轉爐煉鋼工藝過程.ppt

1、材料科學的角度看煉鋼 魏厚培教授,轉爐煉鋼,轉爐煉鋼的特點及發(fā)展趨勢,轉爐冶煉五大制度,煉鋼原料,轉爐煉鋼原理、工藝流程及設備,轉爐煉鋼技術的發(fā)展簡史,目錄,參考文獻,依照歷史發(fā)展進程，按轉爐爐襯性質的不同分為酸性轉爐與堿性轉爐；按其氣體引入的部位不同，分為底吹轉爐、側吹轉爐和頂吹轉爐；根據供給氣體的氧化性不同又可分為空氣轉爐和氧氣轉爐。轉爐的分類如下：,一、鋼鐵冶煉技術的發(fā)展簡史,1856年德國人貝斯麥就發(fā)明了底吹酸性轉爐煉鋼法，這種方法是近代煉鋼法的開端. 1879年出現了托馬斯底吹堿性轉爐煉鋼法，它使用帶有堿性爐襯的轉爐來處理高磷生鐵。 法國人馬丁利用蓄熱原理，在1864年創(chuàng)立了平爐煉鋼

2、法，1880年,出現了堿性平爐。 1952年在奧地利出現純氧頂吹轉爐。,20世紀50年代初奧地利的Voest Alpine公司才將氧氣煉鋼用于工業(yè)生產，從而誕生了氧氣頂吹轉爐，亦稱LD 轉爐。,LD轉爐,1970年后，由于發(fā)明了用碳氫化合物保護的雙層套管式底吹氧槍 而出現了底吹法，各種類型的底吹法轉爐（如OBM,Q-BOP,LSW等）在實際生產中顯示出許多優(yōu)于頂吹轉爐之處，使一直居于首位的頂吹法受到挑戰(zhàn)和沖擊。,OBM裝置,繼奧地利人Dr.Edaurd等于1973年研究轉爐頂底復吹煉鋼之后，世界各國普遍開展了轉爐復吹的研究工作，出現了各種類型的復吹轉爐，到20世紀80年代初開始正式用于生產。,

3、頂底復吹裝置,傳統(tǒng)的轉爐煉鋼過程是將高爐來的鐵水經混鐵爐混勻后兌入轉爐，并按一定比例裝入廢鋼，然后降下水冷氧槍以一定的供氧、槍位和造渣制度吹氧冶煉。當達到吹煉終點時，提槍倒爐，測溫和取樣化驗成分，如鋼水溫度和成分達到目標值范圍就出鋼。否則，降下氧槍進行再吹。在出鋼過程中，向鋼包中加入脫氧劑和鐵合金進行脫氧、合金化。然后，鋼水送模鑄場或連鑄車間鑄錠。,1951年堿性空氣側吹轉爐煉鋼法首先在我國唐山鋼廠試驗成功，并于1952年投入工業(yè)生產。1954年開始廠小型氧氣頂吹轉爐煉鋼的試驗研究工作，1962年將首鋼試驗廠空氣側吹轉爐改建成3t氧氣頂吹轉爐，開始了工業(yè)性試驗。在試驗取得成功的基礎上，我國第1

4、個氧氣頂吹轉爐煉鋼車間（2x30t）在首鋼建成，于1964 年12月26日投入生產。,近幾年中國年產鋼量,鋼產量達到4.89億t,2002,鋼產量首次突破2億t，達到2.234億t,鋼產量達到3.5億t,年產鋼量為1.82億t,粗鋼產量達到5.678億t,預計2010年將突破6億t,序號 500強企業(yè)排名企業(yè)名稱 地區(qū) 營業(yè)收入（萬元） 12 上海寶鋼集團公司 上海 12041545 34 首鋼總公司 北京 4791338 49 鞍山鋼鐵集團公司 遼寧 3147476 55 本溪鋼鐵（集團）公司 遼寧 2948530 59 武漢鋼鐵（集團）公司 北京 2731316 6 63 攀枝花鋼鐵（集團

5、）公司 四川 2634533 7 80 廣州鋼鐵企業(yè)集團公司 廣東 2102981 8 83 太原鋼鐵（集團）公司 山西 2073985 9 86 江蘇沙鋼集團公司 江蘇 2040198 10 87 邯鄲鋼鐵集團公司 河北 2018900,國內知名鋼鐵企業(yè)在中國500強中的排名,二、煉鋼原料, 金屬料：鐵水、廢鋼、合金鋼 非金屬料：造渣劑（石灰、螢石、鐵礦石）、 冷卻劑（廢鋼、鐵礦石、氧化鐵）、 增碳劑和燃料（焦炭、石墨籽、煤塊、重油） 氧化劑：氧氣、鐵礦石、氧化鐵皮,【1】金屬料,1、鐵 水 鐵水是轉爐煉鋼的主要原材料，一般占裝入量的70%-100%。是轉爐煉鋼的主要熱源。 對鐵水要求有：

6、（1）成分； （2）帶渣量； （3）溫度。,1）硅（Si） 硅是重要的發(fā)熱元素，鐵水中含Si量高，爐內的化學熱增加，鐵水中Si量增加0.10%，廢鋼的加入量可提高1.3%-1.5%。 鐵水含Si量高，渣量增加，有利于脫磷、脫硫。 硅含量過高會使渣料和消耗增加，易引起噴濺，金屬收得率降低，同時渣中過量的SiO2，也會加劇對爐襯的侵蝕，影響石灰渣化速度，延長吹煉時間。 通常鐵水中的硅含量為0.30%-0.60%為宜。,2）錳（Mn） 錳是發(fā)熱元素，鐵水中Mn氧化后形成的MnO能有效促進石灰溶解，加快成渣，減少助熔劑的用量和爐襯侵蝕。 同時鐵水含Mn高，終點鋼中余錳高，從而可以減少合金化時所需的錳鐵

7、合金，有利提高鋼水純凈度。 轉爐用鐵水對錳與硅比值要求為0.8-1.0，目前使用較多的為低錳鐵水，錳的含量為0.20%-0.80%,3）磷（P）。磷是高發(fā)熱元素，對一般鋼種來說是有害元素，因此要求鐵水磷含量越低越好，一般要求鐵水P0.20%。 4）硫（S）。除了含硫易切削以外，絕大多數鋼種要求去除硫這一有害元素。氧氣轉爐單渣操作的脫硫效率只有30%-40%。我國煉鋼技術規(guī)程要求入爐鐵水的硫含量不超過0.05%。,對鐵水帶渣量的要求： 高爐渣中含硫、SiO2、和Al2O3量較高，過多的高爐渣進入轉爐內會導致轉爐鋼渣量大，石灰消耗增加，造成噴濺，降低爐襯壽命，因此，進入轉爐的鐵水要求帶渣量不得超過

8、0.5%。 對鐵水溫度的要求： 鐵水溫度是鐵水含物理量多少的標志，鐵水物理熱得占轉爐熱收入的50%。應努力保證入爐鐵水的溫度，保證爐內熱源充足和成渣迅速。我國煉鋼規(guī)定入爐鐵水溫度應大于1250，并且要相對穩(wěn)定。,2、廢鋼,轉爐和電爐煉鋼均使用廢鋼，氧氣頂吹轉爐用廢鋼量一般是總裝入量的10%-30%。,轉爐煉鋼對廢鋼的要求：,1)廢鋼的外形尺寸和塊度 應保證能從爐口順利加入轉爐。廢鋼的長度應小于轉爐口直徑的1/2，廢鋼單重一般不應超過300kg。國標要求廢鋼的長度不大于1000mm，最大單件重量不大于800kg。 2）廢鋼中不得混有鐵合金 嚴禁混入銅、鋅、鉛、錫等有色金屬和橡膠，不得混有封閉器皿

9、、爆炸物和易燃易爆品以及有毒物品。廢鋼的硫、磷含量均不大于0.050%。,3）廢鋼應清潔干燥 不得混有泥沙，水泥，耐火材料，油物等。 4）不同性質的廢鋼分類存放 非合金鋼、低合金鋼廢鋼可混放在一起，不得混有合金廢鋼和生鐵。合金廢鋼要單獨存放，以免造成冶煉困難，產生熔煉廢品或造成貴重合金元素的浪費。,3、鐵合金,常用的鐵合金種類： 簡單合金：Fe-Mn，Fe-Si，Fe-Cr，Fe-V等 復合脫氧劑：Ca-Si合金，Al-Mn-Si合金， Mn-Si合金等 純金屬：Mn、Ti、Ni、Al。,【2】非金屬料,1、 造渣劑 （1）石灰 堿性煉鋼方法的造渣料，主要成分為CaO，由石灰石煅燒而成，是脫P

10、、脫S不可缺少的材料，用量比較大。 其質量好壞對吹煉工藝、產品質量和爐襯壽命等產生主要影響。因此，石灰CaO含量高，SiO2和S 含量低，生過燒率低，活性高，塊度適中，此外，石灰還應保持清潔、干燥和新鮮。,（2）螢石,螢石的主要成分是 CaF2，焙燒約930。 螢石助熔的特點是作用快，時間短。但大量使用螢石會增加噴濺，加劇爐襯侵蝕，污染環(huán)境。,（3）白云石,白云石的主要成分CaCO3.MgCO3。經焙燒可成為輕燒白云石，其主要成分為CaO.MgO。 轉爐采用生白云石或輕燒白云石代替部分石灰造渣。可減輕爐渣對爐襯的侵蝕，提高爐襯壽命具有明顯效果,（4）合成造渣劑,合成造渣劑是用石灰加入適量的氧化

11、鐵皮、螢石、氧化錳或其他氧化物等熔劑，在低溫下預制成型。 合成渣劑熔點低、堿度高、成分均勻、粒度小，且在高溫下易碎裂，成渣速度快，因而改善了冶金效果，減輕了轉爐造渣負荷。,2、 增碳劑,在冶煉過程中，由于配料或裝料不當以及脫碳過量等原因，有時造成鋼中碳含量沒有達到預期的要求，這時要向鋼液中增碳。常用的增碳劑有增碳生鐵、電極粉、石油焦粉、木炭粉和焦炭粉。 轉爐冶煉中，高碳鋼種時，使用含雜質很少的石油焦作為增碳劑。,3 、氧化劑,氧氣是轉爐煉鋼的主要氧化劑，其純度達到或超過99.5%，氧氣壓力要穩(wěn)定，并脫除水分。 氧化鐵亦稱鐵磷，是鋼坯加熱，軋制和連鑄過程中產生的氧化殼層，鐵量約占70%-75%。

12、氧化鐵皮還有助于化渣和冷卻作用，使用時應加熱烘烤，保持干燥。 鐵礦石中鐵的氧化物存在形式是Fe2O3、Fe3O4和FeO其氧含量分別是30.06%，27.64%和22.28%。,三、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,(1)、裝料次序 對使用廢鋼的轉爐，一般先裝廢鋼后裝鐵水。先加潔凈的輕廢鋼，再加入中型和重型廢鋼，以保護爐襯不被大塊廢鋼撞傷，而且過重的廢鋼最好在兌鐵水后裝入。 為了防止爐襯過分急冷，裝完廢鋼后，應立即兌入鐵水。 （2）裝入量 裝入量指煉一爐鋼時鐵水和廢鋼的裝入數量，它是決定轉爐產量、爐齡及其他技術經濟指標的主要因素之一。裝入量中鐵水和

13、廢鋼配比是根據熱平衡計算確定。通常，鐵水配比為70%-90%.,1.裝料制度,2.供氧制度,供氧制度的主要內容包括確定合理的噴頭結構、供氧強度、氧壓和槍位控制。供氧是保證雜質去除速度、熔池升溫速度、造渣制度、控制噴濺去除鋼中氣體與夾雜物的關鍵操作，關系到終點的控制和爐襯的壽命，對一爐鋼冶煉的技術經濟指標產生重要影響。,3.造渣制度,造渣是轉爐煉鋼的一項重要操作。所謂造渣，是指通過控制入爐渣料的種類和數量，使爐渣具有某些性質，以滿足熔池內有關煉鋼反應需要的工藝操作。由于轉爐冶煉時間短，必須快速成渣，才能滿足冶煉進程和強化冶煉的要求，同時造渣對避免噴濺、減少金屬損失和提高爐襯壽命都有直接影響。,4

14、.溫度制度,在吹煉一爐鋼的過程中，需要正確控制溫度。溫度制度主要是指煉鋼過程溫度控制和終點溫度控制。,1、 終點 熔池中金屬的成分和溫度達到所煉鋼種要求時，稱為終點。 2 、終點的條件 吹煉到達終點的具體條件是： 鋼中碳達到所煉鋼種要求的控制范圍； 鋼中S、P低于規(guī)定下限要求一定范圍； 出鋼溫度保證能順利進行精煉和澆鑄； 達到鋼種要求控制的氧含量。 3、終點控制 終點控制是轉爐吹煉末期的重要操作。終點控制主要是指終點溫度和成分的控制。,5.終點控制,脫氧：向鋼液加入某些脫氧元素，脫除其中多余氧的操作。 合金化：加入一種或幾種合金元素，使其在鋼中的含量達到鋼種規(guī)格要求的操作。 區(qū)別：合金元素的價

15、格通常較高，希望盡量少氧化；脫氧元素則比較便宜，先加入，讓其充分脫氧以免后加入的合金元素氧化。 聯(lián)系：二者都是向鋼液加入鐵合金，同時加入鋼液的脫氧劑必然會有部分溶于鋼液而起合金化的作用，如使用Fe-Si、Fe-Mn脫氧的同時調整鋼液的硅錳含量；加入鋼液的合金元素，因其與氧的親和力大于鐵也勢必有一部分被氧化而起脫氧作用。轉爐的脫氧與合金化的操作常常是同時進行的。,脫氧及合金化,四、轉爐煉鋼原理、工藝流程及設備,1、原理： 轉爐煉鋼法同其他煉鋼法主要區(qū)別在于不借助外加能源，僅靠吹入熔池的空氣或氧氣與生鐵水中各種元素的放熱氧化反應完成脫碳和脫除雜質的任務，并將鋼液加熱到出鋼（1600或更高）溫度。,

16、2、氧氣頂吹轉爐工藝流程,歸納為： “四脫”（碳、氧、磷和硫） “二去”（去氣和去夾雜） “二調整”（成分和溫度） 采用的主要技術手段為：供氧，造渣，升溫，加脫氧劑和合金化操作。,上爐出鋼、倒渣，檢查爐襯和傾動設備等并進行必要的修補和修理； 傾爐，加廢鋼、兌鐵水，搖正爐體（至垂直位置）； 降槍開吹，同時加入第一批渣料（起初爐內噪聲較大，從爐口冒出赤色煙霧，隨后噴出暗紅的火焰；35min后硅錳氧接近結束，碳氧反應逐漸激烈，爐口的火焰變大，亮度隨之提高；同時渣料熔化，噪聲減弱） 35min后加入第二批渣料繼續(xù)吹煉（隨吹煉進行鋼中碳逐漸降低，約12min后火焰微弱，停吹）； 倒爐，測溫、取樣，并確定

17、補吹時間或出鋼； 出鋼，同時（將計算好的合金加入鋼包中）進行脫氧合金化。,頂吹轉爐冶煉一爐鋼的操作過程,頂吹轉爐冶煉視頻,氧化 當空氣或氧氣吹入鐵水時，生鐵中易氧化元素就開始氧化,產生的氧化物和加入的石灰形成爐渣。各項元素按其與氧結合能力的順序依次氧化。首先氧化的是硅、錳和少量的鐵。開始時因溫度低(12001300)，而且石灰溶解很慢，組成低氧化鈣的鐵-錳-硅酸渣。隨著溫度升高，碳開始激烈地進行氧化。隨石灰逐漸溶解，爐渣轉變?yōu)楣杷徕}渣或磷酸鈣渣,磷和硫亦被脫除,熔池鐵液中各種元素氧化的先后順序為硅、釩、錳、鉻。碳隨著溫度的提高而分別先于有關元素。 脫氧 轉爐吹煉終了時，鋼液中存在著少量過剩的溶

18、解氧，一般為0.010.08。其含量主要取決于終點鋼水的碳含量。但在固體鋼中氧的溶解度很低,僅為0.0020.003,因此在澆鑄后的鋼水凝固過程中，氧便以FeO形式析出,影響鋼的質量。所以,要煉成合格的鋼,就必須脫氧。脫氧是將與氧親和力較大的元素及其合金作為脫氧劑加入鋼液中，利用脫氧產物不溶于鋼液而析出上浮脫離鋼液的原理,使鋼中的含氧量降到規(guī)定限度之下。在生產中常用的脫氧元素錳、硅、鋁,它們的脫氧能力依次遞增。為提高脫氧效率,使脫氧產物易于形成大顆粒排出，脫氧劑的加入一般應采用由弱到強的順序，即先加錳鐵，再加硅鐵，最后加鋁（或鋁鐵）。,3、轉爐煉鋼主要工藝設備簡介 （1）轉爐 爐體可轉動，用于

19、吹煉鋼或吹煉锍的冶金爐。轉爐爐體用鋼板制成，呈圓筒形，內襯耐火材料，吹煉時靠化學反應熱加熱，不需外加熱源，是最重要的煉鋼設備，也可用于銅、鎳冶煉。 （2）鋼包精煉爐 用電弧爐熔化爐料，然后將鋼液傾入鋼包精煉爐中，用氬氣進行吹煉，能有效地清除鋼液中的氣體和夾雜物，提高鋼液的質量。在鋼包精煉爐基礎上發(fā)展起來的氬氧脫碳（AOD）法和真空氬氧脫碳（VOD）法是冶煉高純凈度鋼液，特別是低碳的高純凈度鋼液的先進方法，特別適用于生產高強度鋼、超高強度鋼等鋼種。,AOD精煉爐:AOD即氬氧脫碳精煉爐，是一項用于不銹鋼冶煉的專有工藝。AOD爐型根據容量有3t、6t、8t、10t、18t、25t、30t等。裝備水

20、平也由半自動控制發(fā)展到智能計算機控制來冶煉不銹鋼。 VOD精煉爐:VOD即真空氬氧脫碳精煉爐是在真空狀態(tài)下進行吹氧脫碳的爐外精煉爐，它以精煉鉻鎳不銹鋼、超低碳鋼、超純鐵素體不銹鋼及純鐵為主。將初煉鋼液裝入精煉包中放入密封的真空罐中進行吹氧脫碳、脫硫、脫氣、溫度調整、化學元素調整。 有三個階段：1.吹氧階段 2.吹氬-氧混合氣體階段 3.吹氬階段,LF精煉爐: LF（ladle furnace)直流鋼包爐是具有加熱和攪拌功能的鋼包精煉爐。加熱一般通過電極加熱，攪拌是通過底部透氣磚進行的。,（3）氧槍 氧槍是轉爐供氧的主要設備，它是由噴頭、槍身和尾部結構組成。,噴頭 是用導熱性良好的紫銅經鍛造和切

21、割加工而成，也有用壓力澆鑄而成的。噴頭的形狀有拉瓦爾型、直筒型和螺旋型等。目前應用最多的是多孔的拉瓦爾型噴頭。拉瓦爾型噴頭是收縮擴張收縮型噴孔，當出口氧壓與進口氧壓之比p出/p00.528時形成超音速射流。,拉瓦爾型噴頭示意圖,槍身 為3根(雙流氧槍為4根)同心的無縫鋼管，下端連接噴頭，上頭端和槍尾相連。 槍尾 包括供氧、進水和排水支管及連接法蘭和密封膠圈，通過槍尾和車間的氧氣管網和高壓水管網相連接。,傾爐系統(tǒng)：變頻調速(變頻器+電機+減速機+大齒輪) 傾爐機構：傾爐機構由軌道、傾爐油缸、搖架平臺、水平支撐機構和支座等組成。,（4）轉爐傾爐系統(tǒng),1、氧氣轉爐煉鋼法的優(yōu)點,吹煉速度快，生產率高

22、品種多，質量好 原材料消耗少，熱效率高，成本低 基建投資少，建設速度快 容易與連續(xù)鑄鋼相匹配 氧氣轉爐鋼具有鋼中氣體含量少 的特點,五、轉爐煉鋼的特點及發(fā)展趨勢,各種精煉爐的煉鋼效率 1- 堿性轉爐煉鋼法，2- 純氧頂吹轉爐煉鋼法；3- 氧氣側吹轉爐煉鋼法，4- 平爐（氧氣使用量1040Nm3t）， 5- 電爐，6- 平爐,與平爐、電爐煉鋼法相比，氧氣轉爐煉鋼法具有生產率高等特點。 頂吹氧氣轉爐煉鋼法的小時產鋼量為平爐煉鋼法的68倍，是效率極高的煉鋼方法。,純氧頂吹轉爐既能煉普通鋼，也能煉普通低碳鋼。如首都鋼廠采用這種方法成功地試煉了一百多種鋼材。由于用純氧吹煉，鋼中氮、氫等有害氣體含量較低。

23、,低碳鋼板，軸承鋼,由于氧氣頂吹轉爐反應速度快，生產率及熱效率很高，可使用約2030的廢鋼以及便于自動化控制，又克服了空氣吹煉時鋼質量差、品種少的缺點； 冶煉成本低，耐火材料用量比平爐電爐用量低。,轉爐煉鋼示意圖,基建投資和生產費用低 純氧頂吹轉爐的基建投資相當于同樣生產量的平爐車間的6070，生產費用也低于平爐。,鐵水預處理轉爐吹煉爐外精煉連鑄,與連鑄匹配：,寶鋼遠景,各種煉鋼法和氣體含量,注： （a）普通法， （b）礦石法,2、氧氣轉爐煉鋼法的缺點,冶煉過程中都是氧化性氣氛，去硫效率差 昂貴的合金元素也易被氧化而損耗 廢氣鐵塵損失大 冶煉超低碳鋼困難,3、轉爐煉鋼技術的發(fā)展趨勢,合理優(yōu)化工

24、藝流程，形成緊湊式連續(xù)化的專業(yè)生產線 轉爐高速吹煉工藝技術 建立大規(guī)模、廉價生產潔凈鋼的生產體系 節(jié)能與環(huán)境保護,3.1合理優(yōu)化工藝流程 主要技術措施,100%鐵水采用“三脫”與處理工藝技術； 轉爐實現高速吹煉，冶煉周期達到20min,在此基礎上實現各工序快節(jié)奏均衡工藝； 100%鋼水爐外精煉，其中真空精煉比將大幅度提高； 采用高速連鑄技術，厚板坯的拉速將提高到3.54.5m/min,單流產量達到300萬噸/年； 100%連鑄坯高溫熱送、熱裝； 采用無頭連續(xù)軋制。,已由單純用轉爐冶煉發(fā)展:鐵水預處理轉爐吹煉爐外精煉連鑄這一新的工藝流程。 這一流程以設備大型化、現代化和連續(xù)化為特點。氧氣轉爐已由原來