转炉炼钢工艺(主要是热平衡计算)

3氧气顶吹转炉炼钢工艺3.1一炉钢的操作过程要想找出在吹炼过程中金属成分和炉渣成分的变化规律，首先就必须熟悉一炉钢的操作、工艺过程。在下面的图3-1中示出了氧气顶吹转炉吹炼一炉钢的操作过程与相应的工艺制度。由图可以清楚地看出，氧气顶吹转炉炼钢的工艺操作过程可分以下几步进行：1）上炉钢出完并倒完炉渣后，迅速检查炉体，必要时进行补炉，然后堵好出钢口，及时加料。2）在装入废钢和兑入铁水后，把炉体摇正。在下降氧枪的同时，由炉口上方的辅助材料溜槽，向炉中加入第一批渣料（石灰、萤石、氧化铁皮、铁矿石），其量约为总量的2／3～1／2。当氧枪降至规定的枪位时，吹炼过程正式开始。当氧气流与溶池面接触时，碳、硅、锰开始氧化，称为点火。点火后约几分钟，炉渣形成覆盖于熔池面上，随着Si、Mn、C、P的氧化，熔池温度升高，火焰亮度增加，炉渣起泡，并有小铁粒从炉口喷溅出来，此时应当适当降低氧枪高度。3）吹炼中期脱碳反应剧烈，渣中氧化铁降低，致使炉渣的熔点增高和粘度增大，并可能出现稠渣（即“返干”）现象。此时，应适当提高氧枪枪位，并可分批加入铁矿石和第二批造渣材料（其余的1／3），以提高炉渣中的氧化铁含量及调整炉渣。第三批造渣料为萤石，用以调整炉渣的流动性，但是否加第三批造渣材料，其加入量如何，要视各厂生产的情况而定。4）吹炼末期，由于熔池金属中含碳量大大降低，则使脱碳反应减弱，炉内火焰变得短而透明，最后根据火焰状况，供氧数量和吹炼时间等因素，按所炼钢种的成分和温度要求，确定吹炼终点，并且提高氧枪停止供氧（称之为拉碳）、倒炉、测温、取样。根据分析结果，决定出钢或补吹时间。5）当钢水成分和温度均已合格，打开出钢口，即可倒炉出钢。在出钢过程中，向钢包内加入铁合金，进行脱氧和合金化（有时可在打出钢口前向炉内投入部分铁合金）。出钢完毕，将炉渣倒入渣罐。通常将相邻两炉之间的间隔时间（即从装钢铁材料到倒渣完毕），称为冶炼周期或冶炼一炉钢的时间。一般为20～40min。其中把吹入氧气的时间称为供氧时间或纯吹炼时间。它与炉子吨位大小和工艺的不同有关。3.2装入制度3.2.1装入制度内容及依据装入制度就是确定转炉合理的装入量，合适的铁水废钢比。转炉的装入量是指主原料的装入数量，它包括铁水和废钢。实践证明每座转炉都必须有个合适的装入量，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，将导致吹炼过程的严重喷溅，造渣困难，延长冶炼时间，吹损增加，炉衬寿命降低。装入量过小时，不仅产量下降，而且由于熔池变浅，控制不当，炉底容易受氧气流股的冲击作用而过早损坏，甚至使炉底烧穿，进而造成漏钢事故，对钢的质量也有不良影响。在确定合理的装入量时，必须考虑以下因素：（1）要有合适的炉容比。炉容比一般是指转炉新砌砖后炉内自由空间的容积V与金属装入量T之比，以V／T表示，量纲为m3／t。转炉生产中，炉渣喷溅和生产率与炉容比密切相关。合适的炉容比是从生产实践中总结出来的，它与铁水成分、喷头结构、供氧强度等因素有关。例如，铁水中含Si、P较高，则吹炼过程中渣量大，炉容比应大一些，否则易使喷溅增加。使用供氧强度大的多孔喷头，应使炉容比大些，否则容易损坏炉衬。目前，大多数顶吹转炉的炉容比选择在0.7～l.10之间，表3-1是国内外转炉炉容比的统计情况。表3-1顶吹转炉炉容比炉容量,t≤3050100～150150～200200～300300V/T,m3/t0.92～1.150.95～1.050.85～1.050.7～1.090.7～1.100.68～0.94表3-2各厂顶吹转炉炉容比厂名首钢一炼太钢二炼首钢三炼攀钢本钢二炼鞍钢三炼首钢二炼宝钢一炼吨位/t305080120120150210300炉容比/m3·t-10.860.970.730.900.910.860.921.05大转炉的炉容比可以小些，小转炉的炉容比要稍大些。目前我国一些钢厂转炉的炉容比见表3-2所示。（2）合适的熔池深度。为了保证生产安全和延长炉底寿命，要保证熔池具有一定的深度。不同公称吨位转炉的熔池深度如表3-3所示。熔池深度Η必须大于氧气射液对熔池的最大穿透深度h，一般认为对于单孔喷枪h／H≤0.7是合理的。表3-3不同公称吨位转炉的熔池深度公称吨位/t305080100210300熔池深度/㎜80010501190125016501949（3）对于模铸车间，装入量应与锭型配合好。装入量减去吹损及浇注必要损失后的钢水量，应是各种锭型的整数倍，尽量减少注余钢水量。装入量可按下列公式进行计算。装入量=(%)钢水收得率浇注必要损失钢锭支数钢锭单重-合金用量×合金吸收率(%)（3-1）上式中有关单位采用t。此外，确定装入量时，还要受到钢包的容积、转炉的倾动机构能力、浇注吊车的起重能力等因素的制约。所以在制订装入制度时，既要发挥现有设备潜力，又要防止片面的不顾实际的盲目超装，以免造成浪费和事故。3.2.2装入制度类型氧气顶吹转炉的装入制度有：定量装入制度、定深装入制度、分阶段定量装入制度。其中定深装入制度即每炉熔池深度保持不变，由于生产组织困难，现已很少使用。定量装入制度和分阶段定量装入制度在国内外得到广泛应用。3.2.2.1定量装入制度定量装入制度，就是在整个炉役期间，每炉的装入量保持不变，这种装入制度的优点是：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、后期熔池变浅，只适合大吨位转炉。国内外大型转炉已广泛采用定量装入制度。3.2.2.2分阶段定量装入制度在一个炉役期间，按炉膛扩大的程度划分为几个阶段，每个阶段定量装入。这样既大体上保持了整个炉役中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，既能增加装入量，又便于组织生产。这是适应性较强的一种装入制度。我国各中、小转炉炼钢厂普遍采用这种装入制度。表3-4为首钢30t转炉分阶段定量装入制度。3.2.3装入操作3.2.3.1铁水、废钢的装入顺序A先兑铁水后装废钢这种装入顺序可以避免废钢直接撞击炉衬，但炉内留有液态残渣时，兑铁易发生喷溅。B先装废钢后兑铁水这种装入顺序废钢直接撞击炉衬，但目前国内各钢厂普遍采用溅渣护炉技术，运用此法可防止兑铁喷溅，但补炉后的第一炉钢可采用前法。表3-4首钢30t转炉分阶段定量装入制度炉龄区间1～5051～100101～400401装入量/t3540.54142.542.5464648.543.5出钢量/t32.436.836.939.13942.14144.6440锭型沸腾5.2t沸腾5.2t大头4.1t挂板5.2t板坯沸腾5.2t大头4.1t挂板5.2t板坯炉容比/m3·t-10.860.780.780.740.740.820.840.800.85模铸根数6797－8108－注：沸腾：沸腾钢；挂板：普通镇静钢；大头：带保温帽钢锭3.2.3.2准确控制铁水废钢比铁水、废钢装入比例的确定，从理论上讲应根据热平衡计算而定。但在生产条件下，一般是根据铁水成分、温度、炉龄期长短、废钢预热等情况按经验确定铁水配入的下限值和废钢加入的上限值。在正常生产条件下，废钢加入量变化不大，各炉次废钢加入量的变化受上下炉次间隔时间、铁水成分、温度等的影响。目前，我国大多数转炉生产中铁水比一般波动在75～90％之间，近几年我国转炉废钢加入量平均为100～150kg／t。3.2.3.3注意安全、防止污染兑铁水前转炉内应无液态残渣，并疏散周围人员，以防造成人员伤害和设备事故。如果没有二次除尘设备，兑铁水时转炉倾动角度小些，尽量使烟尘进入烟道。3.3造渣制度氧气顶吹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，合适的MgO含量、正常泡沫化的熔渣，以保证炼出合格的优质钢水，并减少对炉衬的侵蚀。转炉炼钢造渣的目的是：去除磷硫、减少喷溅、保护炉衬、减少终点氧。造渣制度就是要确定合适的造渣方法、渣料的加入数量和时间，以及如何加速成渣。3.3.1炉渣的形成氧气转炉炼钢过程时间很短，必须做到快速成渣，使炉渣尽快具有适当的碱度、氧化性和流动性，以便迅速地把铁水中的磷、硫等杂质去除到所炼钢种的要求以下。3.3.1.1炉渣的形成炉渣一般是由铁水中的Si、P、Mn、Fe的氧化以及加入的石灰溶解而生成；另外还有少量的其它渣料（白云石、萤石等）、带入转炉内的高炉渣、侵蚀的炉衬等。炉渣的氧化性和化学成分在很大程度上控制了吹炼过程中的反应速度。如果吹炼要在脱碳时同时脱磷，则必须控制（FeO）在一定范围内，以保证石灰不断溶解，形成一定碱度、一定数量的泡沫化炉渣。开吹后，铁水中Si、Mn、Fe等元素氧化生成FeO、SiO2、MnO等氧化物进入渣中。这些氧化物相互作用生成许多矿物质，吹炼初期渣中主要矿物组成为各类橄榄石（Fe、Mn、Mg、Ca）SiO4和玻璃体SiO2。随着炉渣中石灰溶解，由于CaO与SiO2的亲合力比其它氧化物大，CaO逐渐取代橄榄石中的其它氧化物，形成硅酸钙。随碱度增加而形成CaO•SiO2，3CaO•2SiO2，2CaO·SiO2，3CaO·SiO2，其中最稳定的是2CaO·SiO2。到吹炼后期，C一O反应减弱，（FeO）有所提高，石灰进一步溶解，渣中可能产生铁酸钙。表3-5列出炉渣中的化合物及其熔点。表3－5炉渣中的化合物及其熔点化合物矿物名称熔点，℃化合物矿物名称熔点，℃CaO•SiO2硅酸钙1550CaO•MgO•SiO2钙镁橄榄石1390MnO•SiO2硅酸锰1285CaO•FeO•SiO2钙铁橄榄石1205MgO•SiO2硅酸镁15572CaO•MgO•2SiO2镁黄长石14502CaO•SiO2硅酸二钙21303CaO•MgO•SiO2镁蔷薇灰石1550FeO•SiO2铁橄榄石12052CaO•P2O5磷酸二钙13202MnO•SiO2锰橄榄石1345CaO•Fe2O3铁酸钙12302MgO•SiO2镁橄榄石18902CaO•Fe2O3正铁酸钙14203.3.1.2石灰的溶解石灰的溶解在成渣过程中起着决定性的作用，图3-2说明渣量和石灰溶解量的变化情况。由图可见，在25％的吹炼时间内，渣主要靠元素Si、Mn、P和Fe的氧化形成。在此以后的时间里，成渣主要是石灰的溶解，特别是吹炼时间的60％以后，由于炉温升高，石灰溶解加快使渣大量形成。石灰在炉渣中的溶解是复杂的多相反应，其过程分为三步：第一步，液态炉渣经过石灰块外部扩散边界层向反应区迁移，并沿气孔向石灰块内部迁移。第二步，炉渣与石灰在反应区进行化学反应，形成新相。反应不仅在石灰块外表面进行。而且在内部气孔表面上进行。其反应为：2（FeO）+（SiO2）+CaO→（FeOX）+（CaO•FeO•SiO2）（Fe2O3）+2CaO→（2CaO•Fe2O3）（CaO•FeO•SiO2）+CaO→（2CaO•SiO2）+（FeO）第三步,反应产物离开反应区向炉渣熔体中转移。炉渣由表及里逐渐向石灰块内部渗透，表面有反应产物形成。通常在顶吹转炉和底吹转炉吹炼前期从炉内取出的石灰块表面存在着高熔点、致密坚硬的2CaO·SiO2外壳，它阻碍石灰的溶解。但在复吹转炉中从炉内取出的石灰块样中，均没有发现2CaO·SiO2外壳，其原因可认为是底吹气体加强了熔池搅拌，消除了顶吹转炉中渣料被吹到炉膛四周的不活动区，从而加快了（FeO）向石灰渗透作用的结果。由以上分析可见，影响石灰溶解的主要因素有：（1）炉渣成分实践证明，炉渣成分对石灰溶解速度有很大影响。有研究表明，石灰溶解与炉渣成分之间的统计关系为：1.39MnO90.1FeO75.2MgO35.1CaOkCaO（3-2）式中：CaO——石灰在渣中的溶解速度，kg／（m2）k——比例系数；CaO等——渣中氧化物浓度，％。由（3-2）式可见，（FeO）对石灰溶解速度影响最大，它是石灰溶解的基本熔剂。其原因是：1）它能显著降低炉渣粘度，加速石灰溶解过程的传质。2）它能改善炉渣对石灰的润湿和向石灰孔隙中的渗透。3）它的离子半径不大（埃83.02Fer，埃67.03Fer，埃32.12Or），且与CaO同