现代钢铁冶金——转炉炼钢.ppt

转炉炼钢 小组成员 孙妮贾李峰康毅汪衍军 1 转炉炼钢发展历程 转炉炼钢是以铁水作为主要原料 用氧气作为氧化剂 依靠铁水中的氧化热提高钢水温度 在短时间内完成一个冶炼周期的快速炼钢方法 以下简介转炉炼钢发展主要历程 1 转炉炼钢发展历程 表1是转炉炼钢历程中出现的主要种类 表1转炉炼钢法的种类 1 转炉炼钢发展历程 在表1中提到的吹炼方法中有三种为主要转炉吹炼方法 顶吹法 底吹法 顶底复吹法 图1主要三种吹炼方法示意图 2 转炉炼钢的冶金特性 2 1氧气顶吹转炉炼钢 氧气顶吹转炉在国外一般被称作为LD转炉 或者称为BOF炉 BasicOxygenFurnace 生产率高 对铁水成分的适应性强 废钢使用量高可生产低硫 低磷 低氮及低杂质钢可生产几乎所有主要钢种 该方法具有以下优点 2 1氧气顶吹转炉炼钢 由于使用的铁水成分和所炼钢种的不同 吹炼工艺也有所区别 右图 图2 为某转炉厂对未经脱硫 脱磷 及脱硅处理的铁水采用单渣操作工艺为例 来说明炼钢吹炼过程 图2吹炼中钢水成分及渣成分的变化 85t转炉 2 1氧气顶吹转炉炼钢 转炉冶炼一炉钢的操作过程 由装料 吹炼 测温 取样 出钢 出渣构成 锤炼时间与炉容量没有直接联系 吹炼时间通常为11 20min 下面为一个实例 图3转炉操作过程 低碳钢 2 1氧气顶吹转炉炼钢 2 2复合吹炼转炉炼钢 顶底复合吹炼转炉是20世纪70年代中期在欧美开发成功的 所谓复合吹炼 就是利用底吹气流来克服顶吹氧流对熔池搅拌能力不足的弱点 同时有保留了顶吹转炉容易控制造渣过程的优点 随着底吹技术的不断成熟 该工艺目前已成为转炉冶炼的主要方式 对于复合吹炼转炉应开发出各种形式的底吹喷嘴 主要有 透气砖 单管喷嘴及套筒喷嘴 图4底吹喷嘴的形式 2 2复合吹炼转炉炼钢 氧气顶吹转炉通过顶吹氧气射流产生的搅拌功能对熔池进行搅拌 受炉型的限制 在转炉的底部靠近炉衬区域搅拌强度常常不够 会造成熔池成分及温度不均匀 与顶吹转炉相比 底吹转炉和顶底复吹转炉表现出良好的冶金特性 主要原因是对熔池的搅拌促进了渣 金属间的反应 使其更接近平衡 主要表现为 促进了钢液温度和成分的均匀减少了钢和渣的过氧化现象降低了钢液中的含磷量提高了钢液中的含锰梁 减少了喷溅 3 转炉炼钢的氧气射流及供氧装置 3 1转炉炼钢的氧气射流 转炉炼钢通过向熔池供氧来去除金属液中的杂质元素 同时向熔池吹气以强化搅拌 实现快速炼钢 供氧是通过氧枪向熔池吹入超音速氧气射流来实现的 即氧射流 气体从喷嘴向无限大的空间喷出后 空间内气体的物理性质与喷嘴喷出的气流的物理量性质相同 这时喷出气体形成的气流称为自由流股或自由射流 图4自由流股示意图 3 1转炉炼钢的氧气射流 氧气射流与金属熔池和炉渣间的相互作用 决定了转炉炼钢的冶炼工艺特征 如各元素的氧化效率 尿素的金属和炉渣的氧化性 吹炼过程造渣和元素的氧化放热 以及炉气成分变化等 图5顶吹转炉氧气射流与熔池相互作用 3 1转炉炼钢的氧气射流 氧气吹炼熔池时的氧化机理 1 直接氧化 所谓直接氧化就是氧气射流直接与熔池中所接触到的各种元素发生反应并生成氧化物 其反应式 由于循环作用使 FeO 散布在整个熔池表面 在熔渣 金属界面上进行着下列反应 3 1转炉炼钢的氧气射流 2 间接氧化 所谓间接氧化就是氧气射流先与熔池中的Fe反应生成FeO 再与除Fe元素以外的各元素反应并生成氧化物 图6顶吹转炉氧气射流与熔池相互作用 在凹坑附近 氧几乎被金属直接吸收 超过溶解度的氧将与铁反应生成氧化亚铁 第一反应区 金属液中大部分的碳将被氧化一部分碳被氧气直接氧化 其余的碳将与溶解在金属中的氧发生反应 在气泡表面生成CO 3 1转炉炼钢的氧气射流 在第一反应区中 由于温度很高 Si Mn 和P对氧的亲和力下降 这些元素很难直接被氧化 在循环区 第二反应区 进行氧化反应 在循环区的金属 气泡界面也会发生碳的氧化反应 在吹炼后期 循环区的脱碳反应占有较大的比重 3 2供氧装置 3 2供氧装置 氧枪 转炉车间最主要的设备是氧枪及氧枪的提升 换枪装置 其他还有制氧机 加压机 中间储气罐 输氧管道 控制阀门及检测仪表等设备 氧枪有喷嘴 枪身 枪尾三部分组成 按外形可将其分为直行与 右图 图7 为目前应用最广泛的直形氧枪 图7氧枪结构示意图 4 炼钢原料及耐火材料 4 1金属材料铁水 废钢 铁合金 4 2造渣材料 石灰 萤石 生白云石 菱镁矿和合成造渣剂 4 3耐火材料转炉用耐火材料 转炉炉衬 4 1 1铁水 生铁 铁水是氧气转炉炼钢的基本原料 一般占金属料的70 100 铁水成分和铁水温度是否适当和稳定 对简化和稳定转炉操作并获得良好的技术经济指标非常重要 4 1 1铁水 生铁 表2铁水成分表 要保证转炉的正常冶炼和获得良好的技术经济指标 铁水成分应该合适并且保持稳定 Si 发热元素 转炉热量来源Mn 有利元素P 有害元素 强发热元素 P是高炉不能去除的元素 故只能要求 P 稳定 采用铁水预处理脱磷或相应的炼钢方法来去除 S 有害元素 采用铁水预处理脱硫 S 0 015 4 1 1铁水 生铁 铁水温度应1200 1300 且保持稳定 以利于炉子热行 迅速成渣 有铁水预处理工艺 铁水温度应适当提高 4 1 2废钢 废钢是转炉的主要金属料之一 式冷却效果稳定的冷却剂 适当地增加废钢比 可以降低转炉炼钢成本 能耗以及炼钢辅助材料的消耗 废钢质量对转炉冶炼的技术精制指标有明显影响 从合理使用和冶炼工艺出发 对废钢有如下要求 合金钢废钢应按所含合金分组堆放 应严防混入有害杂质和危险品 并减少带入的泥沙 耐火材料和炉渣等 对外形尺寸和单重过大的废钢 应预先进行解体和切割 对轻薄料要打包或压块 以缩短装料时间 4 1 2铁合金 炼钢中广泛使用的各种脱氧和合金化元素与铁的合金 如Fe Mn Fe Si Fe Cr 以及复合脱氧剂 如硅锰合金 硅钙合金 硅锰铝合金 还有铝 锰 镍等金属 铁合金应合理选用以降低成本 使用前应烘烤以减少气体带入 另外要纯净 不得混有其它夹杂物 块度要适当 4 2造渣材料 石灰 CaO 碱性炼钢方法的基本造渣材料 有强的脱磷 脱硫能力 对炉衬危害小 石灰要求含有效CaO大于80 85 含S和SiO2低 块度小而均匀 且无细粉 生烧过烧率要小 不能潮解 应保持干燥 新鲜 萤石 CaF2 熔点低 1418 能使CaO熔点显著降低 加速化渣 改善渣的流动性 萤石要求 CaF2 85 白云石 MgO 增加渣中Mg含量 以减少炉衬中MgO向炉渣中转移 且能促进前期化渣 菱镁矿 MgCO3 将其焙烧后也用作耐火材料 也是溅渣护炉的调渣剂 合成造渣剂将石灰和熔剂预先在炉外制成的低熔点造渣材料 它能够用于炉内造渣 4 3 1转炉用耐火材料 焦油白云石砖生产成本低 但其砌筑的炉衬寿命较短 现已很少使用了 白云石砖用二步煅烧法生产的白云石砂或白云石镁砂 同竖炉煅烧成的白云石砂相比 其杂志含量高 烧结程度好 抗水化性能优异 制砖后的炉衬寿命也较高 镁白云石碳砖这种砖可以砌筑炉衬 它以优质的白云石砂 镁白云石砂为基本原料 同时添加优质石墨 这种砖的抗侵蚀性能较好 镁碳砖镁碳砖兼备了镁制和碳制耐火材料的优点 它的抗渣性强 导热性能好 避免了镁砂颗粒产生的热裂 使用镁碳砖可以大幅度提高炉衬的寿命 目前转炉大多采用镁碳砖砌筑炉衬 4 3 1转炉炉衬 转炉内衬的结构可以分为炉底 熔池 炉壁 炉帽 渣线 耳轴 炉口 出钢口 底吹供气砖等 转炉的内衬是由安全层和工作层组成的 部分转炉还有绝热层 安全层用焦油白云石砖或抵挡镁碳砖砌筑 工作层都是用镁碳砖砌筑的 根据应用不同采用不同材质的镁碳砖 绝热层一般用石棉板或耐火纤维砌筑 图6炉衬的内层结构 炉衬损坏原因 铁水 废钢及炉渣等的机械碰撞和冲刷 炉渣及钢水的化学侵蚀 炉衬自身矿物组成分解引起的层裂 急冷急热等因素 4 3 1转炉炉衬 提高炉龄措施 提高耐火材料的质量 优化炼钢工艺 采用补炉及护炉操作 5 转炉冶炼工艺 5 1转炉炉龄 5 1转炉炉龄 炉衬喷补 5 1转炉炉龄 溅渣护炉 图7溅渣护炉原理 5 2装料 装入量 5 2装料 装入量 5 2装料 装入制度 5 2装料 装料顺序 5 3吹氧及造渣 冶炼要完全依靠氧气 炊烟制度是否合理 直接决定了生产的节奏和冶炼成本的高低 5 4终点成分及温度的控制 终点成分和温度的控制也被简称为终点控制 它是转炉吹炼末期的重要操作步骤 所谓 终点 是指所炼钢种的成分和温度达到要求的时刻 它的具体标志是 钢中的碳含量达到所炼钢种的控制范围 钢中的P S含量低于规格下限以下的一定范围 出钢温度能保证顺利进行精炼 浇铸 对于沸腾钢 钢水应有一定的氧化性 5 4终点成分及温度的控制 成分的控制 一次拉碳法 增碳法 和高拉补吹法 一次拉碳法是指按出钢要求的终点含碳量和温度进行吹炼 当达到要求时即提枪 优点 终点渣的FeO含量低 钢中有害气体少 不需加增碳剂 钢水洁净 氧耗较小 在增碳法中 所有钢种的含碳量均被吹到0 05 左右 并按钢种添加增碳剂 为避免玷污钢水 所用碳粉的纯度要高 硫和灰分的含量要很低 优点 操作简单 生产率高 易实现自动控制 废钢比高 高拉补吹法主要是针对中 高碳钢种的 当冶炼中 高碳钢种时 终点要在按钢种规格略高一些时进行拉碳 待测温 取样后再按分析结果与规格的差值决定补吹的时间 由于在中 高碳钢种的含碳量范围内 脱碳速率较快 终点不易判断 因此要使用此种方法 5 4终点成分及温度的控制 6 转炉炼钢的物料平衡及热平衡 炼钢过程的物料平衡和热平衡的计算是建立在物质与能量守恒的基础上的 其主耍的目的是比较整个冶炼过程中物料 能量的收入项和支出项 从而为改进操作工艺制度 确定合理的设计参数和提高炼钢技术经济指标提供一些定量的依据 由于炼钢系在高温下的物理 化学过程复杂 再加上人们的测试手段还有限 目前尚难以对炼钢过程的物料平衡和热平衡做到精确取值和计算 但它对指导炼钢生产和设计具有重要的意义 6 转炉炼钢的物料平衡及热平衡 物料平衡 铁水 废钥 氧气 冷却剂 渣料和耐材与炼钢产物钢液 炉渣 炉气及烟尘等之间的平衡关系 物料的平衡计算 以100kg铁水为单位进行计算根据铁水 渣料质量 及冶炼钢种的要求 加废钢后的吨钢物料平衡热平衡 热量收入铁水的物理和化学热与热量支出钢液 炉渣 炉气 冷却剂等的热量损失之间的平衡关系 7 转炉炼钢的主要设备 转炉工艺主要组成系统 原料供应系统 即铁水 废钢 铁合金及各种辅助原料的贮备和运输系统 另外还有铁水预处理系统 氧气转炉的吹炼和钢水的精炼 浇注系统 供氧系统及底吹系统 烟气净化与煤气回收系统 图10转炉工艺主要流程图 7 1转炉炉体及转炉倾动系统 转炉是炉体系统的设备 它是由转炉炉体 支撑系统 和倾动系统组成的 图12顶吹转炉示意图 转炉炉体包括炉壳和炉衬 炉壳由钢板焊接而成 炉衬由工作层 永久层和填充层构成 图11底吹转炉图 7 1转炉炉体及转炉倾动系统 转炉倾动机械 半悬挂式倾动机械和全悬挂式倾动机械 图13转炉半悬挂式倾动机构 图14全悬挂式倾动机构 7 2转炉原料供应系统 铁水供应废钢的供应散装料的供应铁合金的供应 8 转炉炼钢的自动控制 传统上 炼钢吹炼终点的控制采用的是人工经验 这种方法很难保证终点含碳量 钢水温度 和硫 磷等杂质含量的一次命中 1959年 美国的琼斯 劳夫林钢铁公司首先利用计算机来控制氧气转炉的炼钢过程 随后计算机控制系统被广泛应用 转炉的自动控制系统由计算机系统 称量系统 检测调节系统 逻辑控制系统 仪表显示系统等部分组成 8 转炉炼钢的自动控制 转炉控制技术经历了三个阶段 静态控制 动态控制和转炉全自动控制 控制系统的功能 自动收集工艺参数并处理记录 根据模型计算出各种主辅原料的量 根据初始冶炼条件确定冶炼方案 8 1静态控制 静态控制是根据吹炼前初始条件 铁水 废钢 造渣材料成分和铁水温度 以及吹炼终点所要求的钢水量 钢水成分和温度而进行的对操作条件 吹炼转入量 氧气量 和造渣材料用量 的计算 静态控制的数学模型 理论模型 统计分析模型 增量模型 8 1静态控制 建立模型的步骤 确定建立物料平衡和热平衡是的假定条件及其经验值和实验值 确定物料平衡和热平衡方程式 把平衡方程式转换为控制方程 从控制方程角度度物料平衡和热平衡中的各项进行分类 联立方程式 解出供氧量和冷却机的消耗量 静态控制只考虑始态与终态的变量关系 不考虑变量随时间的变化 因而其一次命中率是有限的 它无法适应吹炼中炉子不断变化的特点要求 为了使控制精度进一步提高 必须在冶炼过程中对变量进行不断修正 既要解决动态控制的问题 8 1动态控制 动态控制实在静态控制的基础上 根据吹炼过程中检测到的铁水成分 炉渣状况 和温度 含碳量 废气中的CO CO2 O2等成分以及渣固高度等来实现对过程的计算机控制 动态控制的关键在于要迅速 准确地取得吹炼过程中的信息 如果信息检测的精度没有保证或者测试不及时 再好的数学模型也是徒劳的 基于此 人们设计了各种检测方法 如以碳平衡法为基础的炉气定碳法 氧枪冷却水热量法 声学化渣法 氧枪膨胀法微光光谱定碳法等 总结起来主要叮分为气体分析法和副枪法两种类型 8 1动态控制 副枪动态控制技术是指在吹炼接近终点 中后期时供02量85 左右 插人副枪以测定熔池中的 C 和温度 校正静态模型的计算误差并计算达到终点所需的供O2量或冷却剂加入量的方法 8 1动态控制 动态控制实在静态控制的基础上 根据吹炼过程中检测到的铁水成分 炉渣状况 和温度 含碳量 废气中的CO CO2 O2等成分以及渣固高度等来实现对过程的计算机控制 动态控制的关键在于要迅速 准确地取得吹炼过程中的信息 如果信息检测的精度没有保证或者测试不及时 再好的数学模型也是徒劳的 基于此 人们设计了各种检测方法 如以碳平衡法为基础的炉气定碳法 氧枪冷却水热量法 声学化渣法 氧枪膨胀法微光光谱定碳法等 总结起来主要叮分为气体分析法和副枪法两种类型 9 转炉节能环保及资源综合利用 9 1转炉节能手段 工序能耗 指工序中生产1t合格产品做直接消耗的能源量 它是衡量工序能耗水平的指标吨钢综合能耗吨钢可比能耗 它是指每生产1t钢各位所必备生产工序的能量消耗之和 称为吨钢可比能耗 计算时只考虑焦化 烧结 炼钢 开坯 轧材等配套生产必须的能耗 不考虑耐火材料 铁合金 石灰等生产工序 9 1转炉节能手段 节能措施 1 降低原材料和动力的单耗载能量 降低供电能耗 保证铁水条件和减少铁水损失 提高转炉废钢比 提高连铸比 套高连铸连轧的收得率 引入新设备和节能型设备 辅助设备节电 合理化工艺操作及流程 延长转炉寿命 降低耐火材料的消耗 2 降低燃料单耗及载能量 解决铁 钢 材不配套问题 合理布局 降低运输燃耗 提高原燃料质量 提高转炉钢和连铸钢比例 合理检修 提高作业率 提高成品率 合格率 收得率 均衡各种产品比例 3 回收主要能源 回收转炉煤气及蒸汽 回收废弃品并加以综合利用 减少气 水 油等的跑 冒 滴 漏等现象的发生等 9 1转炉节能手段 包括连铸或铸锭在内的转炉系统来讲 主要节能技术包括以下内容 提高转炉的原材料质量 提高转炉废钢比 提高转炉钢水连铸比 采用转炉全工序负能炼钢技术 提高转炉煤气的高炉率回收技术 提高连铸坯的一火成材率 提高连铸坯的热送温度 采用炼钢系统损失热量和物质的回收利用技术 开发炼钢系统的新型节能技术 采用转炉废渣的回收和综合利用技术等 9 2转炉煤气的循环回收利用 转炉烟气成分 大量CO 少量CO2及微量的其他成分气体 还夹杂着大量氧化铁 金属铁粒和其他细小颗粒的固体尘埃 转炉烟气的特点 温度高 住量多 含尘量大 气体具有毒性和爆炸性 直接排放会有很大的危害性 必须净化后回收 转炉在冶炼过程中 会从炉口排出大量的红色的浓烟 这就是烟气 9 2转炉煤气的循环回收利用 烟气的收集与冷却 烟气的收集是由烟