炼钢工艺流程及典型案例介绍

1、1,炼钢培训讲义,唐山港陆钢铁有限公司 2013年9月10日,2,目 录,第一章：炼钢主要任务、反应原理及工艺流程 第二章：氧气转炉的主要任务、附属设备 第三章:精炼炉 第四章：连铸（铁包、钢包、中间包） 第五章：氧气转炉喷溅的控制,3,炼钢的主要任务是将铁水、废钢等炼成具有所要求化学成分的钢，并使其具有一定的物理化学性能和力学性能，主要的任务概括为“四脱、两去、两调整” “四脱”： 脱碳、脱硫、脱磷、脱氧； “两去”: 去除有害气体、去除有害杂质； “两调整”：调整钢液温度，调整合金料成分。 脱碳并将其含量调整到一定的范围。钢中含碳量增加，则硬度、强度、脆性都将提高，而延展性能将下降；反之，

2、含碳量减少，则硬度、强度下降，而延展性提高。所以，炼钢过程必须按钢种规格将碳氧化至一定范围。 去除杂质，主要包括： 脱磷、脱硫：对绝大多数钢种来说，P、S均为有害杂质，P可引起钢的冷脆，而S则引起钢的热脆，因此，要求在炼钢过程中尽量除之。,第一章 炼钢的主要任务,硫、磷、氧、氮和夹杂物,4, 脱氧：由于在转炉冶炼过程中，向熔池中输入大量的氧以氧化杂质，致使钢液中溶入一定量的氧，它将大大影响钢的质量。因此，需降低钢中的含氧量。一般是向钢液中加入比铁有更大亲氧力的元素来完成（如Al、Si、Mn等合金）。 去除气体和非金属夹杂物：钢中气体主要指溶解在钢中的氢和氮；非金属夹杂物包括氧化物、硫化物、磷化

3、物、氮化物以及它们所形成的复杂化合物。在转炉冶炼中，主要靠碳氧反应时产生CO气泡的逸出，引起熔池沸腾来降低钢中气体和非金属夹杂物。 调整钢液成份和温度。 为保证钢的各种物理、化学性能，除控制钢液的碳含量和降低杂质含量外，还应加入适量的合金元素使其含量达到钢种规格范围；为保证钢液能顺利浇铸，根据冶炼过程的要求不断将钢液温度调整到合适的范围。 将钢液浇铸成质量合格的钢坯。 通过连铸，将钢液浇铸成各种不同断面、不同尺寸的质量合格的钢坯。 炼钢过程通过供氧、造渣、加合金、升温、搅拌等手段完成炼钢基本任务,第一章 炼钢的主要任务,5,第一章 炼钢的主要任务：,6,1.2炼钢反应的原理,炼钢的化学反应：

4、（1）硅的氧化与还原Si+O2(SiO2) Si+2(FeO)(SiO2)+2Fe （2）锰的氧化与还原 Mn+FeO(MnO)+Fe （3）脱碳反应 C+OCO （4）脱磷反应 P+2(FeO)=(P2O5)+2Fe 2P+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO P2O5)+5Fe （5）脱硫反应 FeS+(CaO)(CaS)+(FeO) FeS+(MnO)(MnS)+(FeO) FeS+(MgO)(MgO)+(FeO),7,1.3 钢和生铁的主要区别,钢和生铁最根本的区别是含碳量不同，钢中含碳量2，生铁含碳量2。,8,1.4 炼钢生产工艺及主要设备流程图,9,工艺流程图,1.5炼钢生产工艺

5、流程,10,第二章 氧气转炉主要任务,氧气转炉的主要任务： 以铁水和废钢为原料，向转炉熔池吹 入氧气，使杂质氧化，杂质元素氧化热提 高钢水温度，一般在25-35分钟内完成一 次精炼的快速炼钢法。包括混铁炉、顶底 吹转炉和炉后喂丝机三个部分。 特点：,钢中气体含量少,Ni、Cr、Mo、Cu、Sn等残余元素含量低,原材料消耗少，热效率高，成本低,11,2.1氧气转炉主要设备,混铁炉： 高炉和转炉之间的炼钢辅助设备。主要用于调节和均衡高炉和转炉之间铁水供求的设备，保证不间断地供给转炉需要的铁水，铁水在混铁炉中储存和混匀铁水成份及均匀温度，对转炉炼钢非常有利。,铁出铁铁炉,转炉兑铁,12,2.1 氧气

6、转炉炉体结构（主体结构）,13,炉底结构有两种类型，即固定式 炉底和可拆卸式活底。炉壳要具有足 够的强度和刚度，一般采用低合金钢 容器钢板制作 。 托圈、耳轴是用以支撑炉体和传 递动力矩的机构。转炉和托圈的全部 载荷都通过耳轴经轴承座传递给地基 炉底结构有两种类型，即固定式炉底 和可拆卸式活底。,2.2 氧气转炉炉体结构,14,2.2 氧气转炉炉体结构（倾动机构）,倾动机构：能使转炉炉体正反旋转360度，在启动、旋转和制动时，能保持平稳，并能准确的停在要求的位置上，安全可靠。 电动机 减速装置 内衬：,绝热层,永久层,填充层,工作层,15,2.3氧气转炉主要设备（氧枪）,氧枪由喷头、枪身和枪尾

7、组成，通常吹 氧装置都带两只氧枪，一只工作，一只 备用。 枪身由三层同心圆钢管组成，枪尾与 进水管、出水管和进氧管相连。 喷头 ：是将压力能转换成动能的能量器， 目前氧枪使用的喷头多为拉瓦喷头。,氧枪：氧气转炉炼钢中的主要工艺设备之一,16,2.4氧气转炉的辅助设备,炉料喷补设备：喷补方法分为湿法和干法两种。喷补机的驱动电机经减速器带动搅拌器旋转，将料斗内的补炉料进行搅拌，并通压缩空气使其搅拌充分、混合均匀。在输送胶管的出口接一根钢管并通水；混有补炉料的高速空气流将水雾化，被浸湿的补炉料由压缩空气喷射到炉衬需要修补的各个部位。 拆炉机：转炉炉衬在吹炼过程中，由于机械、化学和热力作用而逐渐被侵蚀

8、变薄，直到无法修补时，必须停止吹炼。此时，转炉即结束了一个炉役的使用周期，称一个炉役期，只有重新修砌炉衬才能继续炼钢。修炉操作包括炉衬的冷却、拆除旧炉衬和砌筑新炉衬等,炉料喷补,17,2.4氧气转炉的辅助设备,铁水包,鱼雷铁包车,炉渣盆,铁（钢）包车的作用是承载钢包、接受钢水并运送钢包过跨,18,2.5氧气转炉的气体,一、氧气 氧气是氧气转炉炼钢的主要氧化剂，要求含氧量达到99.5%以上，并脱除水分与皂液。 工业用氧是通过制氧机把空气中的氧气分离、提纯来实现的。炼钢用氧由制氧厂供给，用管道输送到炉前。要求氧压稳定，满足吹炼所要求的最低压力，并且安全可靠。 二、氮气和氩气 氮气和氩气是制氧机制取

9、氧气过程中的副产物，由于氮气和氩气的沸点都比氧气低，因此在液态空气加热精馏时，通过不同的分离塔，精确地控制精馏温度和压力，就可以得到工业氮气和氩气。氩气与氧气的沸点十分接近，制取氩气更困难一些。,19,2.5氧气转炉的气体,五、液化天然气 天然气是蕴藏在地下的烃和非烃气体混合物，通常所称的天然气多指油、气田气。绝大多数的天然气主要成分为甲烷，其含量达80% - 90%以上，是一种可燃性气体。,20,2.6氧气转炉附属设备,四、一氧化碳 一氧化碳是可燃性气体，它在燃气中得到广泛应用。要求其纯度很高。 转炉煤气回收要求：含氧量小于于2%（公司执行小于1.2%）；一氧化碳含量高于20%；总之，主要的

10、问题是防止爆炸和中毒，故应谨慎对待。,21,2.6氧气转炉附属设备,转炉煤气柜： 作用收储转炉煤气，平衡管网压力。,22,2.7氧气转炉的主要原料,转炉对铁水进行冶炼操作 转炉炼钢主要是以液态生铁为原料的炼钢方法。其主要特点是：靠转炉内液态生铁的物理热和生铁内各组分（如碳、锰、硅、磷等）与送入炉内的氧进行化学反应所产生的热量，使金属达到出钢要求的成分和温度。 转炉冶炼的炉料主要为铁水、造渣料（如石灰、石英、萤石等）、铁合金（如硅铁、锰铁等）、脱氧剂（如硅化铁等）以及增碳剂（如碳粉等），为调整温度，可加入废钢及少量的冷生铁块和矿石等。 转炉炼钢的原材料分为金属料、非金属料和气体。金属料包括铁水、

11、废钢、铁合金， 非金属料包括造渣料、熔剂、冷却剂， 气体包括氧气、氮气、氩气、二氧化碳等。,23,2.7氧气转炉的主要原料（铁水）,一、炼钢用原材料 炼钢用原材料分为主原料、辅原料和各种铁合金。氧气顶吹转炉炼钢用主原料为铁水和废钢（生铁块）。炼钢用辅原料通常指造渣剂（石灰、萤石、白云石、合成造渣剂）、冷却剂（铁矿石、氧化铁皮、烧结矿、球团矿）、增碳剂以及氧气、氮气、氩气等。炼钢常用铁合金有锰铁、硅铁、硅锰合金、硅钙合金、金属铝等。 一、铁水 铁水铁水是转炉炼钢的主要原料，一般占入炉量的70%-100%。铁水的物理热和化学热是转炉炼钢的基本热源, ，应努力保证入炉铁水温度大于1300摄氏度，以保

12、证炉内热源充足和成渣迅速 铁水成分：硅是重要的发热元素之一。锰是弱发热元素、磷是强发热元素 铁水带渣量高炉渣中含s、A2o3量较高，过多的高炉渣进入转炉内会导致转炉钢渣量大，石灰消耗增加，容易造成喷溅，降低炉衬寿命。因此，兑入转炉的铁水要求带渣量不得超过0.5%。,24,2.7氧气转炉的金属料（废钢）,二、废钢 目前我国的钢铁积累量达六亿多吨，按循环期“9” 年计算，每年有废钢)3000 万吨，若废钢的回收利用率以80%计算，则可供使用的废钢将有2400万吨。近年来，为了降低转炉炼钢的能耗，提高转炉废钢加入量是其主要措施之一。特别是顶底复合吹炼转炉工艺的出现，使废钢加入量进一步提高。 用普通吊

13、车加入废钢，将吊车的主钩和副钩吊起废钢料槽，像兑铁水那样依靠主、副钩的联合动作把废钢加入转炉。,25,2.7氧气转炉的合金料（散装料）,转炉常用的铁合金是锰铁、硅铁和铝。其它铁合金有钒铁、钛铁、硼铁、镍铁、铬铁、钼铁、钨铁等。对它们的基本要求是成分、数量准确，粒度适中（一般为15-50mm），干燥、无杂质。决不允许不明成分的铁合金入仓。冶炼优质钢或高合金时加入的铁合金需经加热。,26,2.7氧气转炉的非金属料（散装料）,轻烧石灰,废钢粒,轻烧白云石,27,2.8氧气转炉的非金属料（散装料）,有的转炉车间还设计了向钢水罐加入液态铁合金的系统。向钢水罐加入液态铁合金的系统包括加料机构，熔化合金的电

14、炉和运送铁合金的自行式铁合金平车。 有的钢厂冶炼钢种加铝量大，为改善铝的分布和准确控制钢中含铝量，设置了向钢水罐专门使用的插铝机。铝丝直径为5-20mm，铝丝插入速度为10-30米每秒 ，在加铝的同时还向钢液中吹入惰性气体。,28,2.8氧气转炉的工艺过程,重要的工艺节点： 兑铁 投料 吹氧 出钢 扒渣,29,2.8氧气转炉的工艺过程,4转炉加废钢,1、混铁炉兑入铁水,2、混铁炉出铁,3转炉兑铁水,30,2.8氧气转炉的工艺过程,转炉吹炼,5、转炉吹炼,6出钢,7出渣,31,2.8氧气转炉的工艺,1、吹炼过程吹炼前期，也称硅锰氧化期；吹炼中期，也称碳的氧化期； 终点控制，确保温度、成份、终渣。

15、 2、转炉冶炼的五大制度 炼钢过程冶炼工艺分为五大制度：装入制度供氧制度、造渣制度、温度制度、 终点控制及脱氧合金化制度。 3、供氧制度a、喷嘴的类型及特点 根据喷嘴的孔数可以分为单孔喷嘴和多孔喷嘴。大型转炉一般不用单孔氧枪，多孔氧枪有三、四、五、六孔等类型。b、供氧制度中的几个工艺参数 氧气流量与供氧强度、氧压、枪位等 c、供氧操作 恒压变枪操作 恒枪变压操作,32,2.8氧气转炉的工艺,4、造渣制度 造渣就是要确定合适的造渣方法、渣料的加入数量和时间以及如何快速成渣。 转炉炼钢造渣的目的是：去除磷、硫，减少喷溅，保护炉衬，减少终点氧含量。1、造渣方法 有单渣法、双渣法、留渣操作等。2、渣料

16、加入量的确定 石灰加入量（t）= 铁矾土的加入量： 冶炼低碳钢时铁矾土加入量不大于1.0吨； 冶炼中高碳钢时铁矾土加入量不大于1.5吨。,33,2.8氧气转炉的工艺,5、温度制度 温度制度主要是指过程温度控制和终点温度控制，过程温度是确保终点温度合格的关键。a、热量的来源 氧气顶吹转炉热量的主要来源是铁水的物理热和化学热。b、出钢温度的确定 终点钢水温度主要根据以下原则确定： 1）钢种的凝固温度；2）浇注温度；3）钢水温降数值； 4）浇注方式 5）二次精炼方式及时间。 6、终点控制钢水达到钢种成分和温度要求的时刻，称之为“终点”。 1）钢中碳含量达到所炼钢种控制要求； 2）钢中P、S含量低于规

17、格以下的一定范围； 3）出钢温度能保证进行精炼和浇铸； 4）对于沸腾钢，钢水应具有一定的氧化性。另外，终渣粘度、(FeO)含量、碱度等也应控制在合理范围内。,34,2.8氧气转炉的工艺,终点控制方法 终点控制方法有三种：一次拉碳法、增碳法及高拉补吹法。人工判断方法 碳的判断看火焰、看火花、取钢样 温度的判断火焰判断、取样判断、氧枪冷却水判断、根据炉膛情况判断自动化炼钢 将铁水、原材料的温度和成份，副枪和质谱仪取得的数据输入转炉炼钢模型后，由计算机自动控制冶炼终点。 7、脱氧及合金化制度 钢水中氧含量超标，影响钢坯质量，降低钢的性能，加剧钢的热脆，因此钢水必须脱氧，并调整钢水成分同时进行脱氧合金

18、化。1、脱氧方法：沉淀脱氧、扩散脱氧和真空脱氧 目前普遍采用沉淀脱氧，可用单独脱氧法和复合脱氧法。2、脱氧合金加入原则：脱氧剂条件，脱氧剂加入原则：先弱后强3、脱氧操作 钢包内脱氧合金化 、真空精炼炉内脱氧合金化,35,2.8氧气转炉的工艺,8、炼钢的基本反应1.成渣过程 Si+O(SiO2) Fe+O(FeO) Mn+O(MnO) (FeO)+(SiO2)+CaO(CaOFeOSiO2) 2.脱磷反应 2P+5(FeO)+n(CaO)(nCaOP2O5)+5Fe3.脱硫反应 FeS+(CaO)(CaS)+(FeO)4.脱碳反应 C+O=CO C+2O=CO25.脱氧反应 2Al+3O=(Al

19、2O3),36,采用的基本手段,渣 洗：脱氧、脱硫、去夹杂 真 空：脱氢、脱氮、脱氧、去夹杂 搅 拌：调温、混匀、净化 加 热：防止钢液冷却 喷 吹：脱氧、脱硫、去夹杂,近30年来，炉外精炼发展迅速，具体方法有30多种,第三章炼钢炉外精炼,37,第三章炼钢炉外精炼,按传统工艺，将在常规炼钢炉中完成的精炼任务，如去除杂质、成分和温度的调整和均匀化等任务，部分或全部地移到钢包或其他容器中进行。,作用：,提高质量扩大品种的主要手段,优化冶金生产流程，提高生产效率,炼钢-炉外精炼-连铸-热轧制工序衔接,38,钢包精炼炉(LF),加热与温度控制 白渣精炼工艺 合金微调与窄成分控制,当代最主要的炉外精炼设

20、备,第三章炼钢炉外精炼,39,真空吹氧脱碳,将钢包放入真空罐内从顶部的氧枪向钢包内吹氧脱碳，同时从钢包底部向上吹氩搅拌。,第三章炼钢炉外精炼,40,第四章炼钢连铸,连铸是通过连铸机将钢液连续 地铸成钢坯，然后直接送轧钢车间 轧制成钢材。 连铸与传统的钢锭模浇铸相比 有很大的技术经济优越性，主要表 现在：,简化工序,41,1、转炉冶炼的钢水经过脱氧合金化和温度、成分的调整，调运到连铸平台，钢液由钢包注入中间包内，中间包暂时储存钢液，再浇注到结晶器内，钢液在结晶器内迅速冷却，形成外表为凝固坯壳内部未凝固的钢水的铸坯，随着拉辊缓慢地将带液心的铸坯从结晶器拉出，中间包内的钢水也连续地注入结晶器内，带液

21、芯的铸坯在二次冷却区接受喷水的强制冷却，当拉到规定位置时，铸坯内部完却凝固，然后将铸坯切割成规定的尺寸，由出坯装置送到热轧厂进行轧制。 2、连铸机流程图,图连铸流程示意图,4.1炼钢连铸工艺流程,42,提高金属的收得率,节约能量消耗,改善劳动条件，易于实现自动化,铸坯质量好,4.1炼钢连铸工艺流程,立 式,立弯式,弧 形,椭圆形,水 平,连铸机的未来,应用最广泛,43,4.2炼钢连铸的设备和设施,钢包回转台 中间包,44,4.2炼钢连铸的设备和设施,去 渣,减压稳流,分 流,贮 钢,作用:,45,4.2炼钢连铸的设备（弧形连铸机）,46,4.2炼钢连铸的设备（钢包旋转台）,旋转台可承托一个或两

22、个钢包，一包在浇注位置时，另一包备用。采用旋转台以后，大大缩短了换包时间，为实现多炉连浇创造了条件。,动画视频,47,4.2炼钢连铸的设备（扇形段）,扇形段：包括弯曲段、弧形段、矫直段和水平段 弯曲段为0段，其设计型式为连续弯曲型，辊数17对，辊径150mm，辊型为三分节辊；弧形段为1-3段，弧形半径5m，辊数7对，辊径和矫直段、水平段相同，均为200mm，辊型为三分节辊；矫直段为4-5段，弧形半径为5m，7对自由辊，1对驱动辊；水平段为6-10段，其中6段和10段为6个自由辊，2个驱动辊，其它为7个自由辊，1个驱动辊。,动态轻压下示意图,48,4.2炼钢连铸的设备（结晶器）,作用： 规定铸坯

23、形状 强制钢液迅速冷却 保证形成足够强度和厚度较均匀的坯壳 结晶器的冷却亦称为一次冷却,49,4.2炼钢连铸的设备（二次冷却系统）,二冷区的长度应能使铸坯在该区内全部凝固，而铸坯温度不低于800-900。,二冷装置包括冷却水喷嘴和夹辊。 我国基本上都用压力喷嘴。,50,作用是拉坯并将铸坯矫直。浇注前，拉坯矫直机还要把引锭送到结晶器内。浇注开始后铸坯拉至切割机处时，再把引锭杆脱掉。,4.2炼钢连铸的设备（拉坯矫直机）,51,4.2炼钢连铸的设备切坯装置）火切机,火焰切割,52,引锭装置由引锭头和引锭杆两部分组成。常用的引锭头主要有燕尾槽式和钩头式两种 。,4.2炼钢连铸的设备（引锭装置）,53,

24、4.2炼钢连铸的设备弧形连铸机的生产流程,54,4.2炼钢连铸的设备连铸机的生产流程,55,喷溅是转炉吹炼过程中经常发生的一种现象，通常人们把随炉气携走、从炉口滋出或喷出炉渣与金属的现象称为喷溅。喷溅的产生，造成大量的金属和热量损失，引起对炉衬的冲刷加剧，可造成粘枪、烧枪、炉口和烟罩粘渣，增大清渣处理的劳动。 1、喷溅的类型： 1）爆发性喷溅 2）泡沫渣喷溅 3）金属喷溅 2、喷溅的控制与预防2.1爆发性喷溅 2.1.1爆发性喷溅产生的原因 熔池内碳氧反应不均衡， 瞬时产生大量的CO气体。这是发生爆发性喷溅的根本原因。在正常情况下，碳均匀氧化， 生成的CO气体均匀排出，不致产生猛烈的喷溅。 2

25、.1.3爆发性喷溅的预防和处理 1） 控制好熔池温度。前期温度不过低， 中后期温度不过高， 均匀升温， 严禁突然冷却熔池， 碳氧反应均衡进行， 消除爆发性的碳氧反应。,第六章氧气转炉喷溅的控制,56,2.1.2喷溅的控制: 碳在激烈氧化时，对于温度的变化非常敏感，如果由于操作上的原因使熔池骤然冷却， 温度下降， 抑制了正在迅速进行的碳氧反应， 供入的氧气开始积聚。一旦熔池温度升高到一定程度，TFe积聚到20%以上时，碳氧反应重新以更猛烈的速度进行， 瞬时间排出大量具有巨大能量的气体， 从炉口夺路而出。同时， 还挟带着大量的钢水和熔渣， 造成较大的喷溅。 2）控制好熔渣中TFe含量，保证不出现积

26、聚现象，以避免造成炉渣过分发泡或引起爆发性的碳氧反应。具体讲应注意以下情况：片面强调前期快化渣，采用了过高的枪位操作，使前期温度上升缓慢， TFe积聚过多， 一旦碳开始激烈氧化时，往往会引起大喷。因此， 凡是前期炉渣化得早， 就应及时降枪以控制渣中TFe， 同时促进熔池升温， 碳得以均匀的氧化。避免碳焰上来后的大喷。 二批料加入不当时， 使熔池温度明显下降， 抑制了碳的氧化， 等温度再度提高后，也会产生大喷。最好采用小批量多次加入的方式， 有利于消除因二批渣料加入冷却熔池而引起的大喷。,第六章氧气转炉喷溅的控制,57,在处理炉渣 “返干” 或加速终点渣形成时， 加入了过量的萤石， 或者采用了过

27、高的枪位操作，使终点渣化得过早， 或TFe积聚， 此时碳的氧化还很激烈， 也会造成大喷。 终点炉渣基本化好， 降枪过早、过低时， 由于熔池内碳含量还较高，碳的氧化速度猛增，也会产生大喷。所以应控制好终点的降枪时机。 炉役前期炉膛小， 前期温度低， 渣中TFe偏高， 要注意及时降枪，不使TFe过高， 以免喷溅。 补炉后，炉衬温度偏低，前期吹炼温度随之降低，造成氧化性强， 要注意及时降枪，控制渣中TFe含量，以免喷溅。 对此现场总结为：前期喷渣，炉温过低；中期喷渣，炉温过高。若采用留渣操作， 所留熔渣TFe较高，兑铁前如果没有采取冷凝熔渣的措施，也可能产生爆发性喷溅。 吹炼过程一旦发生喷溅就不要轻易降枪， 因为降枪以后，碳的氧化反应更加激烈， 反而会加剧喷溅。此时可适当的提枪， 这样一方面可以降低碳的氧化反应速度和熔池升温速度， 另一方面也可以借助于氧气之流股的冲击作用吹开熔渣， 促进气体的排出。,第六章氧气转炉喷溅的控制,58,58,2.2.1泡沫性喷溅产生的原因 有时各炉吹炼情况差不多，碳的氧化速度也不相上下。但有的炉次有大喷， 有的就没有。这说明除了碳的氧化不均衡外，还有其他原因引起喷溅，如炉容比的大小、渣量多少、 熔渣泡沫化程度等。 在铁水 Si含量高， 渣中SiO2含量较高， 渣量大时， 再加上熔渣内