(工艺技术)转炉炼钢工艺

转炉炼钢工艺

转炉炼钢工艺

绪论

1、转炉炼钢法的分类 转炉是以铁水为主要原料的现代炼钢方法。 该种炼钢炉由圆台型炉帽、 圆柱型炉身和球缺型 炉底组成。炉身设有可绕之旋转的耳轴，以满足装料和出钢、倒渣操作，故而得名。 酸性空气底吹转炉 —— 贝塞麦炉（英国 1856 年）

空气转炉 { 碱性空气底吹转炉 —— 托马斯炉（德国 1878 年） 碱性空气侧吹转炉（中国

1952 年）

转炉 {

氧气顶吹转炉 —— LD （奥地利 1952 年）

氧气转炉 { 氧气底吹转炉 —— OBM （德国 1967 年） 顶底复吹转炉（法国 1975 年）

2、氧气顶吹转炉炼钢法简介

（1） 诞生的背景及简称 现代炼钢生产首先是一个氧化精炼过程， 最初的贝氏炉和托马斯炉之所以采用空气吹炼正是 利用其中的氧。 二次世界大战以后， 工业制氧机在美国问世， 使利用纯氧炼钢成为可能，但 原来的底吹方式炉底及喷枪极易烧坏。 美国联合碳化物公司于 1947 年在实验室进行氧气顶 吹转炉的实验并获成功，命名为 BOF 。奥地利闻之即派有关专家前往参观学习，回来后于 1949 年在 2 吨的转炉上进行半工业性实验并获成功， 1952 年、 1953 年 30 吨氧气顶吹转 炉分别在 Linz 和 Donawitz 建成投产，故常简称 LD 。

1967 年 12 月德国与加拿大合作发明了氧气底吹转炉，使用双层套管喷嘴并通以气态碳氢 化合物进行冷却。

1975 年法国研发了顶底复吹转炉，综合了 LD 和 OBM 的优点， 77 年在世界年会上发表。 （2） 氧气顶吹转炉的特点 1）优点

氧气顶吹转炉一经问世就显示出了极大的优越性， 世界各国竟相发展， 目前成为最主要的炼 钢法。其优点主要表现在：

（1 ）熔炼速度快，生产率高（一炉钢只需

20 分钟）；

10%?30%的废钢；

（2 ）热效率高，冶炼中不需外来热源，且可配用

（ 3 ）钢的品种多，质量好（高低碳钢都能炼， 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

当然， LD 尚存在一些问题，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）等。

3 氧气转炉的发展趋势 对于氧气顶吹转炉的推广和普及首推日本迅速，且引导了 LD 的发展趋势： （ 1 ）容量大型化（相对投资较小）；

（2） 配加炉外精炼以增加品种，提高质量（理论上可炼任何钢种） ； （3） 引入底吹技术，实施复合吹炼（减少喷溅，降低吹损） ； （ 5 ）实现冶炼过程计算机控制。

1 转炉炼钢的原材料 引言 转炉炼钢所用原材料可分为金属料和非金属料两大类。 操作的难易，而且会影响钢的产量、质量和生产成本。

1.1 金属料 转炉炼钢的金属料主要是铁水、废钢和铁合金。 原材料质量的好坏， 不仅关系到吹炼 1.1.1 铁水

1 作用：转炉炼钢的主原料，一般占装入量的 70% 以上。

2 要求 铁水应符合一定要求，以简化和稳定操作并获得良好技术经济指标。

1) 温度＞ 1250C而且稳定

铁水温度的高低， 标志着其物理热的多少。 较高的铁水温度， 不仅能保证转炉吹炼顺利进行， 同时还能增加废钢的配加量，降低生产成本。 入炉时仍在1250 C?1300 C以上。

另外，还希望铁水温度相对稳定，以利于冶炼操作和生产调度。 2) 成分合适而且波动小

转炉炼钢的适应性较强， 可将各种成分的铁水吹炼成钢。 但是， 为了方便转炉操作及降低生 产成本，铁水的成分应该合适而稳定。

(1) 铁水的含磷量＜0.4%:磷会使钢产生 冷脆'现象，是钢中的有害元素之一。 转炉单渣法 冶炼时的脱磷效果为 85%?95%，普碳钢的含磷量通常要求 ＜ 0.04%因此，国标规定铁水的 含磷量小于 0.4% 。

需要指出的是，高炉内不能去磷，如果铁水的含磷量超过 0.4%, 或者吹炼低磷钢，则需采用 双渣法冶炼或对铁水进行预脱磷处理。 (2)

铁水的含硫量＜ 0.07%:硫会使钢产生 热脆”现象，也是钢中的有

害元素。转炉的脱硫 效果不理想，单渣法冶炼时的脱硫率仅为 30% ?35% ，而通常要求钢液的含硫量在 0.05% 以下，因此国标规定铁水含硫量 ＜ 0.07%。

如果铁水含硫量超过 0.07% 或吹炼低硫钢，则需采用双渣法冶炼或对铁水进行预脱硫处理。 (3)

硅量:铁水中的硅是转炉炼钢的主要发热元素之一，含硅量每增加 大，铁水的含硅量可以高些。

若含硅量低于 0.5%, 铁水的化学热不足 ,会导致废钢比下降 ,小容量转炉甚至不能正常吹炼； 反之，如果铁水含硅量高于 0.8%, 不仅会增加造渣材料的 消耗，而且使炉内的渣量偏大，过多的渣量容易引起喷溅，增加金属损失。

另外，铁水含硅量高时，初期渣子的碱度低，对炉衬的侵蚀作用加剧；同时，初期渣中的二 氧化硅含量高，这会使渣中的 FeO 、MnO 含量相对降低，容易在石灰块表面生成一层熔点 为2130 C的2CaO?SiO2外壳，阻碍石灰熔化，降低成渣速度，不利于早期的去磷。

应该指出的是，一些钢厂铁水的含硅量超过了 1.2%，个别的甚至达到了 1.5%，对此应进 行预脱硅处理，以减轻转炉的负担。

(4) 铁水的含锰量:铁水中的锰是一种有益元素，主要体现在锰氧化后生成的氧化锰能促 使石灰溶解，有利于提高炉龄和减轻氧枪粘钢。

我国大多数钢铁厂所用铁水的含锰量都不高， 多为 0.2%?0.4%。提高铁水含锰量的方法主 要是向高炉的原料中配加锰矿石， 但这将会使炼铁生产的焦比升高和高炉的生产率下降。 对 于铁水增锰的合理性还需要做详细的技术经济对比， 因此，目前对铁水含锰量不提硬性要求。 (5 )铁水的含碳量：碳也是转炉炼钢的主要发热元素， 而通常铁水含碳 4%左右，故一般不做要求。 国内一些转炉炼钢厂对铁水成分的控制见表( 3) 带渣量＜ 0.5%

高炉渣中含有大量的 S、SiO2 ，因此希望兑入转炉的铁水尽量少带渣，以减轻脱硫任务和 减少渣量，通常要求带渣量不得超过 0.5% 。

3 铁水的预处理 定义：铁水在兑入转炉之前进行的脱硫、脱磷或脱硅操作叫做铁水预处理。 目的：减轻高炉、转炉的负担，提高生产率。

1）铁水炉外脱硫 铁水脱硫的条件比钢水优越（铁水中碳、硅、磷等元素的含量高，硫的活度系数大，

因此， 希望铁水的温度尽量高些，一般应保证

铁水的含0.1%， 废

钢比可增加 1.3%?1.5%。对于大、中型转炉，铁水含硅量以 0.5% ?0.8%为宜。小型转 炉的热损较

＞ 3.5%的含碳量即可满足冶炼要求，

6) 1-1 。

同时铁

水中的氧含量低），脱硫效率比钢水脱硫高 预脱硫技术已被国内外广泛采用。

基本思路：向铁水中加入脱硫剂使之化合入渣。 （1）脱硫剂及其特点：目前常用的铁水预脱硫剂主要有以下四种。 ① 电石粉（CaC2）

脱硫反应： CaC2 （ S ） +[S]=CaS（S）+2[C] 特点：脱硫能力强，但脱硫过程中有少量 CO 和 C2H2 逸出，并带出电石粉，污染环境， 因而必须安装除尘装置；价格较贵。 ② 石灰粉（CaO）

脱硫反应： 2CaO（S）+[S]+1/2[Si]=CaS（S）+1/22CaO?SiO2 （ S ） 特点：价格便宜，脱硫成本低，但单独使用时脱硫能力差，而且石灰表面会出现 碍脱硫反应继续进行，降低脱硫速度和效率，为此，常配加适量的铝或苏打粉避免 生成：

CaO（S）+[S]+2/3[Al]=CaS（S）+1/3Al2O3 （ S） 使脱硫速度和效率明显提高，如 8 图 1-1 。 ③ 苏打粉（Na2CO3）

脱硫反应： Na2CO3 （ l） +[S]+[Si]=Na2S（l）+SiO2（S）+{CO} 特点：脱硫能力很强，且产生的气体具有搅拌作用，脱硫速度快，但价格贵且污染严重，现 已很少使用，有时与其它粉剂配成复合脱硫剂。 ④ 金属镁

脱硫反应：金属镁的沸点仅为 {Mg}+[S]=MgS（S）

特点： 金属镁直接加入铁水时， 会发生爆发式气化反应， 不仅导致镁的利用率大大降低，而 且还会引起铁水喷溅而造成事故，因此不能单独使用，常与其它粉剂组成复合脱硫剂。

在相同的铁水条件下，各脱硫剂的能力强弱顺序为： Na2CO3 、CaC2、Mg、CaO ，见 9表 1-3 。 以上脱硫剂有的可单独使用，但多为几种配合使用，如电石粉 石灰粉 +苏打粉、金属镁 +石灰粉等，其脱硫能力有较大差别。

（2）脱硫的方法及效果：铁水预脱硫的基本工艺是向铁水中加入脱硫剂并使之混合而发生 脱硫反应，目前使用最广泛的是机械搅拌法和喷吹法。 ① 机械搅拌法

混合方式： 将脱硫剂加入铁水罐中， 用耐火材料制成的搅拌器插入铁水搅拌， 使之与脱硫剂 充分混合。

特点：脱硫效果与搅拌器的转速及脱硫剂的种类有关，见（ 10）图 1-3、1-4。此法有多种 形式，具有代表性的是日本的 KR 法（电石粉为主），武钢二炼 79 年引进，经消化改造使 用以石灰粉为主的脱硫剂。 ② 喷吹法

混合方式： 它是以空气或惰性气体为载体， 利用喷枪将粉状脱硫剂喷射到铁水中， 使铁水与 脱硫剂充分混合。宝钢 80 年代由日本引进的叫 DTS 法，喷吹电石粉。各种脱硫剂在喷射 法中的应用效果见图 1-6 。

实际生产中，各厂应根据要求达到的脱硫程度、铁水的热损和铁损、脱硫设备费用、环境污 染等问题，选用最适合的脱硫剂和脱硫方法。

2）铁水预脱硅 基本思路：向铁水中加入氧化性的脱硅剂，使之氧化成 SiO2 进入炉渣。

（1）脱硅剂：常用的脱硅剂是以氧化铁皮和烧结矿粉为主，配加少量石灰和萤石以降低渣 子的黏度。各厂家所用配比也不完全一样：

4?6倍，经济上比转炉双渣法合算，因此铁水

C2S ，阻 C2S 的

1107 C,铁水温度下为气体，故脱硫反应为：

+石灰粉、金属镁 +电石粉、

日本福山 氧化铁皮70?100%，石灰0?20%，萤石0?10% ; 日本水岛 烧结矿粉 75% ，石灰 25% 。

脱硅剂用量约为 15?30kg/t。

（2 ）脱硅方法：常用的炉外脱硅方法有投入法和顶喷法两种。 投入法是在高炉出铁时， 将脱硅剂投到铁水沟中， 借助铁水流入铁水罐的冲击搅拌作用使之 充分混合、反应。这是最早的一种脱硅方法，效率较低，通常在 50% 左右。

顶喷法是用 0.2 ? 0.3MPa 压力的空气通过喷枪从（铁沟或流入铁水灌的铁水流）铁水液面 以上一定高度将脱硅剂喷入，使之混合、 反应。 由于该方式使铁水与脱硅剂两次混合，所以 脱硅效率高达 70 ? 80% ，铁水含硅可达 0.1 ? 0.15% 以下。

3）铁水预脱磷 转炉炼钢的脱磷效率较高， 双渣法冶炼尤其如此， 但会增加造渣材料消耗， 并延长冶炼时间， 生产成本增大。近年来，铁水的炉外脱磷研究有了较大的发展，已用于工业生产。 基本思路：向铁水中加入脱磷剂使其中的磷氧化并固定在渣中。

（1 ）脱磷剂：目前广泛使用的是苏打系和石灰系两类。 苏打系脱磷剂： 2[P]+5[O]+3Na2CO3（S）=（Na2O?P2O5）+3{CO} 石灰系脱磷剂： 2[P]+5[O]+4CaO（S）=（4 CaO?P2O5） ，其中常配有一定的氧化铁皮或烧结矿 粉和萤石粉助熔剂。

（2）脱硅处理：由于磷与氧的亲和力小于硅与氧的亲和力，而且铁水中总含有一定的硅， 因此，欲要脱磷需先进行脱硅处理。使用苏打系脱磷时要求 要求[Si] V 0.15%。

（3 ）铁水炉外脱磷方法及效果：目前，铁水脱磷方法主要喷吹法，它是以气体作载体将脱 磷剂喷吹到铁水包中，使之充分混合，快速脱磷。日本新日铁以氩气喷吹 min，脱磷率达90%左右。

3）铁水同时脱硫和脱磷 从上所述， 苏打和石灰既是脱硫剂也是脱磷剂， 因此铁水同时进行脱硫和脱磷不仅成本低而 且生产率高。目前，已在工业上应用的同脱工艺有以下两种。 （1 ） SARP 法：即日本住友的碱性精炼工艺，它是将铁水首先进行脱硅

处理，当[Si] V 0.1%后扒出炉渣，然后喷吹19kg/t苏打粉，脱硫率可达96%，脱磷率可达9 5% 。 该法的特点是，脱硫磷效率高，但处理成本高、耐火材料侵蚀严重，同时有气体（ 染。

（2） ORP法：也是先进行脱硅处理，当 [Si] V 0.15%后扒出炉渣，然后喷吹 52kg/t石灰基 粉料，脱硫率可达 80% ，脱磷率可达 88% 。 该法的特点是，处理成本低，但渣量大而铁损多（ TFe=20 ? 30% ）。 1.1.2 废钢

1 作用：废钢是转炉炼钢的另一种金属炉料，其作用是冷却熔池。 氧气顶吹转炉炼钢中， 主原料铁水的物理热和化学热足以把熔池的温度从 度。 2 要求

（1 ）清洁、少锈，无混杂，不含有色金属；

（2）最大长度不得超过炉口直径的二分之一，最大截面积要小于炉口面积的五分之一。 3 废钢的加工和预热

1 ）废钢的加工 转炉炼钢所用废钢多为外购废钢。其来源广泛，大小悬殊，外形各异，且多有混杂，应针对 所购废钢的特点进行相应的加工处理如切割、打包、火烧、挑拣、水洗等，以满足转炉炼钢 对入炉废钢的基本要求。 2）废钢的预热

[Si] V 0.1%，使用石灰系处理时

45kg/t ，时间 20

CO ）污

1250 C?1300 C

加热到1600 C左右的炼钢温度，且有富余热量，废钢就是被用来消耗这些富余热量，以调 控熔池的温

目的：提高废钢比（见 17 表1-8），降低生产成本。

方法及效果：利用铁水罐余热和燃料燃烧加热。 （首钢）将废钢装入铁水罐中，置于煤气烘 烤器下烘烤 30?40min ，然后接铁水一并倒入转炉，废钢比提高 10%。 1.1.3 铁合金 作用：脱氧剂、合金剂。

种类：主要是 Fe-Si、Fe-Mn、Mn-Si及Al，根据常炼钢种不同还可能有 e-Mo 、 Ni 等合金。

要求：成分准确、块度合适（ 5? 40mm ）、用前烘烤。 思考题

1 简述氧气转炉的发展趋势。 2 转炉炼钢对铁水有哪些要求？

3 常用的脱硫剂有哪些？它们的脱硫能力如何？

4 铁水炉外预脱硫方法有哪些？影响机械搅拌法脱硫效果的因素是什么？ 5 简述 SARP 法同时脱硫脱磷工艺过程。 6 炼钢用石灰应满足哪些要求？ 2.2 底吹气体射流

2.2.1 底吹气体的行为 森一美等冶金学家，实验用氮气从底部吹入水或水银中，并用高速摄影机拍摄其流出情况， 发现气体通过浸没式喷嘴流出时在熔池中的行为有两种： （ 1 ）鼓泡

流速较小时， 气体在喷嘴出口鼓起而形成气泡并逐渐长大， 当气泡长大一定程度 （浮力大于 粘滞力）后则脱离孔口上浮，这一现象称为鼓泡。

（2）形成射流 流速较大时，气体在孔口上形成连续的气流射入液体中，这种现象称为浸没式射流。 实验发现， 由流量计算的表观马赫数 Ma/ 增加到 1 以上时， 从喷嘴流出的气体由鼓泡转变成 射流，即表观马赫数 Ma/等于1的速度为临界流速，如（32）图2-12。 表观马赫数Ma/用2-9式计算： Ma/= u /a=Q/aA

式中 u ――体出口速度，m/s ; a ----- 室温的音速，m/s ; A――喷嘴截面积，m2 ; Q —— 气体流量， m3/s 。

2.2.2 氧气射流与熔池间的相互作用 氧射流与熔池间的作用包括物理作用和化学作用两个方面。 1 物理作用

氧射流与熔池间的物理作用体现在以下三个方面： 1）氧气射流冲击熔池

冲击结果：氧射流到达熔池表面时其 M 仍大于 1 ，高速射流自上而下冲击熔池，将其中央 冲出一个凹坑。从凹坑的最低点到静止液面的距离叫冲击深度，又叫穿透深度，以 h 冲表 示；射流与熔池的接触时的截面积称冲击面积，常用 A 表示。

影响因素：由式 2-12可知，h冲x PO/H枪；类似的有，Ax H枪/P0 （ H枪是吹氧时喷头 距静止液面的距离叫枪位； P0 是喷头进口处的氧压）。可见，改变 P0 和 H 均可以调整对 冶炼过程有重要影响的工艺参数 h 和 A：

（ 1 ）高枪位或低氧压吹炼时， h 小、 A 大，称软吹，反之，称硬吹；

（ 2）生产中多采用恒氧压变枪位操作，即一炉钢吹炼过程中保持供氧压力不变，而通过变 化枪位来调节h和A，以满足炉内反应所需；

（3）随着炉容的增大，单孔喷头很难同时满足冶炼所需要的

Fe-Cr、Fe-W、F

h和A，故目前多用三孔以上