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电炉冶炼工艺

日期:2019-10-03 16:15 来源: 冶炼

  电炉炼钢工艺 1 电炉炼钢工艺的发展历程 1905年第一台5吨工业炼钢电炉建成 (德国人R.Linberg) 1936年德国制造了可炉盖旋转的炼钢电炉 1936年美国建成了当时最大的100吨炼钢电炉 1964年美国碳化物公司(W.E.Schwabe)和西 北钢铁线材公司(C.GRobinson)提出电炉超高 功率概念(Ultra High Power简称UHP),电炉 工业开始走向辉煌。开始与转炉竞争。 1990年后,电炉炼钢技术取得了重大进展。炼钢 技术的进步主要进步集中在电炉炼钢领域。 世界电炉生产迅速发展动力 社会废钢积累的增长,环境压力。 低生产成本的经济刺激,廉价废钢及廉价电力。 对提高劳动生产率的追求。采用废钢作原料的电 弧炉工艺,流程短,生产率高,全员劳动生产率 高达2700~4000 t /(人·a),几乎是高炉—转 炉流程的3~4倍。 电炉炼钢的其它优势 我国钢铁行业2010年能耗构成的预测值, 矿石 经高炉/转炉流程而成粗钢的单位能耗高于 600kgce/t,其中氧气转炉炼钢工序能耗仅为 10kgce/t,主要能耗是高炉和炼焦工序。 铁前系统烧结、炼焦和高炉炼铁是能耗大户, 也是污染环境的大户。 相比之下,废钢经电炉熔炼所生产的粗钢吨钢 能耗仅为270kgce/t,而污染的产生及其治理更远 优于高炉/转炉流程。 世界粗钢产量增长情况 世界钢产量预测 电弧炉技术的发展 2 电炉炼钢主体设备介绍 机械设备 炉壳、炉门、出钢槽或偏心炉底出钢、炉盖, 分水冷和耐材 电极夹持器、电极升降装置 炉盖提升旋转机构、炉体旋转或开出 排烟除尘装置 炉顶加料装置 电气设备 变压器 电抗器 短网 隔离开关及高压断路器 电极升降自动调节装置 3 电炉炼钢的能量来源 电能 化学能。包括炉料带来的 物理热及氧化带来的化学热、 外来输入的燃料。 传统电炉总能量平衡 电能 410 kWh/t(65%) 烧嘴 40kWh/t(6%) 化学反应 180kWh/t(29%) 总能量 630kWh/t=100% 钢 380kWh/t(60%) 废气 140kWh/t(22%) 损失 10kWh/t(2%) 冷却 50kWh/t(8%) 渣 50kWh/t(8%) 现代电炉总能量平衡(装铁水) 3.1 供 电 年代 功率级别 -400kVA/t 60年代 -400kVA/t 流程变迁 变压器容量/产品 RP-EAF?MC 30MVA/特殊钢,合金钢 技术指标进步 冶炼周期:180min 吨钢电耗:630kwh/t 电极消耗:6.5kg/t 相关/配 套技术 烧嘴 电气运行 高电压 大电流 短弧 70年代 -500kVA/t UHP1-EAF?LF?CC(S)?BR 50MVA/30万吨/棒线材 二次冶金 水冷炉壁 DRI 低电压 大电流 更短弧 80年代 -700kVA/t UHP2-EAF?LF?CC?R 70MVA/50万吨/扁平材,管材 LF/EBT 泡沫渣 高电压 小电流 长弧 90年代 800kVA/t UHP3-EAF?LF?CCCR 100MVA/100万吨/纯净钢,热带 冶炼周期:40min 吨钢电耗:230kwh/t 电极消耗:1.1kg/t 竖炉/用氧 双炉壳 连续加料 更高电压 小电流 更长弧 供电技术发展 直流电弧炉 消除炉衬热点问题,减少电极 消 除 偏 弧 ; 减 少 消耗,搅拌熔池 对电网冲击 高阻抗电弧 利用泡沫渣埋弧操作、提高变 提 高 功 率 因 数 , 炉 压器水平,降低电极消耗 减轻对电网干扰 无 功 功 率 静 消除或减弱电弧炉冶炼冶炼中电 降低闪烁和谐波 止 式 动 态 补 负荷造成的电压波动与谐波对电 偿 网的危害 冶炼过程计 按冶金模型、热模型进行最佳 合 理 电 气 工 作 点 算机自动化 配料、电热平衡、最佳控制功 动 态 选 择 、 保 证 控制 率等计算,实现控制、管理、 合 理 供 电 制 度 执 决策 行 智能电弧炉 利用人工智能,具有三相意识,解 决 电 弧 炉 供 电 也可进行电弧炉综合控制 三相不平衡问题, 减少对电网冲击 普通功率与超高功率电弧炉工作点 配电操作 冶炼阶段根据工艺要求输入的功率是不相同的, 在各个阶段调节输入功率大小,电功率的调节 称为配电操作。 配电操作分:送电、停电、调换电压、调节 电流及电气设备的监护。 配电分手动及自动调节,好的配电制度对缩短 冶炼时间及降低电耗是非常重要的。 供电时间确定 1. 2. 3. 4. 5. C 吨钢电耗,kWh/t W 钢水总重,t P电炉变压器容量,kV.A 变压器利用率, 非通电时间,min 3.2 供 氧 炉门人工吹氧 炉门吹氧机械手 EBT氧枪 从1根氧管到3根氧管; 强化供氧及安全生产; 炉壁氧燃枪(可加二次燃烧) 炉壁氧气碳粉喷吹模块 辅助能量; 解决偏心炉的冷区及成分均匀; 可伸入式及固定式; 炉壁及烟道的二次燃烧氧枪 利用余热、能量极限利用 电炉供氧示意图 电炉炼钢用氧专利技术内容 电炉炉门多功能吹氧装置 电炉炉壁氧燃助熔及二次燃烧氧枪 电炉炉壁及EBT氧枪 电炉炉顶氧枪 电炉炉壁氧气及碳粉喷吹模块(集束氧枪) 电炉泡沫渣技术 电炉用氧诊断--电炉用氧模块化控制技术 在吹氧条件下,熔池中 各元素氧化1kg 时所产生的理论热值 元 素 Al Si Mn Fe C C 产 物 反 kJ/kg 30.995 32.157 6.992 4.775 9.159 32.761 应 热 kwh/kg 8.61 8.93 1.94 1.33 2.54 9.10 相对成本* (参考值) 3.7 3.2 6.0 1.8 0.5~0.6 0.3~0.6 Al2O3 SiO2 MnO FeO CO CO2 化学反应中各发热元素的来源首先是炉料――废钢和生 铁,还有是由碳枪喷入的碳粉或焦粉。对于普通铁水,每吹入 1m3 的 氧 气 , 所 含 各 元 素 在 1600 ℃ 时 反 应 理 论 发 热 值 约 为 4kwh。 电炉用氧模块化控制技术 在电炉采用多种供氧方式以后,如何做到炉内 均衡供氧是非常重要的。 目的:1、控制吨钢耗氧; 2、提高金属收得率; 3、解决除尘冷却装置及电极等氧化。 控制方式: 1、结合热平衡及物料平衡; 2、结合原有炉次的供氧曲线、根据冶炼状况,分解不同供氧方式的供氧量; 4、检测冶炼过程炉气成分的变化,调整供氧量。 4 电炉炼钢的原料 传统的电弧炉炼钢是全废钢工艺以冷废钢为主, 配加10%左右的生铁块; 现代电弧炉炼钢使用的其它原料还有:除冷生 铁外,直接还原铁(DRI,HBI)、热铁水、碳化 铁等; 电弧炉炼钢的原料构成对其工艺、装备、指标 等有决定性影响; 不同原料结构下的生产过程是不可比的。或者 说只有原料结构相当的情况下才是可比较的。 废 钢 电炉炼钢是一种铁资源回收再利用过程,也是一种处理 污染的环保技术 。 仅就电炉炼钢工序而言,废钢是基本原料,废钢原料需 进行鉴别、分类管理和打包、剪切等预处理。 当前电炉炼钢使用废钢原料的最大问题是金属残留元素, 主要是残留的Ni,Cr,Mo等合金元素和Cu,Sn,Bi,Sd, Pb等有害元素。它们在电炉炼钢过程中尚无有效方法去 除,残留在钢材中造成种种危害,并在废钢循环再利用 过程中不断积累。 目前采用的对策主要有:①加强废钢管理;②在废钢预 加工过程中挑选或分离;③冶炼过程配加其他铁源,稀 释残留元素的浓度。 其它金属料 冷生铁:配碳、稀释残留元素、渣量增加 直接还原铁:粒状直接还原铁(DRI)和块状热 压块(HBI) 铁水:配加10%的热铁水,带入的物理热约为 25kwh/t-steel,化学热约25kwh/t-steel,(而 氧耗6~7m3/t-steel) 碳化铁(Fe3C):技术问题,不能大量生产 5 电炉冶炼工艺 ? 传统冶炼工艺(三段工艺) 熔化期、氧化期、还原期 ? 现代冶炼工艺(二段工艺) 熔化期、氧化期、加炉外处理; 或称熔氧脱磷期、脱碳升温期 ? 操作步骤:补炉、装料(配料)、熔化期、 氧化期、精炼(或还原期)、出钢 5.1 补 炉 电炉补炉工作量是很大的,补炉的重点是: ①渣线(渣的浸蚀); ②靠电极(最容易跑钢的地方);电弧的辐射; 补炉用大铲或喷枪。 5.2装料(配料) 对废钢的要求 (1)不允许有有色金属。 (2)不允许有封闭器皿、易爆炸物。 (3)入炉的钢铁料块度要合适,不能太大。 装料量要求 二次进料:第1次,60%;第2次,40%; 三次进料:第1次,40%;第2、3次,30%; 四次进料:第1、2次,30%;第3、4次,20%。 配碳的重要性 重要性:废钢铁氧化、氧化期去气(N、H)、去 夹杂; 最低配C计算: 配 C 量 %=0.50%( 熔化期损失 )+0.2-0.3%( 氧 化需要)+氧化终了碳含量。 装料原则: 大、中、小料配合; 重料在下、轻料在上; 大块在中、轻料在边。 5.3 废钢熔化阶段操作 熔化期是电炉工艺中能源消耗的大头,冶炼时 间的50-80%,因此,电炉的节能降耗主要在熔化 期。 废钢熔化过程:从中心向四周、从热区向冷区、 从下向上。 熔化期操作原则:合理供电、合适吹氧、提前 造渣。 吹氧方式:自耗式:可切割、可吹渣钢界面; 水冷式:只能吹渣钢界面。 优化的供电曲线 电压级 别/电流级 别 V/A 24 20 16 15/5 2min 18/6 5min 21/6 5min 15/5 2min 18/6 3min 15/5 2min 21/6 5min 19/6 18/6 4min 8min 12 8 4 0 0 ( 一 次 料) ( 加 铁 水 ) 5 10 15 20 25 ( 二 次 料) 30 35 (精炼 ) 40 45 50 供 电 时 间 min 5.4 电炉氧化期操作 氧化期的任务: 继续脱P、脱C 去气(N、H)、去夹杂 钢液升温 电炉熔氧期操作: 熔化废钢与氧化期脱碳结合,提前造渣脱磷。 元素氧化方式 铁矿石氧化: 吸热、有利于脱磷、增加金属量 Fe 2O3+3C=2Fe+3CO 吹氧气氧化: 放热、对脱磷不利、但可部分脱硫,渣中 氧化铁增加。 矿石加吹氧 氧化期操作 熔清、取样分析(全分析)、加石灰、吹氧化渣、 流渣脱P、加石灰、测温,视钢中含碳量吹氧脱碳; 看P:取样分析、看渣子的颜色(黑亮P高、灰黑P低)、 看渣子的泡沫化; 看C :取样分析、看火花、砂轮对比、副枪; 看温度:蓝白亮、浅蓝、深蓝、浅红、深红; 取样全分析、测温,静沸腾等待出钢; 传统工艺:扒除氧化渣,为还原期造渣做准备。 氧化期的造渣 氧化期的造渣要根据脱磷及脱碳的要求、 具有合适的炉渣成分及流动性 渣中∑FeO含量一般控制在10-20%,碱 度控制在2.5-3.0,总渣量在2-4%。 磷的控制 3个关键因素:炉渣氧化性、石灰含量、温度。 Healy经验式: lg(%P)/[%P]=22350/T16.0+0.08%(CaO)+2.5lg%(TFeO) 常规工艺[%P]0.030以下 脱磷的主要工艺: 强化吹氧提高初渣氧化性 提前造高碱度渣 流渣造新渣 喷粉技术的应用 氧化期喷粉脱磷 碳的控制 作用:减少金属烧损、 降低熔池温度、促进 钢渣反应、促进脱磷、 促进泡沫渣形成、去 气去夹杂。 温度控制 T出钢=t1+△t过程- △t加热+ △t浇铸 t1 液相线温度 △t过程 过程降温 △t加热 钢包温度补偿 △t浇铸 浇铸降温 氧化终点特别情况处理 (1)碳高磷低,温度低,吹氧;温度高,低功率 操作; (2)碳高磷高,先脱P后脱C(可加部分矿石); (3)碳低磷高,温度合适,造FeO渣;温度高(加 矿石),停电; (4) 低磷低温,性碳低,加大电功率 , 造泡沫渣; 碳高,吹氧,一般功率。 5.5 冶炼过程造泡沫渣 泡沫渣是指在不增大渣量的情况下,使炉渣呈 很厚的泡沫状 泡沫渣的作用 1. 采用长弧泡沫渣操作可以增加电炉输入功率, 提高功率因数及热效率; 2. 降低电炉冶炼电耗,缩短了冶炼时间; 3. 减少了电弧热辐射对炉壁及炉盖的热损失; 4. 泡沫渣有利于炉内化学反应,特别有利于脱P、 C及去气(N、H) 泡沫渣对电能输入的影响 对炉渣泡沫渣高度的影响 泡沫渣新工艺 1、设备要求 性能稳定及易操作的喷粉设备 碳粉喷吹量、粒度及喷粉速度控制 稳定干燥的喷吹气源及定期的设备检查 泡沫渣技术 2、造泡沫渣的新思路----解决喷吹区域 炉门区及炉后区域同时喷碳,全熔池区域泡沫 化及全程泡沫渣冶炼。 3、热装铁水后的泡沫渣 有丰富的碳源,喷碳任务减轻,但喷碳粉 在冶炼前期及后期作用是很大的。 铁水热装的终渣FeO高达30%。 5.6 电炉还原期 还原期是转炉炼钢没有的。 还原期的主要任务是: 1 去除钢液中的氧 2 去除钢液中的硫 3 调整钢液的温度,成份到规定成分; 4 合金化 这四点是相互联系及同时进行的。脱O与 脱 S 的关系,合金化与脱 O 、 S ,脱 O 、 S 时加入 的合金Mn,就是成品需要的合金。 进入还原或采用炉外精炼的条件是无渣出钢。 无渣出钢 残余氧化渣的危害: 降低脱硫脱氧能力; 降低合金收得率;降低钢包搅拌强度; 降低包衬寿命。 偏心炉底出钢彻底解决了这一问题。传统 电炉需扒渣。 传统出钢-虹吸出钢 还原期操作 扒除氧化渣后加石灰和莹石 化渣、加碳粉造白渣或电石渣 还原5-10分钟推渣,取样全分析、测温 补加渣料加C粉 成份温度合格、加合金测温度、看脱氧、出钢。 还原白渣及电石渣 白渣:是用C粉和Si粉还原的炉渣,冷却后呈白 色,过一会儿会粉化; 电石渣:过量的C粉(或加CaC2),在渣中有大 量存在,冷却后呈灰色; 白渣与电石渣的比较:①电石渣的脱氧、脱S能 力强(在S、O高时,采用)②电石渣增C。增Si ③电石渣和钢液性湿润性较好,钢水,中易产 生夹杂,所以,不能电石渣出钢, 如何破电石渣: ①加渣料②炉盖留一条线 近年主要电炉炼钢新工艺 竖式电炉 双壳电炉 consteel 电炉 铁水热装及强化供氧 竖炉电弧炉 竖炉电弧炉是Fuchs System 在1992年推 出的。它有一个废钢预热系统,竖炉电弧炉 可以是单竖炉或双竖炉,也可以是直流的或 交流的。 它用废气(1000℃以上)的潜热和化学热, 加上在竖炉底部的氧燃烧嘴预热装在水冷竖炉内 的废钢料柱。与普通的炉子比较,其氧—燃烧嘴 的热效更高。竖炉里至少可装全炉废钢的 40% , 剩下的废钢在开始熔化前直接加入炉内。 双壳电弧炉 双壳炉内有两个炉壳,共用一套电源。 双壳炉的技术特点是将废钢预热和节省非通电时间相结 合:当一个炉壳内在熔化炉料时,另一炉壳就加入第一 篮炉料。当第一个炉壳要出钢时电极就转向另一个炉壳, 开始送电。这样停电时间可缩短 6~10分钟,生产率大 大提高。 有些设计中,当一个炉壳在熔炼时将排出的热废气通入 第二个炉壳,以预热废钢。 预热炉料的优点是缩短给电时间和节电,日本 Nippon Steel估计预热25分钟可节电35KWh/t。 Consteel电炉 废钢原料预热和加料过程的连续化,显然 对电弧炉炼钢过程是非常有利的: ? 电弧非常平稳,闪烁、谐波和噪音很低 ?过程连续进行,非通电操作时间减至最少 ?不必周期性加料,热损失和排放大大减少 ?便于稳定控制生产过程和产品质量 炉外精炼 冶金学院 朱 荣 1 炉外精炼的产生 半世纪以来迅速发展的钢铁冶金重要技术; 提高生产率的需要; 提高钢质量的需要; 满足不同钢种的特殊要求。 炉外精炼发展历程 20世纪30-40年代,合成渣洗、线年代,大功率蒸汽喷射泵技术的突破,发明 了钢包提升脱气法(DH)及循环脱气法(RH) 60-70年代,高质量钢种的要求,产生了各种 精炼方法 80-90年代,连铸的发展,连铸坯对质量的要 求及炼钢炉与连铸的衔接 21世纪,更高节奏及超级钢的生产。 炉外精炼的内容 脱氧、脱硫 去气、去除夹杂 调整钢液成分及温度 2 炉外精炼的手段 渣洗 真空 最简单的精炼手段; 目前应用的高质量钢的精炼手段; 搅拌 喷吹 最基本的精炼手段; 将反应剂直接加入熔体的手段; 调温 加热是调节温度的一项常用手段。 合成渣洗 根据要求将各种渣料配置成满足某种冶金功能 的合成炉渣; 通过在专门的炼渣炉中熔炼,出钢时钢液与炉 渣混合,实现脱硫及脱氧去夹杂功能; 不能去除钢中气体; 必须将原炉渣去除; 同炉渣洗、异炉渣洗。 真空处理 脱气的主要方法 提高真空度可将钢中C、H、O降低; 日本线 torr; C10ppm,H1ppm,O5ppm 中国线 torr; C20ppm,H2ppm,O15ppm。 新开发了脱硫功能:KTB 代表性装置:RH、VD、VOD。 喷吹技术 喷吹实现脱碳、脱硫、脱氧、合金化、控制 夹杂物形态; 单一气体喷吹 VOD; 混合气体喷吹 AOD; 粉气流的喷吹 TN; 固体物加入 喂线。 升温工艺 提高生产率的需要; 升温装置: LF加热 CAS化学加热。 3 主要的精炼工艺 LF(Ladle Furnace process); AOD(Argon-oxygen decaburizition process ); VOD (Vacuum oxygen decrease process) ; RH (Ruhrstahl Heraeus process); CAS-OB( Composition adjustments by sealed argon -oxygen blowing process) ; 喂线 (Insert thread) ; 钢包吹氩搅拌(Ladle argon stirring); 喷粉( powder injection )。 3.1 LF炉 最常用的精炼方法 取代电炉还原期 解决了转炉冶炼优钢问题 具有加热及搅拌功能 脱氧、脱硫、合金化 工艺优点 ?精能强,适宜生产超 低硫、超低氧钢; ?具备电弧加热功能,热效 率高,升温幅度大,温度 控制精度高; ? 具备搅拌和合金化功能, 易于实现窄成分控制,提 高产品的稳定性; ? 采用渣钢精炼工艺,精 炼成本较低; ?设备简单,投资较少。 1-电极;2-合金料斗;3-透气砖;4LF炉精炼原理 滑动水口 1-电极;2-合金料斗;3-透气砖;4滑动水口 常规 LF炉工艺操作 电炉EBT出钢,出钢过程加合金、加渣料(石灰、 萤石等2%),底吹氩、通电升温、化渣,10分 钟取样分析,加渣料(1%),测温取样,加合 金看脱氧,准备出钢。 一般30-50分钟,电耗50-80kwh/t; 现代转炉、电炉与连铸联系的纽带。 3.2 AOD 炉 目的: 主要是冶炼高质量的不锈钢(C20ppm,S,P50ppm) 使用更廉价的原料(采用高碳铬代低碳铬); 使用情况:60-70%的不锈钢产量; 我国太钢有国内第一台AOD; 不锈钢的冶炼方法 电炉;电炉或转炉+AOD;电炉或转炉+VOD. AOD工艺过程 3.3 VD/VOD炉 VD 的功能仅是真空加搅拌, VOD 是Vacuum and stir and injection oxygen ; VD主要应用于轴承钢脱氧; VOD 主要用于不锈钢冶炼; VD工艺 以轴承钢冶炼为例 轴承钢最重要的性能指标是疲劳寿命。 影响轴承钢寿命的重要指标是钢中氧含量,钢 中[O]控制在10ppm为好。 最好水平[O] =3-5ppm。国内10ppm左右。 控制钢中非金属夹杂物和碳化物级别。 GCr15是最常用轴承钢: %C:0.95-1.05 %Mn: 0.9-1.20 %Si:0.40-0.65 %Cr: 1.30-1.65 S,P0.020 VD工艺 以轴承钢冶炼为例 冶炼工艺:UHP+LF+VD(或RH)+CC: LF出钢后,扒渣(倒渣)2/3,渣层厚度应保 持40-70mm,扒渣时间3min。 扒渣完毕 LF 钢包入 VD 处理工位,接通氩气, 调节流量 50 - 80NL/min ,同时测温、取样,加 入硅石2 kg/mm,调整炉渣碱度R=1 .2-1 .5。 测温、取样后VD加盖密封,抽真空。 真 空 泵 启 动 期 间 , 调 整 氩 气 流 量 保 持 30 - 40NL/min。 VD工艺 以轴承钢冶炼为例 真空保持时间:真空启动后,工作压力达到 67 Pa时,保持时间≥15min。 真空保持期间调整氩气流量 70NL/min 左右,并 通过观察孔观察钢水沸腾情况,及时调整,保 持均匀沸腾。 终 脱 氧 后 解 除 真 空 、 开 盖 、 测 温 , 软 吹 15 - 25min ,氩气流量 70-100NL/min 左右,控制渣 面微动为宜。 软吹结束后,测温、取样,加保温剂出钢,出 钢温度1530-1540℃。 VOD 工艺 钢液温度为1630℃; 以冶炼超低碳不锈钢为例 初炼炉将碳控制在0.2-0.5%,P0.03%以下; 初炼炉除渣后,将VOD钢包吊入真空室,接底吹氩,开始 抽线℃; 当线kpa时,开始吹氧脱碳; 碳含量降低的同时,提高真空度,保铬不氧化; 当碳合格时,停止吹氧,加大线Pa以下,并加大 搅拌,进一步脱碳,钢液温度达到1670-1750℃; 加合金、微调成分、加铝吹氩搅拌几分钟后,破线 RH真空精炼 Ruhrstahl 公司和Heraeus公司1957年开发的。 也称钢液循环脱气法,将钢液提升到一容器内处 理。 主要冶炼高质量产品,如轴承钢、LF钢、硅钢、 不锈钢、齿轮钢等。 国内RH设备主要依靠进口。 RH工艺特点 ①反应速度快,表观脱碳速度常数 kC可达到 3.5min-1。 处理周期短,生产效率高,常与转炉配套使用。 ②反应效率高,钢水直接在真空室内进行反应,可 生 产 H≤0.5×10-6 , N≤25×10-6 , C≤10×10-6 的 超纯净钢。 ③可进行吹氧脱碳和二次燃烧进行热补偿,减少处 理温降; ④可进行喷粉脱硫,生产[S]≤5×10-6的超低硫钢。 RH工艺参数 RH真空工艺过程 RH的发展 -OB (Oxygen Blowing),真空室下部吹氧 -KTB (Kawasaki Top Blowing) 日本川崎,顶 吹氧 -PB(Powder Blowing),真空室下部喷粉脱P、 S。 3.5 CAS、CAS-OB精炼工艺 工艺优点: ? 钢液升温和精确控制钢水温度 ? 促进夹杂物上浮,提高钢水纯净度 ? 精确控制钢液成分,实现窄成分控制 ? 均匀钢水成分和温度 ? 与喂线配合,可进行夹杂物的变性处理 ? 冶炼节奏快,适合转炉的冶炼节奏。 CAS-OB的冶炼效果 加热;升温速度5-6℃/min; 钢液成分:吹氧前后变化不大; 钢水洁净度:[O]基本不变,可降低 [N]含量。 CAS工艺的操作过程 CAS-OB工艺的操作过程 3.6 喷粉工艺 效果最好投资及使用成本最低也是最不好掌握的 技术;可脱硫、脱磷、合金化、夹杂变性; 工艺参数: 喷枪插入深度;h=H(钢液深)-hc(喷入深); 喷吹压力:大于钢液、炉渣及大气压; 喷吹时间:喷粉设备及钢液容纳粉剂的能力; 供料速度:设备能力及钢液化学反应速度; 载气能力与粉气比。 4 典型精炼设备的功能 冶金效果 典型精炼方法达到的洁净度 5 洁净钢(purity steel) 60年代:[S]+[P]+[N]+[O]+[H]900ppm; 70年代:[S]+[P]+[N]+[O]+[H]800ppm; 80年代:[S]+[P]+[N]+[O]+[H]600ppm; 90年代:[S]+[P]+[N]+[O]+[H]100ppm; 2000年代:[S]+[P]+[N]+[O]+[H]50ppm。 洁净钢除[S]+[P]+[N]+[O]+[H]五大元素外, 随废钢量的增加。还包括Cu、Zr、Sn、Bi、Pb等 伴生元素。 洁净钢的定义 洁净钢是一个相对概念 某一杂质含量降低到什么水平决定于钢种和产品 用途 不同的年代,对洁净钢有不同的要求 有害元素降低程度决定于装备和工艺现代化水平。 高附加值产品对洁净度的要求是: T[O]要低20ppm; 夹杂物数量要少; 夹杂物尺寸要小50μm;夹杂物形态要合适。 洁净钢生产技术 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 初炼炉低氧钢精炼技术 出钢炉渣改质与预脱硫工艺 出钢挡渣技术与下渣检测 渣洗精炼工艺 ? 夹杂物改性技术 Ca处理技术 ? 超低碳钢冶炼技术 低N钢冶炼技术 ? 夹杂物控制技术 钢水保护技术 ? 无缺陷连铸坯生产工艺 连铸坯表面质量的控制 大型夹杂物的控制 铁水预处理工艺 朱 荣 铁水预处理技术 铁水预处理是指铁水兑入炼钢炉之前进行的各 种处理。 分为普通铁水预处理和特殊铁水预处理两大类。 普通铁水预处理包括:铁水脱硫、铁水脱硅和铁 水脱P。 特殊铁水预处理一般是针对铁水中含有的特 殊元素进行提纯精炼或资源综合利用,如铁水提 钒、提铌、脱铬等预处理工艺。 铁水预处理容器的选择 根据铁水预处理容器的选择,脱硫工艺可分为: ? 混铁车喷吹法 ? 铁水罐法 ? 铁水包法 发展趋势: 采用铁水包作为铁水脱硫预处理的容器 1.2 铁水预处理的化学冶金学意义 化学冶金学意义: 创造最佳的冶金反应环境 ! 钢铁冶金工艺优化: 高炉 ?? 分离脉石、还原铁矿石 铁水预处理 ?? 脱硅、脱磷、脱硫 转炉 ?? 脱碳、升温 钢水炉外精炼 ?? 去夹杂、合金化 1. 3 铁水预处理(脱硫)的优越性 (1) 满足用户对超低硫、磷钢的需求,发展 高附加值钢种:如: 船板钢、油井管钢: [S]、[P]?0.005 % 管线钢、Z向钢、IF钢:[S] ? 0.002~0.004 % (2) 减轻高炉脱硫负担,放宽对硫的限制, 提高产量,降低焦比; (3) 炼钢采用低硫铁水冶炼,可获得巨大的 经济效益。 铁水脱硫工艺方法 ? 投掷法,将脱硫剂投入铁水中脱硫 ? 喷吹法,将脱硫剂喷入铁水中脱硫 ? 搅拌法(KR法),通过中空机械搅拌器 向铁水内加入脱硫剂,搅拌脱硫 脱硫工艺的技术比较 脱硫工艺方法 脱硫率(%) 脱硫剂种类 脱硫剂消耗(kg/t) 最低铁水[S](%) 铁耗(kg/t) 温降(℃/次) 处理成本(元/t) 投资成本(—) 投掷法 60-70 苏打粉 8-10 0.015 30 30-40 — 低 喷吹法 80-90 Mg 系脱硫剂 0.5-2 0.003 10 10 15 一般 KR 法 90-95 石灰 10-12 0.002 15-20 20-30 20 较高 2 铁水预处理发展的技术经济背景与现状 2.1 国外铁水预脱硫技术的发展背景与现状 历史背景:60年代,氧枪转炉炼钢的崛起工业的 发展给钢铁材料质量提出了更高要求。 钢材质量: 强度高、低温韧性好;冷成型和焊 接性能好;抗腐蚀和高温性能好。 用户需求:降低钢中杂质:硫、磷含量越低越好。 国外脱硫现状 世界各国都致力于降低钢中硫含量 80年代初期欧洲钢材市场: 大批量产品含硫量[S] ? 0.02%;小量产品 [S] ? 0.01%;极少的优质钢[S] ? 0.005%。 90年代中期: 约70%的产品[S] ? 0.015%; 约50%的产品[S] ? 0.01% 。 约28%的产品[S] ? 0.005%;约10%的产品 [S] ? 0.002%。 我国脱硫现状 整体差距太大:生铁一类的质量标准: [S] ? 0.03% 宝钢、本钢等企业水平与国外一致 结果:高炉脱硫,操作保守 ? 焦比高、产 量低 国外预脱硫工艺发展趋势 铁水罐、混铁车 喷吹法(CaO、CaC2系)、镁系喷吹脱硫法 2.2 铁水预处理的发展趋势 预脱硫 ? 预脱硅 ? 预脱磷(同时脱磷脱硫) 未来以喷吹法为主 脱硫剂受原料经济和钢材产品要求而波动 发展方向: 高效、廉价、易得的复合脱硫剂; CaO系、CaC2系、Mg系“并驾齐驱” 铁水预脱硫处理愈来愈普遍,各种级别钢种都可处 理,特别是优质钢或特殊钢种。? 铁水预处理(脱硫) 是提高钢材质量的最经济手段 ! 3 铁水预脱硫 3.1 四大系列以及复合脱硫剂 苏打(Na2CO3)系: 炉前铁水沟铺撒法,宣钢、包钢做 过喷吹工艺试验。 电石(CaC2)系: 主要是喷吹法,攀钢、宝钢、武钢用 过。 石灰(CaO)系: 喷吹法,鞍钢、宝钢、武钢、酒钢、 宣钢、重钢、太钢等。 金属Mg系复合脱硫剂: 90年代起步,喷吹法。如鞍钢、 宝钢、本钢等。 3.2 四种主要脱硫剂及其脱硫原理 苏打 (Na2CO3)系:(+ 氧化剂,同时脱磷脱硫) Na2CO3(l) ==== Na2O(l) + CO2 Na2O(l) + [S] + [C] ==== (Na2S) + CO 价格贵,挥发损失严重,环境污染大, 侵蚀包衬 ? 目前只作号外铁补救脱硫之用! 石灰 (CaO)系 (+CaCO3+CaF2+C,+CaC2,+ Al) CaO(S) + [S] + [C] ==== (CaS) + CO 当 [Si] ? 0.05% 时, CaO(S) + [S] + 1/2[Si] === (CaS) + 1/2(SiO2) 价廉易得,高温、细磨、活性高脱硫效果较好。 ? 石灰易吸水,脱硫渣夹带铁,不能进行深度 脱硫。 碳化钙 (CaC2,电石)系 CaC2(+CaO+CaCO3+CaF2)、 (CaC2+CaCO3) CaC2(S) + [S] ==== (CaS) + 2[C] 相对较便宜,高温、细磨、深喷,脱硫效率较 高 ? 脱硫效率受温度和粒度影响较大,安全性不高! 镁 (Mg)系 种类:① 镁焦(Mag?coke);② 镁合金 (Mg?Fe?Si);③ 覆膜镁粒: ④ 覆膜混合镁粒: 含Mg30~80%,余为CaO。 [Mg ]+ [S] == MgS(固) Mg(气) + [S] == MgS(固) 镁脱硫的热力学:受铁水温度和镁的蒸气压影响 Log [Mg]sat = 7000? T + Log PMg ? 5.1(低温和 高压有利!) 镁脱硫的动力学 主要受镁蒸汽的溶解速度影响。 措施:① 铁水温度低些有利 ② 加入惰性物质减缓镁的气化速度 ③ 喷枪插入铁水液面以下2~3m处 镁的脱硫效率和消耗量: [S]为0.06%脱到0.01%,脱硫效率达63%,当 [S]降至0.005%时,每吨铁水耗镁300~500g。 镁脱硫剂的优缺点 镁和硫的亲和力极高,对低温铁水,镁脱硫最好, 用量少,对高炉渣不敏感;铁损少,无环境问题。 脱硫处理用的设备投资低。 ? 但镁价格高。 关键要保证插枪深度,精心控制,提高镁的收得 率。 我国有便宜镁资源。 铁水脱硫剂的选择 ? 元素的脱硫能力,由高到低依次为: CaC2、NaO2、Mg、BaO、CaO、MnO、MgO ? 工业中常用的脱硫剂有: CaO系、CaO+CaC2系、CaC2、CaO+Mg系、 Mg等。 铁水脱硫剂性能比较 CaC2 反应平衡常数 (1350℃) 脱硫能力 [S]min 6.9×105 很强 4.9×10-5% 1.极易吸潮劣化 特 2.运输和保存时要采用氮气 密封 3.要单独储存 点 4.析出的石墨态碳对环境产 生污染 5.生产其能耗高,价格昂贵 较大 石灰粉(CaO) 6.489 较强 3.7×10-3% 1.耗量较大,渣量较大,铁损 2.资源广,价格低,易加工, 使用安全 3.在料罐中下料易“架桥”堵 料,且石灰粉易吸潮 4.需要惰性气体或还原性气氛 镁粉 3.17×103 较强 1.6×10-3% 1.加入后,变成 镁蒸气泡,反应 区搅拌良好 2.经镁饱和后能 防止回硫 3.价格贵,处理 成本高 4 铁水脱Si工艺技术 铁水脱Si的重要意义 ? 是铁水脱磷的必要条件 ? 利于减少石灰加入量和渣量 ? 可在低碱度下实现脱Si,成本低 铁水脱Si的工艺方法 ? 铁水沟连续脱硅,分为一段法和 ? 两段法 ? 铁水罐脱硅 铁水脱硅站示意图 铁水脱硅方法的比较 工艺方法 铁水沟连续脱 Si 一段法 二段法 铁水罐脱 Si 技术指标 脱 Si 剂 高碱度烧结矿颗粒 气/固氧比 0 CaO 效率 O2 效率 20-40 反应速率常数(min-1) 0.25 0.13 0.10 O2+烧结矿 50% 40-80 0.06 ≤0.10% 处理后[Si]% 5 铁水预处理脱磷及同时脱磷脱硫 5.1 脱磷同时脱硫的化学原理 电化学反应:阳极: [P] + 4(O2?) ==== (PO43?) + 5e 阴极: [S] + 2e ==== (S2?) 喷吹法同时脱磷脱硫反应的实质: 在喷枪附近,氧位较高 (Po2=10?12~10?11kPa) ,进行 着氧化脱磷反应;在铁水罐壁和顶渣与铁水界面处,氧位 较低 (Po2?10?13kPa) ,进行着还原脱硫反应。因此,喷 吹预处理工艺是在实行了熔池的氧位再分布后,才达到同 时脱除磷、硫的,即是“同时不同位”。 5.2 脱磷前的铁水预脱硅 脱磷过程中硅比磷优先氧化。这样形成的SiO2势必会大 大降低脱磷渣的碱度。因此,为了减少脱磷剂用量、提 高脱磷效率,脱磷前必须优先将铁水[Si]氧化脱除至 0.10%~0.15%。 预脱硅方法:主要有高炉炉前铁水沟上置或顶喷固体氧 化剂脱硅法和铁水罐、混铁车内喷吹脱硅法(顶吹O2)两 种。 高炉要冶炼低硅生铁。 铁水脱磷预处理的工艺优点 ? 铁水预处理脱磷,反应温度低,热力学条件好, 易于脱磷。 ? 铁水中C、Si含量高提高了铁水中磷的活度,有 利于脱磷。 ? 由于铁水预处理脱磷具备良好的化学热力学条件, 渣钢间磷的分配系数是炼钢脱磷的5~10倍,因 而渣量小,可以控制较低的渣中FeO含量,脱磷 成本低。 ? 和炼钢相比,不会因脱磷造成钢水过氧化,影响 钢质量。 5.3 两类脱磷剂 苏打系: Na2CO3 (+ 氧化剂) 2[P]+3(Na2O)+5(FeO) ==(3Na2O?P2O5)+5Fe 石灰系: CaO + 氧化剂 + 助熔剂(CaF2) 2[P]+5(FeO)+3(CaO) == (3CaO?P2O5)+5Fe 氧化剂:气体O2和/或固体氧化剂 固氧剂:轧钢铁皮、铁精矿粉、烧结返矿粉 助熔剂:萤石(CaF2)、 CaCl2等 6 铁水深度预处理与纯净钢冶炼 6.1 铁水预处理对纯净钢生产的意义 铁水含磷、硫可降到低或超低含量水平。 提高转炉生产率、降低成本、节约能耗。 增加极低碳钢的清洁度。钢中T[O]、[N]、[H]含量 降低。 有利于复吹转炉冶炼高碳钢时的“提碳出钢技术”。 有效地提高铁、钢、材系统的综合经济效益。 6.2 基于铁水预处理的纯净钢冶炼工艺 基于铁水深度预脱硫的纯净钢冶炼工艺: (北美、欧洲、宝钢、武钢 ) 铁水深脱硫 ? 转炉强化脱磷 ? 钢水喷粉脱磷、脱硫、 升温、真空精炼 基于铁水三脱预处理的纯净钢冶炼工艺: (NSC、Sumitomo、Kobe、Kawasaki、NKK ) 铁水三脱(Si、P、S)处理 ? 复吹转炉少渣吹炼 ? 钢水喷粉脱硫、升温、线 铁水预处理与纯净钢生产实践 高炉铁水?常规(轻)脱硫([S]? 0.02%)?复吹转炉(脱 磷、脱碳、升温)?钢水精炼(脱氧、去气体、去夹杂)? 普通钢水,此即常规流程(生产普通钢种)。 高炉铁水?深度脱硫 ([S]?0.005%)?复吹转炉(脱 磷、脱碳、升温)?钢水精炼(脱硫、去气体、去夹杂)? 低硫钢水 ([S]?0.005%) ,此即纯净钢流程。其中生产 超 低 硫 钢 ([S]?0.002%) , 铁 水 则 要 深 脱 硫 至 [S]?0.002%~0.003%。 7 结语 铁水预处理脱硫: 适度脱硫: 补救措施,将硫脱至0.03~0.05%,在 炉前铁水沟中用简单设施进行处理。 常规脱硫: 一般铁水炼钢之用,将硫脱至 0.02% , 在铁水罐喷入石灰系或碳化钙系脱硫剂进行处理。 深度脱硫: 转炉炼优质或合金钢种 ( 纯净钢 ) ,将硫脱 至“双零”水平。在铁水罐中用喷枪喷入镁基脱硫剂进行处 理。 铁水深度预处理+纯净钢生产 铁水镁系脱硫剂深脱硫处理 + 转炉脱磷、脱碳 + 钢 水炉外喷粉脱磷、脱硫。 铁水三脱处理 + 复吹转炉少渣吹炼 + 钢水炉外喷粉 脱硫。 铁水深度三脱处理:铁水罐或专用转炉分期脱磷 ( 石 灰系脱磷剂)、脱硫(镁系或电石系脱硫剂)。 转炉炼钢工艺 1 转炉炼钢的发展 1855-1856年英国人亨利.贝塞麦(Henly)开发了酸性底 吹空气转炉炼钢法; 1878年英国人托马斯(S.G.Thomas)碱性底吹空气转炉炼 钢法; 1940年廉价获得氧气后,瑞士、奥地利开发了顶吹氧气 转炉,1952年在奥地利林茨(Linz)和多纳维茨城 (Donawitz)建成第一座30吨碱性顶吹氧气转炉(LD转炉); 或称BOF(Basic Oxygen Furnace)。 1970年开发顶底复合吹炼转炉。 我国的炼钢发展史。 氧气转炉的种类 氧气顶吹转炉 氧气底吹转炉 氧气侧吹转炉 氧气顶底复合转炉 顶吹氧气转炉炼钢工艺特点 完全依靠铁水氧化带来的化学热及物理热; 生产率高(冶炼时间在20分钟以内); 质量好( * 气体含量少:(因为 CO 的反应搅拌, 将 N 、 H 除去)可以生产超纯净钢 , 有害成份( S 、 P、N、H、O)〈80ppm; 冶炼成本低,耐火材料用量比平炉及电炉用量低; 原材料适应性强,高P、低P都可以。 转炉炼钢的热平衡及物料平衡 热平衡是计算炼钢过程的热量收入(铁水的物理 及化学热)及热量支出(钢液、炉渣、炉气、冷 却剂、热量损失) 物料平衡是计算炼钢过程中加入炉内和参予炼钢 过程的全部物料(铁水、废钢、氧气、冷却剂、 渣料和耐材等)及炼钢过程中产物(钢液、炉渣、 炉气及烟尘等) “负能炼钢” 转炉炼钢是一个能量有富裕的炼钢方法,衡量转 炉炼钢的重要指标之一,转炉工序能耗及炼钢厂 能耗。 当炉气回收的总热量转炉生产消耗的能量时,实 现了转炉工序“负能炼钢”;当炉气回收的总热 量炼钢厂生产消耗的总能量时,实现了炼钢厂 “负能炼钢”。日本君津钢厂、我国宝钢、武钢 三炼钢厂均已实现炼钢厂“负能炼钢”。 转炉设备 转炉炉体及转炉倾动系统 铁水、废钢、散状材料设备 氧枪提升机构 转炉烟气净化与回收设备 2 氧气射流及熔池搅拌 氧枪吹炼参数决定转 炉的冶炼过程及冶炼 结果 氧枪心藏是氧枪喷头; 有关氧枪及氧枪喷头 设计有专门介绍 氧气射流属于气体动 力学的范畴。 氧气射流对熔池的物理作用 转炉实际上是一个黑箱,对炉内的运动状态是 冷态实验的分析结果。 氧流作用下熔池的循环运动,动量传递,氧压或 氧速越高,凹坑越深,搅拌加剧。 氧气射流对熔池的化学作用 直接氧化 --- 氧气射流直接与杂质元素产生氧 化反应; 间接氧化 --- 氧气射流先与 Fe 反应生成后 FeO , FeO传氧给杂质元素。 是直接氧化还是间接氧化为主呢? 是间接氧化为主,最主要一点是由于氧流 是集中于作用区附近( 4 %的面积),而不是 高度分散在熔池中。 氧枪喷头的种类 直简型 收缩型 拉瓦尔型 多孔拉瓦尔型。 (马赫数 控制在1.8-2.1) 喷头设计需考虑的因素 主要根据炼钢车间生产能力大小、原料条件、供氧能力、 水冷条件和炉气净化设备的能力来决定。 考虑到转炉的炉膛高度、直径大小、熔池深度等参数确 定其孔数、喷孔出口马赫数和氧流股直径。 对于原料中废钢比高、高磷铁水冶炼或需二次燃烧提温 等情况,则其氧枪喷头的设计就需特殊考虑。 3 顶吹转炉的过程描述 上炉出钢 -- 倒完炉渣 ( 或加添加剂 )-- 补炉或溅渣 -- 堵出 钢口--兑铁水--装废钢--下枪--加渣料(石灰、铁皮)-点火-- 熔池升温--脱P、Si 、Mn----降枪脱碳。 看炉口的火,听声音。看火亮度--加第二批(渣料)--提 枪化渣,控制“返干”。 降枪控制终点(FeO),倒炉取样测温,出钢。 技术水平高的炉长,一次命中率高。 50% 。(宝钢是付枪) 根据分析取样结果--决定出钢(或补吹)--合金化。 不要补吹的就是通常说的一次命中。 冶炼技巧 钢液碳的判断方法 取样分析、磨样、看火花、付枪。 钢液磷的判断方法 取样分析、渣的颜色及气孔; 钢液温度判断方法 接触热电偶、看炉口火焰、看钢液颜色、读秒表。 钢液颜色:白亮、青色、浅兰、深兰、红色 冶炼过程渣、钢成份变化 冶炼过程钢中[N][O]成份变化 4 炼钢用原辅材料 原材料 铁水:加70-85%(%C=4,%Si=0.41.0,%P=0.02-0.15,%S=0.001-0.050) 废钢:加15-30%(厚度小于150mm,清洁) 生铁块:调温及配碳 烧结矿(改性铁) 4 炼钢用原辅材料 辅助材料: 石灰:有效CaO成分,块度,控制石灰吸水 萤石:CaF2,能改善炉渣流动性 生白云石:CaMg(CO3)2,造渣及护炉 菱镁矿:MgCO3调渣剂 铁合金、冷却剂及增碳剂 5 转炉耐火材料及护炉技术 耐火材料分类: 碱性耐火材料(MgO) 酸性耐火材料(SiO2) 中性耐火材料(碳质及铬质) 耐火材料的主要性质: 耐火度、荷重软化温度、耐压强度、抗热震 性、热膨胀性、导热性、抗渣性、气孔率等。 5 转炉耐火材料及护炉技术 炉衬寿命:炉衬寿命影响转炉的工作时间及生产 成本。炉龄是钢厂一重要生产技术指标。 炉衬损坏的原因: 铁水、废钢及炉渣等的机械碰撞和冲刷 炉渣及钢水的化学侵蚀 炉衬自身矿物组成分解引起的层裂 急冷急热等因素。 5 转炉耐火材料及护炉技术 提高炉龄的措施: 耐材质量; 系统优化炼钢工艺; 补炉工艺 新工艺:溅渣护炉工艺, 九十年代,美国开发 成功转炉溅渣护炉技 术,在我国达到最高 效益,炉龄30000。 5 转炉耐火材料及护炉技术 6 转炉冶炼工艺 转炉冶炼五大制度 装料制度 供氧制度 造渣制度 温度制度 终点控制及合金化制度 确定合理的装入量,需考 虑的两个参数: 炉容比:(V/T,m3/t),0.8-1.05(30-300t转炉); 熔池深度:需大于氧气射流的冲击深度 800-2000mm (30-300t转炉) 装料制度:定量装入、定深装入; 分阶段定量装入。 分阶段定量装入:1-50炉,51-200炉,200 炉以上,枪位每天要校正。交接班看枪位。 6.2 供氧制度 基本操作参数 供氧强度Nm3/t.min 氧气流量 Nm3/h 操作氧压 Mpa 氧枪枪位 m 6.2 供氧制度 供氧强度(Nm3/t.min) 决定冶炼时间,但太大, 喷溅可能性增大,一般3.0-4.0。 氧气流量大小(Nm3/h): 装入量, C 、 Mn 、 Si 的含量,由物料平衡计 算得到,50-65Nm3/h。 氧压(Mpa) 喷头的喉口及马赫数一定,P大,流量大,有一 范围 0.8-1.2Mpa。 氧枪枪位,由冲击深度决定,1/3-1/2。 6.2 供氧制度 % 铁水成分 成品成分 C 4.30 0.20 Si 0.80 0.27 吨钢耗氧量计算 Mn 0.20 0.50 P S 0.13 0.04 0.02 0.02 转炉公称容量为100吨时,炉渣量为 :100×10%=10吨 铁损耗氧量 10×15%×16/(16+56)=0.33吨 [C]→[CO] 耗氧量 100×(4.30%-0.20%)×90%×16/12=4.92吨 [C]→[CO2] 耗氧量 100×(4.30%-0.20%)×10%〕32/12=1.09吨 [Si]→[SiO2]耗氧量 100×0.8%×32/28=0.914吨 [Mn]→[MnO]耗氧量 100×0.2%×16/55=0.058吨 [P]→[P2O5] 耗氧量 100×0.13%×(16×5)/(31×2)=0.168吨 [S] 1/3被气化为SO2, 2/3与CaO反应生成CaS进入渣中, 则[S]不耗氧。 总耗氧量 =0.33+4.92+1.09+0.914+0.058+0.168=7.48吨/1.429=5236Nm3 实际耗氧量=5236/0.9/99.5%=5847Nm3 实际吨钢耗氧量=5847/100=58.37Nm3/t 6.2 供氧制度 两种操作方式 两种操作方式: 软吹:低压、高枪位,吹入的氧在渣层中, 渣中FeO升高、有利于脱磷; 硬吹:高压低枪位(与软吹相反),脱P不好, 但脱C好,穿透能力强,脱C反应激烈 。 6.2 供氧制度 氧枪操作方式 氧枪操作就是调节氧压和枪位。 氧枪的操作方式: 衡枪变压 :压力控制不稳定,阀门控制不好; 恒压变枪:压力不变,枪位变化,目前主要操 作方式 6.3造渣制度 炼钢就是炼渣。 造渣的目的:通过造渣,脱 P 、减少喷溅、 保护炉衬。 造渣制度:确定合适的造渣方式、渣料的 加入数量和时间、成渣速度。 渣的特点:一定碱度、良好的流动性、合 适的FeO及MgO、正常泡沫化的熔渣。 造渣方式 单渣法:铁水Si、P低,或冶炼要求低。 双渣法:铁水Si、P高,或冶炼要求高。 留渣法:利用终渣的热及FeO,为下炉准备。 石灰加入量确定 石灰加入量是根据铁水中Si、P含量及炉渣碱度R确定。 铁水含磷小于0.30%时: 石灰加入量(kg/t)=2.14×W[Si]×R×1000/A A为石灰中的有效氧化钙 A= W(CaO) -R × W(SiO2) R × W(SiO2) W为石灰自身SiO2占用的CaO。 当Si、P高时,需计算石灰补加量。 成渣速度 转炉冶炼时间短,快速成渣是非常重要的,石灰 的溶解是决定冶炼速度的重要因素。 石灰的熔解: 开始吹氧时渣中主要是 SiO , MnO , FeO, 是酸性 渣,加石灰后,石灰溶解速度,可用下式表 J = K ( CaO+1.35MgO-1.09SiO2+2.75FeO+1.9MnO39.1) 形成 2CaO*SiO2 ,难熔渣。 FeO,MnO,MgO 可加速石灰 熔化。因为可降低炉渣粘度,破坏2CaO*SiO2的存在。 采用软烧活性石灰、加矿石、萤石及吹氧加速成渣。 成渣途径 钙质成渣 低枪位操作,渣中FeO含量下降很快,碳接近终 点时,渣中铁才回升。 适用于低磷铁水、对炉衬寿命有好处。 铁质成渣过程 高枪位操作,渣中FeO含量保持较高水平,碳 接近终点时,渣中铁才下降。 适用于高磷铁水、对炉衬侵蚀严重;FeO高,炉 渣泡沫化严重,易产生喷溅。 CaO(+MgO)-FeO(+MnO)-SiO2(+P2O5)相图 ABC钙质成渣 ADC铁质成渣 白云石造渣 提高渣中MgO的含量,延长炉衬寿命; 渣中饱和MgO的概念;一般根据冶炼情况, MgO控制在6-10% 采用白云石造渣应注意加入时间,防止涨炉 底及粘氧枪。 大喷溅 转炉喷溅分:爆发性喷溅、金属喷溅及泡沫渣 喷溅。 喷溅的主要原因 低温吹氧,氧位较高,碳氧反应不平衡, 吹入的氧成为 FeO,脱 C反应较慢,当温度升高 后 C-O反应激烈; 渣粘稠,金属喷溅。 操作中防止喷溅的措施 控制渣量 吹氧脱碳的温度控制 控制枪位,保证渣中FeO在一定范围(15- 20%) 保持合适的炉容比 6.4 温度制度 温度控制就是确定冷却剂加入的数量和时间 影响终点温度的因素: 铁水成分:[%Si]=0.1,升高炉温约15 ℃ 铁水温度:铁水温度提高10℃,钢水温度约提高6 ℃ (30t) 铁水装入量:每增加1吨铁水,终点钢水温度约提高 8 ℃ (30t) 废钢加入量:每增加1吨废钢,终点钢水温度约下降 45 ℃ (30t) 此外,炉龄、终点碳、吹炼时间、喷溅等有影响。 6.4 温度制度 温度控制措施 熔池升温 降枪脱C、氧化熔池金属铁。金属收到率降低; 熔池降温 加冷却剂(矿石、球团矿、氧化铁皮、废钢);废钢冶炼 时一般不加。 6.5 终点控制及合金化制度 终点控制指终点温度和成分的控制 终点标志: 钢中碳含量达到所炼钢种的控制范围 钢中P达到要求 出钢温度达到要求 终点控制方法 终点碳控制的方法: 一次拉碳法、增碳法、高拉补吹法。 一次拉碳法: 按出钢要求的终点碳和温度进行吹炼,当 达到要求时提枪。操作要求较高。 优点:终点渣FeO低,钢中有害气体少,不 加增碳剂,钢水洁净。氧耗较小,节约增碳剂。 终点控制方法 增碳法:所有钢种均将碳吹到0.05%左右,按 钢种加增碳剂。 优点:操作简单,生产率高,易实现自动控制, 废钢比高。 高拉补吹法:当冶炼中,高碳钢种时,终点按 钢种规格略高一些进行拉碳,待测温、取样后 按分析结果与规格的差值决定补吹时间。 终点温度确定 所炼钢种熔点: T=1538-∑△T×j △T: 钢中某元素含量增加1%时使铁的熔点降低 值, j钢中某元素%含量。 考虑到钢包运行、镇静吹氩、连铸等要求 钢水合金化 满足脱氧的要求 满足钢种的要求 有精炼的转炉,作为预脱氧及初步合金化。 合金加入原则:脱氧能力先弱后强,先难熔。 合金加入量(kg) = (钢种规格中限%-终点残余成分%)/A A=(铁合金中合金元素含量%×合金元素收得率 %)1000 7 转炉冶炼的自动控制 在计算机时代,如何提高炼钢效率,降低炼钢 成本,使炼钢由经验向科学转化, 是炼钢技 术发展的必然。 转炉吹炼的技术特点: ①脱碳速度快,准确控制吹炼终点比较困难: ②热效率高,升温速度快; ③容易发生炉渣或金属喷溅; ④吹炼后期脱碳速度减慢,金属 — 炉渣之间远离平衡, 容易造成钢渣过氧化。 转炉冶炼的自动控制 1.对氧气顶吹转炉控制的要求 ①铁水质量稳定,能准确知道铁水成份和重量; ②废钢量稳定,有害残余元素含量低; ③石灰等其他造渣剂的化学成份及块度稳定。 2. 控制方案 静态控制模型 动态控制模型 全自动控制模型 转炉自动化控制的具体要求 ( 1 )能实现远程预报,根据目标钢种要求和铁水 条件,能确定基本命中终点的吹炼工艺方案; ( 2 )能精确命中吹炼终点,通常采用动态校正方 法,修正计算误差,保证终点控制精度和命中率; ( 3 )具备容错性,可消除各种系统误差,随机误 差和检测误差; (4)响应迅速,系统安全可靠。 静态控制模型 静态控制是动态控制的基础,根据物料平衡和 热量平衡; 静态控制的原理是:质量守恒; 先确定出终点的目标成份和温度及出钢量,并选 择适当的操作条件,进行装入量的计算; 确定物料收支和热收支的关系输入计算机; 铁水、废钢、生铁块、铁皮、铁矿石等; 可计算需要的氧气量,在单位时间内的氧气流量, 从所需的氧量可计算出所需要的冶炼时间; 用热收支方面进行分析定论。 模型基础—脱C曲线. 第一阶段:脱C速度逐渐增大,Si、Mn的反应控制了脱C 反应、先脱Si、Mn,后脱C。 Vc=-d[C]/dt=K1t 2. 第二阶段:脱C速度与C含量基本无关。如Vc 变快,说 明脱C速度随氧流量的变化而变化。 Vc= -d[C]/dt=K2=k2 QO2 K2=(1.89QO2-0.048h枪位-28.5)×10-3(试验数据) 3. 第三阶段:碳下降到一定后,碳的传质成了限制环节。 Vc=-d[C]/dt=K3[%C] 脱碳速度与时间的关系 动态模型控制 是在运行途中对轨道进行计算和检测。并给予 修正的一种控制方法。 钢液中的 [C] 和温度测定,钢液中的 [C] 和温度 是随时间推移而变化的。 动态控制的条件: 点测的条件, 部份连续检测 能测定其轨道(途中测定钢液中 [C] 和温度); 途中测定时,如果测定值和预测的值不同,采 取修正的手段。 控制轨道修正手段 1、温度、碳合适,按 原轨道控制; 2、温度低及碳低,脱 碳升温、当温度合适, 终点碳低,加增碳剂; 3、温度高碳高,脱碳 升温、当终点碳合适, 终点温度太高,加冷 却剂; 动态控制采用的两种方法 副枪动态控制技术 在吹炼接近终点时(供O2量85%左右),插入副枪测 定熔池[C]和温度,校正静态模型的计算误差并计算达到 终点所需的供O2量或冷却剂加入量。 炉气分析动态控制技术 通过连续检测炉口逸出的炉气成分,计算熔池瞬时脱 碳速度和Si、Mn、P氧化速度,进行动态连续校正,提高 控制精度和命中率。 动态控制技术未解决的问题 不能对吹炼造渣过程进行有效监测和控制,不 能降低转炉喷溅率; 不能对终点 [S] 、 [P] 进行准确控制,由于 [S] 、 [P]成分不合格,造成“后吹”; 不能实现计算机对整个吹炼过程进行闭环在线 控制。 模型控制的发展 控 制 检测内容 方式 静 态 铁水温 度 、 成分和 重量 、 控制 各种辅 原 料 成分和 重量 , 氧气流量和枪位 动 态 静态检 测 内 容全部 保留 , 控制 并增加 副 枪 测温、 定碳 、 取钢水样 控制目标 控制精度 ([IC]±0.03)% (T±15)℃ ([IC]±0.02)% (T±12)℃ 命中率 ≤50% 根据终点[C]、T 要求确定吹 炼方案,供氧时间和原、辅 料加入量 静态模型预报副枪检测点, 根据[C]、T 检测值修正计算 结果,预报达到终点的供氧 量和冷却剂加入量 全 自 动态检 测 内 容全部 保留 , 在线计算机闭环控制: 动 吹 并增加: (1)顶吹供氧工艺 炼 控 (1)炉渣状况检测 (2)底吹搅拌工艺 制 (2)炉气分析设备 (3)造渣工艺 (3)Mn 光谱强度连续检测 (4)终点预报 T、[C]、[S]、[P] 全程预报碳含量和温度 80 ~ 90% ([IC]±0.03)% ≥90% (T±15)℃ 对吹炼的 控制精 度超过 5 年以上 的熟练操作工人 全自动转炉吹炼技 术 全自动吹炼控制技术,通常包括以下控制模型: 静态模型——确定吹炼方案,保证基本命中终点; 吹炼控制模型——利用炉气成分信息,校正吹炼误差, 全程预报熔池成分( C 、 Si 、 Mn 、 P 、 S )和炉渣成分变化; 造渣控制模型——利用炉渣检测信息,动态调整顶枪枪 位和造渣工艺,避免吹炼过程“ 精确控制终点,保证命中率。 喷溅”和“ 返干”。 终点控制模型——通过终点融枪校正或炉气分析校正, 采用人工智能技术,提高模型的自学习和自适应能力。 全自动吹炼控制技术的冶金效果 ①提高了终点控制精度,对低碳钢( [ % C]0.06 % ) , 控 制 精 度 为 ±0.015 % ; 对 中 碳 钢 ([%C]=0.06~0.20%),控制精度为±0.02%; 高碳钢( [ % C]0.20 %),控制精度为±0.05 %;温度±10℃,命中率≥95%。 ②实现了对终点 S 、 P 、 Mn 的准确预报,精度为: S±0.0009%;P±0.00l4%;Mn±0.009%。 全自动吹炼控制技术的冶金效果 ③对中、高碳钢冶炼,后吹率从60%下降到32%; ④喷溅率从29%下降到5.4%; ⑤终点拉碳至出钢时间从8.5min缩短到2.5min; ⑥铁收得率提高 0.49 %,石灰消耗减少 3kg/t ,炉 龄提高30%。 8 顶底复合吹炼转炉 工艺特点 ? 顶底复吹转炉结合了顶吹、底吹转炉的优点 ? 反应速度快,热效率高,可实现炉内二次燃烧 ? 吹炼后期强化熔池搅拌,使钢渣反应接衡 ? 保持顶吹转炉成渣速度快和底吹转炉吹炼平稳 的双重优点 ? 进一步提高了熔池脱磷脱硫的冶金效果 ? 冶炼低碳钢(C=0.01~0.02%),避免了钢渣过 氧化 顶底复合吹炼技术技术特征 ? 顶吹100%氧气,可采 用二次燃烧技术提高熔池 热效率; ? 底吹惰性气体搅拌, 前期吹N2气后期切换为Ar 气; ? 供气强度波动在 0.03~0.12 Nm3/t.min范 围。 复吹转炉的经济效益 ? 渣中含铁量降低2.5~5.0% ? 金属收得率提高0.5~1.5% ? 残锰提高0.02~0.06% ? 磷含量降低0.002% ? 石灰消耗降低3~10kg/t ? 氧气消耗减少4~6Nm3/t ? 提高炉龄,减少耐火材料消耗 9 转炉主要冶炼品种 氧气钢顶吹转炉炼钢工艺与铁水预处理及钢 水炉外精炼相结合,可冶炼大部分电炉钢, 冶炼品种400个。 目前转炉冶炼的主要品种有: 型钢类:如重轨钢、钢筋钢 线材类:软线、硬线、焊线、冷墩线 钢板类:中厚板、薄板(钢带、管线)、硅钢

冶炼

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