炼钢工艺与设备

1炼钢工艺与设备概览2主要内容一炼钢的基本任务二炼钢用原材料三转炉炼钢工艺与设备四电弧炉炼钢工艺与设备五连续铸钢工艺与设备钢铁生产流程5一、炼钢的基本任务炼钢的基本任务包括：1.脱碳、脱磷、脱硫、脱氧；2.去除有害气体和夹杂；3.提高温度；4.调整成分炼钢过程通过供氧、造渣、加合金、搅拌、升温等手段完成炼钢基本任务。氧气顶吹转炉炼钢过程，主要是以供入纯氧气，配合炉顶高位料仓加入石灰、白云山、氧化铁皮、出钢时加入合金材料等，电弧炉炼钢主要是供入强大电流，炉内石墨电极与废钢（钢液）形成电弧热，通过熔化-氧化-还原等手段，以获得所要求的钢液，浇成（模铸、连铸）合格钢钢锭或铸坯。6二、炼钢用原材料炼钢用原材料一般分为主原料、辅原料和各种铁合金。71.金属料•1)铁水：占金属料的（70~100%）主要要求成分：[Si]、[Mn]、[P]、[S]温度：1200——1350度82)废钢废钢是电弧炉炼钢的基本原料，用量约70~90%；对氧气顶吹转炉炼钢，既是主原料之一，也是冷却效果稳定的冷却剂。通常占装入量的30％以下，适当地增加废钢比，可以降低转炉钢消耗和成本。9废钢的分类：本厂废钢返回料（废钢锭、轧钢切头）回收料（加工废料，报废设备）外购废钢加工工业的废料（机械、造船、汽车等行业的废钢、车削等）钢铁制品的报废件（船舶、车辆、机械设备、土建材料等）103）铁合金吹炼终点脱除钢中多余的氧，并调整成分达到钢种规格，需加入铁合金以脱氧合金化。炼钢常用的合金有Fe-Mn、Fe-Si、Mn-Si合金、Ca-Si合金、铝、Fe-Al、复合脱氧剂等。其化学成分及质量均应符合国家标准规定。112.辅助材料1）造渣剂石灰（CaO）萤石（CaF2）生白云石（CaMg(CO3)2）菱镁矿（MgCO3）合成造渣剂锰矿石石英砂（主要成分是SiO2）122)冷却剂氧气顶吹转炉炼钢过程热量有富余，因而根据热平衡计算加入一定数量的冷却剂，以准确地命中终点温度。冷却剂包括:废钢、生铁块、铁矿石和氧化铁皮、石灰石等。133）氧化剂氧气氧化铁皮氧气是氧气转炉炼钢的主要氧化剂，要求含氧量达到99.5％以上，并脱除水分。氧压为6~12×105Pa。工业用氧是通过制氧机把空气中的氧气分离、提纯来实现的。氧化铁皮要求杂质含量少，不含油污和水分。铁矿石铁矿石要求含铁高，P和水分低；144）还原剂和增碳剂电炉炼钢中需要使用还原剂和增碳剂包括：石墨电极、木炭、焦炭、电石、硅铁、硅钙、铝等；转炉炼钢中冶炼中高碳钢时，一般使用含灰份少的石油焦做增碳剂。15三氧气转炉炼钢原理及工艺1.转炉炼钢生产模拟2.铁水予处理3.转炉炼钢过程161.转炉炼钢车间——生产模拟172.铁水预处理过程指铁水在兑入炼钢炉之前，为去除或提取某种成分而进行的处理过程。对铁水的炉外脱S、脱P和脱Si，即三脱技术就属于铁水预处理的一种。铁水进行三脱可以改善炼钢主原料的状况，实现少渣或无渣操作，简化炼钢操作工艺，以经济有效地生产低P、S优质钢。181)铁水予处理的类型•近年来，铁水预处理技术发展很快，内容也更加丰富，手段多样化。•铁水脱S•铁水脱Si•铁水同时脱P、脱S•铁水提V、提Nb192)铁水脱硫预处理的设备•鱼雷罐车•喷粉罐•喷枪•扒渣机•铁水罐203)铁水预处理生产模拟214)铁水预处理生产工艺①脱S基本反应②脱S工艺③扒渣常用铁水脱S剂:碳化钙、石灰、苏打、金属镁及其组成的复合脱S剂,基本反应:CaC2+[S]=CaS(s)+2[C]CaO(S)+[S]=CaS(s)+2[O]Na2O+[S]=Na2O(l)+[O]Mg(g)+[S]=MgS(s)广泛采用喷粉法,在混铁车中采用喷吹金属镁+石灰粉的复合脱S剂脱S,双孔喷枪插入,深度为1.0~1.5m,处理时间8~10min,脱S率75~82%.扒除予处理渣,避免回P,回S.223.转炉炼钢工艺1)吹炼全程模拟232)氧气转炉炼钢技术的发展可化分为三个时期：①转炉大型化时期（1950～1970年）②转炉复合吹炼时期（1970～1990年）③转炉综合优化时期（1990年以后）以转炉大型化技术为核心，逐步完善了转炉炼钢工艺与设备。先后开发出大型化转炉设计制造技术、OG法除尘与煤气回收技术、计算机静态与副枪动态控制技术、镁碳砖综合砌炉与喷补挂渣等护炉工艺技术。由于连铸技术的迅速发展，出现了全连铸的炼钢车间。对转炉炼钢的稳定性和终点控制的准确性提出了更高的要求。为了改善转炉吹炼后期钢——渣反应远离平衡，实现平稳吹炼的目标，综合顶吹、底吹转炉的优点，研究开发出各种顶底复合吹炼工艺技术，在世界上迅速推广。围绕纯净钢生产，研究开发出铁水“三脱”预处理、高效转炉生产、全自动吹炼控制与溅渣护炉等重大新工艺技术。降低了生产成本、大幅度提高了生产效率。现代转炉炼钢采用的重大技术有：转炉大型化技术、转炉复合吹炼技术、煤气回收与负能炼钢技术、全自动转炉吹炼控制技术、溅渣护炉与转炉长寿技术。243)转炉炼钢生产工艺•装料制度•造渣制度•供气制度•温度制度•出钢•脱氧及合金化25装料制度装入量是指每炉装入的铁水和废钢的总量,一般废钢占15~30%,装入量分为三种形式:1.定量装入:整个炉役期保持每炉的金属装入量不变;2.定深装入:随容积的扩大而增加装入量,保持熔池的深度不变;3.分阶段定量装入:将整个炉役分为若干阶段,每阶段定量装入.26造渣制度造渣制度包括以下内容:1.炉渣碱度和石灰加入量:碱度指渣中碱性氧化物/酸性氧化物，一般为2.5~4.0，高[S]、[P]铁水控制在3.5~4.0,吨钢石灰消耗70~80kg2:炉渣氧化性:用∑(%FeO)表示,高利于成渣,脱P,但降低金属回收率.一般初期高,终点15%左右,[C]、[P]要求高时，控制在20~25%。3.渣中(MgO):为防止炉渣侵蚀炉衬,造渣时加入含镁材料,一般终渣(MgO)为6~8%,采用溅渣护炉则8~10%.4.造渣方法:单渣法、双渣法、双渣留渣法.渣料分批加入,开吹时加入1/2~1/3,其余分批加入.27供气制度•顶部供气•底部供气28供气制度(顶部供气)供氧操作控制以下参数:氧气流量:单位时间向熔池吹入氧气体积;供氧强度:单位时间向熔池吨钢提供氧气的体积;氧气工作压力:设定压力测定点的氧气压力(0.8~1.2MPa);枪位:喷头至静止金属熔池液面的距离(化渣枪位、基本吹炼枪位、拉碳枪位)29供气制度(底部供气)底吹类型非氧化性气体:Ar、N2氧化性气体:O2、CO2、空气底吹过程吹炼前期N2搅拌,后期N2、Ar切换;底部供气强度≯0.3Nm3/t.min30温度制度随铁水中元素氧化,金属液相线温度升高,浇注也要求过热度,升温是炼钢重要任务之一.出钢温度T的确定:T=浇注钢种液相线温度+浇注过热度+钢水镇静及炉外精炼温度降+出钢温度降31出钢出钢过程先测定[C]、[P]、[S]及T,判断是否满足出钢要求,否则补吹;采用挡渣技术与红包出钢.32脱氧及合金化脱氧吹炼终点钢水[O]=0.02~0.08%,向钢中加入一种(或几种)与氧亲和力比Fe大的元素,常用脱氧剂Fe-Si、Fe-Mn、Al、Si-Al-Ca、Si-Al-Ba等；合金化向钢水中加入合金元素使其达到成品钢成分要求334)转炉冶炼的物料平衡及热平衡•物料平衡•热平衡345)转炉炼钢的主要设备•供料系统•转炉系统•供气系统•净化系统•辅助设备35供料系统•包括铁水供应、废钢供应、散状料和铁合金供应.高炉铁水直接装入鱼雷罐车运至炼钢车间.废钢用废钢槽运到炉前.散状料供应系统包括散状料场、地下料仓、运料设施、转炉上方高位料仓、称量和加料设备.铁合金料仓及称量和输送设备、向钢包加料设备组成。36转炉系统转炉本体炉底:分截锥型和球冠型;炉帽:为截椎型,减少喷溅及热损失;炉身:采用圆柱形;转炉炉型指转炉内部自由空间的几何形状,分为筒球型、锥球型、截锥型。37转炉系统•托圈•用以支撑转炉和传递倾动力矩的金属构件。•耳轴•转炉左右耳轴是阶梯形圆柱体，由长侧耳轴低速转动将大扭矩从倾动机构传递给托圈。•耳轴与托圈的连接为法兰盘螺栓连接。38供气系统（1）•氧枪•枪身由三层无缝钢管套装而成；内层与中层管之间的环缝是冷却水进水通道，中层与外层间的环缝为出水通道。•氧气流速为45~50m/s(氧气从氧枪出口处，经过拉瓦尔喷头，速度提升为2M)。•水速为6~7m/s。•枪头•喷孔为拉瓦尔管，可获得Ma=2.0左右的超音速气流。39供气系统（2）•升降机构•吹炼中用于调整枪位时,由卷扬机、平衡锤、滑轮、钢绳卷筒组成，当卷扬机提升平衡锤时，氧枪及升降小车因自重下降；当卷扬机防下平衡锤时，因氧枪和升降小车的质量小于平衡锤而被提升。40供气系统（3）•底部供气元件•影响搅拌、炉子寿命、钢种质量及经济效益；•分三大类：•钢管型、砖型、细钢管多孔型（如图），不锈钢管内径为0.4~4mm，每块砖埋设10~150根。耐火砖为高纯度镁砂+石墨并配加一定量的防氧化剂制成。41净化系统活动烟罩弯头脱水器汽化冷却烟道定径溢流文氏管可调喉口文氏管净化系统由以下部分组成：42净化系统-活动烟罩•炉口上方的烟罩用于烟气收集，需通水冷却。由固定段与活动段组成，吹炼时活动段下降，缝隙用N2幕密封或采用微压差法以防止烟气外溢。转炉倾动时活动烟罩升起。43净化系统-弯头脱水器•利用烟气做旋转90°的运动时，含尘水滴在离心力的作用下被甩至脱水器叶片及器壁，通过排水槽排走。达到烟气净化的目的。44净化系统-汽化冷却烟道•其作用是将1400~1500℃的烟气冷却至800~1000℃.结构为密排式无缝钢管排列围成筒状,冷却水从烟道下部通入,流经无缝钢管时,由于吸收高温烟气的热量而汽化,从而将高温烟气冷却.45净化系统-定径溢流文氏管（一文）•属于两级全湿法除尘的第一级,起降温和粗除尘的作用,由收缩段、喉口、扩张段组成，烟气被收缩段加速并冲击水幕，迅速吸收热量汽化，使烟气温度由1000℃下降至70~80℃，细小水滴捕集烟尘并去除，一文的效率为90~95%。46净化系统-可调喉口文氏管（二文）•工作原理与一文相似，不同在于喉口可调，可以随炉气量变化而变化，以维持喉口流速，主要用于精除尘，效率可达98%。47辅助设备—副枪•副枪用于了解吹炼过程某一时刻成分与温度，实现动态控制。由枪身及探头组成，钢液由探头侧面小孔流入样杯。可测温、取样、定碳、测定熔池高度。48辅助设备—挡渣机构•由于合金化过程将降低钢液的氧化性，因此，要防止炉内含有（P2O5）的高氧化性渣进入钢包造成回P，必须进行挡渣操作，采用挡渣机构在即将完成出钢前将挡渣球送入炉内，防止炉渣进入钢包。4.电弧炉炼钢的设备及工艺•1）电弧炉的设备49三维电弧炉炉体图50放入“狗屋”里面的电弧炉515253•1—高压电缆•2—隔离开关•3—高压断路器•4—电抗器•5—电抗器开关•6—电压转换开关•7—变压器•8—短网•9—电弧•10—钢水图主电路示意图2019/10/454电炉等值电路2019/10/455电炉理论电气特性曲线2）电弧炉冶炼工艺•——补炉、装料•——通电熔化、吹氧助熔、喷燃料•——加渣料、氧化脱磷，吹氧脱碳、升温•——测温、取样，终点控制•——出钢、合金化56572019/10/458炉料熔化过程模型，基本可分为四个阶段（期），即点弧、穿井、主熔化及熔末升温。UHP相关强化冶炼技术•——废钢预热技术及装备•——氧-燃助熔技术•——二次燃烧及余热全量回收技术•——短网优化及智能冶炼技术592019/10/460图6-24双壳炉运行2019/10/461双壳炉工作原理图2019/10/462图6-27康斯迪系统（得兴）布置图2019/10/463图电炉的功能分化与现代电炉流程熔化期氧化期扒渣还原期出钢废钢预热熔氧期出钢精炼2019/10/464图6-6氧-燃烧咀在电炉上的布置2019/10/4653)短网改造技术•降低电阻，减少损失功率，提高输入功率，如增加导体截面，减少长度，改善接触等；•降低电抗，增加功率因数，提高功率输入，如增加导体截面，减少长度，合理布线（图6-3）等