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1、国内氧气转炉炼钢的几个技术问题杨文远国内氧气转炉炼钢的几个技术问题钢铁研究总院工艺所杨文远2009-4-11转炉的生产能力及容量分布 我国2008年底的炼钢能力约为6.6亿吨/年，其中转炉炼钢能力约为5.6亿吨，电炉钢1.0亿吨（15%），不同容量转炉的分布如表1。表1 国内转炉的容量分布转炉类型座数%吨位%平均容量大型转炉345.52891020.19262.1中型转炉15124.511840041.69121.9小型转炉43169.971683038.1239.0合计6161004414010071.7表2 国内大型转炉（200300吨）的吨位及座数序号厂 名吨位座数序号厂 名吨位座数1宝

2、钢一炼钢30037鞍钢三炼轧25032宝钢二炼钢25038马钢四炼轧30023武钢三炼钢25039武钢四炼钢20024首钢二炼钢210310鞍钢鲅鱼圈30035首钢迁安210311邯钢四炼钢30026包钢二炼钢210212曹妃甸(京唐)3003 共计12个炼钢厂，34座转炉，总计8910公称吨。我国转炉的总吨位及炉子总座数都是世界第一，但炉子的平均吨位为71.7吨/炉，远低于世界上工业发达国家。近年来我国新建了很多大、中型转炉，但同时新建了更多的小型转炉，使得我国转炉平均吨位近17年内仅增加了29.1吨/炉（1992年转炉148座，总容量6305吨，平均42.6吨/炉）。在我国小型转炉中，多数

3、小于50吨。近几年新建的转炉多数在100吨以上，其中包括鞍钢、武钢、马钢、京唐等大型转炉厂，这部分钢厂的装备条件属于当前世界上的先进水平，在今后炼钢生产中将起到重要作用。我国转炉炼钢的年产能力大约过剩1.4亿吨，首先应该关停小转炉，大、中型转炉中的陈旧设备也应部分关闭。近十几年国外钢铁企业都在淘汰落后设备，炉子的平均容量加大，数目减少。例如德国自1970年以来转炉由45座减少到22座，电炉减少60座，平炉全部淘汰。法国的转炉由29座减少到9座，淘汰了全部平炉。日本改造了一些落后的转炉厂，如和歌山厂采用了新工艺由6座转炉减为3座转炉，其钢产量不变。美国的转炉数目减少部分原因是被电炉短流程代替。近

4、十几年来国外新建大型转炉厂不多，主要是俄罗斯几个钢厂的平炉改成200300吨的大型转炉。巴西和印度新建了几座中型转炉。国外主要产钢国家转炉平均吨位为200吨/座。我国转炉平均吨位为发达国家的1/3。2转炉高效吹氧技术采用转炉高效吹氧技术的目的是提高转炉生产率，降低成本和淘汰落后设备。自1996年以来钢铁研究总院在唐钢、涟源钢厂、海鑫钢厂、太钢、首钢、宝钢、武钢等22个钢厂进行了强化转炉供氧操作的研究。通过提高转炉供氧强度和优化造渣操作，使转炉炼钢的吹氧时间缩短1.53分/炉，钢产量提高815%。在进行转炉强化供氧研究中，通常进行以下工作：测量氧气管道压力损失。设计高供氧强化的喷头。测量喷头射流

5、流场特性和进行氧射流和熔池作用的水模试验。制订新的供氧、造渣工艺制度，并通过在转炉上进行吹炼试验加以完善。在试验当中对于化渣、喷溅、脱磷、脱硫等项目都要研究。为了系统地了解成渣过程和化渣状况，还对炉渣的流动温度、岩相进行了系统的检测。通过上述研究，使转炉炼钢的供氧、造渣操作达到基本上合理。转炉设备系统的改造通常包括加大氧枪直径、提高转炉风机的排烟能力和烟气净化系统的能力。转炉进行强化供氧的设备改造和工艺研究的同时，还应使铁水、氧气、石灰等原料供应、连铸的生产能力等和转炉的炼钢能力的提高相适应。近两年宝钢和钢铁研究总院合作进行的“大型转炉低硅铁水高效吹炼技术研究”取得了良好效果。通过改进氧枪喷头

6、参数，加入合成渣等措施，解决了低硅铁水炼钢化渣困难，脱磷率低，粘枪、粘烟罩等问题。同时，将转炉的氧流量由5万Nm3/h提高到6万Nm3/h，缩短了供氧时间，提高了生产率。2005年在宝钢一炼钢进行的高效吹氧技术研究，将氧流量由6万Nm3/h提高到6.9Nm3/h，供氧强度达到3.83Nm3/t钢。使吹氧时间保持在14.5min/炉左右。而且化渣、脱磷效果良好。使供氧强度达到国际先进水平。图1是转炉高效吹氧的技术方案示意图。图1 高效吹氧技术方案示意图表3是几个大、中型钢厂采用高效吹氧技术的效果。表3 采用转炉高效吹氧技术的效果序号厂 名供氧强度Nm3/t.min缩短吹氧时间min/炉增加钢产量

7、(万吨/年)经济效益(万元/年)1宝山钢铁股份有限公司一炼3.892.12宝山钢铁股份有限公司二炼3.331.5102.9511118.63太原钢铁（集团）有限公司4.14.020.534721.34湖南华菱涟源钢铁公司4.232.044.525620.85山西海鑫钢铁集团公司4.01.519.06232.76四川省川威集团有限公司4.131.331.04700.07萍乡钢铁有限责任公司4.441.523.296234.8各转炉钢厂的其它技术经济指标也得到了适当改善，如宝钢二炼钢金属收得率提高0.3%；太钢二炼钢脱磷率提高7.9%；首钢三炼钢金属收得率提高0.26kg/t钢，石灰消耗减少1.2

8、3kg/t钢。转炉氧枪喷头参数的选择：转炉氧枪喷头参数的选择是转炉高效吹氧的关键技术，由于氧枪喷头参数较多，各钢厂的原材料、生产品种、操作习惯等方面都有较大的差别。所以对于不同吨位的转炉只能给出一个选择喷头参数的大致范围，在生产中试用，再逐步进行参数优化。表4的数据供参考。表4 不同吨位转炉喷头参数范围喷头参数转炉吨位(t)200300100200100供氧强度(Nm3/t.min)3.24.03.44.33.84.6喷孔个数574534马赫数1.92.31.82.21.72.0喷孔倾角(度)11161015914喷孔布置方式交错布置或同圆周布置交错布置或同圆周布置同圆周布置氧枪喷头设计所需的

9、公式是由热力学和流体力学中一维可压缩流推导出来的。对于氧气可给出下列公式： T/TO =（1 + M2/5）-1 （1） /O =（1 + M2/5）-5/2 （2） P/PO =（1 + M2/5）-7/2 （3） A/A* =0.578/M（1 + M2/5）3 （4） （5）各式中T：绝对温度，K，A：管道截面积，cm2，：气体密度，kg/m3，M：马赫数=气体速度/音速，QO2：氧气流量，Nm3/min，P：绝对压力，kg/cm2下标符号：O指滞止状态，*指音速喉道状态，该处M=1。供氧制度主要包括氧流量、工作氧压及枪位曲线的制定。氧流量根据每炉钢的供氧时间而定。当喷头参数确定之后氧流

10、量和氧压是线性关系，在氧压、流量确定后，枪位高度决定氧射流对熔池的穿透深度。几个钢厂的穿透深度和熔池深度之比见表5。表5 几个钢厂转炉吹炼过程的L/L0单 位炉容量/t吹炼初期吹炼中期吹炼末期宝钢一炼3000.560.600.600.700.720.76太钢二炼800.700.750.650.700.750.82首钢三炼800.620.700.650.740.750.78涟源钢厂1000.650.730.680.730.750.76海鑫钢厂900.590.640.550.620.730.77川威钢厂700.650.700.610.670.700.76萍乡钢厂600.750.800.520.55

11、0.730.78 测量氧枪的管道压力损失： 钢铁研究总院已为20多个钢厂进行管道压力损失测定。部分测定结果见表6。表6 管道压力损失测定值（MPa）及氧气流速（m/s）单 位转炉吨位(t)管道压力损失(MPa)氧气流速(m/s)宝钢一炼3000.040.0539.8太钢二炼800.100.1258.6首钢三炼800.080.1057涟源钢厂1000.080.1060.5海鑫钢厂950.060.1055.7威远钢厂700.060.0751萍乡钢厂650.100.1260美国规定氧枪内管氧气的M值0.2。法国、德国规定氧枪内管的氧气安全流速60m/s。 图2 氧气管道压力损失测定系统图 目前转炉枪

12、位控制有以下几种方式：（1）静态模型+副枪动态控制吹炼前期和中期，枪位高度和渣料加入量按静态模型所设定的方式进行。吹炼到总供氧量85%时用副枪测量钢水温度和含碳量，用动态模型修正吹氧量和冷却剂加入量。目前国内、外大型转炉多用这种方法控制枪位。图3是宝钢一炼钢的枪位及加料图示。图3 典型操作过程（2）用炉气定碳法控制吹炼枪位当转炉钢厂的原料条件好，计量装置精度高，计算机容量足够时，可以根据炉气定碳法所测得的数据结合物料平衡计算，来控制渣中氧所蓄积的体积（和渣中氧化铁含量相对应）使其维护在适当的数值，这时可以防止喷溅和炉渣返干。当炉渣中蓄积的氧气体积超出预定值时，应降低枪位，以减少渣中氧化铁。反之

13、，则应提高枪位。这是转炉吹氧操作的动态控制技术，称为Oxymetrie。渣中蓄积氧气体积的控制范围是根据吹炼过程氧平衡计算和现场观察相结合而制定的。图4是法国Solmer厂300吨转炉枪位控制曲线。（3）用声纳仪、氧枪振动仪控制枪位开始吹炼吹氧枪喷出的超音速射流产生的噪音强度很高，当渣层厚度增加，一部分氧气流股浸入渣层之后噪音强度下降。当喷头完全埋入渣层之后，渣层厚度和噪音强度之间的关系就不明显了。声纳仪最早使用于欧洲。柳州钢厂由卢森堡阿尔贝德公司引进了这种设备。上海工大也成功开发了声纳仪，并在国内一些钢厂加以推广。声纳仪用于控制转炉吹炼初期的成渣过程效果明显。日本川崎公司开发的氧枪振动仪用于

14、渣层已高于氧枪喷头时防止喷溅较为有效。法国蒙德威勒钢厂把它和声纳仪结合起来使用取得了良好效果。一般讲，氧枪加速计用于渣量大的转炉效果更为明显。图5是蒙德威勒厂使用声纳仪和氧枪振动仪结合控制氧枪高度的记录。（4）人工经验控制枪位图4 Solmer钢厂300t转炉供氧控制曲线图5 声纳-氧枪振动仪控制氧操作示意图熔池脱碳速度： 熔池脱碳速度快是转炉高效吹氧的特点，吹炼过程中熔池脱碳速度在不同阶段相差很大。图6是300吨转炉实测的熔池脱碳曲线。吹炼前期由于熔池中Si、Mn氧化，脱碳速度很低（0.130.20%C/min）；吹炼中期可达0.33%C/min。曲线中个别阶段脱碳速度达到0.4%C/min

15、。这是往炉内加入矿石所致。Solmer厂的脱碳速度曲线是用炉气定碳法测定的。宝钢的脱碳曲线是用副枪取样测定的。这是大型转炉有代表性的脱碳曲线。图7和图8是用倒炉取样的方法由80吨转炉所测定的熔池脱碳速度曲线。两炉的曲线形状相近。这两炉吹炼中期平均脱碳速度分别为0.43%C/min和0.48%C/min。这是中、小型转炉采用高效吹氧时都能达到的脱碳速度（比一般吹炼时脱碳速度提高约0.10.12%C/min）。转炉脱碳速度加快，使脱碳期炉口的气体平均速度由25.7m/s增加到35.0m/s。当吹炼平稳，这种脱碳速度并不会造成喷溅。喷溅往往是由于枪位高，渣中蓄积了超过平衡值的大量氧化铁。当条件具备时

16、，渣中过量的氧化铁和熔池中碳发生激烈的脱碳作用，形成爆发式喷溅。其脱碳速度至少超过正常脱碳速度的3倍。托马斯转炉用空气吹炼，每炉钢的吹炼时间和LD转炉相近。其炉口气体速度可以达到80m/s（高温状态），达到LD转炉正常吹炼炉口烟气3.2倍，正常情况下吹炼过程中并不发生大的喷溅。图6 吹炼过程中脱碳速度的变化表7 转炉熔池脱碳速度（%C/min）图7 20261平均脱碳速度图8 20262平均脱碳速度表8 钢铁研究总院完成的转炉炼钢用氧技术项目序号合作单位厂名转炉容量(t)达到的供氧强度(Nm3/t.min)转炉供氧时间(min/炉)吹氧时间缩短(min/炉)增产钢量(万t/年)研究年份备 注1

17、太钢二炼钢804.1133.030200120022长治钢厂204.911.34.225200120023上钢一厂(三转炉)304.312.43.630200020014三明钢厂204.313.23.425199820005南京钢厂204.411.22.525199819996唐钢二炼404.6511.42.13019961997冶金部科技进步二等奖发明专利 579827莱钢上钢三厂30304.23.7研究新、旧喷头射流变化及对冶炼的影响19911992冶金部科技进步二等奖发明专利 422798济钢304.312.63.619939上钢一厂(三转炉)30中磷铁水炼钢的供氧造渣工艺研究19991

18、0攀钢, 鞍山热能院1202.8516.75.0二次燃烧率提高8.74%19871988冶金部科技进步三等奖发明专利11水城钢厂30优化转炉供氧、造渣操作，缩短供氧时间，提高转炉供氧强度2003200412首钢三炼钢80优化转炉供氧、造渣操作，降低氧枪内管氧气流速，喷头寿命提高1倍以上20032004已完成合同指标13宝钢二炼钢250出钢量达到300吨，吹氧量由5.2万Nm3/h提高到6.0万Nm3/h，吹氧时间缩短1.5min，周边5孔喷头寿命稳定在200炉，提高喷头寿命60%。20032004已完成合同指标14威远钢厂704.31324020032004已达到合同指标15涟源钢厂90,10

19、54.23132502004已完成合同指标16海鑫钢铁厂90提高供氧强度，吹氧时间缩短2min。20042005已完成合同指标17宝钢一炼钢300转炉供氧量由6.0万Nm3/h提高到6.9万Nm3/h，3.8Nm3/t.min，吹氧时间缩短1.5min。20052006已完成合同指标18武钢三炼250氧流量由5.7万Nm3/h提高到6.3万Nm3/h，提高脱磷效率。20052006正在进行19萍乡钢厂50供氧时间13min/炉，改善化渣，减少喷溅。20052006正在进行20北营钢厂404.313.01.02007.1正在进行21邯郸三炼钢120优化供氧造渣操作，平均缩短吹氧时间1.0min/

20、炉，提高枪龄2007.10正在进行22萍乡钢厂70钒钛铁水提钒，钒渣中V2O5提高1%，氧化铁降低2%，半钢碳提高0.3%2009.2正在进行23马鞍山四炼钢300优化工艺参数，提高脱磷率，提高喷头寿命和供氧强度2009.2正在进行3转炉溅渣护炉和复合吹炼技术转炉溅渣护炉最早由美国LTV公司印第安纳港钢厂于1991年开始用于工业生产，1999年炉龄达到15658次。转炉作业率由78%提高到97%。在国内1994年原冶金部立项支持承钢和钢铁研究总院合作开发溅渣护炉技术。1996年11月国家经贸委资助国内19个钢厂开展溅渣护炉工作。经过两年的实践，1998年国内有65座转炉采用，其中宝钢的300吨

21、大型转炉炉龄达到14001炉，太钢中型转炉炉龄8580次，三明小型转炉炉龄达到7047次。到本世纪初国内全部转炉都已采用了溅渣护炉技术，最高炉龄已超过3万炉。转炉溅渣护炉技术对于我国提高转炉钢产量和降低耐火材料消耗起到了重要作用。采用溅渣护炉技术之前我国转炉寿命一般在2000炉左右，转炉作业制度一般采用3吹2。采用溅渣护炉后炉龄平均可达15000炉，转炉基本上采用了3吹3的作业制度，转炉炉衬的使用周期可达12年，采用溅渣护炉之前的炉衬使用周期为40天左右。转炉的作业率提高约30%，每吨钢的镁碳砖消耗。溅渣护炉终渣氧化镁的控制：溅渣护炉要求转炉终渣有合适的MgO含量，使溅渣层有足够的耐火度。图9

22、是毕晓普（Bishop）等绘制的CaO-SiO2-FeO-MgO四元系中MgO的熔解度曲线。从图中可以看出，炉渣碱度对渣中MgO的熔解度影响最大。渣中FeO为15%时，炉渣碱度1.5，MgO熔解度约为14%；碱度为3.0时，MgO熔解度为8%。图9 CaO-SiO2-FeO-MgO渣系中MgO的溶解度(1600) 吹炼过程中炉渣的碱度氧化铁变化很大，渣中氧化镁的熔解度变化也很大。图10是根据吹炼过程中用副枪所取渣样的化渣成分，渣量得出的渣中MgO量的变化曲线。渣中MgO未熔量是根据加入MgO总量减去渣中MgO熔解量而得出的（此数据取自宝钢300吨转炉）。图10 吹炼过程炉渣中MgO重量变化吹炼

23、3min取样炉渣碱度0.92，FeO=19.3%，渣中MgO熔解度高达25%；吹炼7min炉渣碱度1.43，MgO熔解度约15%；吹炼10min时炉渣碱度1.79，渣中MgO熔解度约11%；终渣碱度3.02，渣中FeO=27%，渣中MgO熔解度约8.1%。根据渣中氧化镁熔解度的情况，吹炼初期的酸性渣MgO熔解度很高，随着渣中碱度升高，MgO熔解度下降，到吹炼终点时MgO的熔解度降到8%左右。溅渣护炉的MgO材料在吹炼开始时全部加入，在渣中存在着过剩的MgO，这MgO有减少炉渣对炉衬MgO熔解的作用。溅渣护炉的喷吹动力来自氧枪喷出的氮气射流，通常氮气流量和炼钢用氧的流量相同或稍高一些。枪位在溅渣

24、过程中有一定幅度的变化，使炉衬各部分溅渣层厚度更均匀。溅渣时间一般在3min左右，时间过长炉渣温度过低，容易凝结在炉底上造成上涨。时间过短溅渣层厚度不够，溅渣层厚度1520mm即可。正常情况下转炉终渣成分（T、TFe、MgO）应可以直接溅渣而不需要进行调整，这样可以减少调渣材料和缩短溅渣时间，如果炉渣过稀可加些轻烧白云石。在正常情况下，转炉炉衬每年更换一次，和设备检修同时进行。对于小型转炉，炉龄约为1500020000炉；对于大、中型转炉约为700010000炉。炉龄过长在炉役后期喷补料消耗大，炉衬过薄热损失大，炉壳易变形。转炉的机电设备也需定期检修，过分地延长炉龄并不合理。溅渣操作结束后炉内

25、剩余的粘渣有的倒入渣罐后运到渣场处理，有的留在炉内，开始一下炉的装料操作。这种留渣操作在安全上并无问题，这时炉渣很粘，加入废钢后其表层已凝固，兑入铁水也不会产生激烈反应。吹氧开始后熔池温度升高，炉渣逐渐熔化，有加速石灰溶解的作用，对于下一炉成渣有好处。目前转炉钢厂采用的炉渣滚筒法处理过程中，希望炉渣有较好的流动性，使炉渣顺利地流入滚筒中。在转炉溅渣之前，先把终渣倒出一部分，留在炉内的渣量应满足溅渣的要求，这时的炉渣过热度高，有利于渣的粒化处理。转炉顶底复合吹炼技术：转炉顶底复合吹炼是上世纪7080年代开发并广泛使用的一项新技术。复合吹炼技术可使转炉生产低碳钢时降低渣中氧化铁和钢中熔解氧，减少渣

26、-钢反应，偏离平衡的程度，使转炉炼钢的金属收得率提高，铁合金消耗降低和提高钢的洁净度。转炉复吹所用的底吹气体有氮、氩、CO2、O2+油保护、空气等。供气元件有单管、套管和毛细管多微孔透气砖。底吹供气强度差别也很大，从0.060.20Nm3/t.min。复吹转炉中顶吹氧枪的搅拌能可用公式（6）计算。 （6）式中vt：顶吹射流搅拌能量（W/m3），VL：金属体积（m3） Qt：氧流量（Nm3/min）， n：喷孔个数，M：氧分子量（kg） De：喷孔出口直径（m），：喷孔倾角（度），H：枪位高度（m）底吹搅拌能用公式（7）计算。 （7）式中vB：底吹气体搅拌能量（W/m3），TL：熔池金属温度（K

27、） Ta：吹入惰性气体温度（K）， ：金属密度（kg/m3） P：炉膛压力（kg/m2），h：熔池深度（m）熔池混匀时间用公式（8）计算。 = （L0/0.125）2/3 （7/1）1/3 540（0.1vt + vB）-0.5 （8）：熔池混匀时间（秒），L0：熔池深度（m）各种不同方法的转炉顶底复合吹炼熔池混匀时间和底部供气强度之间的关系如图11所示。图11 熔池混匀时间和底部供气强度之间的关系由图11可见，底吹气体流量低时熔池混匀时间的缩短受底吹气体流量影响较大，当供气强度超过0.2Nm3/t.min时，底吹流量增加对于混匀时间缩短的影响作用变得不明显。上世纪80年代原冶金部曾组织了转炉

28、顶底复合吹炼多方面的研究工作，如供气元件的开发，复吹水模和热模试验，复吹冶金效果，复吹炉衬和供气元件的侵蚀及维护等。对于复吹的理论知识也有较为广泛的普及。当时由于我国大型转炉冶炼低碳深冲钢还很少，对于复吹技术深入研究还不够。近十几年我国新建了一大批大型转炉（见表1），冶炼钢种增加，其中包括批量生产低碳、低磷的深冲钢、硅钢等，通过生产实践对于复吹技术的了解深度有很大提高，可以根据生产中出现的问题提出有效地解决措施，目前这个过程仍在进行中。对于转炉复吹技术中几个工艺参数提出以下建议：（1）底吹供气强度和气源吹炼前期、中期0.04Nm3/t.min，吹炼后期0.060.12%。根据我国目前的情况，吹

29、炼前期、中期喷吹氮气，吹炼后期切换为氩气，全程吹氮的供气方式不应提倡。全程吹氮钢中不增氮的报导不可靠。底部喷吹CO2，对供气元件侵蚀较快。底吹喷吹转炉煤气的主要问题是不安全，有很多人做过研究工作，其冶金效果良好，来源也无问题，价格也不贵，但至今未有工业性使用。氧气-蒸汽用于冶炼不锈钢，太钢和泰山钢厂冶炼不锈钢由国外引进了这种工艺。氧气-油（天然气）喷嘴用于生产低碳钢的钢厂（Solmer），这种喷嘴不易堵塞，喷嘴数量少（2个），供气系统简单。底吹气体的选择要根据冶炼钢种、气体来源、操作习惯和价格而具体决定。（2）供气元件的数目供气元件的数目一般情况下随着转炉吨位加大而增加，表9给出的数据供参考。表9 供气元件数目和转炉吨位