GOR转炉冶炼不锈钢的工艺特点及适用条件分析.doc

GOR转炉冶炼不锈钢的工艺特点及适用条件分析时间:2006-8-2810:03:52来源:工艺技术作者:anqi【字体：大 中 小 简 繁】【收藏】【关闭】摘要：作者实际参加了国内一座60吨GOR转炉的设计和试生产，通过实践，对这种工艺的特点有比较深刻的认识，本文通过将这种工艺与AOD转炉工艺进行对比，对GOR工艺进行了比较客观的评价。 GOR转炉是多种能源介质复合吹炼的底吹转炉，其供气管路通过安装在转炉底部的三个套管式喷嘴向熔池吹入可调成份的氧气、氮气、氩气、天然气（或其它碳氢化合物）的混合气体。 与其它生产不锈钢的转炉相似，这种工艺冶炼不锈钢也分为三个吹炼阶段：第一阶段吹氧，由碳氢化合物保护喷嘴；第二阶段吹入氧、氩（或氮）、碳氢化合物和它们的混合气体；第三阶段向转炉熔池吹入纯氩（或氮）。根据钢种不同，编制了专门用于某一钢种的控制程序，自动控制冶炼过程。在GOR转炉精炼过程中，要加入脱氧剂及合金化材料，这一作业通过“散料供应系统”来实现。 自从今年3月份西南不锈钢有限公司的GOR转炉投产以来，国内有六座60-70吨的GOR转炉在建设中。中国不锈钢的生产能力迅速增长，预期不锈钢生产领域的竞争将比普通钢领域的竞争更加残酷。奉劝投资者慎重决策。 理论上GOR转炉在降低投资和冶炼成本方面，有一定的优势。但是与成熟的AOD转炉相比，这种工艺也有明显的缺撼。任何一种工艺技术都有其适宜的使用条件，不存在适合任何环境的完美的工艺技术。结合中国不锈钢生产的特殊的原料条件和市场条件，慎重选择最适宜的冶炼工艺是重要的。 冶金工业规划研究院和中国不锈钢协会的专家1998年以来多次到乌克兰的二个GOR 转炉冶炼不锈钢的工厂考察这种工艺，本着多种工艺并存，在竞争中发展完善的精神，我们在分析了西南不锈钢公司的具体条件后，推荐了这种工艺。我们与乌克兰的专家一起进行了这个项目的设计和技术服务工作，现在又在继续为另外几个相似项目提供技术服务。下面谈谈我们的体会。1.原料条件：冶炼工艺的选择，最重要的条件之一是原料。中国由于不锈废钢资源少，镍价高，原料条件与国外有大的差别。为了使这种工艺适合中国的原料条件，还需要对这种工艺进行完善和开发。1.1GOR转炉对初始钢水的要求：对化学成份的要求是：P 0.03%；S 0.045%C 不限制 ；Si 0.2%： Mn 1.0%：Cr、Ni比钢种要求的范围略低（也可部分加入转炉内）。 温度没有要求，只要能顺利兑入转炉即可。这里要讨论的是初始钢水中的C含量问题。从这种工艺本身来讲，对C含量没有要求。但是，在乌克兰考察的两个不锈钢生产工厂，全部由电炉供应初始钢水，电炉原料中有大比例的返回料，实际上初始钢水的碳含量一般不超过1.5%。1.2中国冶炼不锈钢的原料条件：1.2.1固体炉料为主的不锈钢生产厂：固体炉料先由电炉（或者感应炉）熔化，由于中国不锈钢资源紧缺、镍价高，电炉炉料中大量配入高碳铬铁（碳含量8.5%）和低镍的生铁（含镍3%，碳含量4.2% ）。在冶炼300系列不锈钢时，原料的配碳量一般为2.0-2.5%，也有的高达3%。电炉冶炼过程中，为了控制铬的氧化损失，除了选择合适的铬铁加入时机外，还要求不要大量的吹氧，因此电炉生产的初始钢水的碳含量为2.0%左右。在冶炼J系列不锈钢时，配料时大量使用含碳为4.8%的镍铬生铁和高碳铬铁，炉料中的含碳量为3.5-4.2%。电炉生产的初始钢水的碳含量一般情况下都大于3%。1.2.2采用高炉铁水的不锈钢生产厂：这种工厂有两种工艺路线。高炉铁水经过脱硫、脱硅、脱磷处理后，兑入到GOR转炉中。铁水的预处理可以在盛铁水的容器中进行，也可以在顶吹转炉进行，还可以在GOR转炉（做为底吹转炉使用）中进行。也有的不锈钢生产厂希望通过控制原料的条件和高炉的生产过程，生产出磷和硫含量都合 格的含铬的铁水，直接做为初始钢水使用。这种生产路线一般还需要建设容量较小的、用于熔化返回料和合金的电炉（或感应炉），以解决热量平衡问题。建设容量与GOR转炉吨位相匹配的电炉生产初始钢水。合理的确定加入炉料的顺序和操作工艺，电炉可以高效的生产出适合于GOR炉冶炼的初始钢水。这两种工艺生产的初始钢水的含碳量与使用固体炉料的电炉生产的初始钢水的碳含量相似或稍高些。1.3 根据工厂的实际情况，选择最适合的工艺路线。采用什么样的工艺路线，应该具体情况具体分析，没有固定的模式。但是对项目进行技术经济的论证是必要的，在日益激烈的不锈钢市场竞争中，投资省、质量好、品种多、成本低是在竞争中取胜的基础，其中成本低尤其重要。我们曾经为河北和山西各一个小钢铁厂做过以高炉铁水为原料生产不锈钢的技术方案论证，主观上认为利用小高炉生产的铁水炼不锈钢可以节约能源、降低成本，实际论证的结果与主观愿望相违，项目没有继续操作。从上面的论述中可以看到：乌克兰的原料条件与我国的原料条件有悬殊的差别，如何使GOR转炉工艺适合中国的原料条件，需要中国的冶金专家与乌克兰的专家共同工作。2.关于炉龄：科学的讲，我们所追求的是每吨钢耐火材料的费用最低。这取决于每一吨钢的耐火材料的消耗量和耐火材料的单价。GOR转炉的炉体工作层用镁钙砖修砌，炉底工作层用镁碳砖。使用的耐火材料的平均单价与AOD炉相近。炉龄与初始钢水的条件、冶炼的钢种、采用的工艺技术、操作的水平等多种因素相关。GOR转炉与同吨位的AOD转炉相比，每砌一个炉子大约多用1/2的耐火材料。例如，60吨的AOD炉砌一个炉子用100吨耐火材料，则砌一个60吨的GOR转炉要用150吨的耐火材料。GOR转炉每一个炉役要更换1-2次炉底，这也增加了耐火材料的消耗。这样对比，当AOD炉炉龄为100炉时，GOR转炉炉龄要达到150炉，吨钢的耐火材料费用相似。目前乌克兰的GOR转炉使用低质量的耐火材料，冶炼钢种又比较复杂（特别是碳含量低于0.03的钢占一定比例），炉龄很低，最高炉龄为120炉。从目前中国的GOR转炉的生产情况看，正常生产时的炉龄为150-200炉，炉底的寿命为80-100炉。由于耐火材料消耗占不锈钢冶炼成本的比例较大，在选择冶炼工艺前，应该认真分析耐火材料费用。3.转炉生产效率：由于GOR转炉采用碳氢化合物做为底吹喷嘴的冷却气体，相对于AOD转炉来讲，可以加大供氧强度，从而提高脱碳速度，缩短冶炼时间。从这个角度讲，GOR转炉生产效率比AOD转炉高。但是，目前投产的GOR转炉都采用在炉座上修炉的方式，而相似吨位的AOD炉多采用整体更换炉体的方式。AOD炉的烘炉作业不占用炉座。从这点上对比，AOD炉的效率高。在GOR转炉停炉以后，要在炉座上进行拆炉、砌炉、烘炉等作业，这个作业大约需要3天时间。更换炉底的作业大约需要4小时。一座GOR转炉不能保证不锈钢冶炼车间的连续生产，在转炉修炉期间，车间将停产，这是不经济的。所以西南不锈钢公司正在建设第二座GOR转炉。建设中的两个不锈钢冶炼车间，也采用了建设多座炉子的方案。从配合连铸机连续浇铸和提高生产效率的角度出发，建设三吹二的GOR转炉冶炼车间是经济的。由于GOR转炉的冶炼周期比AOD炉的冶炼周期大约短20-30分钟，所以在车间设计时，要考虑供应初始钢水的电炉能力的匹配。乌克兰的GOR转炉冶炼车间用两座电炉配合一座GOR转炉生产。在有铁水热装条件时，建设三座电炉和三座GOR转炉的不锈钢冶炼车间（其中转炉三吹二），是一种好的选择。总之，由于国情不同，建设方案的论证还要依靠中国的冶金专家来进行。4.顶吹氧枪除了乌克兰冶金学院冶炼试验厂的1吨GOR转炉以外，其它生产中的GOR转炉都没有装备顶吹氧枪。增加顶吹氧枪涉及到顶吹氧量和底吹氧量的比例、熔池的氧化性等问题，所以在GOR转炉上增加顶吹氧枪需要对控制系统软件进行再开发。GOR转炉工艺对使用顶吹氧枪不感兴趣的原因有三个：一是这种工艺供氧强度高，足以应付含碳量在4.0-5.0%的初始钢水；二是顶吹氧枪将增加建设费用（设小高跨）；三是开发这种工艺的乌克兰不锈钢冶炼车间的初始钢水碳含量不高。对于AOD转炉来讲，顶枪工艺已经成熟，增加顶枪后，可以有效的提高脱碳速度，从而减少吹炼时间，提高生产效率。5.关于冷却喷嘴的碳氢化合物理论上讲，任何一种碳氢化合物都能用来冷却底吹喷嘴。这种冷却机理在中国已经淘汰的氧气侧吹转炉上得到过很好的应用。但是，由于GOR转炉的炉底喷嘴供应气体的种类多，供应量要求精密的计量和控制，所以控制系统要复杂得多。炉底喷嘴的中心管道要供应氧气、氮气、氩气及这些气体按不同比例混合后的气体；外层管道的环缝要供应氮气、氩气、气态的碳氢化合物及它们的混合气体。从安全的角度出发，使用的碳氢化合物要求在使用条件下（温度、压力条件下）呈气体状态。对于国内条件来讲，只有天然气和液化石油气可供选择。所以必须考虑建设项目所在地的天然气或液化石油气的供应条件和价格。在吹炼的第一阶段，GOR转炉采用碳氢化合物冷却喷嘴，不需要氮气和氩气冷却喷嘴。一般来讲，GOR转炉的氩气消耗量比AOD转炉的氩气消耗量低。节省的数量根据冶炼钢种不同而有差别。另外，GOR转炉通过向熔池中吹氮气，可以精确的控制钢液中的氮含量，在冶炼J系列不锈钢时，只用少量的氩气。6 配气系统和自动控制系统GOR转炉技术转让方提供技术设计、关键环节的施工设计、控制软件的编制、安装和试车指导等服务，不供应任何硬件。与成熟的AOD转炉工艺比较，GOR转炉的配气系统占地面积比较大，每一个炉子的配气系统的栅栏内面积为18*6米。配气系统的流量计、压力表、阀门、阀门控制器均为通用产品，可以根据施工设计的订货清单在市场上订购，也可以由专业生产公司成套供应。AOD转炉则有自己的专用阀门和控制器。GOR转炉自动控制系统的PLC可编程序控制器、编程器、工业控制机等硬件均由用户按照施工设计的选型表提供的具体型号在市场上购买。以Win CC为平台软件，乌克兰专家编制工艺控制软件，控制软件装入计算机的同时对建设不锈钢冶炼车间的操作工人和技术人员进行培训，并进行模拟操作。控制软件以光盘的形式提供给用户，在用户建设新的GOR转炉时，可以节省费用。成熟的AOD转炉工艺提供专门的计算机硬件系统和软件系统，整体性好，占用很小的操作空间。两种工艺各有优点和缺点，AOD炉的上述两个系统整体性和集成性好。GOR炉的这两个系统则具有直观、便于检修和不依赖软件供应商提供任何硬件的优点。从控制思路上来讲，两种工艺不同。AOD转炉控制软件从初始钢水兑入转炉以后就实行全过程的自动化控制。这种工艺软件很成熟，只要原料稳定，一般技工经培训后就可以独立操作。而GOR转炉在吹炼的第一阶段允许人工干预，也可以说在这一阶段是粗放的自动控制。当钢水中的碳含量降低到0.25%时，转入第二阶段吹炼，此时进入自动控制状态。这种方式的优点是：比较适用于原料条件复杂多变的工厂。7.出钢口GOR转炉有出钢口，而AOD转炉一般没有出钢口。多一个出钢口有利于转炉出钢时的钢渣分离，准确的控制进入钢包的炉渣量，这对钛等容易氧化的合金元素的合金化有利。但是增加出钢口以后使砌炉工作复杂了。另外，出钢后要及时清理好出钢口，否则粘稠的炉渣可能堵住出钢口。8. 其它方面的比较GOR转炉底吹喷嘴接近炉中心线，吹炼时炉体的振动小。反之AOD炉吹炼时，炉前平台感到明显的振动。在转炉倾动速度相同时，AOD炉从开始倾动炉子到喷嘴完全露出液面的时间比GOR转炉短，这是由喷嘴安装位置决定的。 底吹碳氢化合物烘炉方便，烘炉的热效率高。但是对于碳氢化合物价格高的地区要做经济比较。GOR转炉的软件费用低廉，西南不锈钢的项目，只收取了成本费用，由此节省投资。另外投资节省的主要原因在于：全部硬件都由用户自己在市场上采购，机械设备全部由国内的机械厂制造，从而降低了制造费用。两种工艺都有很好的售后服务。GOR转炉采用的是卖方操作或卖方指导操作转炉，冶炼20炉不同钢种的不锈钢，在这个过程中可以验证合同保证值，也培训了用户的操作人员。由于中国冶炼不锈钢的炉料中的碳含量高，GOR转炉吹炼的第一阶段，炉气中的CO高达87-93%，在第二阶段平均为40-45%。所以在工厂设计时，应该考虑煤气回收。AOD炉由于冷却喷嘴的惰性气体的稀释作用，降低了回收煤气的价值。虽然至今还没有回收煤气的GOR转炉，但是这是容易实现的。结语：GOR转炉和AOD转炉冶炼不锈钢的工艺都是成熟的，两种工艺各有自己的优点，也存在不足。对于拟建设不锈钢冶炼车间的公司，应该分析自己的原料条件、市场环境、拟生产的品种、自己公司的技术力量和开发能力等实际情况，对这两种工艺认真比较以后确定。炉体描述 转炉炉体剖面结构图。本照片由Association of Finnish Steel and Metal Producers提供。炉体（或反应器，或转炉）是由内衬耐火砖（镁砖或白云石质砖）的钢壳组成，坚固的托圈和耳轴是炉体支撑和倾动系统，在吹炼过程中，为了防止金属和泡沫渣的喷溅，炉子的有效容积比钢液体积大7到12倍。 典型转炉炉体图显示有炉口(N)、氧枪(L)、耳轴带(B)、耳轴(T)、倾动系统(M)和出钢口(H)。典型的炉子装入量是200到300吨，冶炼周期是30分钟，其中吹炼时间为15分钟。参考文献 AISE, The Making, Shaping and Treating of Steel - Steelmaking and Refining Volume, The AISE Steel Foundation, 0-930767-02-0 Branger, G & Henry, G, The Book of Steel, Lavoiser Pub, 2-7430-0022-8 原料、辅助料和产品 装入转炉内的原材料有: 来自高炉，经过脱硫或脱磷预处理后的铁水 其它含铁的添加物，尤其是废钢和铁矿石，是用来调整热平衡、获得钢水所要求的温度添加物 形成适当炉渣成分所需加主要物质有石灰(CaO)和白云石(CaO-MgO)，其块度大小为20到40mm 通过氧枪或底吹喷孔喷射的工业纯氧 吹炼操作后的产品: 钢液 富含CO(大约 80-90%)的废气，回收后通常用于烘烤炉衬 出钢后倾倒出来的炉渣 如果正确的回收和贮存，废气和炉渣都是有价值的副产品。参考文献 AISE, The Making, Shaping and Treating of Steel - Steelmaking and Refining Volume, The AISE Steel Foundation, 0-930767-02-0 Branger, G & Henry, G, The Book of Steel, Lavoiser Pub, 2-7430-0022-8 转炉底吹管设计 氧气底吹转炉底吹喷管一般由14到22根同心管组成，内孔通的是氧气，外孔通的是作为冷却介质的液体碳氢化合物。通常，每吨钢每分钟吹入4到4.5 m 氧气，另外，石灰粉也经常与氧混合吹入熔池，其目的是加速石灰的溶解，以便化渣。OBM (Q-BOP)底吹喷管示意图液体碳氢化合物(天然气、丙烷、燃油)与氧在底吹喷管的顶端相混合，起到冷却和保护底吹喷管的作用。 冷的碳氢化合物与氧相遇并不燃烧，而是吸收热量发生裂解反应，裂解出的碳和氢随即发生氧化反应，但以远离喷管区。参考文献 AISE, The Making, Shaping and Treating of Steel - Steelmaking and Refining Volume, The AISE Steel Foundation, 0-930767-02-0 Branger, G & Henry, G, The Book of Steel, Lavoiser Pub, 2-7430-0022-8 过程控制参数、系统和模式 主要控制参数 供氧控制(良好的炉渣利于脱磷，避免产生喷溅、溢渣及铁的损失等) 终点的准确确定(C、T) 合理的加料、出钢控制及良好的设备管理。 主要测量计 副枪和/或热电偶测量成分和温度 废气流量测量成分和温度。 废气分析仪可估算: 碳含量，来自终点前即时脱碳速度（由于进料碳的数据并不准确，所以最初期质量平衡也不够准确） 在吹炼期间，通过质量平衡，任意时刻产生的FeO的量计算出渣中氧的量。 声纳仪或氧枪振动测量渣的泡沫程度 氧枪枪位测量 液面高度和/或渣厚测量 装入与产出料的准确称量 液体和固体控制(O2、 N2、 铁矿石、石灰) 出钢口电磁式测渣仪 烟罩冷却水的流速和温度、烟罩内压力 激光测量耐火衬砖厚度 常用的主要模式 建立在热平衡和质量平衡的静态加料模式。 静态和神经网络模式，能很好解释转炉和各种测量状态。 用于吹炼测量而进行微调的动态模式: 建立在废气测量的基础上 建立在副枪测量基础上（副枪模式） 不需要出钢取样分析而估算终点成分(P, Mn)的“快速出钢”模式 参考文献 AISE, The Making, Shaping and Treating of Steel - Steelmaking and Refining Volume, The AISE Steel Foundation, 0-930767-02-0 Branger, G & Henry, G, The Book of Steel, Lavoiser Pub, 2-7430-0022-8 氮、氩底吹搅拌 转炉复合吹炼主要优点: 降低渣中FeO的含量，改善炉衬，提高产量 搅拌加速脱碳，降低钢中溶解氧含量，节约钢包脱氧铝的用量 增加溶池残锰量 有利于硫和磷的去除 查看 吹氧炼钢法BOP 脱磷 参考文献 AISE, The Making, Shaping and Treating of Steel - Steelmaking and Refining Volume, The AISE Steel Foundation, 0-930767-02-0 Branger, G & Henry, G, The Book of Steel, Lavoiser Pub, 2-7430-0022-8 BOP 脱磷 下图显示影响钢中磷含量的主要因素。参考文献 AISE, The Making, Shaping and Treating of Steel - Steelmaking and Refining Volume, The AISE Steel Foundation, 0-930767-02-0 Branger, G & Henry, G, The Book of Steel, Lavoiser Pub, 2-7430-0022-8 本网站由 World Steel Association and MATTER, The University of Liverpool 2002-2010 World Steel Association联系我们 | 帮助 | 下载 | 版权所有 | 版权声明 | 网站链接 耐火材料 炉衬具有抗高温、抗碱性渣和金属溶液氧化的能力。白云石、镁砖、或其它参考文献 AISE, The Making, Shaping and Treating of Steel - Steelmaking and Refining Volume, The AISE Steel Foundation, 0-930767-02-0 Branger, G & Henry, G, The Book of Steel, Lavoiser Pub, 2-7430-0022-8 高温避免渣中FeO 含量过高 (补吹对炉衬侵蚀特别严重) 使用白云石作为渣料来提高渣中 MgO含量 II. 保护炉衬渣涂层吹炼终点保持渣中含有大约20%固体相 (通过控制渣中 FeO 含量来增加渣中硅酸钙) ，并且在倒渣前，通过前后摇动转炉，使炉渣粘粘在炉衬上。倒渣前，大量增加渣中 MgO 含量，然后通过氧枪向炉内喷吹氮气，将炉渣溅到炉衬上，此技术称为吹氮溅渣补炉，它能使炉子寿命提高到 20,000 炉次以上。III. 局部喷补通过喷补枪向损害严重的部位进行及时的局部修补。参考文献 AISE, The Making, Shaping and Treating of Steel - Steelmaking and Refining Volume, The AISE Steel Foundation, 0-930767-02-0 Branger, G & Henry, G, The Book of Steel, Lavoiser Pub, 2-7430-0022-8 出钢 良好的出钢口维护和挡渣设备 (挡渣物有挡渣球、挡渣锥和安装在出钢口处的电磁泵) 常用来防止炉渣进入钢包。参考文献废气与烟尘处理 吹炼过程中产生大量的烟尘，其组成为: 热废气。每吨钢产生80 Nm的废气，其组成由8095%CO和 CO2组成。同时还会产生氧化物粉尘，每吨钢产生大约12千克铁的氧化物和含有重金属氧化物，如锌、铅等，当然其含量的多少取决于废钢。 石灰和渣粒，每吨钢能产生4千克 烟尘收集系统有两种型式： 燃烧式，在CO进入过滤系统前，使其与足够的空气发生完全燃烧反应 未燃式，减少或消除空气的进入，使其达到较低水平( 15%)。过滤后，回收烟气并用于烘烤炉体。新建的钢厂均采用这种型式。 常见过滤设备是ventury scrubber，此设备是通过雾化水滴来清洗和分离，使烟尘从气体中分离出来。经过一系列的分离过程，氧化物过滤饼再经过干燥而回收。参考文献 AISE, The Making, Shaping and Treating of Steel - Steelmaking and Refining Volume, The AISE Steel Foundation, 0-930767-02-0 Branger, G & Henry, G, The Book of Steel, Lavoiser Pub, 2-7430-0022-8 渣处理 一吨钢水能产生60到100公斤的转炉渣。出钢后，炉渣被倒入渣罐并运到渣场，以便回收利用。目前，有一半渣量厂内回收利用，或用在烧结或直接用在高炉内。有回收价值的元素是铁和氧化钙。由于市场对高质量钢如低磷钢需求日益增加，这种厂内回收渣日益减少。其它用途如填地、制粒和农业正在开发中。参考文献 AISE, The Making, Shaping and Treating of Steel -