轉(zhuǎn)爐底吹復(fù)吹工藝

冶金學(xué)之煉鋼篇閻立懿東北大學(xué)鋼鐵冶金研究所2011年5月3日～6月30日/1#教學(xué)樓301（No9）10/19/20221東北大學(xué)/閻立懿主要內(nèi)容第一章煉鋼概述第二章煉鋼基礎(chǔ)理論第三章煉鋼原材料第四章轉(zhuǎn)爐煉鋼法第五章電爐煉鋼法10/19/20222東北大學(xué)/閻立懿第四章轉(zhuǎn)爐煉鋼法——氧氣頂吹煉鋼工藝

氧槍頂吹轉(zhuǎn)爐一爐鋼冶煉操作過程主要包括:

1）裝料；2）吹氧；3）造渣；4）終點控制；5）出鋼、脫氧及合金化；6）護爐、倒渣及堵口等六個階段。吹煉各期鋼水成分及爐渣成分的變化規(guī)律，見表：

因素階段熔池溫度氧化性堿度脫碳速度脫磷速度吹煉前期低高（＞25%）低低中吹煉中期中低（＜15%）中高高吹煉后期高中(15%~20%)高低低10/19/20223東北大學(xué)/閻立懿五大工藝制度：裝料制度裝料順序、裝入量控制方法，轉(zhuǎn)爐的爐容比。供氧制度供氧壓力、供氧流量及供氧強度，強調(diào)氧槍的槍位對熔池中的冶金過程產(chǎn)生的影響。造渣制度合適的造渣方法、渣料的種類、渣料的加入數(shù)量和時間。溫度制度主要是指煉鋼過程溫度控制和終點溫度控制——氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼熱平衡及其熱效率的定義。終點控制是指終點溫度和成分的控制，實質(zhì)是碳含量和溫度的控制，給出拉碳、拉碳法、增碳法的含義。擋渣出鋼技術(shù)，濺渣護爐技術(shù)及其基本原理。10/19/20224東北大學(xué)/閻立懿第四章轉(zhuǎn)爐煉鋼法4.4氧氣底吹轉(zhuǎn)爐

4.4.1底吹轉(zhuǎn)爐法的發(fā)展

雖然上世紀50年代制氧技術(shù)的突破，為氧氣煉鋼奠定了堅實基礎(chǔ)。但在1950～1960年期間，底吹轉(zhuǎn)爐并沒有完全用純氧吹煉，只用40%的富氧，如果再提高富氧度，噴咀壽命將大幅度降低。

底吹噴嘴及其爐底壽命是氧氣底吹轉(zhuǎn)爐技術(shù)關(guān)鍵！10/19/20225東北大學(xué)/閻立懿

1965年加拿大液化空氣公司成功研制了雙層套管氧氣噴咀，1967年前西德馬克西米利安鋼鐵公司將此技術(shù)用在托馬斯轉(zhuǎn)爐上，成功開發(fā)了氧氣（純氧）底吹轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)，稱之為OBM法（OxygenBottom-blownMaximilian）。該噴咀內(nèi)層鋼管通氧氣，環(huán)縫中通碳氫化合物，利用包圍在氧氣外層的碳氫化合物的裂解吸熱和形成還原性氣幕冷卻保護氧氣噴咀。10/19/20226東北大學(xué)/閻立懿

與此同時，法國研制成功與OBM相似的方法，命名為LMS法（由三個公司開發(fā)的），他們是以液態(tài)的燃料油作為氧氣噴嘴的冷卻介質(zhì)，在30噸OBM爐取得了較好的效果，使得鋼中[N]大為降低，爐子壽命大為提高。1971年，美國鋼鐵公司引進了前西德的OBM法，1972年建設(shè)了3座200噸氧氣底吹轉(zhuǎn)爐，命名為Q-BOP法（Quiet-BOP）。此后，底吹轉(zhuǎn)爐在歐洲、美國和日本又得到了進一步發(fā)展，如日本1977年建設(shè)當時最大的230噸Q-BOP設(shè)備。10/19/20227東北大學(xué)/閻立懿4.4.2氧氣底吹轉(zhuǎn)爐結(jié)構(gòu)特點1）設(shè)備概貌10/19/20228東北大學(xué)/閻立懿

2）設(shè)備結(jié)構(gòu)特點爐型與LD轉(zhuǎn)爐相似，但高/徑比小于LD轉(zhuǎn)爐的。底吹轉(zhuǎn)爐的爐身和爐底是可拆卸分開，以滿足底吹供氣系統(tǒng)的維護。爐底上安裝有10～20支吹氧噴咀。沒有頂吹氧槍，不需要高廠房，這對生產(chǎn)率不高的平爐改為氧氣底吹轉(zhuǎn)爐十分有利。采用“天然氣、丙烷、丁烷等碳氫化合物”作為噴咀冷卻劑的雙，是提高爐底壽命的關(guān)鍵。為提高脫磷、硫效率，由噴咀內(nèi)管吹氧的同時可以吹石灰粉和螢石粉等造渣劑，還可以吹氬、氮氣。10/19/20229東北大學(xué)/閻立懿4.4.3氧氣底吹轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)反應(yīng)

1）吹煉過程各成分的變化

其過程與LD大體一樣，特點如下：吹煉初期，鐵水中[Si]、[Mn]優(yōu)先氧化，但[Mn]的氧化只有30％～40％，這與LD吹煉初期有70％的錳氧化不同。吹煉中期，鐵水中[C]大量氧化，氧氣脫碳利用率很高（接近100％），錳有回升，減少脫氧用Fe-Mn的消耗。吹煉末期，磷的氧化才加速進行（脫磷滯后），錳的氧化也加速，但鋼中[Mn]還較高。10/19/202210東北大學(xué)/閻立懿

從吹煉初期開始，（CaO）高的堿性渣就已生成，在整個吹煉過程中，渣中的（FeO）和（MnO）都在低于LD法的水平上變化。

10/19/202211東北大學(xué)/閻立懿

2）碳氧化與[C]-[O]平衡在鋼水中[％C]>0.07時，底吹轉(zhuǎn)爐和頂吹轉(zhuǎn)爐的[C]-[O]關(guān)系，都比較接近PCO=1atm、1600℃時[C]-[O]平衡關(guān)系；但當鋼水中[％C]<0.07時，底吹轉(zhuǎn)爐內(nèi)的[C]-[O]關(guān)系低于PCO=1atm時[C]-[O]平衡關(guān)系，這說明在相同的鋼水含氧量下，與之相平衡的鋼水含碳量，底吹比頂吹的要低。——氧氣脫碳效率高，底吹法冶煉低碳鋼更容易！10/19/202212東北大學(xué)/閻立懿

3）錳的變化規(guī)律

底吹轉(zhuǎn)爐與頂吹轉(zhuǎn)爐比較熔池中[Mn]的變化有兩個特點：吹煉終點鋼水殘[Mn]高；[Mn]的氧化量小，反應(yīng)幾乎達到平衡。

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底吹轉(zhuǎn)爐[Mn]氧化的少、殘錳高的原因：

爐渣氧化性越強，越有利于錳的氧化！而底吹轉(zhuǎn)爐渣中（FeO）含量低于頂吹的，反應(yīng)：（FeO）＋[Mn]＝（MnO）＋[Fe]即鋼水中的[Mn]取決于爐渣的氧化性。底吹轉(zhuǎn)爐爐渣堿度高，自由氧化物MnO的活度大，鋼水殘錳增加、降低Fe-Mn消耗。10/19/202214東北大學(xué)/閻立懿4）鐵的氧化和脫磷反應(yīng)

底吹轉(zhuǎn)爐（FeO）低，尤其初期（FeO）低，使得初中期脫磷不明顯，后期（FeO）提高脫磷顯著，使脫磷反應(yīng)比頂吹轉(zhuǎn)爐滯后進行。冶煉低碳鋼時，（FeO）較高，脫磷問題不突出；但冶煉高碳鋼時，因（FeO）較低影響脫磷。10/19/202215東北大學(xué)/閻立懿

為了提高冶煉高碳鋼的脫磷能力，底吹轉(zhuǎn)爐通過爐底噴入鐵礦石粉或返回渣和石灰粉的混合料，提高渣氧化性及堿度，加之底吹轉(zhuǎn)爐熔池攪拌劇烈，大大地改善了渣-鋼接觸，提高了脫磷效果。

對于高磷鐵水的情況：可采用留渣法，即將前爐爐渣留在爐內(nèi)一部分，前期吹入石灰粉約為總量的35％，后期吹入約65％進行造渣。前期可脫去鐵水含磷量的50％，吹煉末期的爐渣為CaO所飽和，供下爐吹煉用。10/19/202216東北大學(xué)/閻立懿5）脫硫反應(yīng)

230噸底吹轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，當熔池中的碳達到0.8％左右時，[S]達到最低值，說明吹煉初期固體CaO粉末就有一定的直接脫硫能力。與頂吹相比，底吹轉(zhuǎn)爐具有較強的脫硫能力（圖230t底吹轉(zhuǎn)爐內(nèi)渣鋼間硫分配比與爐渣堿度的關(guān)系），特別是爐渣堿度為2.5以上時表現(xiàn)得更明顯。10/19/202217東北大學(xué)/閻立懿

鋼液中[C]能增加硫的活度系數(shù)、降低氧活度，另外，同一溫度下高碳鋼液的流動性比低碳鋼的好，所以高碳鋼脫硫比較容易。

底吹轉(zhuǎn)爐即使在鋼水低碳范圍內(nèi)，仍有一定的脫硫能力，原因是爐內(nèi)的CO分壓比頂吹的低（弱氧化性氣氛），而且熔池內(nèi)的攪拌強烈（改善渣-鋼接觸，硫在渣-鋼的分配比較高，接近于平衡值）對脫硫有力。10/19/202218東北大學(xué)/閻立懿6）鋼中的[H]和[N]由于Q-BOP轉(zhuǎn)爐中熔池攪拌強烈，氣泡在鐵液中上升產(chǎn)生的清洗作用有利于脫氮；但底吹轉(zhuǎn)爐使用碳氫化合物作為冷卻劑，分解出來的氫被鋼水吸收氫，使得底吹轉(zhuǎn)爐鋼中[H]要比頂吹轉(zhuǎn)爐的高1～3ppm，如某廠頂吹轉(zhuǎn)爐鋼水中平均含[H]量為2.6ppm，而底吹轉(zhuǎn)爐平均為4.5ppm。吹煉終點[C]與[N]的關(guān)系10/19/202219東北大學(xué)/閻立懿4.4.4氧氣底吹轉(zhuǎn)爐冶金特點

1）優(yōu)點吹煉過程平穩(wěn)，噴濺及噴濺損失少；渣中氧化鐵含量低、渣量少，金屬及合金收得率高；氧氣脫碳效率高、脫碳速度快，氧氣消耗降低；錳氧化減少、殘錳量增多，降低錳鐵合金消耗；熔池攪拌強烈，脫硫能力強，氮含量低；鐵的蒸發(fā)損失及煙塵少。2）缺點爐齡（爐底壽命）較低；渣中氧化鐵含量低，化渣比較困難，脫磷能力較低;碳氫化合物冷卻劑作用，使鋼中[H]含量較高*10/19/202220東北大學(xué)/閻立懿4.5頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐

4.5.1復(fù)吹轉(zhuǎn)爐法發(fā)展氧氣頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐法可以說是頂吹轉(zhuǎn)爐和底吹轉(zhuǎn)爐冶煉技術(shù)不斷發(fā)展的必然結(jié)果。

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氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐（LD）法中主要攪拌動力是C-O沸騰，吹煉末期脫碳變慢、熔池攪拌強度減弱，而且爐容量越大、這個問題越突出。為解決此問題，1973年開始的奧地利人愛德華（Eduard）、1975年的法國鋼鐵研究院(IRSID)等進行大量復(fù)吹煉鋼工藝試驗研究。于1978年在盧森堡阿爾貝德公司埃施-貝爾瓦爾廠的180噸頂吹轉(zhuǎn)爐上增設(shè)底吹惰性氣體以加強熔池攪拌，并獲得成功，這就是國際上影響較大的復(fù)吹法——LBE法（LanceBubblingEquilibrium）。10/19/202222東北大學(xué)/閻立懿與此同時，日本的川崎制鐵株式會社，由美國鋼鐵公司（USS）引進Q-BOP法后，進行了廣泛的模型研究與工業(yè)試驗，在1980年分別開發(fā)成功頂吹氧、底吹惰性氣體的LD-KG法（即LD-KawasakiGas法）和頂?shù)状笛醯腒-BOP法，擴大了復(fù)吹轉(zhuǎn)爐的類型、加速了各國對LD轉(zhuǎn)爐的改造。我國首鋼及鞍鋼分別在1980年和1981年開始進行復(fù)吹的實驗研究，并于1983年分別在首鋼30噸轉(zhuǎn)爐及鞍鋼180噸轉(zhuǎn)爐上推廣使用，效果明顯。10/19/202223東北大學(xué)/閻立懿4.5.2復(fù)吹轉(zhuǎn)爐法的類型按底吹方式分：氧氣頂吹、惰性氣體底吹工藝；氧氣頂、底復(fù)合工藝；氧頂吹、氧＋噴熔劑底吹工藝三種。

1）氧氣頂吹、惰性氣體底吹并采取頂部加石灰塊造渣，代表方法：LBE/法研院、LD-KG/日川崎、LD-OTB/日神戶、NK-CB/日鋼管。K——Kawasaki

底吹惰性氣體種類有：Ar、N2、CO2，底部供氣強度在0.03～0.12m3/（t·min）。底部多采用雙層套管式或多孔透氣塞式供氣元件。10/19/202224東北大學(xué)/閻立懿2）氧氣頂、底復(fù)合工藝

方法有：LD-OB/新日鐵、STB

/日住友、STB-P/日住友、LD-HC/比利時、BSC-BAP/英鋼等。底吹氧氣需要采用雙層管式供氣元件，使氧氣得到屏蔽，以避免氧氣與爐底耐火材料直接接觸；頂部供氧比為60％～90％，底部供氧比為40％～10％，底部的供氧強度在0.2～2.5m3/（t·min）范圍，屬于強攪拌類型。其中STB-P法是日本住友金屬，在底吹O2、CO2、N2基礎(chǔ)上，在轉(zhuǎn)爐頂部噴吹石灰粉，以改善高碳鋼去磷，并用于不銹鋼的生產(chǎn)。

BSC-BAP是英國鋼公司開發(fā)的，用底吹空氣代替氧氣，同時吹N2或Ar，并用N2作為冷卻介質(zhì)。10/19/202225東北大學(xué)/閻立懿3）氧氣頂吹、氧＋噴熔劑底吹工藝

典型代表：K-BOP/日川崎由日本川崎制鐵株式會社在頂吹轉(zhuǎn)爐的基礎(chǔ)上開發(fā)的，是將占總氧量30%的氧氣＋石灰粉（造渣劑）一道從爐底吹入熔池的，吹氧強度一般為0.8～1.3m3/（t·min），熔劑的噴入量取決于鋼水脫磷、脫硫的需要。底部多采用雙層套管式供氣元件。10/19/202226東北大學(xué)/閻立懿頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐示意圖

10/19/202227東北大學(xué)/閻立懿4.5.3頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐內(nèi)的反應(yīng)

1）成渣速度——快復(fù)吹與頂吹、底吹兩種轉(zhuǎn)爐相比，熔池攪拌范圍大、強烈，成渣速度快。通過調(diào)節(jié)氧槍槍位化渣，加上底部氣體的攪動，形成高堿度、流動性良好和一定氧化性的爐渣，成渣時間比頂吹或底吹轉(zhuǎn)爐的都短。從底部噴入石灰粉造渣的情況，如K-BOP法成渣速度就特別快。10/19/202228東北大學(xué)/閻立懿復(fù)吹轉(zhuǎn)爐中∑(FeO)的變化規(guī)律

2）渣中∑(FeO)含量復(fù)吹轉(zhuǎn)爐在吹煉過程中，渣中的(FeO)的變化規(guī)律和(FeO)含量與頂吹轉(zhuǎn)爐、底吹轉(zhuǎn)爐有所不同，這是復(fù)吹轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)反應(yīng)的特點之一。

10/19/202229東北大學(xué)/閻立懿渣中∑(FeO)的比較

就(FeO)含量而言，頂吹（LD）＞復(fù)吹（LD-OB）＞底吹（Q-BOP）。底部吹入的氧，生成FeO在熔池的上升過程中被消耗掉（鐵還原）；底吹氣體攪拌，盡管渣中(FeO)低，但化渣不成問題（在操作中不需要高的(FeO)）；上部頂槍吹氧，(FeO)含量比底吹法的高。10/19/202230東北大學(xué)/閻立懿3）鋼水中的碳吹煉終點的[C]-[O]關(guān)系和脫碳反應(yīng)不引發(fā)噴濺，這反映出復(fù)吹轉(zhuǎn)爐的冶金特點。復(fù)吹轉(zhuǎn)爐頂吹（大部分氧）、底吹（少部分氧），供氧比較均衡，鋼水的脫碳速度高、脫碳反應(yīng)快，而且均比較均勻，使渣中∑(FeO)含量始終不高（也高不起來）。在熔池底部生成的FeO與[C]有更多的機會反應(yīng)，F(xiàn)eO不易聚集，從而也很少產(chǎn)生噴濺。10/19/202231東北大學(xué)/閻立懿

復(fù)吹轉(zhuǎn)爐的[C]-[O]關(guān)系線低于頂吹轉(zhuǎn)爐，比較接近底吹轉(zhuǎn)爐的[C]-[O]關(guān)系線。當?shù)撞看等攵栊詺怏w后，鋼水中[C]-[O]的關(guān)系線下移，原因是吹入熔池中的N2或Ar小氣泡降低CO的分壓，同時還為脫碳反應(yīng)提供場所。與頂吹轉(zhuǎn)爐相比，在相同含碳量下，復(fù)吹轉(zhuǎn)爐[O]低、合金收得率高。10/19/202232東北大學(xué)/閻立懿4）鋼水中的錳

頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐中∑(FeO)低，在吹煉初期，鋼水中的[Mn]只有30%～40%被氧化，待溫度升高后，在吹煉中期的后段時間，又開始回錳，所以出鋼前鋼水中的殘錳較頂吹轉(zhuǎn)爐高。

鋼水中[Mn]的變化比較10/19/202233東北大學(xué)/閻立懿5）鋼水中的磷從爐底部吹入的氧氣，可與金屬液反應(yīng)生成（FeO），（FeO）與[P]反應(yīng)，也有可能氧直接氧化金屬液中的[P]生成P2O5。從反應(yīng)的動力學(xué)看，強有力的熔池攪拌有利于脫磷，在吹煉初期，脫磷率可達40%～60%，以后保持一段平穩(wěn)時間，吹煉后期，脫磷又加快。10/19/202234東北大學(xué)/閻立懿6）鋼水中的硫

復(fù)吹轉(zhuǎn)爐脫硫條件要好于頂吹及底吹轉(zhuǎn)爐，原因有以下幾個方面：渣中∑(FeO)比頂吹低。底部噴石灰粉、頂吹氧，調(diào)渣靈活，能及早形成較高堿度、流動性好的爐渣。底部噴石灰粉，改善渣-鋼接觸、增加反應(yīng)界面