炼钢工艺的发展历程

炼钢工艺的发展历程2008年12月8日摘自冶金自动化网炼钢方法（1）最早出现的炼钢方法是1740年出现的坩埚法，它是将生铁和废铁装入由石墨和粘土制成的坩埚内，用火焰加热熔化炉料，之后将熔化的炉料浇成钢锭。此法几乎无杂质元素的氧化反应。炼钢方法（2）1856年英国人亨利·贝塞麦发明了酸性空气底吹转炉炼钢法，也称为贝塞麦法，第一次解决了用铁水直接冶炼钢水的难题，从而使炼钢的质量得到提高，但此法要求铁水的硅含量大于0.8%，而且不能脱硫。目前已淘汰。炼钢方法（3）1865年德国人马丁利用蓄热室原理发明了以铁水、废钢为原料的酸性平炉炼钢法，即马丁炉法。1880年出现了第一座碱性平炉。由于其成本低、炉容大，钢水质量优于转炉，同时原料的适应性强，平炉炼钢法一时成为主要的炼钢法。炼钢方法（4）1878年英国人托马斯发明了碱性炉衬的底吹转炉炼钢法，即托马斯法。他是在吹炼过程中加石灰造碱性渣，从而解决了高磷铁水的脱磷问题。当时，对西欧的一些国家特别适用，因为西欧的矿石普遍磷含量高。但托马斯法的缺点是炉子寿命底，钢水中氮的含量高。炼钢方法（5）1899年出现了完全依靠废钢为原料的电弧炉炼钢法(EAF)，解决了充分利用废钢炼钢的问题，此炼钢法自问世以来，一直在不断发展，是当前主要的炼钢法之一，由电炉冶炼的钢目前占世界总的钢的产量的30-40%。炼钢方法（6）瑞典人罗伯特·杜勒首先进行了氧气顶吹转炉炼钢的试验，并获得了成功。1952年奥地利的林茨城(Linz)和多纳维兹城(Donawitz)先后建成了30吨的氧气顶吹转炉车间并投入生产，所以此法也称为LD法。美国称为BOF法（BasicOxygenFurnace）或BOP法，如图1所示。图1BOF法炼钢方法（7）1965年加拿大液化气公司研制成双层管氧气喷嘴，1967年西德马克西米利安钢铁公司引进此技术并成功开发了底吹氧转炉炼钢法，即OBM法(OxygenBottomMaxhuette)。1971年美国钢铁公司引进OBM法，1972年建设了3座200吨底吹转炉，命名为Q-BOP(QuietBOP)，如图2所示。图2Q-BOP法炼钢方法（8）在顶吹氧气转炉炼钢发展的同时，1978-1979年成功开发了转炉顶底复合吹炼工艺，即从转炉上方供给氧气（顶吹氧），从转炉底部供给惰性气体或氧气，它不仅提高钢的质量，而且降低了炼钢消耗和吨钢成本，更适合供给连铸优质钢水，如图3所示。图3转炉顶底复合吹炼法炼钢方法（9）我国首先在1972-1973年在沈阳第一炼钢厂成功开发了全氧侧吹转炉炼钢工艺。并在唐钢等企业推广应用，如图4所示。图4全氧侧吹转炉炼钢法总之，炼钢技术经过200多年的发展，技术水平、自动化程度得到了很大的提高，21世纪炼钢技术会面临更大的挑战，相信会有不断的新技术涌现。AOD精炼技术的发展2010-3-415:13:07(1)脱碳工艺的改进新日铁光制铁所当w([C])≥0.7%时,在60tAOD采用纯氧吹炼,温度1580℃时,w(Cr)20%,首先氧化碳,当w([C])≤0.7%,采用O2;Ar(N2)连续变化方式脱碳,当w([C])≤0.10%用纯氩吹炼,用钢中余氧及渣中的Cr2O3进一步脱碳。光制铁所采用这种方法,前期氧利用率与传统方法一致,但脱碳速度得到提高,氧枪没有出现熔损加大问题,后期氧利用率CRE提高6%,结果FeSi消耗降低了0.7kg/t。(2)深脱硫工艺按照传统的AOD操作,脱碳终了加入FeSi进行Cr2O3的还原操作,然后扒去85%以上的渣子再加入CaO、CaF2及粉状FeSi或CaSi进行脱硫的精炼操作,这样对成本、精炼时间、操作条件都十分不利。新日铁光制所采用Al代替FeSi进行脱硫,取得满意的效果,w(S)10×10-6,还原精炼时间缩短5～17min,如下图。渣子碱度要求CaO+MgOΠSiO2+Al2O3=2.8～3.5(3)以N2代Ar及供氧强度的提高Ar作为AOD精炼的主要气体,因其价格较高,在不锈钢精炼时用N2代Ar,其代Ar率达到20%～40%,对于w([N])为400×10-6～800×10-6的钢可以在脱碳一期、二期代Ar,产品w([N])要求1500×10-6～2500×10-6,脱碳期全部用N2代Ar,产品w([N])要求3000×10-6,可以全程用N2代Ar。日本太平洋金属八户厂在生产304钢时代Ar率达到80%,产品w([N])580×10-6,小于该钢允许w([N])650×10-6的要求。AOD供氧强度提高:供氧强度Nm3/min•t是提高脱碳速度,缩短精炼时间,废钢加入量多少及降低成本的关键工艺参数。经过不断研究,供氧强度已由过去0.8Nm3/min•t提高到1～1.5Nm3/min•t,有顶枪时应大于2Nm3Πmin•t。供氧强度提高后,熔池温度的控制,国际上普遍采有加入5%～10%的清洁废钢或铁合金的办法,这样初炼炉(电炉)的冶炼时间及电耗也得到了改善。(4)AOD+顶枪(AOD-CB法)(KCB-S法)日本大同特殊钢公司星崎工场,依据不同元素与氧反应产生的热量及相对成本进行比较,发现只有碳生成CO后再氧化为CO2时,其反应热最高,相对成本最低。这是钢水中Si、Mn、Cr、Al、Fe氧化结果所不如。于是发明了AOD-CB工艺,与传统工艺相比,升温速度由7℃Πmin提高到17.5℃/min。CRE提高5%,脱碳速度由0.055%Πmin提高到0.087%Πmin,电耗降低78kW•hΠt,FeSi减少25%,时间减少11min,炉龄达到235炉。顶吹工艺有软吹硬吹两种方式,硬吹即进入熔池的氧全部与钢水进行反应,软吹即60%进行反应,40%与CO进行二次燃烧生产CO2。硬吹工艺比传统的AOD工艺其脱碳时间缩短44%。软吹可缩短31%,但是软吹可以提高废钢加入量,降低FeSi消耗及电耗。日本往友金属和歌山工厂90tAOD在1982年即进行复吹技术,精炼时间缩短20min,FeSi降到7.5kgΠt,氩耗降到11.3Nm3/t。由于顶吹氧突出的优点,新建或改造AOD都把顶吹作为必备的工艺手段。(5)AOD-VCR法(V-AOD法)AOD精炼工艺在生产w([C])≥300×10-6的不锈钢时,优越性十分突出,但是生产w([C+N])≤300×10-6时就非常困难,其结果是精炼时间长,氩气消耗高,炉衬寿命低,FeSi消耗高。经济性差。日本新日铁光制铁厂,日本大同特殊钢公司经过研究开发了AOD+真空的精炼方法,大同制钢于1990年在涩川厂投产20tAOD-VCR,1992年在知多厂投产70tAOD-VCR,光制铁厂于1996年投产60tV-AOD。其工艺技术为,当钢中w([C])0.1%时按传统工艺由底侧处风枪吹入O2/Ar(N2),当w([C])0.1%时停止吹氧改由Ar(N2),同时将真空罩套在AOD炉帽上,真空度为2.0～2.67kpa,底吹Ar/(N2)流量为20～30Nm3/min,在强大的搅拌下,钢水中的余氧及渣中的氧化物,进行脱碳,经过10～20min,熔池温降50～70℃,钢中w([C+N])达到100×10-6以下。不同钢种应用AOD-VCR的碳、氮浓度见表3。AOD-VCR其底吹搅拌能力是SS-VOD的13～20倍,是VODC的32～44倍,因此创造了脱碳、脱氮动力学及热力学条件,若达到同样[C]、[N]质量分数,SS-VOD需40min以上。若要求w([C])≤150×10-6,w([N])≤300×10-6,采用AOD—VCR比AOD可以缩短精炼时间21%。(6)使用不同原料的AOD精炼工艺HM-AOD法:用经过脱磷,脱硅的铁水直接入AOD的精炼方法,要求铁水w(P)≤0.015%,w(Si)≤0.20%,铁水温度300℃。第一阶段CRE达到90%与LD-AOD比,生产成本降低4%。用液态FeCr、FeNi直接生产不锈钢方法:日太平洋公司八户工场为了节约原料,降低能耗研制这种方法。通过调查不同炉型的热效率发,电弧炉为47%,LD为68%,相反AOD则为0%,所以把初炼炉定为AOD。通过把液态FeCr、FeNi兑入AOD-CB中进行炼取得了明显效果,铬回收率达到99%,脱碳速提高0.018%Πmin,升温提高20%～70%,FeSi耗减少10%～15%,以N2代Ar率达到84%。AOD吹炼过程中加铬矿石法:日本往友金属和歌山厂采用脱磷,脱硅铁水兑入AOD中,同时加入铬矿,最大加入量为50kgΠt,铁水中的碳可以还原40%～80%的氧化铬,其余加入FeSi还原,不足的铬用FeCr调整,实践证明生产成本明显降低。(7)不同能源介质的AOD—TH法日本大同特殊钢采用顶枪油+氧烧咀产生2600℃高温,升温速度提高140%,Cr损失明显减少。(8)AOD精炼方法在不锈钢脱磷研究方面也取得进步。目前正在开展的工作还有溅渣护炉,风口喷粉(石灰、Fe2O3)技术,风口蘑菇头的控制技术,风口不规则形状的研究,侧吹流体力学的研究,使炉体几何尺寸、风口位置、供气等达到优化。