氧气底吹转炉炼钢.ppt

1、A,1,9.2 底吹氧气转炉炼钢法,A,2,氧气转炉炼钢车间,A,3,氧气转炉炼钢车间,A,4,氧气转炉炼钢车间,A,5,底吹转炉炼钢法的发展 1. 酸性底吹空气转炉炼钢法 贝塞麦发明的酸性底吹空气转炉炼钢法只能脱碳，但不能脱磷、脱硫。 2. 碱性底吹空气转炉 1878年，托马斯发明了碱性底吹空气转炉，用石灰造渣，能较好地进行脱磷，炉渣可做磷肥,A,6,3.富氧碱性底吹转炉 1950年前后，制氧技术有了大的突破，但底吹转炉富氧量只用到40，如再提高，喷嘴寿命就会降低。（在喷嘴附近发生O2+C2CO的放热反应）。于是发明了 顶吹氧气转炉炼钢法 1952年奥地利开发，但不适于吹 炼高磷铁水，又发明

2、了。 5 石灰粉法(LDAC法) 为吹炼高磷铁水，比利时和法国同时发明。 6 卡尔多(Kaldo)法（瑞典） 7 旋转转炉炼钢法（德国）。,A,7,4.碱性底吹氧气转炉 1965年加拿大研制了双层管氧气喷嘴。内管通氧气，内外管间通碳氢化合物。利用碳氢化合物裂解吸热和形成还原性气幕冷却保护氧气喷嘴。 1967年德国引进此喷嘴技术，成功开发了底吹氧气转炉 (OBM法)。 CmHn=mC+n/2H2 (吸热反应),A,8,氧气顶吹转炉的特点 1）优点 （1）熔炼速度快，生产率高（一炉钢只需20分钟）； （2）热效率高，冶炼中不需外来热源，且可配用10%30%的废钢； （3）钢的品种多，质量好（高低碳

3、钢都能炼Si，S、P、H、N、O及夹杂含量低）； （4）便于开展综合利用和实现生产过程计算机控制。 2）缺点 如吹损较高（10%，）、所炼钢种仍受一定限制（冶炼含大量难熔元素和易氧化元素的高合金钢有一定的困难）。 喷溅和返干时有发生，而且吹炼后期熔池的搅拌弱（主要靠脱碳反应搅拌），钢渣间反应未达平衡，渣中的氧化亚铁含量高而吹损高、脱氧剂消耗高。,A,9,9.2.1 底吹氧气转炉结构特点 一 氧气底吹转炉炉底结构 炉身和炉底可拆卸分开，在底吹上安装吹氧喷嘴一般为622支。最常用的是炉底和喷嘴垂直。喷嘴冷却剂可采用天然气、丙烷、丁烷等碳氢化合物。为了提高脱磷、脱硫效率，由喷嘴内管吹氧的同时吹碳粉和

4、萤石粉等造渣剂。根据不同的冶炼目的，内管除吹氧外，还可吹氩或氮气。 底吹氧气转炉没有顶吹氧气转炉那样的氧枪，不需要高厂房。,A,10,图9 氧气底 吹转炉炉型,l一炉壳；2一炉衬；3一环缝；4一炉底塞；5一套管；6一炉底钢板；7一保护介质分配环；8一保护介质；9一氧和石灰粉；10一氧和石灰粉分配箱；11一舌状气袋,图10 氧气底吹转炉 炉底结构示意图,A,11,9.2.2氧气底吹转炉吹炼反应特点 在底吹转炉冶炼中，氧气由分散在炉底上的数支喷嘴由下而上吹入金属熔池 (1)熔池搅拌强度剧烈，其搅动力要高于顶吹法10倍。即使在熔池含碳量降到很低时，由炉底吹入的氧流仍在剧烈地搅动熔池。 (2)由于氧流

5、分散而均匀地吹入熔池，同时又无较强的反向气流作用，因此，吹炼过程平稳，炉内反应迅速而均匀，渣-钢间反应更趋于平衡，渣中氧化铁含量低，不喷溅，氧的利用率高。 (3)由于氧气喷嘴埋在铁水下面，高温和面积较大的反应区在炉底喷嘴出口处附近，反应产物需穿过金属液后才能进入炉渣或炉气中，因此，上部渣层对炉内反应的影响较小。,A,12,9.2.3 吹炼过程中各成分的变化 一.Si .Mn.P.S.C.O.N等的变化规律,A,13,1. C -O平衡 在钢水中 C0.07时，底和顶吹的C-O关系，都比较接近；但当钢水中C0.07时，底吹氧气转炉内的C-O关系低于PCO为0.IMPa时C-O平衡关系，这说明在相

6、同的钢水含氧量下，与之相平衡的钢水含碳量，底吹转炉比顶吹转炉的要低。 其原因是随着钢水含碳量的降低。冷却介质分解产生的气体对C-O反应的影响大，使C-O反应的平衡的CO分压低于0.1MPa。,A,14,吹炼终点： C -O 平衡 相同的钢水含氧量下，与之相平衡的钢水含碳量，底吹转炉比顶吹转炉的要低。,A,15,吹炼终点： C -O 平衡 相同的钢水含氧量下，与之相平衡的钢水含碳量，底吹转炉比顶吹转炉的要低。,A,16,炼钢熔池中C和O浓度的关系,将Pco取为一个大气压，则可简化为： 由于Kc随温度的变化不大，在炼钢温度范围内为一定值，用M代表则可写出： M =%C%O (87) M称为碳氧浓度

7、积，它具有化学反应平衡常数的性质，在一定温度和压力下应是一个常数。,A,17,(2) C-O平衡的理论含氧量 是在pCO=0.1MPa得出的。 而实际顶吹氧气转炉中 pCO0.12MPa 而实际顶底复吹转炉中 pCO0.07MPa 而实际底吹转炉中 pCO 0.04MPa,A,18,顶吹 pCO0.12MPa 顶底复吹 pCO0.07MPa 底吹 pCO 0.04MPa,A,19,其原因之一是:喷入炉内的氧气产生了两倍的CO气体。 C+O2 =2CO 另一个原因是随着钢水含碳量的降低。冷却介质分解产生的气体对C-O反应的影响大，使C-O反应的平衡的CO分压低于总压。 如N2、Ar、H2气等,A

8、,20,(1) C+O =CO O CO Fe+O=FeO O FeO O CO O 实 O FeO O 实O CO=过剩氧,A,21,底吹转炉中由供氧速率的控制性环节向钢水中的碳扩散成为控制性环节转变的碳量要低。如230t底吹转炉为0.30.6，而180t顶吹转炉为0.51.0。因此，底吹转炉具有冶炼低碳钢的特长。,临界含碳量,A,22,2. 锰的变化规律 底吹氧气转炉熔池中Mn的变化有两个特点： 吹炼终点钢水残Mn比顶吹转炉高; 2) Mn的氧化反应几乎达到平衡;,A,23,1)底吹转炉吹炼终点钢水残Mn比顶吹转炉高;,A,24,残Mn比顶吹转炉高的原因： 渣中(FeO)含量低于顶吹转炉，

9、而且CO分压(约0.04MPa)低于顶吹转炉0.12MPa，顶吹转炉中的O活度高于底吹转炉2.5倍。 此外，底吹转炉喷嘴上部氧压高，Si氧化为SiO2并被石灰粉中CaO所固定，这样MnO的活度增大。,A,25,按照上式计算的钢水Mn含量与实际Mn含量，两者的变化趋势比较一致。,A,26,A 低磷铁水 脱磷反应与渣中(TFe) 密切相关。底吹渣中(TFe) 低于顶吹转炉，脱磷反应也比顶吹滞后，这样底吹不得不以吹炼低碳钢为主。,3. 铁的氧化和脱磷反应,A,27,2P十5(FeO)十4(CaO)(4CaOP2O5)十5Fe十1034139Kj 后期脱磷虽然是处理高磷铁水的有效方法，但后吹时钢中气体

10、含量增加较快，不利于钢的质量。同时，不能用“拉碳法”控制碳含量，生产含碳较高的钢种时，必须采取在钢包内增碳的方法。底吹转炉能否实现前期脱磷，其关键是能否使前期渣具有一定的(FeO)和碱度。,A,28,QBOP(德国)前期脱磷 在吹炼前期随氧流一起向熔池喷入通过炉底喷人铁矿石粉或返回渣和石灰粉的混合料，细粉状的石灰具有极大的反应表面，进入反应区即与大量的氧化铁迅速成渣。这种渣以非常细微的悬浮状态缓慢地上升到熔池表面，在上升过程中与磷反应生成稳定的磷酸钙，因而在吹炼前期即能迅速脱磷，使脱磷与脱碳同时进行。,A,29,从图可知： QBOP底吹脱磷并不逊色于LD炉。其原因在底吹喷嘴上部气体中O2分压高

11、，产生强制氧化，P生成PO(气)，并被固体石灰粉迅速化合为3CaOP2O5。,底吹和顶转炉吹炼过程中P的变化,A,30,可采用留渣法吹炼高磷铁水，将前炉炉渣留在炉内一部分，前期吹人石灰总量的35左右，后期吹入65 %左右造渣，中期不吹石灰粉。前期可脱去铁水含磷量的50，吹炼末期的炉渣为CaO所饱和，供下炉吹炼用。,B 高磷铁水条件下脱磷反应,A,31,底吹转炉中，由于搅拌条件好，改善了脱硫的动力学条件，渣中氧化铁含量又较低，因此脱硫率较顶吹转炉高。特别是采用Q-BOP法，喷石灰粉提前造渣后，更有利于脱硫反应的进行。,4. 脱硫反应,A,32,5. 钢中的H和N 底吹氧气转炉钢中H比顶吹转炉的高

12、，其原因是底吹转炉用碳氢化合物作为冷却剂，分解出来的氢被钢水吸收。如某厂顶吹氧转炉钢水中平均含H量为2.610-6。而底吹氧转炉平均则为4.510-6。,A,33,6. 底吹氧转炉内终点C与N的关系,从图中可以看出底吹转炉钢水含N量，在低碳时比顶吹低，原因是底吹转炉的熔池搅拌一直持续到脱碳后期，有利于脱气。,A,34,二. 吹炼过程中各成分的变化 吹炼初期: 铁水中si、Mn优先氧化，但Mn的氧化只有3040 ，这与LD转炉吹炼初期有70%以上锰氧化不同。 由于脱碳速度快，前期渣中氧化铁低，故脱磷是在脱碳基本结束后(即吹炼后期)进行的。脱硫主要是在吹炼后半期高碱度炉渣形成后进行的。,A,35,

13、吹炼中期： 铁水中碳大量氧化，氧的脱碳利用率几乎是100 。而且铁矿石、铁皮分解出来的氧，也被脱碳反应消耗。这体现了底吹氧气转炉良好的熔池搅拌贯穿整个吹炼过程的特点。所以，渣中(FeO）)含量低于LD转炉，铁合金收得率高。,A,36,吹炼后期 由于脱碳速度快，前期渣中氧化铁低，故脱磷是在脱碳基本结束后(即吹炼后期)进行的。脱硫主要是在吹炼后半期高碱度炉渣形成后进行的。 吹炼终点：相同的钢水含氧量下，与之相平衡的钢水含碳量，底吹转炉比顶吹转炉的要低。,A,37,三. 顶吹与底吹冶炼过程各成分的变化,A,38,9.2.3 底吹与顶吹转炉的比较 优点： (1)金属收得率高； (2) Fe、Mn、Al

14、等合金消耗降低； (3)脱氧剂和石灰降低； (4)氧耗降低； (5)烟尘少，是顶吹的1213，喷溅少； (6)脱碳速度快，冶炼周期短，生产率高； (7)废钢比增加； (8)搅拌能力大，氮含量低。 缺点： (1)炉龄较低； (2)(FeO)少，化渣比较困难，脱磷不如LD； (3)钢中H含量较高。,A,39,9.2.3 氧气底吹转炉与顶吹转炉的比较,A,40,9.2.4 底吹氧气转炉底部供气元件,A,41,(1) 喷嘴型供气元件： 单管式喷嘴： 早期使用因其易造成钢水粘结喷嘴和灌钢。 双层套管喷嘴： 外层吹入速度较高的气流，以防止内管的粘结堵塞。,A,42,图48为双层套管构造图 图 49双层套管

15、喷嘴 1内管 2环缝,(1) 喷嘴型供气元件：,A,43,(2) 砖型供气元件： 弥散型透气砖： 即砖内由许多呈弥散分布的微孔（约100目左右）组成。由于其气孔率高、砖的致密性差、气体绕行阻力大、寿命低等缺点，因而又出现 砖缝组合型供气元件： 它是由多块耐火砖拼凑成各种砖缝并外包不锈钢板而组成的，气体经下部气室通过砖缝进入炉内。由于砖较致密，其寿命比弥散型高。但存在着钢壳开裂漏气，砖与钢壳间缝隙不匀等缺陷，造成供气不均匀和不稳定。 直孔型透气砖： 砖内很多直孔道，它是制砖时埋入的细易熔金属丝，在焙烧时被熔出而形成的。致密度好，气流阻力小。 砖型供气元件，可调气量大，能允许气流间断。,A,44,

16、图410 砖缝式供气元件 图411直孔型透气砖,(2) 砖型供气元件：,A,45,(3)细金属管多孔塞式： 最早由日本钢管公司研制成功的是多孔塞型供气元件（简称MHP）。它是由埋设在母体耐火材料中的许多不锈钢管组成的，所埋设的金属管内径多为1.5mm左右。每块供气元件中埋设的细金属管数通常为10150根，各金属管焊装在一个集气箱内。此种供气元件调节气量幅度比较大，不论在供气的均匀性、稳定性和寿命上都比较好。经反复实践并不断改进，研制出的新型细金属管砖式供气元件。 （4）新的类环缝管式细金属管型供气元件,A,46,图412MHP供气元件 图413 MHPD型 图414 新的类环缝管式 1母体耐火

17、材料； 金属砖结构 细金属管型供气元件 2细金属管；3集气箱； 4进气箱,(3)细金属管多孔塞式：,A,47,9.2.5 底吹气体的种类 目前底部气源主要有N2、Ar、O2、CO2和CO。 A 氮气（N2） 氮气是惰性气体，是制氧的副产品，价格最低廉，无需冷却介质保护，结构简单，对炉底耐火材料蚀损影响也较小。 但会使钢中增氮，0.00300.0050。只要在吹炼后期适当的时刻切换成Ar气，钢的质量得到改善。 B 氩气（Ar） 氩气是最为理想的气体，对钢质无害。但来源有限，1000（标态）m3h的制氧机仅能产生25（标态）m3氩气，同时制取氩气设备费用昂贵，所以一般只用于冶炼后期搅拌熔池。,A,

18、48,C 二氧化碳气体（CO2） （1）物理热：二氧化碳气体从室温升到1600可吸热77.15kJmol；（1mol液态CO2可吸热90 kJmol）。 （2）化学热：二氧化碳气体与钢中碳发生吸热反应，同时产生两倍于原气体体积的一氧化碳，搅拌效果和冷却效应都很好。 CO2+C=2CO H=18564kJ （3）对碳砖的侵蚀：上述反应使碳质元件脱碳。 （4）对钢液的氧化：冶炼后期CO2还与Fe反应： CO2+Fe=（FeO）+CO 使用CO2为底吹气源虽然不会影响钢质量，但是对冶炼低碳和超低碳钢种不如氩气。,A,49,底吹一氧化碳时，除搅拌熔池外，还具有物理冷却作用，其供气元件不须专门保护而结构简单。 可用转炉回收的煤气作底吹气体，CO含量65%左右，不过使用中应注意防爆和中毒。,D 一氧化碳（CO）,A,50,E 氧气（O2） 底吹氧气时，会在喷嘴附近发生O2+C2CO的放热反应，因此需要冷却剂（气态