钢技术的展望21世纪钢铁工业将如何发展，这是全世界钢铁工作者共同关心的问题。比较认同的看法是：尽管钢铁产品受到“钢铁替代材料”越来越严重的挑战，但钢材以其独特的物理化学性质，以其优良的综合性能和较低的价格满足不同使用者的需求，仍为各行各业的首选材料。预计，在21世纪，钢铁仍是“必选材料”。因此，从高炉开始直至最终成材工序内的一系列钢铁生产技术面临加速创新的新任务，以使钢铁生产技术在制造领域始终处于领先地位，使优质廉价的钢材在材料领域始终具有竞争力。就转炉炼钢技术而言，已经形成了包括短期在内的技术创新计划，大致内容如下：短期项目有：1）开发快速准确炉气分析技术，控制冶金过程和烟气净化；2）熔池搅拌技术，提高炉役期内冶金行为的稳定性；3）防止钢渣流入钢包的更有效的保护措施；4）最新的计算机人工智能、专家系统，提高过程稳定性；5）开发具有反馈功能的并联控制系统，提高对碳和温度的控制，精确测量氧气高度及探测喷溅的发生；6）开发夹杂物控制技术，去除和降低不变形残余夹杂物；7）减少转炉废气、废渣的排放，进一步改善环境；8）开发经济的、环保型的脱磷、控磷方法及其他有生命力的炉渣利用技术。中期的项目有：1）延长炉体寿命，开发冷却系统防止炉体变形；2）开发供氧新系统及可长时间保持射流特征的新型氧枪及二次氧枪；3）降低能耗（如二次燃烧），提高废气回收率；4）转炉冶炼和炉渣形成过程的检测（如射线波测量）。长期项目有：开发用铁水流程处理铁水实现连续炼钢的技术。需要指出的是：日本钢铁界初步形成的“铁水三脱+少渣精炼+多功能二次精炼”的新的生产体制，将在下世纪加速发展，其技术的主要特点和内容有：1）利用转炉进行全量铁水“三脱”；2）采用转炉“双联”工艺，进行少渣精炼；3）MN、CR矿的熔融还原；4）实现转炉高效化；5）减少转炉总渣量50%，对环保作出新贡献。1.2 顶底复合吹炼技术1.2.1 复吹技术开发的历史背景众所周知，LD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。自1952年LD法问世以来，短短20年，氧气顶吹转炉炼钢的钢产量已接近世界钢产量的50%，LD炼钢法如此迅速地推广应用，主要得益于其诸多优点。然而，1968年OBM炼钢法即氧气底吹转炉炼钢法的诞生，使处于垄断地位的氧气顶吹转炉炼钢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：1）熔池搅拌力强，相当或大于顶吹法的10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0.01%0.02%时（质量分数），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70年代开始，西德、美国、法国、比利时、瑞典以及日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时的熔状区，因此，脱磷困难。2）由于仅极少量CO在炉内燃烧成CO2，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喷嘴，因此钢水比顶吹法高。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，促使人们去思考寻求集两者优点而克服两者缺点的新途径。另外，70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。1978年，卢森堡阿尔蓖德贝尔瓦厂首先开发出顶吹氧、底吹惰性气体的复合吹炼方法，即LBE法，且很快在西欧、北美迅速推广。与此同时，日本各大钢厂也相继开发成功顶底复吹技术，并成功用于工业生产。由于顶底复吹技术显示出诸多冶金效果及经济效益，同时，由于将顶吹转炉改成复吹转炉无须大幅度改造，因而顶底复吹技术经问世5年后，在世界范围内已有70座容量150t的大型转炉改造成功并投产。可以说，到80年代末，复吹炼钢法已取代顶吹法而成为转炉炼钢的主流7。1.2.2 顶底复合吹炼技术的分类顶底复合吹炼技术主要分三大类：（1）顶吹氧、底吹惰性气体法顶吹氧气，底吹气体为N2、AR及CO2弱氧化性气体，底吹气体流量大致在0.3NM3/tmin以下，该技术为加强搅拌型复吹方法，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LBE、LDKG、LDOBT、NKCB、LDAB等，由于该技术供气元件容易维护，寿命长，操作工艺比较简单，适应钢种范围广，因此在复吹技术中所占比例较高。我国现有的复吹转炉绝大多数采用该技术，需要指出的是，在底吹N2时（因价格低廉）钢种增N约3010-6（质量分数），因此为防止增N，通常在冶炼终点前将底吹气体切换成Ar。（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%40%（0.21.5M3/tmin）。供气元件为双套管，中心吹O2，外层吹CO2、N2、Ar及天燃气作保护。代表技术有BSC-BAP、LD-OB、LD-C、STB、STB-P、K-BOP等。（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OBM-S、KMS、KS等。其中KS法采用100%底吹O2，同时底喷煤粉，实现100%废钢氧气炼钢。1.2.3 复吹的主要技术特点1.2.3.1 复吹的特征参数将碳的优先氧化参数值，即ISCO值（最初用于底吹转炉）作为复吹转炉的特征参数：式中 氧气流量冷却气体流量钢水重量熔池混均时间从上式可知，碳在熔池中的选择氧化，与上升气体的CO分压及碳的传质速度有关。值越小，越可使碳氧化到较低的浓度。值随熔池混匀时间减少而降低，而混匀时间又是随底吹强度加大而减少的，如分别对LD（顶吹）、LD-KG（加强搅拌型）、K-BOP（强化冶炼型）和-BOP（底吹）转炉作计算，其结果示于图17。图17不同吹炼方式ISCO值与混均时间关系图1.2.3.2 复吹供气元件复吹供气元件是安装于转炉底部的特殊透气耐火材料，它直接影响复吹效果及使用寿命，因此是复吹系统中的关键元件。供气元件大致可分为如下三种类型。（1）钢管型供气元件常用的有单管式、双层套管、环缝管等。单管式因流量调节小且易烧损，目前已不多见。双层套管主要用于中心吹氧、外层吹保护气体的复吹方式，即顶底吹氧法。环缝管可增大流量调节幅度，并最大限度地扩大内外压差，它也主要用于顶底复吹氧方法。（2）砖型供气元件砖型供气元件包括弥散型、砖缝组合型及直孔型透气砖。这三种透气砖主要用于底吹惰性气体的复吹方法，其中直孔型透气砖阻力小而且气流分布均匀，使用比较普通。（3）多微孔透气塞式供气元件它综合钢管型和砖型供气元件的优点，其微管的直径为1.5mm4mm，它具有供气阻力小、气体流量调节范围大，气密性好等特点，同时有利于蘑菇头的生产和连接，减少烧损，延长寿命。图18示出供气元件的演变过程。图18供气元件演变过程示意图1.2.3.3 供气系统供气系统通常由气包、减压阀、流量调节阀、N2 、Ar切换阀及相应的管构件、管道组成。控制系统一般由PLC及相关的流量、压力检测仪表构成。比较先进的复吹系统不仅能满足不同复吹工艺模式进行自动控制，而且具有自动检漏、检堵及气量调节功能。如武钢三炼钢采用的复吹系统有16块透气砖和16个单独控制的供气系统组成。由计算机控制，当某透气砖堵塞时，系统能自动判别，并自动关闭该块透气砖的供气，且将总气量重新分配给剩余工作的透气砖，以保证复吹效果。1.2.3.4 复吹工艺根据不同钢种的需求，结合炼钢过程各阶段的冶金特点，可以摸索出不同的复吹工艺模式。如武钢二炼钢厂开发出三种典型的供气曲线（见图19）。在吹炼的前期和脱碳期供气基本一致，差别在于吹炼后期和停吹后搅期。根据C的不同含量，采用不同的供气强度和搅拌时间，使钢渣氧化性得到有效控制。图19 三种典型的供气曲线1.2.4 复吹冶金效果和经济效益复吹的主要冶金特征表现在以下几方面：（1）碳氧反应更趋平衡。如图20（武钢三炼钢的实际应用结果）所示，当吹炼终点C=0.04%（质量分数）时，无复吹的终点O约为90010-6（质量分数），而进行复吹的炉次则为55010-6左右。这说明钢、渣的氧化性大为降低。（2）吹炼终点残锰明显提高。图21是各种炼钢方法终点锰碳的关系，可见复吹转炉钢水残锰明显提高，合金收得率也随之提高。（3）脱磷脱硫反应更趋平衡。从图22、图23中可见9，复吹转炉比顶吹转炉具有更高的磷、硫分配系数。有些研究结果表明，磷的分配系数甚至很接近HeaL平衡值。图20 转炉复吹和无复吹时的终点碳氧平衡图21 各种炼钢方法终点锰碳的关系图22 磷分配系数与渣中氧化铁含量的关系由于复吹具有上述明显的冶金特征，因而它给钢厂带来了诸多优点，可归纳为：图23 硫分配系数和炉渣碱度的关系（1）渣中含铁量降低2.5%5.0%；（2）金属收得率提高0.5%1.5%；（3）残锰提高约0.02%0.06%；（4）石灰消耗减少310Kg t；（5）磷含量降低约0.002%；（6）降低O2耗约8%；（7）减少耐材消耗，提高炉龄。采用复吹法带来的经济效益，因各钢厂具体情况不同而异。一般来说，在欧洲，大约折算为23.6马克/t；在美国，约为0.251.5美元/t10。1.3 转炉基本操作工艺1.3.1 装入制度装入制度通常要考虑三个因素：1）合适的炉容比，即有效容积与金属装入量之比，一般取0.81.0；2）合适的熔池深度，即必须大于氧流穿透深度；3）铁水比，一般为70%90%。1.3.2 供氧制度供氧制度主要参数如下：1）供氧压力，保证出喷孔时的氧流速度为超音速，通常吹炼工作压力为0.81.2MPa；2）供氧强度，是指单位时间每吨金属的供氧量，一般取2.54.0M3/tMin；3）枪位，对于不同冲击速度存在获得最大冲击面积的最佳枪位。在我国，多半采用恒压变枪位的操作；4）氧枪喷头，多半采用多孔型，增大与熔池接触面积，使吹炼平稳、成渣快。1.3.3 造渣制度（1）钢对炉渣的要求。原则上说，要求炉渣具有一定的碱度，合适的氧化性、流动性，适度的泡沫化；（2）造渣方法。主要通过加入石灰来实现。石灰加入量主要根据所需的碱度而定，因而取决于铁水的硅含量，同时也考虑含磷量。碱度（CaO）/（SiO2）一般取3.0。根据不同钢种造渣方法还可分单渣法、双渣法等。石灰通常分批加入，最好采用计算机自动加料方法。1.3.4 温度制度（1）出钢温度的确定。出钢温度通常按下式确定：TtAP=TL+TTtAP为出钢温度；TL为钢的液相线温度；T为从出钢开始至浇铸过程钢水温降的总和。（2）冷却剂类型及数量。废钢为主要冷却剂，通常在开吹前与铁水一起加入炉内，废钢比可取10%30%。在吹至终点前，通常加入一定数量的矿石或氧化铁皮作冷却剂，以求终点温度命中，同时也可促进化渣。1.3.5 终点控制与出钢合金化（1）碳温双命中采用计算机终点控制可获理想效果，使双命中率可达80%甚至90%。（控制精度，（C）0.015%，T12）（2）脱氧、合金化脱氧的目的是使钢中氧脱到一定程度，保证质量和浇铸顺利。常用方法为沉淀脱氧和真空脱氧。合金化是指为达到钢水成分要求而向钢水中添加合金的操作，事实上，脱氧和合金化大都是同时进行的。要注意根据合金对氧的亲合力、熔点、比重等特性来选择加入的时间、顺序和方法。（3）出钢挡渣钢渣流入钢包的危害越来越被人们认识清楚，它不仅会产生回磷、降低合金收得率，还会严重影响二次精炼工序的冶金效果，对于生产洁净钢来说尤为如此。因而各种挡渣技术相继问世。武钢三炼钢采用挡渣塞技术（见图6、图7）6，收到很好效果，最好时可使流入钢包的渣子2.5Kg/t。图6 出钢挡渣塞装置示意图图7 挡渣过程示意图1.4 典型钢种的冶炼要点及其质量（1）低碳、超低碳钢对深冲钢的使用要求决定了钢中碳低、硅低、总氧（非金属夹杂物）低的特点，此外，还要求氮低、硫低，并添加适量的微量元素，如钛、铌等。为满足质量要求，通常需掌握以下要点：终点一次拉碳（C）=0.04%0.06%），避免补吹；降低终点O，充分发挥复吹后搅作用，使（O）710-4；尽量采用低硫铁水，终渣碱度3.2，使成品（S）0.015%；严格脱氧剂的使用和脱氧步骤，防止钢水吸N2；严格控制钢渣流入钢包。对于IF钢来说，应使其在真空处理前钢水含有一定的碳和氧，以便深脱碳。另外还要采用铁水脱硫、二次精炼、连铸等一系列有关技术措施，确保（C）0.003%，（N）0.002%，（O）0.0025%，且夹杂物直径30m。（2）中、高碳钢中、高碳钢冶炼的矛盾焦点是终点碳的控制。常用的方法是“高拉碳法”和“增碳法”。高拉碳法高拉碳法的优点是终渣氧化铁低、金属收得率高、氧耗低、合金收得率高、钢水气体含量较低。问题是，因为终渣氧化铁低，除磷很困难。同时，在中、高碳范围转炉终点命中率也很低，通常需等成分补吹，即“高拉补吹”，延长冶炼周期。因此，采用铁水预处理工艺，特别是进行铁水脱硫，同时采用计算机控制炼钢，即借助于副枪动态控制，采用高拉碳法生产中、高碳钢是可取的。增碳法终点碳控目标是根据终点硫、磷情况而确定的，通常在出钢过程进行增碳，在精炼工序最终微调以达到目标成分要求。（3）低合金钢低合金钢冶炼应注意以下要点强化造渣工艺，早化渣、化好渣，终渣碱度保持在3.04.0，确保去磷、去硫效果；采用一次拉碳、避免补吹，降低钢中O；严格脱氧、合金化操作，确保成分命中，同时控制好温度及防止吸氮；采用挡渣出钢，防止回磷，并加入适量改性渣料，以实现钢水脱硫、脱磷效果。对于高品级低合金钢，单靠转炉一个工序不能达到所有要求，因此必须联合采用铁水预处理、二次精炼及连铸有关技术。如高品级管线钢，因对硫含量有严格要求，通常需采用铁水脱硫及钢水深脱硫技术，使（S）达到0.001%的水平。总之，要获得良好的钢的性能，必须提高钢的洁净度，而洁净钢的生产，必须采用如前所述的“分阶段精炼”的系统技术，而转炉炼钢应在这个系统中成为“基础”的重要角色，而不应将自己应该完成的任务转移给其它工序。1.5 长寿命炉衬技术提高炉龄不仅可以降低耐火材料消耗、降低生产成本，还有利于提高转炉的利用率，实现转炉“高效化”。因此炉龄是转炉炼钢一项十分重要的综合性经济指标。自从氧气炼钢方法问世以来，全世界各国炼钢工作者就从来没有停止过对提高炉龄的研究。通过改进炉衬材质、砌筑方法、炼钢操作以及采取各种行之有效炉衬修衬办法，使转炉炉龄从一开始的数百炉提高到60008000炉。90年代初，美国LT钢厂开发了溅渣护炉长寿命炉衬技术，使炉龄大幅度上升。1994年9月LT232t转炉已创15658炉的世界纪录。目前美国15家以上钢厂均采用该技术，其中内陆钢厂炉龄已超过20000炉。我国从1994年开始也引入溅渣护炉技术，并迅速在鞍钢、首钢、宝钢、武钢、太钢等钢厂推广应用，并取得了明显效果。1.5.1 溅渣护炉的基本原理溅渣护炉的基本原理就是利用高MgO含量的转炉炉渣，用高压氮气喷吹到转炉炉衬上进而凝固到炉衬上，减缓炉衬砖的侵蚀速度，从而提高转炉炉龄。溅渣层与炉衬的结合，主要是靠化学烧结和机械镶嵌两种机理。对于高FeO炉渣溅渣，溅渣层将形成高MgO含量（50%）的结合层；而对于低FeO炉渣溅渣，则形成C3S、C2S为主相的结合层。溅渣层对炉衬的保护作用是：对镁碳砖表面脱碳层起到固化作用，减轻了高温炉渣对镁碳砖表面的直接冲刷浸蚀，抑制了镁碳砖表面的继续氧化。1.5.2 溅渣护炉的技术要点溅渣护炉的硬件设备并不复杂，通常是利用氧枪及其传动和控制系统，仅将供氧气改为供氩气，即可进行溅渣操作。然而为了获得溅渣护炉预期的效果，必须掌握如下技术要点，即：（1）炉内合理的留渣量；（2）炉渣的物化性质，包括成分、熔点、过热度、表面张力、粘度；（3）合理的溅渣参数。1.5.2.1 炉内合理的留渣量合理的留渣量是溅渣护炉的重要参数。因为过少的留渣量会影响溅渣层的厚度及其均匀性，尤其上部不均匀，甚至溅不上渣。相反过多留渣量会造成炉口粘渣、炉膛变形、炉底上涨，且浪费溅渣料，增加成本。根据国内外实践经验，留渣量随炉子容量增大而增大，而渣量控制在80120Kg/t较为合适。1.5.2.2 炉渣特性控制实践研究表明：溅渣层抗侵蚀表现为如下特点：在吹炼初期具有良好的抗侵蚀能力，而对转炉终渣的侵蚀表现为较低的抵抗能力，这是因为转炉终渣对溅渣层的“高温熔化”机理所致。因此提高炉渣熔化温度是关键。主要措施有11：（1）控制终渣MgO含量（质量分数）图24示出在不同碱度条件下MgO含量对炉渣理论熔化温度的影响。从图24不难看出，8%的MgO含量是一个临界值。因此在吹炼前期MgO含量加入MgO（3%时，MgO配比应该是8%较为合理。图24渣中和碱度对炉渣熔化性温度的影响（2）终渣FeO（质量分数）的控制终渣FeO有双向作用，即一方面FeO和C2F在溅渣过程中沿衬砖表面呈微气孔和裂纹向MgO机体内扩散，形成以（MgOCAO）Fe2O3为主的烧结层，起较好保护作用；另一方面随FeO的增加，熔渣熔化温度明显降低，影响溅渣层的抗侵蚀性能。在确定FeO含量时要考虑碱度和MgO含量，以尽可能提高熔渣熔化温度为原则。我国溅渣护炉的实践认为FeO取12%18%较合理。（3）炉渣粘度的控制过低的炉渣粘度有利溅渣的操作，即易溅起、挂渣、且均匀，但由于渣层过薄，会在摇炉时挂渣流落；而粘度过大，溅渣效果差，耳轴、渣线处不易溅到，且炉底易上涨，炉膛变形，所以粘度需要根据实际情况合理调整。炉渣过热度增高、粘度下降，这也需要一并考虑进去。1.5.2.3溅渣操作参数控制为了在尽可能短的时间内将炉渣均匀喷敷在整个炉衬表面而形成有足够厚度的致密溅渣层，必须控制好溅渣操作手段，即根据炉形尺寸，来控制喷吹N2气压力和流量、枪位、喷枪结构尺寸等喷溅参数。（1）N2压力与流量：一般来说，当N2压力和流量与氧气工作压力和流量接近时，可取得较好溅渣效果。如宝钢300t转炉溅渣N2压力为0.60.9MPA，流量为4800053000NM3 /。（2）枪位：枪位是非常重要的参数，它直接影响溅渣量、溅渣高度。另外，最大溅渣量与一定的枪位存在对应关系，过低或过高的枪位都会使溅渣量减少。当需要有更高的溅渣高度，同时减少炉底上涨趋势，则可采用低枪位操作，反之采用高枪位。各厂应根据自己的实际来摸索控制枪位的经验。一般来说，枪位可在12.5m之间变化。（3）喷溅时间：通常为2.54min。（4）喷枪夹角：许多厂家的经验表明采用12夹角比较理想。除了以上因素外，出钢温度也是影响溅渣效果的重要因素。综上所述，为了获得较为理想的溅渣效果，需采取如下措施：（1）炉衬材质不能因实行溅渣护炉技术而降低，对使用镁碳砖而言，其碳含量应控制为下限；（2）控制和降低终渣FeO含量；（3）合理调整终渣MgO含量；（4）提高溅渣层熔化性温度，降低炉渣过热度；（5）降低出钢温度。1.5.3 溅渣护炉的优点及负面影响溅渣护炉的优点表现为：（1）大幅度降低耐材消耗。如美国印第安纳州LT哈伯厂炉龄达到15658炉时，炉衬消耗由1.2Kg/t下降到0.38Kg/t，补炉料也下降到0.37Kg/t，使吨钢成本减少0.45美元。（2）大大提高转炉作业率，达到高效增产目的。如LTV厂转炉作业率由78%提高到97%。阿尔戈马厂因此每年增产5万t。（3）投资回报率高。美国阿尔戈马厂投资回收期不到一年。我国对62座转炉的测算投资回收期平均为1.3a。溅渣护炉综合效益每吨钢大约为210元。尽管溅渣护炉有明显的优点，但它带来的负面影响也不得不引起十分注意。如炉底上涨问题，设备维修的协调问题，经济炉龄问题等。最严重的还是炉底上涨大大影响复吹效果的问题。通常采用溅渣护炉技术后，底吹透气砖的寿命均3000炉。这意味着从3000炉以后，复吹效果大大减弱甚至完全没有。表3示出不同溅渣护炉和复吹状况下吹炼终点%C%O的变化。美国内陆钢厂在采用溅渣护炉技术后，吹炼低碳钢终点%C%O平均为0.0043，宝钢平均为0.0040。这可以认为基本上不再保留复吹转炉那种明显的冶金特征。这也就是为什么日本和欧洲大部分钢厂不愿采用溅渣护炉技术的根本原因。特别是日本尤为如此。因为从80年代中期以来，日本钢铁界一直奉行“大规模、廉价生产高质量洁净钢”的指导思想，致力开发完美“铁水三脱+少渣复吹精炼”的系统技术，而溅渣护炉带来的负面影响与此指导思想是相违背的。我国装备优良、有能力生产双高产品的钢厂也应该，且已经在重新评估这项技术，非常有必要考虑“经济炉龄”这个概念。如图25所示，在目前复吹与溅渣炉龄尚不能同步的前提下，选择图中D区域炉龄可使综合生产成本降至最低。表3不同溅渣和复吹条件终点%C%O积转炉复吹状况%积未采用溅渣时00220.0025采用溅渣后有复吹时0.00250.0035采用溅渣后无复吹时0.00350.0045图25 生产率、成本与炉龄关系A炉衬费用 B喷补及无复吹合金消耗增加费用A+B综合成本 C炉子生产率 D最佳炉龄另外，已经有不少钢厂开始研究如何在溅渣护炉的条件下将复吹冶金效应最大限度地保持下去。如武钢三炼钢厂对2号转炉的溅渣护炉工艺进行了半年多的探索，以控制终点%C%O0.0030为目标，借助于激光炉衬测厚装置，对影响炉底上涨的各种影响因素，包括终渣特性、溅渣操作的工艺参数等进行调查，初步摸清了它们之间的关系（图26），以致能采取一些有针对性的措施初步达到目的。如图27所示，到2号炉炉龄达4500次时，%C%O积仍能保持在0.0030以下。这项工作仍在继续中。图26 底吹透气砖覆盖渣层厚度与吹炼终点%C%O积的关系图27 吹炼终点%C%O积随炉龄变化情况.1.6 转炉节能和负能炼钢的实现1.6.1 概述20世纪末由于世界性资源匮乏，钢铁市场的竞争日益激烈，由于钢铁工业是能源和资源密集型产业，能源消耗成本随着工艺的变化和燃料价格的上涨，在产品成本中所占比例越来越大，在追求产品质量和效益的今天，节约能源就显得更为重要。从1978年开始我国钢铁工业把节能工作放到主要位置，1978年至1998年20年间综合能耗由吨钢耗煤量的2520Kg下降到1290Kg，下降率为48.8%。改革开放以来钢产量平均年增长.7%，而能耗平均增长仅3.8%，钢产量增长所需能源的1 3是靠节约解决的。1978年钢铁工业的能耗占全国总能耗的13%，1998年已降为0%以下，1998年是我国钢铁工业节约能源提高效益取得重要成绩的一年，全行业节能量达到00万t标准煤，节能效益34亿元。但是由于企业管理不善，工艺落后，我国钢铁企业平均耗能指标远低于国际水平。据统计，1998年我国大、中型钢铁生产企业可比能耗的吨钢耗煤量为01Kg，比日本高245Kg，高出37%。我国钢铁企业能耗高，除与设备、技术和管理等有关外，铁钢比高、连铸比低、连铸坯热送热装率低、原燃料质量差、大型节能设备普及低有关。因此，钢铁工业存在巨大的节能潜力，在钢铁工业的发展中贯彻可持续发展的战略方针，大力降低能耗、节能资源是我们义不容辞的责任。1.6.2 转炉炼钢的热工特点对转炉炼钢过程所作的物料平衡和热平衡可以看出，转炉炼钢具有以下热工特点：（1）热量主要来源于铁水的物理热和化学热。其中铁水的物理热占主要地位，因此铁水温度是关键因素。众所周知，铁水是高能值原料，利用热工特点，降低铁水消耗是降低炼钢能耗的关键。（2）元素的氧化放热，其中碳、硅占主导地位。以上两点构成炼钢热量总收入。通常，这些热量除满足终点钢水温度外，尚有较大富余热量，这就为多加废钢创造了条件。另外，转炉热效率一般为70%75%，剩余热量为炉渣、炉气及其他热损失带走。因而，如何充分利用转炉热量、回收剩余热量也是转炉节能工作的重要方面。1.6.3 转炉炼钢的直接能源消耗炼钢过程需要消耗一部分直接能源，通常称之为燃、动力，主要包括氧气、电力、煤气、氮气、氩气、压缩空气、水、蒸汽等等。图28示出比较典型的转炉工序能耗结构，其中氧气和电力的消耗占60%，是直接能耗的主要部分。图28 某厂转炉工序能源消耗比例图1.6.4 转炉能量的回收吹炼过程以碳氧反应为基础，生成物主要是CO（俗称煤气），也有少量CO2。在炉内生成的CO气体约有1600，其能量约为2GJ/t。这部分能量表现为炉气的显热和潜热，回收这部分能量是节能的重要措施，约有80%以上的显热和潜热可被回收。回收的方法有燃烧法和未燃法，我国大部分钢厂采用未燃法，即回收未燃烧的煤气，同时回收由高温烟气显热产生的锅炉蒸汽。1.6.5 转炉工序能耗计算工序能耗是指某工序中生产1吨合格产品直接消耗的能源量，它是衡量工序能耗水平的指标。据此，通常用下式来计算转炉工序能耗：转炉工序能耗=（转炉工序消耗的总能源量-回收的工序总能源量）/统计期内合格钢水量由于能源种类繁多，品质各异，需要有统一的度量单位。每吨钢耗煤量（标准煤）就是实际生产中规定采用的能耗计算单位。每吨钢耗煤量为1Kg的发热量为29.31MJ。在具体计算工序能耗时须按照能源介质的等价折算系数统一折算为标准煤。除了转炉工序能耗外，转炉钢厂工序能耗也是衡量能耗水平的重要指标。它是铁水处理、炼钢、二次精炼及连（模）铸全部工序能耗的反映，其计算公式为：转炉钢厂工序能耗=（转炉钢厂消耗的总能源量-回收的总能源量）/统计期内合格钢坯（锭）产量转炉钢厂工序能耗随连铸比的提高而升高，但对整个钢铁企业生产流程而言却大大降低总的能耗。消耗能量回收能量时，耗能为正值；消耗能量-回收能量=零时，称零能炼钢；消耗能量回收能量，称负能炼钢。1.6.6 转炉炼钢的主要节能途径转炉生产的能耗具有这样的特点，即消耗的直接能源并不多，但消耗的间接能源如铁水、耐材、合金等却很多，同时能量的回收有很大潜力。因此，转炉节能应在降低直接能源、间接能源和提高能量回收三方面同时做好工作。（1）降低直接能耗主要措施有：提高转炉作业率，提高产量，降低除氧气外其他能源介质的消耗；提高终点控制水平，减少补吹，降低氧耗；合理组织生产，减少设备启动和空转；加强管理，减少能源介质的“跑、冒、滴、漏”；广泛采用节能技术，降低各种能