转炉冶炼低磷钢的控制技术素材.ppt

17 01 02 转炉冶炼低磷钢控制技术 17 01 02 主要内容 1 概述2 低磷钢生产的热力学 动力学条件3 铁水预处理4 转炉冶炼脱磷5 转炉炼钢常见的脱磷技术6 超低磷钢的生产工艺 17 01 02 1概述 磷是钢中有害杂质 容易在晶界偏析 造成钢材 冷脆 显著降低钢材的低温冲击韧性 因此 一般钢种都要求尽量降低磷含量 钢材中的合格磷含量 质量分数 P 0 03 高级优质钢中要求钢中磷含量 P 0 01 或0 005 低磷钢中磷含量 P 0 01 0 02 超低磷钢则要求磷含量 P 50 10 6 17 01 02 2低磷钢生产的热力学 动力学条件 精炼过程中的脱磷反应 根据反应产物不同 分为 氧化脱磷 钢中的磷通过氧化反应以的形式进入炉渣 1 2P2 3 2O2 5 4O2 PO43 1 还原脱磷 钢中的磷通过还原反应以P3 的形式进入炉渣 1 2P2 2 3O2 P3 3 4O2 2 17 01 02 氧分压的高低决定了脱磷产物的类别 下图给出1823K时41 CaO Al2O3系炉渣 渣中磷浓度与气相氧分压的关系 1823K时 CaO Al2O3渣系中磷浓度与氧分压的关系 17 01 02 HealyGW研究了炼钢炉渣成分变化对炉渣脱磷能力的影响 对于炼钢过程 脱磷反应可以写为 2 P 5 FeO 4 CaO Ca4P2O9 5 G15 204450 83 55T炉渣成分变化对渣 钢间磷分配系数的影响为 lg P P 22350 T 16 0 0 08 CaO 2 5 lg FeO 下图给出了不同碱性炉渣的脱磷能力 17 01 02 不同碱性炉渣的磷容量 17 01 02 工业生产中 常用表现脱磷速度常数KP表示脱磷速度 如下图所示 随熔池搅拌能的增加 KP提高 搅拌能对脱磷速度常数的影响 17 01 02 综合以上分析 脱磷的最佳热力学 动力学条件是 降低反应温度 1300 低温有利于脱磷反应进行 提高钢水 炉渣的氧化性 有利于脱磷反应 提高钢中磷的活度和增加渣量 有利于脱磷反应 适当的碱度 对熔池进行强力搅拌 17 01 02 3铁水预处理脱磷 3 1喷吹苏打粉处理下图是日本住友公司鹿岛厂开发的 住友碱精炼法 SARP法也叫苏打精炼法 用氮气输送和喷吹烧结矿粉 喷入量为40kg t铁水 最大供粉速度为400kg min 最大吹氧量为50m3 min 脱硅量约为0 4 铁水硅含量可降到0 1 以下 真空吸渣器吸出脱硅渣 脱磷处理 喷入苏打粉 苏打粉用量为18kg t铁水 最大供粉量为250kg min 最大吹氧量为50m3 min 铁水 P 0 01 S 0 003 真空吸渣器吸出脱磷渣 送至苏打回收车间 回收约80 的Na2O 复吹转炉 RH处理 连铸 17 01 02 住友碱精炼法的工艺流程 17 01 02 3 2喷吹石灰系溶剂处理 下图是新日铁君津铁厂开发的最佳精炼法 简称ORP OptimizingRefiningProcess 该法于1982年9月投产 是使用石灰系熔剂进行铁水预处理的有代表性的方法 喷入的石灰熔剂的化学成分为 55 FeO 35 CaO 5 CaF2 5 CaCl2 喷入量为52kg t铁水 粒度为0 1mm 用N2为载气 流量为3 5m3 min 平均供粉速度为600kg mim 处理温度为1350 处理时间25min 17 01 02 ORP工艺流程 17 01 02 某些石灰系粉剂的脱磷效果 17 01 02 3 3铁水预处理脱磷工艺 铁水预处理工艺 从熔剂加入方式上分为2种 一种是喷粉法 用氮气或空气输送 用浸没喷枪将粉剂喷人熔池底部 另一种是底部吹气法 将熔剂加在铁水表面 炉底通过透气砖吹氮气搅拌 根据所用容器不同 脱磷工艺可分为2种 一种是在盛铁水的铁水包或鱼雷罐车中进行脱磷 如日本新日铁ORP 住友的SARP预处理工艺 我国的太钢二炼钢厂20世纪80年代引进住友主体设备建成铁水罐喷吹三脱工艺 17 01 02 另一种是在转炉内进行铁水预处理 转炉内脱磷具有石灰消耗少 渣量少 脱磷效果好 复吹搅拌强 处理时间短 热损少以及锰回收率增高等优点 而且也解决了敞口罐和鱼雷罐车脱磷中的泡沫渣问题 神户制钢的H炉 住友金属的SRP 新日铁的LD ORP NKK福山少渣冶炼技术 新日铁的MURC法等都是采用的这种转炉内脱磷的预处理工艺 17 01 02 4转炉冶炼脱磷 4 1转炉铁水预处理脱磷转炉炼钢过程的脱磷是一个氧化脱磷过程 保证转炉内的有效脱磷要有合适的供氧制度 造渣制度等 为了更好的去除钢中磷 在造渣方式上 根据需要 可由原来的单渣法发展到双渣法 双渣留渣法等操作 在出钢制度上 采用碱性包衬红包出钢 低温弱脱氧出钢 挡渣出钢等措施 转炉铁水预处理主要有H炉 SRP法和Q BOP法三种工艺 下表给出了三种工艺技术的比较 2005年 17 01 02 17 01 02 比较三种转炉铁水预处理工艺 SRP法是值得推荐的方法 其优点主要是 1 采用转炉 双联 工艺 预处理铁水供精炼转炉用 精炼转炉渣作为脱磷剂供脱磷炉使用 吨铁消耗CaO20kg 25kg 可使铁水含磷量 质量分数 降到0 011 2 可采用低碱度造渣工艺 获得较高的脱P 脱S效率 见下图 3 热效率高 可熔化5 7 的废钢 4 生产效率高 纯处理时间仅13min 17 01 02 上述转炉铁水预处理工艺 在操作方法上有一定区别 但其本质是相同的 即采用渣 钢反应进行脱P S 而未采用喷粉工艺 以气氧为主向熔池供氧 添加废钢控制反应温度 17 01 02 炉渣碱度对脱磷的影响 17 01 02 4 2影响终点w P 分配系数LP的因素 武钢第二炼钢厂现有3座公称容量90t的全炉役溅渣复吹转炉 底吹供气强度在0 03 0 06m3 min t 之间 影响终点Lp Lp w P w P 的因素有终点温度t 终渣碱度R和全铁含量 冶炼过程的底吹强度Q和渣的状况等 17 01 02 4 2 1终点温度终点温度对终点Lp的影响见下图 终点温度对Lp的影响 随温度的升高 LP变小 这是因为脱P是一个放热反应 17 01 02 4 2 2终渣w TFe 终渣对Lp的影响见下图 当w TFe 22 时 aFeO并不能成比例地增大 却生成了3CaO Fe2O3 反而使渣碱度变小 稀释了 CaO 的碱度 减弱了渣的去P作用 所以Lp反而变小 W TFe 对Lp的影响 17 01 02 4 2 3终渣R下图显示了终渣碱度R对Lp的影响 R对Lp的影响 R在3 7时 Lp是极大值 这是因为在碱性渣条件下2CaO SiO2 4CaO P2O5都能生成 两者均消耗 CaO 故脱磷需要较高的碱度 碱度过高时 使炉渣变粘 恶化了去P的动力学条件 故反而不利于去P 17 01 02 4 2 4底吹强度Q第二炼钢厂转炉冶炼时采用底吹自动供气 前10min吹N2 此后吹Ar 下图示出了Lp和底吹强度Q的关系 底吹强度对Lp的影响 它条件相同的情况下 在Q为0 047时 Lp为极大值 所以生产中选择了底吹供气强度为0 04 0 05m3 min t 17 01 02 下表列出了底吹供气强度对终渣Lp影响的3炉吹炼数据 底吹强度对终渣Lp的影响 17 01 02 4 2 5过程渣状况 过程渣状况主要是指炉渣流动性 即脱P反应动力学条件的好坏 终渣Lp与过程渣状况的关系见下表 终渣Lp与过程渣状况 终渣状况的关系 17 01 02 从表中数据可以看到 当有炉渣喷溅 渣的流动性好时 Lp值较大 这也反映出过程渣一直处于良好的化渣状态 正是脱P所需要的高碱度流动性好的渣 现场实际情况是转炉的炉容比只有0 74m3 t 与正常情况相比此值偏小 所以即使正常泡沫化的炉渣也易发生喷溅 造成粘枪粘罩 质量事故及降低金属收得率 若不出现炉渣喷溅 炉渣泡沫化程度又不够 因此操作时要求控制炉渣处于炉口要喷不喷的状况 17 01 02 4 3终点w P 0 010 的操作的部分控制 4 3 1终渣R的控制一次拉碳出钢的终渣R 按下表配制 由于一般普通废钢 低S 低Mn废钢中都含有0 2 以上的钢 所以在配R时 以装入量计算为好 17 01 02 双渣与单渣去P效果的对比 4 3 2双渣操作 若后期去P的条件不好 出钢过程回P较多 则可采取双渣操作 第一期渣倒炉时尽量多倒渣 有铁水倒出时抬炉 下表是铁水条件相同的情况下 双渣与单渣去P效果的对比 17 01 02 比较铁水原始含磷量不同时单渣法和双渣法脱磷的区别 得出以下结论 对脱磷而言双渣法明显优于单渣法 双渣法的操作要点是炉渣前期碱度 2 0 吨钢加入红泥球6kg以提高炉渣中FeO含量 一批料化清后 摇炉倒渣 再造新渣 继续冶炼 采用双渣法在吹炼前期 6min 即可将磷降至 0 015 脱磷率达75 以上 在随后的冶炼中钢中磷略有降低 但需继续吹炼提高钢水温度后才能出钢 转炉将碳降至0 03 0 05 时 吹损率由钢中碳为0 20 时的7 左右增至8 5 左右 使钢铁料消耗吨钢增加超过10kg 所以除非生产特殊品种 此工艺决不可取 因此 双渣法只在冶炼低磷钢中有优势 17 01 02 4 3 3高拉补吹的控制 高拉补吹是在碳高于出钢碳时提枪倒炉 调入活性灰 轻烧等 重新造渣 点吹至出钢碳后再出钢 高拉补吹的效果见下表 高拉补吹操作的去磷效果 17 01 02 4 3 4出钢回P的控制 在出钢过程中 由于大罐炉渣R和w TFe 下降 加上脱氧剂直接还原炉渣中P2O5 合金含有微量的P等 都会发生回磷 第二炼钢厂使用挡渣塞 挡渣球后 到RH的渣厚一般在30 60mm之间 此时 过程回磷情况见下表 17 01 02 5 转炉炼钢常见的脱磷技术 目前 转炉炼钢常见的脱磷技术有 转炉大渣量脱磷 双渣脱磷 转炉双联脱磷及转炉预脱磷等 这些技术在生产中取得了良好的脱磷效果 其中日本先进炼钢厂的实践证明 采用双联法转炉炼钢工艺 可低成本大批量地生产低磷钢和超低磷钢 本节着重介绍双联法 17 01 02 5 1转炉双联法简介 转炉双联法冶炼是转炉炼钢一项新工艺 该工艺20世纪90年代产生于日本 现在日本住友金属和歌山厂 川崎制铁水岛厂 NKK福山厂以及新日铁室兰厂等均采用转炉双联法冶炼工艺进行大规模生产 转炉双联法工艺被日本住友和歌山厂称为SRP法 新日铁室兰厂称为LD ORP法 NKK福山厂称为LD NRP法 操作方式都是采用两座转炉双联作业 一座进行铁水脱磷操作 称为脱磷炉 另一座转炉接受来自脱磷炉的低磷铁水进行脱碳操作 该转炉称为脱碳炉 也就是将铁水脱磷和脱碳分开由两座转炉来完成 有别于传统上在一座转炉内既要完成铁水脱磷又要完成脱碳 17 01 02 典型的双联法工艺流程为高炉铁水一铁水脱硫预处理一转炉脱磷一转炉脱碳一二次精炼一连铸 具体见下图 转炉双联法炼钢工艺流程图 17 01 02 5 2双联法的主要优势 炉内自由空间大 允许强烈搅拌钢水 顶吹供氧 高强度底吹 0 3m3 t min 不需要预脱硅 废钢比较高 8 10 炉渣碱度较低 1 5 2 渣量少 处理后铁水温度较高 1350 17 01 02 5 3国内外生产实绩 5 3 1SRP法SRP SimpleRefiningProcess 工艺是20世纪80年代后期日本住友金属开发的 即将一座转炉作为脱磷炉对铁水进行脱Si 脱P预处理 生产的低Si 低P半钢水再送人第二座转炉脱碳炉降碳提温 实现少渣冶炼 这种工艺的优点在于节省基建投资 降低各项消耗 减少环境污染 且能高效率大量处理铁水 使转炉精料冶炼 控制氧化性 高拉碳出钢及减少钢中夹杂物等 17 01 02 脱碳炉和脱磷炉的操作条件 在这种工艺中 两台复吹转炉中的一台作为脱磷炉 另一台作为脱碳炉 脱碳炉产生的炉渣可作为脱磷炉的脱磷剂 从而减少石灰消耗 达到稳定而快速的精炼效果 17 01 02 住友金属鹿岛厂炼钢工艺流程 日本住友金属鹿岛制铁所 17 01 02 日本住友金属和歌山制铁所 住友金属和歌山制铁所的生产流程 住友金属和歌山制铁所年产粗钢390万t 该厂脱磷转炉与脱碳转炉设在不同跨间 吹炼时间为9 20min 周期控制在20min以内 一个转炉炼钢车间给3台连铸机供钢水 是目前世界上炼钢生产节奏最快的钢厂 17 01 02 和歌山制铁所SRP法的优点 1 可高效率 低成本 大批量生产洁净钢 显著改善IF钢板抗二次加工脆化和热轧钢板低温冲击韧性等性能 2 炼铁生产可以采用较高磷含量的低价位铁矿石 铁水磷含量放宽至0 10 0 15 降低了矿石采购成本 3 炼钢时可以使用锰矿石 取代MnFe合金 4 炼钢渣量显著降低 脱碳炉渣可返回用于脱磷转炉 5 脱磷炉渣不经蒸汽稳定化处理 可直接铺路 6 加快了大型转炉的生产节奏 与高拉速连铸机相匹配 7 生产工序紧凑 17 01 02 5 3 2神户H炉工艺 神户制钢炼钢厂平面布置图 由于神户制钢生产的高碳钢比例较大 因此转炉的脱磷负荷大 铁水脱磷 脱硫预处理采用H炉 专用转炉 17 01 02 神户制钢的 炉铁水预处理工艺流程图 17 01 02 用H炉进行铁水脱磷 脱硫处理具有如下特征 H炉内空间大 进行铁水预处理时 炉内反应效率高 反应速度快 可在较短的时间内连续完成脱磷 脱硫处理 可以用块状生石灰和转炉渣代替部分脱磷渣 脱磷过程中添加部分锰矿 可提高脱磷效率 且增加了铁水中的锰含量 17 01 02 5 3 3新日铁LD ORP OptimizingRefiningProcess 工艺 LD ORP的处理条件 17 01 02 新日铁名古屋LD ORP工艺 日本新日铁八幡制铁所 17 01 02 新日铁君津制铁所第二炼钢厂LD ORP流程 日本新日铁君津制铁所 17 01 02 LD ORP工艺渣量少 可生产高纯净钢 脱磷转炉弱供氧 大渣量 碱度为2 5 3 0 温度为1320 1350 纯脱磷时间约为9 10min 冶炼周期约20min 废钢比通常为9 为了提高产量 目前废钢比已达到11 14 经脱磷后的半钢水 0 020 兑入脱碳转炉 总收得率92 以上 转炉的复吹寿命约4000炉 脱碳转炉强供氧 少渣量 冶炼周期为28 30min 脱碳转炉不使用废钢 从脱磷至脱碳结束的总冶炼周期约为50min 17 01 02 5 3 4MURC技术 新日铁室兰制铁所 两座270tLD OB转炉 和大分制铁所 3座370t复吹转炉 受设备和产品的限制 难以采用双联法工艺 为此采用了新日铁开发的MURC技术 在同一转炉进行铁水脱磷预处理和脱碳吹炼 类似传统炼钢的双渣法 室兰制铁所和大分制铁所全部采用MURC工艺 见下图 17 01 02 新日铁大分制铁所的MURC工艺示意图 17 01 02 日本钢铁厂转炉双联法主要工艺技术参数对比 17 01 02 5 3 5宝钢的BRP技术 宝钢分公司也从2002年开始进行了转炉脱磷 脱碳双联工艺的自主技术研究 称为BRP BaosteelBOFRefiningProcess 工艺 宝钢开发了一整套转炉脱磷 脱碳的工艺技术 主要包括顶底供气模式 造渣模式 温度控制和脱磷控制模式等 17 01 02 BRP法操作步骤 宝钢第一炼钢厂3座300t复吹转炉的双联法设备配置和工艺布置与传统转炉炼钢车间基本一致 每座转炉均具有脱磷和脱碳功能 可采用双联法冶炼 亦可进行常规冶炼 切换灵活 17 01 02 BRP生产实绩 BRP法生产的X70管线钢和帘线钢的磷含量与传统工艺的对比 BRP开发了一些高难度 高附加值产品 如帘线钢 抗HIC的X65管线钢 2Cr13不锈钢 S135钻杆钢等冶炼工艺技术 BRP法生产的X70管线钢与帘线钢与传统工艺的磷含量对比见右图 17 01 02 BRP技术生产的4炉抗HICX60管线钢水的化学成分 10 4 17 01 02 转炉双联法脱磷与混铁车 铁水罐法脱磷相比 在大批量生产纯净钢时具有如下优势 转炉容量大 有充分的反应空间 反应动力学条件优越 铁水中磷可脱到0 010 以下 为少渣冶炼创造了条件 转炉双联法为生产超低磷钢 管线钢及优质宽厚板铸坯提供了有利的条件 工序简化 人员减少 成本相对较低 据统计 转炉脱碳渣用于另一座转炉脱磷的双联法 生产1t铁水的钢铁料消耗比传统方法减少25kg 石灰消耗减少40 吨钢成本降低约65元 17 01 02 6超低磷钢的生产工艺 冶炼超低磷钢已有两种途径 一种是在欧洲和北美兴起的 如下图1所示 利用这种方法 磷含量 质量分数 一般在 60 70 10 6 另一种途径是在日本兴起的 如下图2所示 完全采用预处理铁水 将铁水中的磷含量 质量分数 降至小于20 10 6后出钢 然后进行二次精炼处理以生产极低S P O H N水平的钢 17 01 02 图1欧洲低磷钢生产工艺 17 01 02 图2日本低磷钢生产工艺 17 01 02 这两种工艺相比 前一种工艺不使用预处理铁水 铁水温降小 热损少