电炉炼钢工艺.ppt

电炉炼钢工艺 朱荣 1电炉炼钢工艺的发展历程 1905年第一台5吨工业炼钢电炉建成 德国人R Linberg 1936年德国制造了可炉盖旋转的炼钢电炉1936年美国建成了当时最大的100吨炼钢电炉1964年美国碳化物公司 W E Schwabe 和西北钢铁线材公司 C G Robinson 提出电炉超高功率概念 UltraHighPower简称UHP 电炉工业开始走向辉煌 开始与转炉竞争 1990年后 电炉炼钢技术取得了重大进展 炼钢技术的进步主要进步集中在电炉炼钢领域 世界电炉生产迅速发展动力 社会废钢积累的增长 环境压力 低生产成本的经济刺激 廉价废钢及廉价电力 对提高劳动生产率的追求 采用废钢作原料的电弧炉工艺 流程短 生产率高 全员劳动生产率高达2700 4000t 人 a 几乎是高炉 转炉流程的3 4倍 我国钢铁行业2010年能耗构成的预测值 矿石经高炉 转炉流程而成粗钢的单位能耗高于600kgce t 其中氧气转炉炼钢工序能耗仅为10kgce t 主要能耗是高炉和炼焦工序 铁前系统烧结 炼焦和高炉炼铁是能耗大户 也是污染环境的大户 相比之下 废钢经电炉熔炼所生产的粗钢吨钢能耗仅为270kgce t 而污染的产生及其治理更远优于高炉 转炉流程 电炉炼钢的其它优势 世界粗钢产量增长情况 世界钢产量预测 电弧炉技术的发展 2电炉炼钢主体设备介绍 机械设备 炉壳 炉门 出钢槽或偏心炉底出钢 炉盖 分水冷和耐材电极夹持器 电极升降装置炉盖提升旋转机构 炉体旋转或开出排烟除尘装置炉顶加料装置 电气设备 变压器电抗器短网隔离开关及高压断路器电极升降自动调节装置 3电炉炼钢的能量来源 电能化学能 包括炉料带来的物理热及氧化带来的化学热 外来输入的燃料 传统电炉总能量平衡 现代电炉总能量平衡 装铁水 3 1供电 供电技术发展 普通功率与超高功率电弧炉工作点 配电操作 冶炼阶段根据工艺要求输入的功率是不相同的 在各个阶段调节输入功率大小 电功率的调节称为配电操作 配电操作分 送电 停电 调换电压 调节电流及电气设备的监护 配电分手动及自动调节 好的配电制度对缩短冶炼时间及降低电耗是非常重要的 供电时间确定 C吨钢电耗 kWh tW钢水总重 tP电炉变压器容量 kV A变压器利用率 非通电时间 min 3 2供氧 炉门人工吹氧从1根氧管到3根氧管 炉门吹氧机械手强化供氧及安全生产 炉壁氧燃枪 可加二次燃烧 辅助能量 EBT氧枪解决偏心炉的冷区及成分均匀 炉壁氧气碳粉喷吹模块可伸入式及固定式 炉壁及烟道的二次燃烧氧枪利用余热 能量极限利用 电炉供氧示意图 北京科大电炉炼钢用氧专利技术内容 电炉炉门多功能吹氧装置电炉炉壁氧燃助熔及二次燃烧氧枪电炉炉壁及EBT氧枪电炉炉顶氧枪电炉炉壁氧气及碳粉喷吹模块 集束氧枪 电炉泡沫渣技术电炉用氧诊断 电炉用氧模块化控制技术 在吹氧条件下 熔池中各元素氧化1kg时所产生的理论热值 在电炉采用多种供氧方式以后 如何做到炉内均衡供氧是非常重要的 目的 1 控制吨钢耗氧 2 提高金属收得率 3 解决除尘冷却装置及电极等氧化 控制方式 1 结合热平衡及物料平衡 2 结合原有炉次的供氧曲线 3 根据冶炼状况 分解不同供氧方式的供氧量 4 检测冶炼过程炉气成分的变化 调整供氧量 电炉用氧模块化控制技术 4电炉炼钢的原料 传统的电弧炉炼钢是全废钢工艺以冷废钢为主 配加10 左右的生铁块 现代电弧炉炼钢使用的其它原料还有 除冷生铁外 直接还原铁 DRI HBI 热铁水 碳化铁等 电弧炉炼钢的原料构成对其工艺 装备 指标等有决定性影响 不同原料结构下的生产过程是不可比的 或者说只有原料结构相当的情况下才是可比较的 废钢 电炉炼钢是一种铁资源回收再利用过程 也是一种处理污染的环保技术 仅就电炉炼钢工序而言 废钢是基本原料 废钢原料需进行鉴别 分类管理和打包 剪切等预处理 当前电炉炼钢使用废钢原料的最大问题是金属残留元素 主要是残留的Ni Cr Mo等合金元素和Cu Sn Bi Sd Pb等有害元素 它们在电炉炼钢过程中尚无有效方法去除 残留在钢材中造成种种危害 并在废钢循环再利用过程中不断积累 目前采用的对策主要有 加强废钢管理 在废钢预加工过程中挑选或分离 冶炼过程配加其他铁源 稀释残留元素的浓度 其它金属料 冷生铁 配碳 稀释残留元素 渣量增加直接还原铁 粒状直接还原铁 DRI 和块状热压块 HBI 铁水 配加10 的热铁水 带入的物理热约为25kwh t steel 化学热约25kwh t steel 而氧耗6 7m3 t steel 碳化铁 Fe3C 技术问题 不能大量生产 5电炉冶炼工艺 传统冶炼工艺 三段工艺 熔化期 氧化期 还原期现代冶炼工艺 二段工艺 熔化期 氧化期 加炉外处理 或称熔氧脱磷期 脱碳升温期操作步骤 补炉 装料 配料 熔化期 氧化期 精炼 或还原期 出钢 5 1补炉 电炉补炉工作量是很大的 补炉的重点是 渣线 渣的浸蚀 靠电极 最容易跑钢的地方 电弧的辐射 补炉用大铲或喷枪 5 2装料 配料 对废钢的要求 1 不允许有有色金属 2 不允许有封闭器皿 易爆炸物 3 入炉的钢铁料块度要合适 不能太大 装料量要求二次进料 第1次 60 第2次 40 三次进料 第1次 40 第2 3次 30 四次进料 第1 2次 30 第3 4次 20 配碳的重要性 重要性 废钢铁氧化 氧化期去气 N H 去夹杂 最低配C计算 配C量 0 50 熔化期损失 0 2 0 3 氧化需要 氧化终了碳含量 装料原则 大 中 小料配合 重料在下 轻料在上 大块在中 轻料在边 5 3废钢熔化阶段操作 熔化期是电炉工艺中能源消耗的大头 冶炼时间的50 80 因此 电炉的节能降耗主要在熔化期 废钢熔化过程 从中心向四周 从热区向冷区 从下向上 熔化期操作原则 合理供电 合适吹氧 提前造渣 吹氧方式 自耗式 可切割 可吹渣钢界面 水冷式 只能吹渣钢界面 优化的供电曲线 5 4电炉氧化期操作 氧化期的任务 继续脱P 脱C去气 N H 去夹杂钢液升温电炉熔氧期操作 熔化废钢与氧化期脱碳结合 提前造渣脱磷 元素氧化方式 铁矿石氧化 吸热 有利于脱磷 增加金属量Fe2O3 3C 2Fe 3CO吹氧气氧化 放热 对脱磷不利 但可部分脱硫 渣中氧化铁增加 矿石加吹氧 氧化期操作 熔清 取样分析 全分析 加石灰 吹氧化渣 流渣脱P 加石灰 测温 视钢中含碳量吹氧脱碳 看P 取样分析 看渣子的颜色 黑亮P高 灰黑P低 看渣子的泡沫化 看C 取样分析 看火花 砂轮对比 副枪 看温度 蓝白亮 浅蓝 深蓝 浅红 深红 取样全分析 测温 静沸腾等待出钢 传统工艺 扒除氧化渣 为还原期造渣做准备 氧化期的造渣 氧化期的造渣要根据脱磷及脱碳的要求 具有合适的炉渣成分及流动性渣中 FeO含量一般控制在10 20 碱度控制在2 5 3 0 总渣量在2 4 磷的控制 3个关键因素 炉渣氧化性 石灰含量 温度 Healy经验式 lg P P 22350 T 16 0 0 08 CaO 2 5lg TFeO 常规工艺 P 0 030以下脱磷的主要工艺 强化吹氧提高初渣氧化性提前造高碱度渣流渣造新渣喷粉技术的应用 氧化期喷粉脱磷 碳的控制 作用 减少金属烧损 降低熔池温度 促进钢渣反应 促进脱磷 促进泡沫渣形成 去气去夹杂 温度控制 T出钢 t1 t过程 t加热 t浇铸t1液相线温度 t过程过程降温 t加热钢包温度补偿 t浇铸浇铸降温 氧化终点特别情况处理 1 碳高磷低 温度低 吹氧 温度高 低功率操作 2 碳高磷高 先脱P后脱C 可加部分矿石 3 碳低磷高 温度合适 造FeO渣 温度高 加矿石 停电 4 低磷低温 性碳低 加大电功率 造泡沫渣 碳高 吹氧 一般功率 5 5冶炼过程造泡沫渣 泡沫渣是指在不增大渣量的情况下 使炉渣呈很厚的泡沫状泡沫渣的作用采用长弧泡沫渣操作可以增加电炉输入功率 提高功率因数及热效率 降低电炉冶炼电耗 缩短了冶炼时间 减少了电弧热辐射对炉壁及炉盖的热损失 泡沫渣有利于炉内化学反应 特别有利于脱P C及去气 N H 泡沫渣对电能输入的影响 对炉渣泡沫渣高度的影响 泡沫渣新工艺 1 设备要求性能稳定及易操作的喷粉设备碳粉喷吹量 粒度及喷粉速度控制稳定干燥的喷吹气源及定期的设备检查 泡沫渣技术 2 造泡沫渣的新思路 解决喷吹区域炉门区及炉后区域同时喷碳 全熔池区域泡沫化及全程泡沫渣冶炼 3 热装铁水后的泡沫渣有丰富的碳源 喷碳任务减轻 但喷碳粉在冶炼前期及后期作用是很大的 铁水热装的终渣FeO高达30 5 6电炉还原期 还原期是转炉炼钢没有的 还原期的主要任务是 1去除钢液中的氧2去除钢液中的硫3调整钢液的温度 成份到规定成分 4合金化这四点是相互联系及同时进行的 脱O与脱S的关系 合金化与脱O S 脱O S时加入的合金Mn 就是成品需要的合金 进入还原或采用炉外精炼的条件是无渣出钢 无渣出钢 残余氧化渣的危害 降低脱硫脱氧能力 降低合金收得率 降低钢包搅拌强度 降低包衬寿命 偏心炉底出钢彻底解决了这一问题 传统电炉需扒渣 传统出钢 虹吸出钢 还原期操作 扒除氧化渣后加石灰和莹石化渣 加碳粉造白渣或电石渣还原5 10分钟推渣 取样全分析 测温补加渣料加C粉成份温度合格 加合金测温度 看脱氧 出钢 还原白渣及电石渣 白渣 是用C粉和Si粉还原的炉渣 冷却后呈白色 过一会儿会粉化 电石渣 过量的C粉 或加CaC2 在渣中有大量存在 冷却后呈灰色 白渣与电石渣的比较 电石渣的脱氧 脱S能力强 在S O高时 采用 电石渣增C 增Si 电石渣和钢液性湿润性较好 钢水 中易产生夹杂 所以 不能电石渣出钢 如何破电石渣 加渣料 炉盖留一条线 6近年主要电炉炼钢新工艺 竖式电炉双壳电炉consteel电炉铁水热装及强化供氧 竖炉电弧炉 竖炉电弧炉是FuchsSystem在1992年推出的 它有一个废钢预热系统 竖炉电弧炉可以是单竖炉或双竖炉 也可以是直流的或交流的 它用废气 1000 以上 的潜热和化学热 加上在竖炉底部的氧燃烧嘴预热装在水冷竖炉内的废钢料柱 与普通的炉子比较 其氧 燃烧嘴的热效更高 竖炉里至少可装全炉废钢的40 剩下的废钢在开始熔化前直接加入炉内 双壳电弧炉 双壳炉内有两个炉壳 共用一套电源 双壳炉的技术特点是将废钢预热和节省非通电时间相结合 当一个炉壳内在熔化炉料时 另一炉壳就加入第一篮炉料 当第一个炉壳要出钢时电极就转向另一个炉壳 开始送电 这样停电时间可缩短6 10分钟 生产率大大提高 有些设计中 当一个炉壳在熔炼时将排出的热废气通入第二个炉壳 以预热废钢 预热炉料的优点是缩短给电时间和节电 日本NipponSteel估计预热25分钟可节电35KWh t Consteel电炉 废钢原料预热和加料过程的连续化 显然对电弧炉炼钢过程是非常有利的 电弧非常平稳 闪烁 谐波和噪音很低过程连续进行 非通电操作时间减至最少不必周期性加料 热损失和排放大大减少便于稳定控制生产过程和产品质量 钢液炉外精炼工艺 冶金学院朱荣 炉外精炼 1炉外精炼的产生 半世纪以来迅速发展的钢铁冶金重要技术 提高生产率的需要 提高钢质量的需要 满足不同钢种的特殊要求 炉外精炼发展历程 20世纪30 40年代 合成渣洗 真空模铸50年代 大功率蒸汽喷射泵技术的突破 发明了钢包提升脱气法 DH 及循环脱气法 RH 60 70年代 高质量钢种的要求 产生了各种精炼方法80 90年代 连铸的发展 连铸坯对质量的要求及炼钢炉与连铸的衔接21世纪 更高节奏及超级钢的生产 炉外精炼的内容 脱氧 脱硫去气 去除夹杂调整钢液成分及温度 2炉外精炼的手段 渣洗最简单的精炼手段 真空目前应用的高质量钢的精炼手段 搅拌最基本的精炼手段 喷吹将反应剂直接加入熔体的手段 调温加热是调节温度的一项常用手段 合成渣洗 根据要求将各种渣料配置成满足某种冶金功能的合成炉渣 通过在专门的炼渣炉中熔炼 出钢时钢液与炉渣混合 实现脱硫及脱氧去夹杂功能 不能去除钢中气体 必须将原炉渣去除 同炉渣洗 异炉渣洗 真空处理 脱气的主要方法提高真空度可将钢中C H O降低 日本真空技术 真空度到1torr C 10ppm H 1ppm O 5ppm中国真空技术 真空度到3torr C 20ppm H 2ppm O 15ppm 新开发了脱硫功能 KTB代表性装置 RH VD VOD 喷吹技术 喷吹实现脱碳 脱硫 脱氧 合金化 控制夹杂物形态 单一气体喷吹VOD 混合气体喷吹AOD 粉气流的喷吹TN 固体物加入喂线 升温工艺 提高生产率的需要 升温装置 LF加热CAS化学加热 3主要的精炼工艺 LF LadleFurnaceprocess AOD Argon oxygendecaburizitionprocess VOD Vacuumoxygendecreaseprocess RH RuhrstahlHeraeusprocess CAS OB Compositionadjustmentsbysealedargon oxygenblowingprocess 喂线 Insertthread 钢包吹氩搅拌 Ladleargonstirring 喷粉 powderinjection 3 1LF炉 最常用的精炼方法取代电炉还原期解决了转炉冶炼优钢问题具有加热及搅拌功能脱氧 脱硫 合金化 LF炉精炼原理1 电极 2 合金料斗 3 透气砖 4 滑动水口 1 电极 2 合金料斗 3 透气砖 4 滑动水口 精炼功能强 适宜生产超低硫 超低氧钢 具备电弧加热功能 热效率高 升温幅度大 温度控制精度高 具备搅拌和合金化功能 易于实现窄成分控制 提高产品的稳定性 采用渣钢精炼工艺 精炼成本较低 设备简单 投资较少 工艺优点 常规LF炉工艺操作 电炉EBT出钢 出钢过程加合金 加渣料 石灰 萤石等2 底吹氩 通电升温 化渣 10分钟取样分析 加渣料 1 测温取样 加合金看脱氧 准备出钢 一般30 50分钟 电耗50 80kwh t 现代转炉 电炉与连铸联系的纽带 3 2AOD炉 目的 主要是冶炼高质量的不锈钢 C 20ppm S P 50ppm 使用更廉价的原料 采用高碳铬代低碳铬 使用情况 60 70 的不锈钢产量 我国太钢有国内第一台AOD 不锈钢的冶炼方法电炉 电炉或转炉 AOD 电炉或转炉 VOD AOD工艺过程 炉料 废钢 不锈钢返回料 高碳铬铁 高碳镍铁吹炼过程温度及氩氧比的控制分不同温度及碳含量控制吹炼氩氧比 O2 Ar 4 1 3 1 C下降为0 2 T 1680 O2 Ar 2 1 C下降为0 1 T 1700 O2 Ar 1 2 C下降为0 02 T 1730 O2 Ar 1 3 C下降为0 01 T 1750 3 3VD VOD炉 VD的功能仅是真空加搅拌 VOD是Vacuumandstirandinjectionoxygen VD主要应用于轴承钢脱氧 VOD主要用于不锈钢冶炼 VD工艺 轴承钢最重要的性能指标是疲劳寿命 影响轴承钢寿命的重要指标是钢中氧含量 钢中 O 控制在10ppm为好 最好水平 O 3 5ppm 国内10ppm左右 控制钢中非金属夹杂物和碳化物级别 GCr15是最常用轴承钢 C 0 95 1 05 Mn 0 9 1 20 Si 0 40 0 65 Cr 1 30 1 65S P 0 020 以轴承钢冶炼为例 冶炼工艺 UHP LF VD 或RH CC LF出钢后 扒渣 倒渣 2 3 渣层厚度应保持40 70mm 扒渣时间 3min 扒渣完毕LF钢包入VD处理工位 接通氩气 调节流量50 80NL min 同时测温 取样 加入硅石2kg mm 调整炉渣碱度R 1 2 1 5 测温 取样后VD加盖密封 抽真空 真空泵启动期间 调整氩气流量保持30 40NL min VD工艺 以轴承钢冶炼为例 真空保持时间 真空启动后 工作压力达到67Pa时 保持时间 15min 真空保持期间调整氩气流量70NL min左右 并通过观察孔观察钢水沸腾情况 及时调整 保持均匀沸腾 终脱氧后解除真空 开盖 测温 软吹15 25min 氩气流量70 100NL min左右 控制渣面微动为宜 软吹结束后 测温 取样 加保温剂出钢 出钢温度1530 1540 以轴承钢冶炼为例 VD工艺 VOD工艺 初炼炉将碳控制在0 2 0 5 P 0 03 以下 钢液温度为1630 初炼炉除渣后 将VOD钢包吊入真空室 接底吹氩 开始抽真空 此时温度1550 1580 当真空度达到13 20kpa时 开始吹氧脱碳 碳含量降低的同时 提高真空度 保铬不氧化 当碳合格时 停止吹氧 加大真空到100Pa以下 并加大搅拌 进一步脱碳 钢液温度达到1670 1750 加合金 微调成分 加铝吹氩搅拌几分钟后 破真空浇铸 以冶炼超低碳不锈钢为例 3 4RH真空精炼 Ruhrstahl公司和Heraeus公司1957年开发的 也称钢液循环脱气法 将钢液提升到一容器内处理 主要冶炼高质量产品 如轴承钢 LF钢 硅钢 不锈钢 齿轮钢等 国内RH设备主要依靠进口 RH工艺特点 反应速度快 表观脱碳速度常数kC可达到3 5min 1 处理周期短 生产效率高 常与转炉配套使用 反应效率高 钢水直接在真空室内进行反应 可生产H 0 5 10 6 N 25 10 6 C 10 10 6的超纯净钢 可进行吹氧脱碳和二次燃烧进行热补偿 减少处理温降 可进行喷粉脱硫 生产 S 5 10 6的超低硫钢 RH工艺参数 处理容量 大炉子比小炉子好 50t以上 处理时间 钢包在真空位的停留时间 Tc VtTc允许温降 Vt平均温降 min 循环因数 C t min t min Q ton 循环流量 t脱气时间 Q处理容量循环流量 主要由上升管与驱动气体流量决定 真空度 60 100pa 抽气能力 RH真空工艺过程 出钢后 钢包测温取样 下降真空室 插入深度为150 200mm 起动真空泵 一根插入管输入驱动气体 当真空室的压力降到26 10kpa后 循环加剧 钢水上升速度为5m s 下降速度为1 2m s 气泡在钢液中将气体及夹杂带出 RH的发展 OB OxygenBlowing 真空室下部吹氧 KTB KawasakiTopBlowing 日本川崎 顶吹氧 PB PowderBlowing 真空室下部喷粉脱P S 工艺优点 钢液升温和精确控制钢水温度 促进夹杂物上浮 提高钢水纯净度 精确控制钢液成分 实现窄成分控制 均匀钢水成分和温度与喂线配合 可进行夹杂物的变性处理冶炼节奏快 适合转炉的冶炼节奏 3 5CAS CAS OB精炼工艺 CAS OB的冶炼效果 加热 升温速度5 6 min 钢液成分 吹氧前后变化不大 钢水洁净度 O 基本不变 可降低 N 含量 CAS工艺的操作过程 CAS OB工艺的操作过程 3 6喷粉工艺 效果最好投资及使用成本最低也是最不好掌握的技术 可脱硫 脱磷 合金化 夹杂变性 工艺参数 喷枪插入深度 h H 钢液深 hc 喷入深 喷吹压力 大于钢液 炉渣及大气压 喷吹时间 喷粉设备及钢液容纳粉剂的能力 供料速度 设备能力及钢液化学反应速度 载气能力与粉气比 4典型精炼设备的功能 冶金效果 典型精炼方法达到的洁净度 5洁净钢 puritysteel 60年代 S P N O H 900ppm 70年代 S P N O H 800ppm 80年代 S P N O H 600ppm 90年代 S P N O H 100ppm 2000年代 S P N O H 50ppm 洁净钢除 S P N O H 五大元素外 随废钢量的增加 还包括Cu Zr Sn Bi Pb等伴生元素 洁净钢是一个相对概念某一杂质含量降低到什么水平决定于钢种和产品用途不同的年代 对洁净钢有不同的要求有害元素降低程度决定于装备和工艺现代化水平 高附加值产品对洁净度的要求是 T O 要低 20ppm 夹杂物数量要少 夹杂物尺寸要小 50 m 夹杂物形态要合适 洁净钢的定义 洁净钢生产技术 初炼炉低氧钢精炼技术 出钢炉渣改质与预脱硫工艺 出钢挡渣技术与下渣检测 渣洗精炼工艺 夹杂物改性技术 Ca处理技术 超低碳钢冶炼技术 低N钢冶炼技术 夹杂物控制技术 钢水保护技术 无缺陷连铸坯生产工艺 连铸坯表面质量的控制 大型夹杂物的控制 铁水预处理工艺 朱荣 铁水预处理技术 铁水预处理是指铁水兑入炼钢炉之前进行的各种处理 分为普通铁水预处理和特殊铁水预处理两大类 普通铁水预处理包括 铁水脱硫 铁水脱硅和铁水脱P 特殊铁水预处理一般是针对铁水中含有的特殊元素进行提纯精炼或资源综合利用 如铁水提钒 提铌 脱铬等预处理工艺 铁水预处理容器的选择 根据铁水预处理容器的选择 脱硫工艺可分为 混铁车喷吹法 铁水罐法 铁水包法发展趋势 采用铁水包作为铁水脱硫预处理的容器 1 2铁水预处理的化学冶金学意义 化学冶金学意义 创造最佳的冶金反应环境 钢铁冶金工艺优化 高炉 分离脉石 还原铁矿石铁水预处理 脱硅 脱磷 脱硫转炉 脱碳 升温钢水炉外精炼 去夹杂 合金化 1 3铁水预处理 脱硫 的优越性 1 满足用户对超低硫 磷钢的需求 发展高附加值钢种 如 船板钢 油井管钢 S P 0 005 管线钢 Z向钢 IF钢 S 0 002 0 004 2 减轻高炉脱硫负担 放宽对硫的限制 提高产量 降低焦比 3 炼钢采用低硫铁水冶炼 可获得巨大的经济效益 铁水脱硫工艺方法 投掷法 将脱硫剂投入铁水中脱硫 喷吹法 将脱硫剂喷入铁水中脱硫 搅拌法 KR法 通过中空机械搅拌器向铁水内加入脱硫剂 搅拌脱硫 脱硫工艺的技术比较 2铁水预处理发展的技术经济背景与现状 2 1国外铁水预脱硫技术的发展背景与现状历史背景 60年代 氧枪转炉炼钢的崛起工业的发展给钢铁材料质量提出了更高要求 钢材质量 强度高 低温韧性好 冷成型和焊接性能好 抗腐蚀和高温性能好 用户需求 降低钢中杂质 硫 磷含量越低越好 国外脱硫现状 世界各国都致力于降低钢中硫含量80年代初期欧洲钢材市场 大批量产品含硫量 S 0 02 小量产品 S 0 01 极少的优质钢 S 0 005 90年代中期 约70 的产品 S 0 015 约50 的产品 S 0 01 约28 的产品 S 0 005 约10 的产品 S 0 002 我国脱硫现状 整体差距太大 生铁一类的质量标准 S 0 03 宝钢 本钢等企业水平与国外一致结果 高炉脱硫 操作保守 焦比高 产量低国外预脱硫工艺发展趋势铁水罐 混铁车喷吹法 CaO CaC2系 镁系喷吹脱硫法 2 2铁水预处理的发展趋势 预脱硫 预脱硅 预脱磷 同时脱磷脱硫 未来以喷吹法为主脱硫剂受原料经济和钢材产品要求而波动发展方向 高效 廉价 易得的复合脱硫剂 CaO系 CaC2系 Mg系 并驾齐驱 铁水预脱硫处理愈来愈普遍 各种级别钢种都可处理 特别是优质钢或特殊钢种 铁水预处理 脱硫 是提高钢材质量的最经济手段 3铁水预脱硫 3 1四大系列以及复合脱硫剂苏打 Na2CO3 系 炉前铁水沟铺撒法 宣钢 包钢做过喷吹工艺试验 电石 CaC2 系 主要是喷吹法 攀钢 宝钢 武钢用过 石灰 CaO 系 喷吹法 鞍钢 宝钢 武钢 酒钢 宣钢 重钢 太钢等 金属Mg系复合脱硫剂 90年代起步 喷吹法 如鞍钢 宝钢 本钢等 3 2四种主要脱硫剂及其脱硫原理 苏打 Na2CO3 系 氧化剂 同时脱磷脱硫 Na2CO3 l Na2O l CO2Na2O l S C Na2S CO价格贵 挥发损失严重 环境污染大 侵蚀包衬 目前只作号外铁补救脱硫之用 石灰 CaO 系 CaCO3 CaF2 C CaC2 Al CaO S S C CaS CO当 Si 0 05 时 CaO S S 1 2 Si CaS 1 2 SiO2 价廉易得 高温 细磨 活性高脱硫效果较好 石灰易吸水 脱硫渣夹带铁 不能进行深度脱硫 碳化钙 CaC2 电石 系 CaC2 CaO CaCO3 CaF2 CaC2 CaCO3 CaC2 S S CaS 2 C 相对较便宜 高温 细磨 深喷 脱硫效率较高 脱硫效率受温度和粒度影响较大 安全性不高 镁 Mg 系 种类 镁焦 Mag coke 镁合金 Mg Fe Si 覆膜镁粒 覆膜混合镁粒 含Mg30 80 余为CaO Mg S MgS 固 Mg 气 S MgS 固 镁脱硫的热力学 受铁水温度和镁的蒸气压影响Log Mg sat 7000 T LogPMg 5 1 低温和高压有利 镁脱硫的动力学 主要受镁蒸汽的溶解速度影响 措施 铁水温度低些有利 加入惰性物质减缓镁的气化速度 喷枪插入铁水液面以下2 3m处镁的脱硫效率和消耗量 S 为0 06 脱到0 01 脱硫效率达63 当 S 降至0 005 时 每吨铁水耗镁300 500g 镁脱硫剂的优缺点 镁和硫的亲和力极高 对低温铁水 镁脱硫最好 用量少 对高炉渣不敏感 铁损少 无环境问题 脱硫处理用的设备投资低 但镁价格高 关键要保证插枪深度 精心控制 提高镁的收得率 我国有便宜镁资源 铁水脱硫剂的选择 元素的脱硫能力 由高到低依次为 CaC2 NaO2 Mg BaO CaO MnO MgO 工业中常用的脱硫剂有 CaO系 CaO CaC2系 CaC2 CaO Mg系 Mg等 铁水脱硫剂性能比较 4铁水脱Si工艺技术 铁水脱Si的重要意义 是铁水脱磷的必要条件 利于减少石灰加入量和渣量 可在低碱度下实现脱Si 成本低铁水脱Si的工艺方法 铁水沟连续脱硅 分为一段法和 两段法 铁水罐脱硅 铁水脱硅站示意图 铁水脱硅方法的比较 5铁水预处理脱磷及同时脱磷脱硫 5 1脱磷同时脱硫的化学原理电化学反应 阳极 P 4 O2 PO43 5e阴极 S 2e S2 喷吹法同时脱磷脱硫反应的实质 在喷枪附近 氧位较高 Po2 10 12 10 11kPa 进行着氧化脱磷反应 在铁水罐壁和顶渣与铁水界面处 氧位较低 Po2 10 13kPa 进行着还原脱硫反应 因此 喷吹预处理工艺是在实行了熔池的氧位再分布后 才达到同时脱除磷 硫的 即是 同时不同位 5 2脱磷前的铁水预脱硅 脱磷过程中硅比磷优先氧化 这样形成的SiO2势必会大大降低脱磷渣的碱度 因此 为了减少脱磷剂用量 提高脱磷效率 脱磷前必须优先将铁水 Si 氧化脱除至0 10 0 15 预脱硅方法 主要有高炉炉前铁水沟上置或顶喷固体氧化剂脱硅法和铁水罐 混铁车内喷吹脱硅法 顶吹O2 两种 高炉要冶炼低硅生铁 铁水脱磷预处理的工艺优点 铁水预处理脱磷 反应温度低 热力学条件好 易于脱磷 铁水中C Si含量高提高了铁水中磷的活度 有利于脱磷 由于铁水预处理脱磷具备良好的化学热力学条件 渣钢间磷的分配系数是炼钢脱磷的5 10倍 因而渣量小 可以控制较低的渣中FeO含量 脱磷成本低 和炼钢相比 不会因脱磷造成钢水过氧化 影响钢质量 5 3两类脱磷剂 苏打系 Na2CO3 氧化剂 2 P 3 Na2O 5 FeO 3Na2O P2O5 5Fe石灰系 CaO 氧化剂 助熔剂 CaF2 2 P 5 FeO 3 CaO 3CaO P2O5 5Fe氧化剂 气体O2和 或固体氧化剂固氧剂 轧钢铁皮 铁精矿粉 烧结返矿粉助熔剂 萤石 CaF2 CaCl2等 6铁水深度预处理与纯净钢冶炼 6 1铁水预处理对纯净钢生产的意义铁水含磷 硫可降到低或超低含量水平 提高转炉生产率 降低成本 节约能耗 增加极低碳钢的清洁度 钢中T O N H 含量降低 有利于复吹转炉冶炼高碳钢时的 提碳出钢技术 有效地提高铁 钢 材系统的综合经济效益 6 2基于铁水预处理的纯净钢冶炼工艺 基于铁水深度预脱硫的纯净钢冶炼工艺 北美 欧洲 宝钢 武钢 铁水深脱硫 转炉强化脱磷 钢水喷粉脱磷 脱硫 升温 真空精炼基于铁水三脱预处理的纯净钢冶炼工艺 日本 NSC Sumitomo Kobe Kawasaki NKK 铁水三脱 Si P S 处理 复吹转炉少渣吹炼 钢水喷粉脱硫 升温 真空精炼 6 3铁水预处理与纯净钢生产实践 高炉铁水 常规 轻 脱硫 S 0 02 复吹转炉 脱磷 脱碳 升温 钢水精炼 脱氧 去气体 去夹杂 普通钢水 此即常规流程 生产普通钢种 高炉铁水 深度脱硫 S 0 005 复吹转炉 脱磷 脱碳 升温 钢水精炼 脱硫 去气体 去夹杂 低硫钢水 S 0 005 此即纯净钢流程 其中生产超低硫钢 S 0 002 铁水则要深脱硫至 S 0 002 0 003 7结语 铁水预处理脱硫 适度脱硫 补救措施 将硫脱至 0 03 0 05 在炉前铁水沟中用简单设施进行处理 常规脱硫 一般铁水炼钢之用 将硫脱至 0 02 在铁水罐喷入石灰系或碳化钙系脱硫剂进行处理 深度脱硫 转炉炼优质或合金钢种 纯净钢 将硫脱至 双零 水平 在铁水罐中用喷枪喷入镁基脱硫剂进行处理 铁水深度预处理 纯净钢生产 铁水镁系脱硫剂深脱硫处理 转炉脱磷 脱碳 钢水炉外喷粉脱磷 脱硫 铁水三脱处理 复吹转炉少渣吹炼 钢水炉外喷粉脱硫 铁水深度三脱处理 铁水罐或专用转炉分期脱磷 石灰系脱磷剂 脱硫 镁系或电石系脱硫剂 转炉炼钢工艺 朱荣 Tel 01 62332515 Email zhurong 转炉炼钢工艺 炼钢工艺授课内容 参考书 钢铁冶金学 陈家祥 转炉炼钢学 徐文派 氧气转炉炼钢工艺与设备 王雅贞 转炉炼钢工艺 4学时 电炉炼钢工艺 4学时 铁水预处理工艺 2学时 钢水炉外精炼工艺 2学时 1转炉炼钢的发展 1855 1856年英国人亨利 贝塞麦 Henly 开发了酸性底吹空气转炉炼钢法 1878年英国人托马斯 S G Thomas 碱性底吹空气转炉炼钢法 1940年廉价获得氧气后 瑞士 奥地利开发了顶吹氧气转炉 1952年在奥地利林茨 Linz 和多纳维茨城 Donawitz 建成第一座30吨碱性顶吹氧气转炉 LD转炉 或称BOF BasicOxygenFurnace 1970年开发顶底复合吹炼转炉 我国的炼钢发展史 氧气转炉的种类 氧气顶吹转炉氧气底吹转炉氧气侧吹转炉氧气顶底复合转炉 顶吹氧气转炉炼钢工艺特点 完全依靠铁水氧化带来的化学热及物理热 生产率高 冶炼时间在20分钟以内 质量好 气体含量少 因为CO的反应搅拌 将N H除去 可以生产超纯净钢 有害成份 S P N H O 80ppm 冶炼成本低 耐火材料用量比平炉及电炉用量低 原材料适应性强 高P 低P都可以 转炉炼钢的热平衡及物料平衡 热平衡是计算炼钢过程的热量收入 铁水的物理及化学热 及热量支出 钢液 炉渣 炉气 冷却剂 热量损失 物料平衡是计算炼钢过程中加入炉内和参予炼钢过程的全部物料 铁水 废钢 氧气 冷却剂 渣料和耐材等 及炼钢过程中产物 钢液 炉渣 炉气及烟尘等 负能炼钢 转炉炼钢是一个能量有富裕的炼钢方法 衡量转炉炼钢的重要指标之一 转炉工序能耗及炼钢厂能耗 当炉气回收的总热量 转炉生产消耗的能量时 实现了转炉工序 负能炼钢 当炉气回收的总热量 炼钢厂生产消耗的总能量时 实现了炼钢厂 负能炼钢 日本君津钢厂 我国宝钢 武钢三炼钢厂均已实现炼钢厂 负能炼钢 转炉设备 转炉炉体及转炉倾动系统铁水 废钢 散状材料设备氧枪提升机构转炉烟气净化与回收设备 2氧气射流及熔池搅拌 氧枪吹炼参数决定转炉的冶炼过程及冶炼结果氧枪心藏是氧枪喷头 有关氧枪及氧枪喷头设计有专门介绍氧气射流属于气体动力学的范畴 氧气射流对熔池的物理作用 转炉实际上是一个黑箱 对炉内的运动状态是冷态实验的分析结果 氧流作用下熔池的循环运动 动量传递 氧压或氧速越高 凹坑越深 搅拌加剧 氧气射流对熔池的化学作用 直接氧化 氧气射流直接与杂质元素产生氧化反应 间接氧化 氧气射流先与Fe反应生成后FeO FeO传氧给杂质元素 是直接氧化还是间接氧化为主呢 是间接氧化为主 最主要一点是由于氧流是集中于作用区附近 4 的面积 而不是高度分散在熔池中 氧枪喷头的种类 直简型收缩型拉瓦尔型多孔拉瓦尔型 马赫数控制在1 8 2 1 喷头设计需考虑的因素 主要根据炼钢车间生产能力大小 原料条件 供氧能力 水冷条件和炉气净化设备的能力来决定 考虑到转炉的炉膛高度 直径大小 熔池深度等参数确定其孔数 喷孔出口马赫数和氧流股直径 对于原料中废钢比高 高磷铁水冶炼或需二次燃烧提温等情况 则其氧枪喷头的设计就需特殊考虑 3顶吹转炉的过程描述 上炉出钢 倒完炉渣 或加添加剂 补炉或溅渣 堵出钢口 兑铁水 装废钢 下枪 加渣料 石灰 铁皮 点火 熔池升温 脱P Si Mn 降枪脱碳 看炉口的火 听声音 看火亮度 加第二批 渣料 提枪化渣 控制 返干 降枪控制终点 FeO 倒炉取样测温 出钢 技术水平高的炉长 一次命中率高 50 宝钢是付枪 根据分析取样结果 决定出钢 或补吹 合金化 不要补吹的就是通常说的一次命中 冶炼技巧 钢液碳的判断方法取样分析 磨样 看火花 付枪 钢液磷的判断方法取样分析 渣的颜色及气孔 钢液温度判断方法接触热电偶 看炉口火焰 看钢液颜色 读秒表 钢液颜色 白亮 青色 浅兰 深兰 红色 冶炼过程渣 钢成份变化 冶炼过程钢中 N O 成份变化 4炼钢用原辅材料 原材料铁水 加70 85 C 4 Si 0 4 1 0 P 0 02 0 15 S 0 001 0 050 废钢 加15 30 厚度小于150mm 清洁 生铁块 调温及配碳烧结矿 改性铁 4炼钢用原辅材料 辅助材料 石灰 有效CaO成分 块度 控制石灰吸水萤石 CaF2 能改善炉渣流动性生白云石 CaMg CO3 2 造渣及护炉菱镁矿 MgCO3调渣剂铁合金 冷却剂及增碳剂 耐火材料分类 碱性耐火材料 MgO 酸性耐火材料 SiO2 中性耐火材料 碳质及铬质 耐火材料的主要性质 耐火度 荷重软化温度 耐压强度 抗热震性 热膨胀性 导热性 抗渣性 气孔率等 5转炉耐火材料及护炉技术 炉衬寿命 炉衬寿命影响转炉的工作时间及生产成本 炉龄是钢厂一重要生产技术指标 炉衬损坏的原因 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 5转炉耐火材料及护炉技术 5转炉耐火材料及护炉技术 提高炉龄的措施 耐材质量 系统优化炼钢工艺 补炉工艺新工艺 溅渣护炉工艺 九十年代 美国开发成功转炉溅渣护炉技术 在我国达到最高效益 炉龄30000 5转炉耐火材料及护炉技术 溅渣护炉的基本原理 是利用高速氮气把成分调整后的剩余炉渣喷溅在炉衬表面形成溅渣层 溅渣层固化了镁碳砖表层的脱碳层 抑制了炉衬表层的氧化 并减轻了高温炉渣对砖表面的冲刷侵蚀 6转炉冶炼工艺 转炉冶炼五大制度装料制度供氧制度造渣制度温度制度终点控制及合金化制度 6 1装料制度 确定合理的装入量 需考虑的两个参数 炉容比 V T m3 t 0 8 1 05 30 300t转炉 熔池深度 需大于氧气射流的冲击深度800 2000mm 30 300t转炉 装料制度 定量装入 定深装入 分阶段定量装入 分阶段定量装入 1 50炉 51 200炉 200炉以上 枪位每天要校正 交接班看枪位 供氧强度Nm3 t min氧气流量Nm3 h操作氧压Mpa氧枪枪位m 基本操作参数 6 2供氧制度 6 2供氧制度 供氧强度 Nm3 t min 决定冶炼时间 但太大 喷溅可能性增大 一般3 0 4 0 氧气流量大小 Nm3 h 装入量 C Mn Si的含量 由物料平衡计算得到 50 65Nm3 h 氧压 Mpa 喷头的喉口及马赫数一定 P大 流量大 有一范围0 8 1 2Mpa 氧枪枪位 由冲击深度决定 1 3 1 2 6 2供氧制度吨钢耗氧量计算 CSiMnPS铁水成分 0 成品成分 转炉公称容量为100吨时 炉渣量为 100 10 10吨铁损耗氧量10 15 16 16 56 0 33吨 C CO 耗氧量100 4 30 0 20 90 16 12 4 92吨 C CO2 耗氧量100 4 30 0 20 10 32 12 1 09吨 Si SiO2 耗氧量100 0 8 32 28 0 914吨 Mn MnO 耗氧量100 0 2 16 55 0 058吨 P P2O5 耗氧量100 0 13 16 5 31 2 0 168吨 S 1 3被气化为SO2 2 3与CaO反应生成CaS进入渣中 则 S 不耗氧 总耗氧量 0 33 4 92 1 09 0 914 0 058 0 168 7 48吨 1 429 5236Nm3实际耗氧量 5236 0 9 99 5 5847Nm3实际吨钢耗氧量 5847 100 58 37Nm3 t 两种操作方式 软吹 低压 高枪位 吹入的氧在渣层中 渣中FeO升高 有利于脱磷 硬吹 高压低枪位 与软吹相反 脱P不好 但脱C好 穿透能力强 脱C反应激烈 6 2供氧制度两种操作方式 氧枪操作方式 氧枪操作就是调节氧压和枪位 氧枪的操作方式 衡枪变压 压力控制不稳定 阀门控制不