1、转转 炉炉 炼炼 钢钢 基基 础础 工工 艺艺 理理 论论吴吴 仕仕 慈慈 2007.9.41 转炉炼钢基本任务转炉炼钢基本任务 转炉的基本任务概括起来一句话：“四脱、两去、一升、一调整”。四脱：脱C、脱P、脱S、脱O；两去：去除有害气体、去除夹杂物；一升：提升温度；一调整：调整成分（合金元素）。生铁与钢的Wc区别：在实际工艺生产中，Wc 2.0%为生铁。若以铁水为主原料炼钢，需要氧化脱C。钢中P、S含量过高分别会造成钢的“冷脆”和“热脆”，一般为有害元素，炼钢过程中必须脱除P、S。钢中氧含量过高后会形成大量氧化物夹杂，并加剧钢的热脆性，因此出钢要脱氧。钢中氢、氮等气体含量过高分别会造成钢的氢
2、脆（白点）和时效性，必须去除。夹杂物的存在会破坏钢基体的连续性，从而降低钢的各项力学性能，也必须去除。炼钢过程应设法提高温度以满足出钢、精练、浇注的要求，同时还要加入一定种类和数量的合金，脱氧并使钢的成分达到所炼钢种的规格，此即升温和调整成分。整个炼钢过程通过供氧、造渣、加合金、搅拌、升温等手段来共同完成炼钢的基本任务。2 转炉炼钢工艺转炉炼钢工艺 五大制度：装入制度、供氧制度、造渣制度、温度制度、脱氧合金化制度。2.1 装入制度装入制度 装入制度：确定转炉合理的装入量和铁水废钢比。装入量过大或过小都不能得到好的技术经济指标。若装入量过大，将导致吹炼过程造渣困难，频繁喷溅，延长冶炼时间，使吹损
3、增加，炉衬寿命降低。若装入量过小，不仅产量下降，而且由于熔池变浅，如果控制不当，炉底容易受氧气射流的冲击作用而逐渐损坏，甚至使炉底烧穿进而造成漏钢事故。装入制度分类：（1）定量（定容）装入：即整个炉役期间，每炉的装入量保持不变。便于生产组织，操作稳定，有利于实现过程自动控制，但炉役前期熔池深，后期熔池浅，只适合大吨位转炉。（2）定深装入：即整个炉役期间，保持每炉的金属熔池深度不变。氧枪操作稳定，有利于提高供氧强度和减少喷溅，不必担心氧气射流会冲击炉底，但装入量和出钢量变化极为频繁，生产组织困难。（3）分阶段定量装入：将一个炉役期按炉膛扩大的程度划分为几个阶段，每个阶段定量装入。这样既大体上保持
4、了整个炉役期间具有比较合适的熔池深度，又保持了各个阶段中装入量的相对稳定，是一种适应性较强的装入制度。新二钢转炉：公称容量180吨（定容），平均装入量220吨，平均出钢量200吨。铁水、废钢的装入顺序 （1）先兑铁水后加废钢 可以避免废钢直接撞击炉衬，但炉内留有液态渣时，要先加石灰稠化残渣，否则兑铁水易发生喷溅。（2）先装废钢后兑铁水 目前国内各钢厂普遍采用了溅渣护炉技术，可以抵消废钢直接撞击炉衬的影响。这样的装入顺序可以有效防止兑铁喷溅，但补炉后的第一炉应采用前法。准确控制铁水废钢比 从理论上讲，铁水和废钢装入比例应根据热平衡计算而确定。但在实际生产条件下，一般是根据铁水成分、温度、炉龄长短
5、、废钢预热等情况按经验确定。目前，我国大多数转炉生产中铁水占整个装入量的比例一般在70 100%之间，废钢加入量一般为80 120kg/t。2.2 供氧制度供氧制度 供氧制度：合理考虑喷头结构、供氧压力、供氧强度和氧枪高度控制等因素，以求在供氧喷头结构一定的条件下使氧气射流最合理地供给熔池，创造炉内良好的物理化学条件。喷头结构 转炉供氧的射流特征是通过氧枪喷头来实现的。喷头结构的合理选择是转炉供氧的关键。氧枪喷头有单孔和多孔两种结构。相比于单孔喷头，多孔喷头的主要优点：吹炼过程平稳，容易化渣，减少喷溅，提高了金属收得率和氧气利用率。新二钢使用的氧枪喷头如图所示：为周边五孔环中心一孔的六孔拉瓦尔
6、型喷头。拉瓦尔喷孔由收缩段、喉口和扩张段三段构成，可以把高压氧气的压力能有效地转换为动能，并可获得比较稳定的超音速气流。工艺参数 氧气流量：单位时间内向熔池供氧的数量（标态下体积量度）。，Nm3/min 或 Nm3/h V 1炉钢的耗氧量，Nm3 t 1炉钢的吹氧时间，min或h 新二钢氧枪氧气流量：Q=44500Nm3/htVQ 供氧强度：单位时间内每吨金属的耗氧量。，Nm3/（t.min）T 1炉钢的金属装入量，t 新二钢氧枪供氧强度：I=3.71 Nm3/（t.min）tTVTQI 供氧压力：供氧制度中规定的工作氧压是指测定点的氧压p用，它不是喷嘴前的氧压p0，也不是出口氧压p。新二钢氧
7、枪氧压：p0=0.876 MPa 当p0 0.6 MPa时，严禁吹炼，以防止氧枪回火事故。氧枪高度（枪位）控制 一般枪位控制分为恒压变枪、恒枪变压、变枪变压三种方式。我国大多数转炉都采用比较简单可行的恒压变枪操作，下面就恒枪变压操作来分析枪位高低对炉内反应的影响：枪位越低，氧气射流对熔池的冲击动能越大，熔池搅拌加强，氧气利用率越高，加速了炉内脱C反应速度，使渣中w(TFe)含量低。同时，由于脱C速度快，缩短了反应时间，热损失相对减少，熔池升温迅速。反之，枪位越高，则有相反对应的影响。枪位过低，中期易反干，不利于化渣，还可能冲击炉底。而枪位过高，将使熔池的搅拌能力减弱，造成渣中w(TFe)含量增
8、加，容易导致炉渣泡沫化喷溅。由此可见，只有选择合适的枪位才能获得良好的吹炼效果。影响枪位选择的几个主要因素：（1）吹炼的不同时期；（2）熔池深度；（3）造渣材料的质量及其加入量；（4）铁水温度和成分。2.3 造渣制度造渣制度 转炉的供氧时间仅仅十几分钟，在此期间必须形成具有一定碱度、氧化性和流动性、合理w(MgO)、正常泡沫化的熔渣，以保证来能够炼出合格的钢水，并减少对炉衬的侵蚀。造渣制度就是要确定合适的造渣方法，渣料加入的时机和数量，以及如何快速成渣。转炉炼钢造渣的目的是：去除P、S，有效吸收上浮夹杂物和反应产物，保护炉衬，减少钢水终点氧含量。碱度R定义：或 R一般为3 4，铁水P、S含量高
9、，R相应要高些。)()(2SiOwCaOwR)()()(522OPwSiOwCaOwR 脱P反应：2P+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO*P2O5)+5Fe+Q 有利条件“三高一合适”：高碱度、高氧化性、大渣量、合适的低温。高碱度、高氧化性：增大渣中CaO、FeO的浓度，并提高了a(CaO)、a(FeO)，高FeO含量还有助于渣的良好流动性，有利于脱P反应向右进行。大渣量：减小了4CaO*P2O5的浓度，有利于脱P反应向右进行。合适的低温：脱P反应为强放热反应，合适低温有利于反应向右进行。脱S反应：FeS+(CaO)=(CaS)+(FeO)Q （炉渣脱硫）有利条件：“三高一低”：高碱度、
10、高温、大渣量、低氧化性。渣造的好是炼好钢的必要条件！渣造的好是炼好钢的必要条件！造渣方法 根据铁水成分以及所吹炼钢种的要求来确定造渣方法。常用的造渣方法有单渣操作、双渣操作、留渣操作三种。（1）单渣操作：吹炼过程中只造一次渣，中途不倒渣，直至终点出钢。当铁水Si、P、S含量较低，或者钢种对P、S要求不高，以及冶炼低碳钢种时，均可以采用单渣操作。单渣操作工艺比较简单，吹炼时间短，易于实现自动控制。（2）双渣操作：在吹炼中途分一次或几次倒去约1/22/3的熔渣，然后加入渣料重新造渣。当铁水Si、P含量高，或冶炼低P、低Mn钢，以及大补炉后第一炉时一般采用双渣操作。（3）留渣操作：将上炉终点熔渣的一
11、部分或全部留给下炉使用。终渣一般有较高的碱度和w(TFe)含量，温度较高，留到下一炉，有利于初渣早形成，并且提高了前期去P、S的效率，还有利于保护炉衬和减少石灰含量。留渣操作时，兑铁水前必须要加石灰稠化熔渣，避免产生喷溅而造成事故。渣料加入量确定（以单渣操作为例）加入炉内的渣料，主要指石灰和轻烧白云石，还有少量助熔剂。（1）石灰加入量w(kg/t)：石灰主要成分为CaO，加入量根据铁水中Si、P含量和炉渣碱度R来确定。当铁水wP 0.30%时，R=w(CaO)/w(SiO2)+w(P2O5)2.2 1/2SiO2/Si+P2O5/P 的分子质量之比，1000R)()(2.2有效CaOwPwSi
12、ww （2）轻烧白云石加入量w(kg/t)：轻烧白云石主要成分为MgO和CaO，加入量根据炉渣中所要求的w(MgO)含量来确定，一般w(MgO)含量控制在7%10%炉渣中的w(MgO)含量由石灰、轻烧白云石和炉衬侵蚀出的MgO共同组成。轻烧白云石应加入量w(kg/t)：w(MgO渣)炉渣中MgO的含量，%w(MgO白)轻烧白云石中MgO的含量，%实际加入量：w实际=ww灰w衬1000)()(白渣渣量MgOwMgOww 例题：设渣量为金属装入量的12%，炉衬侵蚀量为装入量的1%，炉衬中含w(MgO)=40%；铁水成分：wSi=0.7%，wP=0.2%，wS=0.04%；石灰成分：w(CaO灰)=
13、90%，w(MgO灰)=3%，w(SiO2灰)=2%;轻烧白云石成分：w(CaO白)=40%，w(MgO白)=35%，w(SiO2白)=3%;终渣要求：w(MgO灰)=8%，碱度R=3.5；求轻烧白云石的加入量。解：轻烧白云石应加入量：炉衬侵蚀进入渣中MgO折算的轻烧白云石量：石灰中带入MgO折算的轻烧白云石量：轻烧白云石实际加入量：w实际=ww灰w衬=27.411.45.4=10.6 kg/ttkgMgOwMgOww/4.27100035%8%12%1000)()(白渣渣量tkgMgOwMgOww/4.11100035%40%1%1000)()(白衬衬炉衬侵蚀量tkgMgOwMgOwww/4
14、.5%35%310005.32%3.5-90%7.0 2.14)()(白灰石灰加入量灰 (3)助熔剂加入量：转炉冶炼常用助熔剂主要是氧化铁皮、铁矿石和萤石。氧化铁皮和铁矿石能调节渣中FeO含量，从而起到化渣作用，但对熔池有较大的冷却效应，应结合炉内温度情况确定加入量。萤石化渣块，效果明显，但是用量过多对炉衬有严重侵蚀作用。另外我国萤石资源短缺，价格较高，而且使用后对环境有较大污染，所以应尽量少用或不用。渣料加入时间的确定 渣料的加入数量和加入时间对化渣速度有直接影响。通常情况下，渣料分两批加入：第一批渣料在兑铁水前或开吹点火后加入，加入量为总渣量的1/22/3，并将轻烧白云石一次性全部加入；第
15、二批渣料加入时间是在第一批渣料已化好，且铁水中Si、Mn氧化基本结束碳焰初起时加入，可以一次加入，也可以分几小批加入，具体应结合炉内化渣，炉温和脱P、脱S情况考虑。最后一批渣料必须在拉碳前一定时间内加完，否则来不及化渣均匀。第二批渣料加的过早和过晚都对吹炼不利。加入过早，炉内温度低，第一批料还没有化好，又加冷料，熔渣就更不容易形成，有时还会造成石灰结坨，引起金属喷溅，炉温也提上不去。加入过晚，正值碳的激烈氧化期，渣中FeO含量低，当料加入后，炉温骤然降低，不仅渣料不易熔化，还抑制了碳氧反应，使渣中FeO 慢慢积累，当炉温再度上升到一定温度时，熔池内碳氧突然又剧烈反应，容易造成爆发性大喷溅。2.
16、4 温度制度温度制度 温度对于转炉吹炼过程既是重要的热力学参数，又是重要的动力学参数，它既对各个化学反应的反应方向、反应速度和各元素之间的相对反应程度有重大影响，又对熔池中物质的传质和传热速度有重大影响。温度制度主要指吹炼过程温度控制和终点温度控制两个方面。前者的目的是为了保证吹炼过程顺利平稳地进行，后者的目的是选择合理的出钢温度，为后序工艺顺利进行提供保证。吹炼过程温度控制的基本点：（1）满足快速造渣的需要，保证尽快形成成分和性质符合要求的炉渣；（2）满足去除P、S和其它杂质的需要；（3）满足吹炼过程平稳顺行的要求；（4）协调熔池升温和脱C的速度，满足准确控制终点的要求。温度控制的主要方法是
17、适时加入一定数量的冷却剂，其关键是确定冷却剂用量和适当的加入时间。常用的冷却剂有铁矿石、废钢、氧化铁皮等。加入的石灰、轻烧白云石等渣料也能起到冷却剂的作用。冷却效应：加入1kg冷却剂所消耗的热量。冷却剂消耗的热量包括其提高温度所消耗的物理热和参加化学反应消耗的化学热两个部分。即：Q冷=Q物+Q化 铁矿石的冷却效应：铁矿石的物理耗热是从常温加热到熔化直至出钢温度所吸收的物理热量，化学耗热是铁矿石分解反应过程吸收的热量。废钢的冷却效应：废钢的冷却作用主要靠吸收物理热，即从常温加热到全部熔化，再提高到出钢温度所吸收的热量。氧化铁皮的冷却效应与铁矿石基本一致。若规定废钢的冷却效应为1.0，则有下列换算
18、值：废钢：1.0 生铁块：0.7 铁矿石：3.0 4.0 氧化铁皮：3.0 4.0 石灰：1.0 轻烧白云石：1.5 冷却剂的加入时间因各自条件的不同而有所差别。废钢在吹炼过程中加入不方便，通常是在开吹前加入。用铁矿石或氧化铁皮作冷却剂时，由于它们同时也是化渣剂，加入时间往往与造渣同时考虑，多采用分批加入的方式。影响终点温度的主要因素：（1）铁水成分和温度；（2）铁水废钢比；（3）炉龄；（4）终点碳含量；（5）炉与炉之间的间隙时间；（6）冷却剂用量（影响最大）；（7）枪位；（8）喷溅。出钢温度的确定：T出=Tf+T1+T2+T3 Tf 钢水凝固温度，Tf =1539wiTi wi 钢水中某元素
19、的质量分数，%Ti 含有1%的i元素使纯铁凝固温度下降值，T1 钢水的过热度，T2 出钢、吹氩、精炼、运输过程中的温 降，T3 浇注过程的温降，2.5 终点控制和出钢终点控制和出钢 通过供氧造渣操作，经历一系列物理化学反应后，钢水达到了所冶炼钢种成分和温度要求的时刻，称之为“终点”。达到终点的具体标志：（1）钢中碳含量达到所炼钢种的控制范围；（2）钢中P、S含量低于规格下限一定范围；（3）出钢温度能保证顺利进行精炼和浇注。终点控制是转炉吹炼后期的重要操作。由于P、S的脱除通常比脱C复杂，所以总是尽可能地使P、S提早脱除到终点要求的范围。终点控制实际上是指终点碳含量和终点钢水温度的控制。终点停止
20、供氧俗称为“拉碳”。终点控制不当会造成一系列的危害：拉碳偏高时，需要补吹，使得渣中w(TFe)高，金属消耗增加，同时降低了炉衬寿命；拉碳偏低时，需增碳，影响钢的质量，甚至不得不改变钢种牌号，既延长了冶炼时间，又打乱了正常的生产节奏，拉低碳经常为过氧化出钢，对炉衬损害严重。若终点温度偏低，也需要补吹，由此同样造成了碳偏低所导致的影响；终点温度偏高，会使钢水气体含量增高，且浪费能源，侵蚀耐火材料，增加夹杂物含量和回P量，造成钢质量降低。终点控制的方法有三种，即一次拉碳法、增碳法、高拉补吹法：（1）一次拉碳法 按出钢要求的终点碳含量和终点温度进行吹炼，当达到要求时提枪，重点C、T同时命中目标。一次拉
21、碳法要求操作技术水平高，其优点明显：终点w(TFe)低，钢水收得率高，对炉衬侵蚀量小，钢中有害气体少，钢水纯净，氧耗量小。（2）增碳法 终点时，均吹炼到目标碳含量以下若干范围，然后加入增碳剂命中目标。优点：终点容易命中，终渣w(TFe)高，化渣好，去P效率好，热量收入较多，可以适当增加废钢装入量。（3）高拉补吹法 当冶炼中、高碳钢时，终点前脱碳速度仍然较快，炉口火焰火花不易准确观察判断，人工一次拉碳很难命中目标。可以采取按钢种规格稍高一些的程度拉碳，待测温取样后根据分析结果与目标的差值决定补吹时间。挡渣出钢 减少转炉出钢时的下渣量是改善钢水质量的一个重要方面。在出钢过程中进行有效的挡渣操作，不
22、仅可以减少钢水回磷、提高合金收得率，还能减少钢中夹杂物，提高钢水清洁度，为后序的精炼和浇注提供了良好条件。为提高转炉挡渣效果，国内外各钢厂在挡渣技术方面进行了深入研究，发明了多种挡渣方法。主要有：挡渣球法、挡渣塞法、挡渣棒法、挡渣料法、气动挡渣法、电磁挡渣法等。由于用挡渣球等有形挡渣物挡渣，材料消耗高，挡渣效果也不够理想。目前已逐步有从有形挡渣法向无形挡渣法发展的趋势。新二钢出钢挡渣采用的是挡渣棒法。2.6 脱氧合金化制度脱氧合金化制度 转炉吹炼过程中，由于不断向金属熔池吹氧，终点时钢液中必然残留一定数量多余的溶解氧。所以要在出钢时或后序工序中根据钢种要求选择适合种类和数量的脱氧剂加入钢水中使
23、其达到合乎规定的脱氧程度，这个操作称为脱氧。同时也使钢中Si、Mn以及其它合金元素含量达到成品钢的规格，此即合金化。根据钢水脱氧程度不同，可以把钢分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢三类。脱氧剂的选择应满足以下原则：（1）具有一定的脱氧能力；（2）脱氧产物不溶于钢水中，并易于上浮排出；（3）来源广，价格低。常用的脱氧剂为铝铁、硅铁、锰铁以及它们的组合合金硅锰、铝锰铁等。脱氧能力：Al Si Mn 脱氧合金化时，合金的加入顺序通常考虑两个因素：以脱氧作用为主的元素先加，合金化作用为主的元素后加；易氧化的合金元素应在脱氧良好的情况下加入。以前许多厂合金加入顺序采用先弱后强，即：锰铁、硅铁、铝铁依次加入，这
24、样的加入次序有利于脱氧产物上浮，但是Si和Mn消耗大，收得率不稳定。目前的发展趋势是先加脱氧为主的铝铁，再加锰铁、硅铁，以提高收得率。常用的脱氧方法有：沉淀脱氧、扩散脱氧、真空脱氧三种。转炉工序普遍采用沉淀脱氧法，即将铁合金直接加入到钢水中脱氧，氧化物上浮排除。合金应加到钢流的冲击部位，充分利用钢水流动达到均匀成分的目的，加入时机不能过早或过晚，一般在钢水流出量为1/4到3/4时段内加完。合金加入量计算：出钢量合金元素收得率铁合金中合金元素含量终点残余成分钢种规格中限合金加入量 （1）吹炼终点钢水中会有余锰量。余锰量占铁水锰的百分比一般根据钢水终点碳含量估算。凡是使终渣w(TFe)增高的因素，都使余锰量降低。（2）若用单一合金硅铁、锰铁时，分别根据钢种Si、Mn规格中限计算硅铁、锰铁加入量。（3）若用硅锰、硅铁搭配时，则一般先按钢种Mn含量中限计算硅锰加入量，同时计算出硅锰的增Si量，然后将增Si量作为残余成分，计算硅铁补加量。用硅锰、锰铁搭配时算法类似。
