轉爐煉鋼工藝2003

轉爐煉鋼工藝朱榮Tel:01-62332515，Email:zhurong@煉鋼工藝授課內(nèi)容

參考書：鋼鐵冶金學（陳家祥）轉爐煉鋼學（徐文派）氧氣轉爐煉鋼工藝與設備（王雅貞）轉爐煉鋼工藝(4學時)電爐煉鋼工藝(4學時)鐵水預處理工藝(2學時)鋼水爐外精煉工藝(2學時)1轉爐煉鋼的發(fā)展1855－1856年英國人亨利.貝塞麥(Henly)開發(fā)了酸性底吹空氣轉爐煉鋼法；1878年英國人托馬斯(S.G.Thomas)堿性底吹空氣轉爐煉鋼法；1940年廉價獲得氧氣后，瑞士、奧地利開發(fā)了頂吹氧氣轉爐，1952年在奧地利林茨(Linz)和多納維茨城(Donawitz)建成第一座30噸堿性頂吹氧氣轉爐(LD轉爐)；或稱BOF(BasicOxygenFurnace)。1970年開發(fā)頂?shù)讖秃洗禑掁D爐。我國的煉鋼發(fā)展史。氧氣轉爐的種類

氧氣頂吹轉爐氧氣底吹轉爐氧氣側吹轉爐氧氣頂?shù)讖秃限D爐頂吹氧氣轉爐煉鋼工藝特點完全依靠鐵水氧化帶來的化學熱及物理熱;生產(chǎn)率高（冶煉時間在20分鐘以內(nèi)）；質(zhì)量好（*氣體含量少：（因為CO的反應攪拌，將N、H除去）可以生產(chǎn)超純凈鋼,有害成份（S、P、N、H、O）〈80ppm；冶煉成本低，耐火材料用量比平爐及電爐用量低；原材料適應性強，高P、低P都可以。

轉爐煉鋼的熱平衡及物料平衡熱平衡是計算煉鋼過程的熱量收入（鐵水的物理及化學熱）及熱量支出（鋼液、爐渣、爐氣、冷卻劑、熱量損失）物料平衡是計算煉鋼過程中加入爐內(nèi)和參予煉鋼過程的全部物料（鐵水、廢鋼、氧氣、冷卻劑、渣料和耐材等）及煉鋼過程中產(chǎn)物（鋼液、爐渣、爐氣及煙塵等）“負能煉鋼”轉爐煉鋼是一個能量有富裕的煉鋼方法，衡量轉爐煉鋼的重要指標之一，轉爐工序能耗及煉鋼廠能耗。當爐氣回收的總熱量>轉爐生產(chǎn)消耗的能量時，實現(xiàn)了轉爐工序“負能煉鋼”；當爐氣回收的總熱量>煉鋼廠生產(chǎn)消耗的總能量時，實現(xiàn)了煉鋼廠“負能煉鋼”。日本君津鋼廠、我國寶鋼、武鋼三煉鋼廠均已實現(xiàn)煉鋼廠“負能煉鋼”。轉爐設備轉爐爐體及轉爐傾動系統(tǒng)鐵水、廢鋼、散狀材料設備氧槍提升機構轉爐煙氣凈化與回收設備2氧氣射流及熔池攪拌氧槍吹煉參數(shù)決定轉爐的冶煉過程及冶煉結果氧槍心藏是氧槍噴頭；有關氧槍及氧槍噴頭設計有專門介紹

氧氣射流屬于氣體動力學的范疇。氧氣射流對熔池的物理作用

轉爐實際上是一個黑箱，對爐內(nèi)的運動狀態(tài)是冷態(tài)實驗的分析結果。氧流作用下熔池的循環(huán)運動，動量傳遞，氧壓或氧速越高，凹坑越深，攪拌加劇。

氧氣射流對熔池的化學作用直接氧化---氧氣射流直接與雜質(zhì)元素產(chǎn)生氧化反應；間接氧化---氧氣射流先與Fe反應生成后FeO，F(xiàn)eO傳氧給雜質(zhì)元素。是直接氧化還是間接氧化為主呢？是間接氧化為主，最主要一點是由于氧流是集中于作用區(qū)附近（4％的面積），而不是高度分散在熔池中。

氧槍噴頭的種類直簡型收縮型拉瓦爾型多孔拉瓦爾型。（馬赫數(shù)控制在1.8-2.1）噴頭設計需考慮的因素主要根據(jù)煉鋼車間生產(chǎn)能力大小、原料條件、供氧能力、水冷條件和爐氣凈化設備的能力來決定。考慮到轉爐的爐膛高度、直徑大小、熔池深度等參數(shù)確定其孔數(shù)、噴孔出口馬赫數(shù)和氧流股直徑。對于原料中廢鋼比高、高磷鐵水冶煉或需二次燃燒提溫等情況，則其氧槍噴頭的設計就需特殊考慮。3頂吹轉爐的過程描述上爐出鋼--倒完爐渣(或加添加劑)--補爐或濺渣--堵出鋼口--兌鐵水--裝廢鋼--下槍--加渣料（石灰、鐵皮）--點火--熔池升溫--脫P、Si、Mn----降槍脫碳?？礌t口的火，聽聲音。看火亮度--加第二批（渣料）--提槍化渣，控制“返干”。降槍控制終點（FeO），倒爐取樣測溫，出鋼。技術水平高的爐長，一次命中率高。50%。（寶鋼是付槍）根據(jù)分析取樣結果--決定出鋼（或補吹）－-合金化。

不要補吹的就是通常說的一次命中。冶煉技巧鋼液碳的判斷方法取樣分析、磨樣、看火花、付槍。鋼液磷的判斷方法取樣分析、渣的顏色及氣孔；鋼液溫度判斷方法接觸熱電偶、看爐口火焰、看鋼液顏色、讀秒表。鋼液顏色：白亮、青色、淺蘭、深蘭、紅色冶煉過程渣、鋼成份變化冶煉過程鋼中[N][O]成份變化4煉鋼用原輔材料原材料鐵水：加70-85%(%C=4,%Si=0.4-1.0,%P=0.02-0.15,%S=0.001-0.050)廢鋼：加15-30%(厚度小于150mm，清潔)生鐵塊：調(diào)溫及配碳燒結礦（改性鐵）4煉鋼用原輔材料輔助材料：石灰：有效CaO成分，塊度，控制石灰吸水螢石：CaF2，能改善爐渣流動性生白云石：CaMg(CO3)2,造渣及護爐菱鎂礦：MgCO3調(diào)渣劑鐵合金、冷卻劑及增碳劑耐火材料分類：堿性耐火材料(MgO)酸性耐火材料(SiO2)中性耐火材料(碳質(zhì)及鉻質(zhì))耐火材料的主要性質(zhì)：耐火度、荷重軟化溫度、耐壓強度、抗熱震性、熱膨脹性、導熱性、抗渣性、氣孔率等。5轉爐耐火材料及護爐技術爐襯壽命：爐襯壽命影響轉爐的工作時間及生產(chǎn)成本。爐齡是鋼廠一重要生產(chǎn)技術指標。爐襯損壞的原因：鐵水、廢鋼及爐渣等的機械碰撞和沖刷爐渣及鋼水的化學侵蝕爐襯自身礦物組成分解引起的層裂急冷急熱等因素。5轉爐耐火材料及護爐技術5轉爐耐火材料及護爐技術提高爐齡的措施：耐材質(zhì)量；系統(tǒng)優(yōu)化煉鋼工藝；補爐工藝新工藝：濺渣護爐工藝，九十年代，美國開發(fā)成功轉爐濺渣護爐技術，在我國達到最高效益，爐齡30000。5轉爐耐火材料及護爐技術濺渣護爐的基本原理：是利用高速氮氣把成分調(diào)整后的剩余爐渣噴濺在爐襯表面形成濺渣層。濺渣層固化了鎂碳磚表層的脫碳層，抑制了爐襯表層的氧化，并減輕了高溫爐渣對磚表面的沖刷侵蝕。6轉爐冶煉工藝轉爐冶煉五大制度

裝料制度供氧制度造渣制度溫度制度終點控制及合金化制度

6.1裝料制度

確定合理的裝入量，需考慮的兩個參數(shù)：爐容比：(V/T,m3/t),0.8-1.05(30-300t轉爐)；熔池深度：需大于氧氣射流的沖擊深度800-2000mm(30-300t轉爐)裝料制度：定量裝入、定深裝入；分階段定量裝入。分階段定量裝入：1－50爐，51－200爐，200爐以上，槍位每天要校正。交接班看槍位。供氧強度Nm3/t.min氧氣流量Nm3/h操作氧壓Mpa氧槍槍位m基本操作參數(shù)6.2供氧制度6.2供氧制度供氧強度(Nm3/t.min)決定冶煉時間，但太大，噴濺可能性增大，一般3.0-4.0。氧氣流量大小(Nm3/h)：裝入量，C、Mn、Si的含量，由物料平衡計算得到，50-65Nm3/h。氧壓(Mpa)噴頭的喉口及馬赫數(shù)一定，P大，流量大,有一范圍0.8－1.2Mpa。氧槍槍位，由沖擊深度決定，1/3-1/2。6.2供氧制度

噸鋼耗氧量計算％ C Si Mn P S 鐵水成分４.３0０.８００.２００.１３０.０４ 成品成分０.２００.２７０.５００.０２０.０２ 轉爐公稱容量為100噸時，爐渣量為：100×10％＝10噸鐵損耗氧量10×15％×16/(16＋56)＝0.33噸［C］→[CO]耗氧量100×(4.30%-0.20%)×90%×16/12=4.92噸［C］→[CO2]耗氧量100×(4.30%-0.20%)×10%〕32/12=1.09噸［Si］→[SiO2]耗氧量100×0.8%×32/28=0.914噸［Mn］→[MnO]耗氧量100×0.2%×16/55=0.058噸［P］→[P2O5]耗氧量100×0.13%×(16×5)/(31×2)=0.168噸[S]1/3被氣化為SO2,2/3與CaO反應生成CaS進入渣中,則［S］不耗氧?？偤难趿浚?.33+4.92+1.09+0.914+0.058+0.168=7.48噸/1.429＝5236Nm3實際耗氧量＝5236/0.9/99.5%=5847Nm3實際噸鋼耗氧量＝5847/100=58.37Nm3/t兩種操作方式：軟吹：低壓、高槍位，吹入的氧在渣層中，渣中FeO升高、有利于脫磷；硬吹：高壓低槍位(與軟吹相反)，脫P不好，但脫C好，穿透能力強，脫C反應激烈。6.2供氧制度氧槍操作方式氧槍操作就是調(diào)節(jié)氧壓和槍位。氧槍的操作方式：衡槍變壓：壓力控制不穩(wěn)定，閥門控制不好；恒壓變槍：壓力不變，槍位變化，目前主要操作方式6.2供氧制度6.3造渣制度煉鋼就是煉渣。造渣的目的：通過造渣，脫P、減少噴濺、保護爐襯。造渣制度：確定合適的造渣方式、渣料的加入數(shù)量和時間、成渣速度。渣的特點：一定堿度、良好的流動性、合適的FeO及MgO、正常泡沫化的熔渣。造渣方式單渣法：鐵水Si、P低，或冶煉要求低。雙渣法：鐵水Si、P高，或冶煉要求高。留渣法：利用終渣的熱及FeO，為下爐準備。石灰加入量確定石灰加入量是根據(jù)鐵水中Si、P含量及爐渣堿度R確定。鐵水含磷小于0.30%時：石灰加入量(kg/t)=2.14×W[Si]×R×1000/AA為石灰中的有效氧化鈣A=W（CaO)－R×W（SiO2)

R×W（SiO2)W為石灰自身SiO2占用的CaO。當Si、P高時，需計算石灰補加量。成渣速度

轉爐冶煉時間短，快速成渣是非常重要的，石灰的溶解是決定冶煉速度的重要因素。石灰的熔解：開始吹氧時渣中主要是SiO，MnO，F(xiàn)eO,是酸性渣，加石灰后，石灰溶解速度，可用下式表J＝K（CaO+1.35MgO-1.09SiO2+2.75FeO+1.9MnO-39.1）形成2CaO*SiO2，難熔渣。FeO,MnO,MgO可加速石灰熔化。因為可降低爐渣粘度，破壞2CaO*SiO2的存在。采用軟燒活性石灰、加礦石、螢石及吹氧加速成渣。

成渣途徑

鈣質(zhì)成渣低槍位操作，渣中FeO含量下降很快，碳接近終點時，渣中鐵才回升。適用于低磷鐵水、對爐襯壽命有好處。

鐵質(zhì)成渣過程

高槍位操作，渣中FeO含量保持較高水平，碳接近終點時，渣中鐵才下降。適用于高磷鐵水、對爐襯侵蝕嚴重；FeO高，爐渣泡沫化嚴重，易產(chǎn)生噴濺。CaO(+MgO)-FeO(+MnO)

-SiO2(+P2O5)相圖ABC鈣質(zhì)成渣ADC鐵質(zhì)成渣白云石造渣提高渣中MgO的含量，延長爐襯壽命；渣中飽和MgO的概念；一般根據(jù)冶煉情況，MgO控制在6－10％采用白云石造渣應注意加入時間，防止?jié)q爐底及粘氧槍。大噴濺轉爐噴濺分：爆發(fā)性噴濺、金屬噴濺及泡沫渣噴濺。噴濺的主要原因低溫吹氧，氧位較高，碳氧反應不平衡，吹入的氧成為FeO，脫C反應較慢，當溫度升高后C-O反應激烈；渣粘稠，金屬噴濺。操作中防止噴濺的措施控制渣量吹氧脫碳的溫度控制控制槍位，保證渣中FeO在一定范圍(15－20％)保持合適的爐容比6.4溫度制度溫度控制就是確定冷卻劑加入的數(shù)量和時間影響終點溫度的因素：鐵水成分:[%Si]=0.1,升高爐溫約15℃鐵水溫度：鐵水溫度提高10℃，鋼水溫度約提高6℃（30t）鐵水裝入量：每增加1噸鐵水，終點鋼水溫度約提高8℃（30t）廢鋼加入量：每增加1噸廢鋼，終點鋼水溫度約下降45℃（30t）此外，爐齡、終點碳、吹煉時間、噴濺等有影響。6.4溫度制度

溫度控制措施熔池升溫降槍脫C、氧化熔池金屬鐵。金屬收到率降低；熔池降溫加冷卻劑(礦石、球團礦、氧化鐵皮、廢鋼)；廢鋼冶煉時一般不加。6.5終點控制及合金化制度終點控制指終點溫度和成分的控制終點標志：鋼中碳含量達到所煉鋼種的控制范圍鋼中P達到要求出鋼溫度達到要求終點控制方法終點碳控制的方法：一次拉碳法、增碳法、高拉補吹法。一次拉碳法：按出鋼要求的終點碳和溫度進行吹煉，當達到要求時提槍。操作要求較高。優(yōu)點：終點渣FeO低，鋼中有害氣體少，不加增碳劑，鋼水潔凈。氧耗較小，節(jié)約增碳劑。終點控制方法增碳法：所有鋼種均將碳吹到0.05%左右，按鋼種加增碳劑。優(yōu)點：操作簡單，生產(chǎn)率高，易實現(xiàn)自動控制，廢鋼比高。高拉補吹法：當冶煉中，高碳鋼種時，終點按鋼種規(guī)格略高一些進行拉碳，待測溫、取樣后按分析結果與規(guī)格的差值決定補吹時間。終點溫度確定所煉鋼種熔點：T＝1538－∑△T×j

△T:鋼中某元素含量增加1％時使鐵的熔點降低值，j鋼中某元素％含量?？紤]到鋼包運行、鎮(zhèn)靜吹氬、連鑄等要求鋼水合金化滿足脫氧的要求滿足鋼種的要求有精煉的轉爐，作為預脫氧及初步合金化。合金加入原則：脫氧能力先弱后強，先難熔。合金加入量(kg)＝(鋼種規(guī)格中限％－終點殘余成分％)/A

A=(鐵合金中合金元素含量％×合金元素收得率％)10007轉爐冶煉的自動控制在計算機時代，如何提高煉鋼效率，降低煉鋼成本，使煉鋼由經(jīng)驗向科學轉化，是煉鋼技術發(fā)展的必然。轉爐吹煉的技術特點：①脫碳速度快，準確控制吹煉終點比較困難：②熱效率高，升溫速度快；③容易發(fā)生爐渣或金屬噴濺；④吹煉后期脫碳速度減慢，金屬—爐渣之間遠離平衡，容易造成鋼渣過氧化。轉爐冶煉的自動控制1．對氧氣頂吹轉爐控制的要求①鐵水質(zhì)量穩(wěn)定，能準確知道鐵水成份和重量；②廢鋼量穩(wěn)定，有害殘余元素含量低；③石灰等其他造渣劑的化學成份及塊度穩(wěn)定。2.控制方案靜態(tài)控制模型動態(tài)控制模型全自動控制模型轉爐自動化控制的具體要求（1）能實現(xiàn)遠程預報，根據(jù)目標鋼種要求和鐵水條件，能確定基本命中終點的吹煉工藝方案；（2）能精確命中吹煉終點，通常采用動態(tài)校正方法，修正計算誤差，保證終點控制精度和命中率；（3）具備容錯性，可消除各種系統(tǒng)誤差，隨機誤差和檢測誤差；（4）響應迅速，系統(tǒng)安全可靠。靜態(tài)控制模型靜態(tài)控制是動態(tài)控制的基礎，根據(jù)物料平衡和熱量平衡；靜態(tài)控制的原理是：質(zhì)量守恒；先確定出終點的目標成份和溫度及出鋼量，并選擇適當?shù)牟僮鳁l件，進行裝入量的計算；確定物料收支和熱收支的關系輸入計算機；鐵水、廢鋼、生鐵塊、鐵皮、鐵礦石等；可計算需要的氧氣量，在單位時間內(nèi)的氧氣流量，從所需的氧量可計算出所需要的冶煉時間；用熱收支方面進行分析定論。模型基礎—脫C曲線

第一階段：脫C速度逐漸增大，Si、Mn的反應控制了脫C反應、先脫Si、Mn，后脫C。

Vc＝－d[C]/dt=K1t第二階段：脫C速度與C含量基本無關。如Vc

變快，說明脫C速度隨氧流量的變化而變化。

Vc=－d[C]/dt=K2＝k2QO2

K2=(1.89QO2-0.048h槍位-28.5)×10-3(試驗數(shù)據(jù))3.第三階段：碳下降到一定后，碳的傳質(zhì)成了限制環(huán)節(jié)。

Vc＝－d[C]/dt=K3[%C]脫碳速度與時間的關系動態(tài)模型控制是在運行途中對軌道進行計算和檢測。并給予修正的一種控制方法。鋼液中的[C]和溫度測定，鋼液中的[C]和溫度是隨時間推移而變化的。動態(tài)控制的條件：點測的條件,部份連續(xù)檢測

能測定其軌道（途中測定鋼液中[C]和溫度）；途中測定時，如果測定值和預測的值不同，采取修正的手段?？刂栖壍佬拚侄?、溫度、碳合適，按原軌道控制；2、溫度低及碳低，脫碳升溫、當溫度合適，終點碳低，加增碳劑；3、溫度高碳高，脫碳升溫、當終點碳合適，終點溫度太高，加冷卻劑；動態(tài)控制采用的兩種方法副槍動態(tài)控制技術在吹煉接近終點時（供O2量85％左右），插入副槍測定熔池[C]和溫度，校正靜態(tài)模型的計算誤差并計算達到終點所需的供O2量或冷卻劑加入量。爐氣分析動態(tài)控制技術通過連續(xù)檢測爐口逸出的爐氣成分，計算熔池瞬時脫碳速度和Si、Mn、P氧化速度，進行動態(tài)連續(xù)校正，提高控制精度和命中率。動態(tài)控制技術未解決的問題不能對吹煉造渣過程進行有效監(jiān)測和控制，不能降低轉爐噴濺率；不能對終點[S]、[P]進行準確控制，由于[S]、[P]成分不合格，造成“后吹”；不能實現(xiàn)計算機對整個吹煉過程進行閉環(huán)在線控制。模型控制的發(fā)展全自動轉爐吹煉技術全自動吹煉控制技術，通常包括以下控制模型：靜態(tài)模型——確定吹煉方案，保證基本命中終點；吹煉控制模型——利用爐氣成分信息，校正吹煉誤差，全程預報熔池成分（C、Si、Mn、P、S）和爐渣成分變化；造渣控制模型——利用爐渣檢測信息，動態(tài)調(diào)整頂槍槍位和造渣工藝，避免吹煉過程“噴濺”和“返干”。終點控制模型——通過終點融槍校正或爐氣分析校正，精確控制終點，保證命中率。采用人工智能技術，提高模型的自學習和自適應能力。全自動吹煉控制技術的冶金效果①提高了終點控制