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第四章 氧气顶吹转炉炼钢工艺
内容提要
一炉钢吹炼过程
装入制度
供氧制度
造渣制度
温度制度
终点控制和出钢
脱氧合金化
吹损和喷溅
操作事故及处理
转炉炼钢仿真操作训练
§4—1 一炉钢吹炼过程
一.钢和铁区分及炼钢任务
1. 钢和铁性能比较
钢和铁全部是铁碳合金,同属于黑色金属,但它们性质有显著不一样.生铁硬而脆,焊接性差.钢含有很好物理化学性能和力学性能,可进行拉,压,轧,冲,拔等深加工,其用途十分广泛;
用途不一样对钢性能要求也不一样,从而对钢生产也提出了不一样要求.
2. 钢和铁性能差异原因:
碳和其它合金元素含量不一样.在钢中碳元素和铁元素形成Fe3C固熔体,伴随碳含量增加,其强度,硬度增加,而塑性和冲击韧性降低.
钢和生铁含碳量界限通常是:
生铁: [C]=1.7～4.5%
钢: [C]≤ 1.7%

生铁和钢化学成份
材料
化学成份%
C
Si
Mn
P
S
炼钢生铁
3. 5～4.0
0.6～1.6
0.2～0.8
0.0～0.4
0.03～0.07
碳素镇
静钢
0.06～1.50
0.1～0.37
0.25～0.80
≤0.045
≤0.05
沸腾钢
0.05～0.27
≤0.07
0.25～0.70
≤0.045
≤0.05
4. 炼钢基础任务:
⑴ 脱碳;
将铁水中碳大部分去除,同时伴随脱碳进行,产生大量CO气泡,在CO排出过程中,搅拌熔池促进化渣,同时脱除[H],[N]和夹杂.
⑵ 去除杂质(去P,S和其它杂质);
铁水中[P],[S]含量高,而钢中[P]会造成"冷脆",[S]造成"热
脆".通常大多数钢种对P,S含量全部有严格要求,炼钢必需脱除P,S等有害杂质.
⑶ 去除气体及夹杂物;
在炼钢过程中经过熔池沸腾(碳氧反应,底吹惰性气体搅拌)脱除H],[N]和非金属夹杂物.
⑷ 脱氧合金化;
在炼钢过程中因为脱碳反应需要,要向钢液中供氧,就不可避免地使后期钢中含有较高氧,氧不管是以液体形态还是以氧化物形态存在于钢中全部会降低钢质量,所以必需在冶炼后期或出钢过程中将多出氧去除掉.
在冶炼过程中,铁水中Si, Mn大部分氧化掉了,为了确保成品钢中要求成份,要向钢水中加入多种合金元素,这个过程和脱氧同时进行,称为合金化.
⑸升温(确保适宜出钢温度).
铁水温度通常在1250～1300℃,而钢水出钢温度通常在1650℃以上,才能顺利浇注成铸坯,所以炼钢过程也是一个升温过程.
5. 完成炼钢各项任务基础方法
⑴氧化
为了将铁水等炉料中硅,锰,碳等元素氧化掉,能够采取"吹氧"方法,即直接喷吹氧气,或加入其它氧化剂,如铁矿石,铁皮等.
⑵造渣
为了去除炉料中P,S等杂质,在炼钢过程中加入渣料(石灰,白云石,熔剂等),形成碱度适宜,流动性良好,足够数量炉渣,首先完成脱除P,S任务,同时减轻对炉衬对侵蚀.
⑶升温
转炉关键是依靠碳,硅,锰等元素氧化放出等热量,和铁水物理热实现升温.
⑷加入脱氧剂和合金料
经过向炉内或钢包内加入多种脱氧剂和合金料方法,完成脱氧及合金化任务.
二.金属成份和炉渣成份改变规律
1. Si在吹炼前期(通常在3～4分钟内)即被基础氧化.
在吹炼早期,铁水中[Si]和氧亲和力大,而且[Si]氧化反应为放热反应,低温下有利于此反应进行,所以,[Si]在吹炼早期就大量氧化.
[Si]+O2=(SiO2) (氧气直接氧化)
[Si]+2[O]= (SiO2) (熔池内反应)
[Si]+(FeO)=(SiO2)+2[Fe] (界面反应)
2(FeO)+(SiO2)=(2FeO·SiO2)
伴随吹炼进行石灰逐步溶解,2FeO·SiO2转变为2CaO·SiO2,即SiO2和CaO牢靠结合为稳定化合物,SiO2活度很低,在碱性渣中FeO活度较高,这么不仅使[Si]被氧化到很低程度,而且在碳猛烈氧化时,也不会被还原,即使温度超出1530℃,[C]和[O]亲和力也超出[Si]和[O]亲和力,终因(CaO)和(SiO2)结合为稳定2CaO.SiO2,[C]也不能还原(SiO2).
硅氧化对熔池温度,熔渣碱度和其它元素氧化产生影响:
[Si]氧化可使熔池温度升高;
[Si]氧化后生成(SiO2),降低熔渣碱度,熔渣碱度影响脱磷,脱硫;
熔池中[C]氧化反应只有到[%Si]P0.
⑵喷嘴前氧压P0:
其选择应考虑以下原因:
A. 氧气流股出口速度要达成超音速(450～530cm∕s),即M=1.8～2.1.
B. 出口氧压应稍高于炉膛内气压.
通常P0=0.784～1.176MPa.
⑶出口氧压P:应稍高于或等于周围炉气压力.
通常P=0.118～0.125MPa.
六.枪位及其控制
所谓枪位,是指氧枪喷头端面距静止液面距离,常见H表示,单位是m.
现在,一炉钢吹炼中氧枪操作有两种类型,一个是恒压变枪操作,一个是恒枪变压操作.比较而言,恒压变枪操作更为方便,正确,安全,所以中国钢厂普遍采取.
1. 枪位改变范围和规律
相关枪位确实定,现在做法是经验公式计算,实践中修正.
一炉钢冶炼中枪位改变范围可据经验公式确定:
H=(37～46)P×D出
式中 P——供氧压力,MPa;
D——喷头出口直径,mm;
H——枪位,mm.
具体操作中,枪位控制通常遵照"高-低-高-低"标准:
⑴ 前期高枪位化渣但应防喷溅.
吹炼前期,铁水中硅快速氧化,渣中(SiO2)较高而熔池温度尚低,为了加速头批渣料熔化(尽早去P并减轻炉衬侵蚀),除加适量萤石或氧化铁皮助熔外应采取较高枪位,确保渣中(FeO)达成并维持在25～30%水平;不然,石灰表面生成C2S 外壳,阻碍石灰溶解.当然,枪位亦不可过高,以防发生喷溅,适宜枪位是使液面抵达炉口而又不溢出.
⑵ 中期低枪位脱碳但应防返干.
吹炼中期,关键是脱碳,枪位应低些.但此时不仅吹入氧几乎全部用于碳氧化,而且渣中(FeO)也被大量消耗,易出现"返干"现象而影响S,P去除,故不应太低,使渣中(FeO)保持在10～15%以上.
⑶ 后期提枪调渣控终点.
吹炼后期,C-O反应已弱,产生喷溅可能性不大,此时基础任务是调好炉渣氧化性和流动性继续去除硫磷,并正确控制终点碳(较低),所以枪位应合适高些.
⑷ 终点前降枪点吹破坏泡沫渣.
靠近终点时,降枪点吹一下,均匀钢液成份和温度,同时降低炉渣氧化铁含量并破坏泡沫渣,以提升金属和合金收得率.
2. 枪位调整
⑴ 开吹前必需了解情况
A. 喷嘴结构特点及氧气总管氧压情况;
B. 铁水成份,关键是Si,P,S含量;
C. 铁水温度,包含铁水罐,混铁炉或混铁车内存铁情况及铁水包情况;
D. 炉役期为多少,是否补炉,对应装入量是多少,上炉钢水是否出净,是否有残渣;
E. 吹炼钢种及其对造渣和温度控制要求;
F. 上一班操作情况,并测量熔池液面高度.
⑵枪位调整
生产条件千变万化,所以具体操作中还应依据实际情况对枪位进行合适调整.
A. 铁水温度:
若遇铁水温度偏低,应先压枪提温,以后再提枪化渣,以防渣中(FeO)积聚引发大喷,即采取低-高-低枪位操作.
铁水温度高时,碳氧反应会提前到来,渣中∑(FeO)降低,枪位可稍高些,以利成渣.
B. 铁水成份:
铁水硅,磷高时,若采取双渣操作,可先低枪位脱硅,磷,倒掉酸性渣;若单渣操作,因为石灰加入量大,应较高枪位化渣.铁水含锰高时,有利于化渣,枪位则可合适低些.
C. 装入量改变:
炉内超装时,熔池液面高,枪位应对应提升,不然,不仅化渣困难而且易烧坏氧枪.
D. 炉内留渣:
采取双渣留渣法时,因为渣中(FeO)高,有利于石灰熔化,所以吹炼前期枪位合适低些,以防渣中(FeO)过高引发泡沫喷溅.
E. 供氧压力:
高氧压和低枪位作用相同,故氧压高时,枪位应高些.
F. 废钢中生铁块多导热性差,不易熔化,应降低枪位,以防吹炼后期没有完全熔化.
G. 炉龄
a 开新炉,炉温低,应合适降低枪位;
b 炉役前期液面高,可合适提升枪位;
c 炉役后期装入量增加,熔池面积增大,不易化渣,可在短时间内采取高低枪位交替操作以加强熔池搅拌,利于化渣.
H. 渣料
a 石灰质量差和加入量多,则渣量大,枪位应对应提升;
b 使用活性石灰成渣快,整个过程枪位全部能够稍低些;
c 铁矿石,氧化铁皮和萤石用量多时,熔渣轻易形成,同时流动性很好,枪位可合适低部分.
I. 钢种
炼高碳钢时,因为脱磷困难,应采取较高枪位,尤其是在吹炼后期.同理,在吹炼含磷很低钢种时,应采取较高枪位.
七.恒压变枪操作多个模式
因为各厂转炉吨位,喷嘴结构,原材料条件及所炼钢种等情况不一样,氧枪操作也不完全一样.现介绍以下多个氧枪操作方法.
1. 高—低—高六段式操作
开吹枪位较高,及早形成早期渣;二批料加入后适时降枪,吹炼中期炉渣返干时又提枪化渣;吹炼后期先提枪化渣后降枪;终点拉碳出钢.
2. 高—低—高五段式操作
五段式操作前期和六段式操作基础一致,熔渣返干时可加入适量助熔剂调整熔渣流动性,以缩短吹炼时间,见下图.
3. 高一低一高一低四段式操作
在铁水温度较高或渣料集中在吹炼前期加入时可采取这种枪位操作.开吹时采取高枪位化渣,使渣中含(FeO)量达25～30%,促进石灰熔化,立即形成含有一定碱度炉渣,增大前期脱磷和脱硫效率,同时也避免酸性渣对炉衬侵蚀.在炉渣化好后降枪脱
高—低—高五段式操作示意图
碳,为避免在碳氧化猛烈反应期出现返干现象,适时提升枪位,使渣中(FeO)保持在10～15%,以利磷,硫继续去除.在靠近终点时再降枪加强熔池搅拌,继续脱碳和均匀熔池成份和温度,降低终渣(FeO)含量.
例:马钢一钢厂95T转炉氧枪操作
A. 全程枪位:高—低—高式或高—高—低式
过程枪位:要努力争取稳定,尽可能少波动,每次动枪波动范围≯200mm.
补吹枪位:必需按最低枪位控制(1.1m).
B. 高枪位:1.7～2.0m;
基础吹炼枪位:1.4～1.7m;
拉碳枪位:1.2～1.4m;吹炼中,高碳钢拉碳枪位应提升0.1～0.2m.
例:马钢一钢厂95T转炉开吹枪位确实定
(a)铁水Si>0.70%时渣量大,易喷溅,枪位应比正常情况下低0.1～0.2m;铁水Si ,P含量低,尤其是Si1%),P,S较高,或生产优质钢时采取.
倒渣时机:
这是双渣法操作关键.选择在渣中含P量最高,含铁量最低时刻,以取得高脱磷率和低铁损效果.同时,应在Si已氧化完成,炉渣已基础化好,P在渣钢之间分配已靠近平衡时进行.
生产实践证实,顶吹转炉在吹炼时间25%左右,复吹转炉为30%左右时倒渣脱磷率最高;若是因铁水硫高而采取双渣法,则应在吹炼10min左右倒渣.
注意:倒渣前1分钟合适提枪或加些熔剂改善炉渣流动性,方便于倒渣操作.
3.双渣留渣法
定义:将上一炉终渣(高碱度,高温度和较高(FeO)含量)部分地留在炉内,并在吹炼中途倒出部分炉渣再造新渣操作方法.
特点:
初渣早成而前期去硫及去磷效率高,总去硫率可达60%～70%,总去磷率更是高达95%,适合于吹炼中,高磷铁水.
注意:
装料时应先加一批石灰稠化所留炉渣,而且兑铁水时要缓慢进行,以防发生爆发性碳氧反应而引发喷溅.若上一炉钢终点碳过低,不宜进行留渣操作.
应该指出,顶吹转炉虽能将高磷铁水炼成合格钢,但技术经济指标较差,和吹炼中,低磷铁水相比,每吨钢金属料消耗高30～100kg,石灰多用40～100kg,炉龄大幅降低;产量也仅为吹炼低磷铁水时70%～80%;另外,单渣法生产稳定,操作简单,便于实施计算机控制.所以,对于含硅,磷及硫较高铁水,入炉前进行预处理使之达成单渣法操作要求,不仅技术上可行而且工艺上经济合理.
七.渣料加入方法
相关渣料加入,关键是要注意渣料分批和把握加入时间.
1. 渣料分批加入
目标:渣料应分批加入以加速石灰熔化(不然,会造成熔池温度下降过多,造成渣料结团且石灰块表面形成一层金属凝壳而推迟成渣).
批次:单渣操作时,渣料通常分成两批:第一批1/2～2/3及白云石全部(冶炼早期炉衬侵蚀最严重);第二批1/2～1/3.
2. 加料时间
⑴ 第一批渣料在开吹同时加入.
⑵ 第二批渣料,通常是在硅及锰氧化基础结束,头批渣料已经化好,碳焰初起时候(30吨转炉开吹6 min左右)加入(假如加入过早,炉内温度还低 且头批渣料还未化好又加冷料,势必造成渣料结团难化;反之,假如加入过晚,正值碳猛烈氧化时期,渣中(∑FeO)较低渣料亦难化.问题关键是正确判定炉况,头批渣料化好标志是:火焰软且稳定,炉内发出柔和嗡嗡声,喷出物为片状,落在炉壳上不粘贴;未化好情况是:炉口火焰发散且不稳定,炉内发出尖锐吱吱声,喷出物是金属火花和石灰粒).
有厂二批料分小批数次加入以利熔化,但最终一小批料必需在终点前3～4分钟加入
八.石灰,白云石加入量确实定
加入炉内渣料关键是石灰和白云石,还有少许萤石或氧化铁皮等熔剂.
1. 石灰加入量确实定
⑴ 首先依据铁水硅,磷含量和炉渣碱度计算
A. 铁水含磷较低([P]<0.3%)时,
(kg∕t铁)
%CaO有效—石灰中有效CaO,
%CaO有效=(%CaO)石灰-R×(%SiO2)石灰
废钢,生铁块也应依据上式计算需补加石灰量.
例:
B. 铁水含磷较高([P]≥0.3%)时,
(kg∕t铁)
⑵ 其次,当加入含(%SiO2)辅助原料时(如:矿石,白云石萤石,菱镁矿等),应补加石灰.
例: 铁矿石中SiO2含量为8%,碱度按3.0控制,石灰有效氧化钙为80%,则每kg矿石补加石灰量 = 8×3.0/80 = 0.3(kg)
⑶石灰加入总量
废钢中含有一定量Si,但成份通常不知,通常按每吨废钢补加石灰15～20kg.
2.白云石用量确实定
白云石加入量应依据炉渣要求饱和MgO含量来确定.通常渣中MgO含量控制在8%～10%,除了加入白云石含有MgO外,石灰和炉衬也会带入一部分.

理论用量W(kg/t)=
实际加入量W/=W-W灰-W衬
3.熔剂用量
萤石用量:尽可能少用或不用,部标要求≤4kg/t.
矿石用量:铁矿石及氧化铁皮也含有较强化渣能力,但同时对熔池产生较大冷却效应,其用量应视炉内温度高低,通常为装入量2～5%.
4.计算举例
例题1:
1t金属料中铁水占85%,废钢占10%,生铁块占5%,每T金属料加矿石5kg,萤石3kg,铁水带渣比为0.5%,石灰熔化率为85%,各原材料成份列在下表中.炉渣碱度为3.5.计算:1t金属料所需石灰加入量为多少
原料
成份
铁水
废钢
生铁块
铁水带渣
石灰
矿石
萤石
[%Si]
0.50
0.10
1.40
%CaO
37.5
83
%SiO2
36
2.5
6.0
5.0
解:石灰加入量

铁水带渣量为:1000×85%×0.5% = 4.25 (kg)
铁水带渣带入SiO2应考虑铁水渣中CaO相当SiO2量:
辅助原料及铁水带渣需补加石灰量(kg)
)
例题2:用轻烧白云石作为调渣剂其成份以下表:
原料
成份
石灰
轻烧白云石
炉衬
%CaO
%SiO2
%MgO
83
2.5
4.09
50
2.0
37
77
计算条件:终渣成份要求(MgO)=9.66%,渣量为金属装入量8.2%,炉衬侵蚀量是装入量0.05%,其它条件同上述例题.
解题思绪:
终渣(MgO)起源:A. 加入轻烧白云石.
C. 石灰中MgO.
D. 炉衬被侵蚀下来MgO.
⑴ 计算轻烧白云石加入量
由例题1计算结果是不加轻烧白云石时石灰加入量为68.39kg∕t.
石灰带入MgO量:68.39×4.09% =2.80 (kg)
炉衬蚀损带入MgO量:1000×0.05%×77%=0.385 (kg)
依据1t装入量计算终渣MgO量:1000×8.2%×9.66%=7.92 (kg∕t)
⑵ 计算轻烧白云石需补加石灰量
⑶ 计算轻烧白云石相当石灰量
石灰加入总量= 68.39 - 8.62 + 1.21= 60.98 (kg)
例题3:某转炉铁水装入量为100t,铁水含Si:0.4%,P:0.1%.采取单渣法造渣,终渣碱度为3.5,每炉加矿石3000kg,为确保渣中MgO,每炉加轻烧白云石2500kg.
已知:石灰:CaO: 91.6% SiO2: 1.6%
矿石:SiO2: 8%
轻烧白云石:MgO:35% CaO:55% SiO2: 2%
计算石灰加入量(单位kg,保留整数).
解:
⑴ 计算未加白云石时石灰加入量
⑵ 计算轻烧白云石需补加石灰量
⑶ 计算轻烧白云石相当石灰量
⑷ 计算石灰加入总量
石灰加入总量= 5454+203-1599 = 4085 (kg)
九.渣量计算
渣量能够用元素平衡法计算.由铁水炼成钢,各元素一部分被氧化,一部分残留在钢中.假如知道某一元素在钢中数量,该元素其它部分全部进入了熔渣,则经过这个元素在渣中百分含量,就能够计算出熔渣数量.
Mn和 P两元素,从渣料及炉衬中起源极少,其数量能够忽略不计.所以能够用Mn或 P平衡来计算渣量.
例:渣量计算(单渣法)
装入量 Mn P Fe
装 (kg) % kg % kg % kg
入 铁水28000 0.40 112 0.20 56
料 废钢4000 0.50 20 0.02 0.8
数 铁矿石1000 0.30 3 0.10 1.0 56.0 560
据 小计 135 57.8 560

(MnO)% [%Mn] (P2O5)% [%P]
终
点 钢 水 0.12 0.03
数 炉 渣 3.30 2.56 2.86 1.25
据
金属装入量 28000+4000+560=32560kg
出钢量(按装入量90%计算)
32560×90%=29304kg
钢水中Mn 量 29304×0.12%=35.16kg
钢水中P量 29304×0.03%= 8.79kg
进入渣中Mn 量 135-35.16=99.84kg
进入渣中P量 57.8 - 8.79=49.01kg
用Mn 平衡法
熔渣占装入量百分比
用P平衡法
熔渣占装入量百分比
习题:
1名词解释:泡沫渣,单渣法 双渣法 双渣留渣法
2造渣方法怎样选择 采取双渣法操作时,倒渣时间应怎样掌握
3石灰加入量怎样计算 渣料怎样加入
4影响石灰溶解原因有哪些
5炉渣严重泡沫化原因是什么 怎样控制泡沫渣
6.吹炼过程中为何会出现炉渣"返干"现象
§4—5 温度制度
氧气转炉温度制度包含两方面内容:一是正确控制终点温度,二是合适控制冶炼过程温度.
温度对于转炉吹炼过程既是关键热力学参数,又是关键动力学参数.它既对各个化学反应反应方向,反应程度和各元素之间相对反应速度有重大影响,又对熔池传质和传热速度有重大影响.所以,为了快而多地去除钢中有害杂质,保护或提取一些有益元素,加紧吹炼过程成渣速度,加紧废钢熔化,降低喷溅,提升炉龄等,全部必需控制好吹炼过程温度.另外,对各钢种全部有其要求出钢温度.出钢温度过低会造成回炉,短锭,包底凝钢及钢锭多种低温缺点和废品;过高则会造成跑漏钢,钢锭上涨,粘模及钢锭多种高温缺点和废品,并影响炉衬和氧枪寿命.
一.转炉温度控制目标及温度控制内容
1. 目标
期望吹炼过程中均衡升温,吹炼终点时钢水温度和化学成份同时命中钢种要求范围.
2. 内容
⑴ 确定适宜钢种出钢温度;
⑵ 确定熔池富裕热量数值,选择冷却剂并确定其冷却效果和加入量;
⑶ 掌握影响熔池温度改变原因,及进行温度控制操作.
二.热量起源和热量支出
1. 热量起源
氧气转炉炼钢热量起源关键是铁水物理热和化学热.物理热是指铁水带入热量,它和铁水温度有直接关系,化学热是铁水中各元素氧化后放出热量,它和铁水化学成份直接相关.
在炼钢温度下,各元素氧化放出热量各异,它能够经过各元素氧化放出热效应来计算确定.比如铁水温度1200℃,吹入氧气25℃,碳氧反应生成CO时:
[C]1473+{O2}298={CO}1473 ΔH1473K= -137520 J/mol
则1kg[C]氧化生成CO时放出热量为137520/12≈11300kJ/kg.
现以100kg金属料为例,计算各元素氧化热能使熔池升温多少.
设炉渣量为装入金属料15%,炉衬吸热为装入金属料10%,计算热平衡公式以下:
Q=∑MCT
式中 Q—1kg元素氧化放出热量,kJ/kg;
M——受热金属液,炉衬和炉渣重量,kg;
C——各物质比热,已知钢液CL为0.84～1.0kJ/kg·℃,炉渣和炉衬CS为1.23kJ/ kg·℃.
计算在1200℃时C—O反应生成CO时,氧化1kg碳可使熔池温度升高数为:
℃
1kg元素是100kg金属料1%,所以,依据一样道理和假设条件,能够计算出其它元素氧化1%时使熔池升温数.
碳完全燃烧生成CO2时其发烧量最高,使熔池升温数最大,其次是磷和硅.不过碳大部分没有完全燃烧,所以,在氧气转炉吹炼中采取双流氧枪,可有利于CO深入燃烧生成CO2,使转炉热效率提升.
哪些元素是转炉炼钢关键热源,不仅要看其热效应大小,还要视其氧化总量多少而定.比如,在1400℃时,硅氧化0.5%,碳氧化3%,则分别使熔池升温数为71℃和249℃,可见碳氧化产生总热量要比硅总热量多得多.
2. 热量支出
热量支出关键包含:钢水物理热;炉渣物理热;炉气物理热;烟尘物理热;渣中金属铁珠物理热;喷溅金属物理热;矿石分解热;废钢物理热(见热平衡表).其中,钢水物理热约占70%,这是一项关键支出,熔渣带走热量大约占10%,它和渣量多少相关.所以在确保去除P,S条件下,采取最小渣量.渣量过大不仅增加渣料消耗,也增加热量损失,所以要求铁水进行预处理,这么既可实现少渣操作;同时在吹炼过程中也可降低喷溅,缩短吹炼时间,降低炉和炉间隔时间,降低热损失,提升转炉热效率.转炉热效率提升以后,能够提升废钢比.
3. 转炉炼钢热平衡
指炼钢过程热量起源和支出之间平衡关系(见热平衡表).
为了正确控制转炉吹炼温度,需要知道铁水中各成份氧化反应放出总热量;这些热量除了把熔池加热到出钢温度外,富余多少热量 需要加多少冷却剂 这要经过热平衡计算才能得出,具体物料平衡,热平衡计算参看教材中物料平衡和热平衡计算内容.
热平衡表分析:
依据转炉吹炼过程中热量收入和支出,作出热平衡计算列出热平衡表,得出
氧气转炉热工特点以下:
⑴ 热量收入关键是铁水物理热和化学热;
⑵ 还有大量富余热量,必需加入冷却剂;
⑶ 元素氧化放热中,C,Si,P全部是关键发烧元素,其中碳占相关键地位(占氧化总放热二分之一以上).
⑷ 转炉热效率为60～70%左右.
转炉总热效率计算公式以下:
总热效率=×100%
在转炉炼钢过程中,真正有用热量占整个热量收入70%左右,在热量利用上还是有一定潜力,应努力提升热效率.
三.出钢温度确实定
出钢温度高低受钢种,锭型和浇注方法影响.
1. 出钢温度确实定依据:
⑴确保浇注温度高于所炼钢种凝固温度20～30℃(小炉子偏上限,大炉子偏下限).
⑵考虑出钢过程和钢水运输,镇静时间,钢液吹氩时降温,通常为80～120℃.
⑶考虑浇注方法和浇注锭型大小所用时间降温.
2. 确定出钢温度T出钢
T出钢 =T凝 +△t过热+△T总
式中 T凝 ——钢液熔点即液相线温度,依据钢种化学成份而定.
T凝=1539-∑△ti×[%i]-7 ℃;
△t过热—钢水过热度,℃.即高于熔点温度值,和钢种,坯型相关.
△T总—从出钢→精炼→浇注过程中温降值.
△T总=△t1+△t2+△t3+△t4+△t5
△t1—出钢过程温降,℃.
△t2—出钢毕至精炼开始之前温降,℃.
△t3—钢水精炼过程温降,℃.
△t4—钢水精炼完成至开浇前温降,℃.
△t5—钢水从钢包至中间包温降,℃.
四.确定冷却剂用量
1. 冷却剂及其特点
转炉炼钢冷却剂关键是废钢和矿石.
比较而言,废钢冷却效应稳定,而且硅磷含量也低,渣料消耗少,可降低生产成本;不过,矿石可在不停吹条件下加入,而且含有化渣和氧化能力.所以,现在通常是矿石,废钢配合冷却,而且是以废钢为主,且装料时加入;矿石在冶炼中视炉温高低随石灰适量加入.
另外,冶炼终点钢液温度偏高时,通常加适量石灰或白云石降温(前两种均不能用).
2. 各冷却剂冷却效应
冷却效应是指每kg冷却剂加入转炉后所消耗热量,常见q表示,单位是kJ/kg.
⑴矿石冷却效应:
矿石冷却关键靠Fe2O3分解吸热,所以其冷却效应随铁矿成份不一样而改变,含Fe2O370%,FeO10%时铁矿石冷却效应为:
q矿=1×C矿×△t+λ矿+1×(Fe2O3%×112/160×6456+FeO%×56/72×4247)
=1×1.02×(1650-25)+209+1×(0.7×112/160×6456+0.1×56/72×4247)
=5360 kJ/kg
⑵废钢冷却效应:
废钢关键依靠升温吸热来冷却熔池,因为不知正确成份,其熔点通常按低碳钢1500℃考虑,入炉温度按25℃计算,于是废钢冷却效应为:
q废=1×[C固(t熔-25)+λ废+ C液(t出-t熔)]
=1×[0.7×(1500-25)+272+0.837(1650-1500)]
=1430 kJ/kg
⑶氧化铁皮冷却效应:计算方法同矿石,对于50%FeO,40%Fe2O3 氧化铁皮,其冷却热效应为:
q皮=5311 kJ/kg
以废钢冷却效应为标准1,则多种冷却剂相对冷却能力见教材(表4—9).
3. 冷却剂用量确实定:
相关冷却剂加入量确实定,有两种方案.一个是定废钢,调矿石(废钢:开吹前加入.铁矿石(铁皮):随造渣剂加入,采取分批加入方法.其中关键是选好二批料加入时间,即必需在早期渣已化好,温度合适时加入.) ;另一个是定矿石,调废钢.现以第一个方案为例说明冷却剂用量确实定:
中国现在平均水平是,废钢加入量为铁水量8～12%,取10%.则矿石用量为:
(Q余-10×q废)/q矿=(30000-10×1430)/5360=2.93 kg
即每100kg铁水加入10kg废钢和2.93矿石.
4. 冷却剂用量调整
通常各厂先依据自己通常生产条件,根据上述过程计算出冷却剂标准用量,生产中某炉钢冷却剂具体用量则依据实际情况调整铁矿用量,调整量过大时可增减废钢用量.首钢30t转炉经验数据为:
⑴铁水含硅量:每波动0.1%,终点温度波动8～15℃;
⑵铁水温度:每波动10℃,终点温度波动6℃;
⑶铁水装入量:每波动1吨,终点温度波动8℃;
⑷终点碳:每波动0.01%,终点温度波动3℃;
而终点温度每波动1℃,100kg铁水(还有15kg炉渣,10kg左右炉气)热量改变为:
100×1.05+15×1.235+10×1.235=136 kJ/100kg·℃
应增减矿石136/5360=0.025 kg,或增减废钢136/1430=0.094 kg.
另外,正常相邻炉次间隔时间为4～10分钟,大于10分钟时每增加5分钟,每吨铁水减废钢10kg.
五.实际生产过程温度控制
根据上述计算结果加入冷却剂,即可确保终点温度.不过,吹炼过程中还应依据炉内各个时期冶金反应需要及炉温实际情况调整熔池温度,确保冶炼顺利进行.
1. 影响终点温度关键原因
⑴ 铁水含硅量;
⑵ 铁水温度;
⑶ 铁水装入量;
⑷ 炉龄;
⑸ 终点含碳量;
⑹ 炉和炉间隔时间;
⑺ 枪位.
例:马钢一钢厂95T转炉温度控制影响原因参考数据
项 目 原因改变对终点温度影响
改变量 影响终点温度
铁水温度 ±10℃ ±6～8 ℃
铁水 铁水量 ±1000kg ±35℃
铁水中Si ±0.1% ±16℃
铁水中Mn ±0.1% ±3℃
铁水中P ±0.1% ±18℃
石灰 ±100kg 1.5～2.0 ℃
莹石 ±100kg 2～3℃
散装料 铁皮 ±100kg 2.9～3.6 ℃
矿石 ±100kg 3.0～3.5 ℃
焦炭前期加 ±1000kg ±45～60℃
空 炉 停 吹 30～60min - 20～30℃
一般废钢 ±1000kg 12～14℃
废钢 生铁块 ±100kg ±1℃
2. 温度控制方法:
适时加入需要数量冷却剂.其关键是正确确定冷却剂用量和最合适加入时间.
⑴ 操作关键点:
A. 废钢:开吹前加入.
B. 铁矿石(铁皮):随造渣剂加入,采取分批加入方法.其中关键是选好二批料加入时间,即必需在早期渣已化好,温度合适时加入.
C. 若发觉熔池温度不合要求,凭经验数据加入提温剂或冷却剂加以调整
⑵ 吹炼过程温度控制
A. 吹炼早期
假如碳火焰上来早(之前是硅,锰氧化火焰,发红),表明炉内温度已较高,头批渣料也已化好,可合适提前加入二批渣料;反之,若碳火焰迟迟上不来,说明开吹以来温度一直偏低,则应合适压枪,加强各元素氧化,提升熔池温度,以后再加二批渣料.
B. 吹炼中期
可据炉口火焰亮度及冷却水(氧枪进出水)温差来判定炉内温度高低,若熔池温度偏高,可加少许矿石;反之,压枪提温,通常可挽回10～20℃.
C. 吹炼末期
靠近终点(据耗氧量及吹氧时间判定)时,停吹测温,并进行对应调整:
若温高,加石灰降温,高出度数×136/石灰冷却效应.
若温低,加Fe-Si并点吹提温.1kgSi75氧化放热1×0.75×17807=13352kJ,比如,30吨钢液提温10℃需加Si75: 300×10×136/13352≈30 kg.
习题:
1. 转炉炼钢温度制度包含哪些内容,它对冶炼有什么影响
2. 吹炼过程中熔池热量起源和支出 有哪些方面
3. 出钢温度是怎样确定
4. 什么是冷却剂冷却效应
5. 掌握冷却剂用量调整及测温后温度调整方法.
§4—6 终点控制和出钢
一.终点控制
指终点温度和成份控制.
1. 终点
熔池中金属成份和温度达成所炼钢种要求时,称为终点.
2. 终点条件
吹炼抵达终点具体条件是:
⑴含碳量进入所炼钢种控制范围;
⑵硫,磷含量低于规格下限;
⑶温度达成出钢要求.
3. 终点碳控制方法
硫,磷脱除情况比较复杂,所以总是在吹炼过程中提前使之满足要求,这么终点控制就简化为终点温度和终点碳控制.终点温度控制前节已作叙述,故在此仅介绍终点碳控制.
终点碳控制方法有两种:
⑴拉碳法
定义:指熔池含碳量达成出钢要求时,停止吹氧,此时熔池中不仅P,S和温度符合出钢要求,而且计入铁合金带入金属中碳后,钢水中碳也能符合所炼钢种规格要求.(终点碳:钢种规格-合金增碳量.)
控制方法:在实际生产中拉碳法又分为一次拉碳和高拉补吹两种控制方法.
A. 一次拉碳
转炉吹炼中将钢液含碳量脱至出钢要求时停止吹氧控制方法称为一次拉碳法.
正确拉碳,降低后吹,提升终点命中率是终点控制基础要求.
后吹:
一次拉碳未达成控制目标需要进行补吹操作.
需补吹情况:a 拉碳碳含量偏高;
b 拉碳P,S含量偏高;
c 拉碳温度偏低.
后吹危害:
a 钢水碳含量降低,钢中氧含量升高,从而钢中夹杂物增多,降低钢水纯净度,影响钢质量;
b 渣中∑(FeO)增高,降低炉衬寿命;
c 增加金属铁氧化,降低钢水收得率,钢铁料消耗增加;
d 延长吹炼时间,降低转炉生产率;
e 增加铁合金和增碳剂消耗量,氧气利用率低,成本增加.
B. 高拉一次补吹(高拉碳低氧操作)
冶炼中高碳钢时,将钢液含碳量脱至高于出钢要求0.2～0.4%时停吹,取样,测温后,再按分析结果进行合适补吹控制方法称为高拉补吹法.
关键优点:
a终渣(∑FeO)含量较低,金属收得率高,且有利于延长炉衬寿命;
b终点钢液含氧低,脱氧剂用量少,而且钢中非金属夹杂物少;
c冶炼时间短,氧气消耗少.
缺点:
终渣∑(FeO)低,去P困难,中,高碳范围拉碳终点命中率较低,通常须等成份确定是否补吹.
⑵ 增碳法(低碳低磷操作)
定义:吹炼平均含碳量大于0.08%钢种时,一律将钢液碳脱至0.05%~0.06%时停吹,出钢时包内增碳至钢种规格要求操作方法叫做增碳法.
终点碳:0.05%~0.06%.
关键优点:
A. 终点轻易命中,省去了拉碳法终点前倒炉取样及校正成份和温度补吹时间,所以生产率较高;
B. .终渣(∑FeO)含量高,渣子化得好,去磷率高,而且有利于减轻喷溅和提升供氧强度;
C. 热量收入多,能够增加废钢用量.
D. 操作稳定,易于实现自动控制.
采取拉碳法关键在于,吹炼过程中立即,正确地判定或测定熔池温度和含碳量努力提升一次命中率.而采取增碳法时,则应寻求含硫低,灰分少和干燥增碳剂.
4. 终点判定
⑴碳含量判定
常见判定仪器是热电偶结晶定碳仪,其特点是简单,正确,但速度慢.有前途是红外,光谱等快速分析仪.生产中多凭经验对钢液含碳量进行判定,常见方法有看火花,看火焰,看供氧时间和耗氧量.
A. .看火花:吹炼中会从炉口溅出金属液滴,遇空气被氧化而爆裂形成火花并分叉,火花分叉越多,金属含碳越高,当[C]小于0.1%时,爆裂碳火花几乎不分叉,形成是小火星.
B. 看火焰:金属含碳量较高时,碳氧反应猛烈,炉口火焰白亮,有力,长且浓密;当含碳量降到0.2%左右时,炉口火焰稀薄且收缩,发软,打晃.
C. 看供氧时间和耗氧量:生产条件改变不大时,每炉钢供氧时间和耗氧量也不会有太大出入,所以,当吹氧时间及耗氧量和上炉靠近时,本炉钢也基础抵达终点.
⑵温度判定
现在常见插入式热电偶测定钢液温度,生产中还能够借倒炉机会观察炉内情况凭经验进行判定.
若炉膛白亮,渣面上有火焰和气泡冒出,泡沫渣向外涌动,表明炉温较高;反之,若渣面暗红,没有火焰冒出,则炉温较低.
二.终点温度和终点成份偏离目标值调整
1. 终点温度偏离目标值调整方法
⑴ 终点钢水温度低于目标值
A. 终点[C]在钢种目标值上限时,采取后吹提温,若[C]略低,可依据最终碳含量在钢包中加增碳剂增碳.
B. 若终点[C]低,可加焦炭或Fe—Si,Al,后吹提温,依据钢水量,终点[C],在钢包内加增碳剂增碳.
⑵ 终点钢水温度高于目标值
A. 加入冷却剂降低温度
a 当终点碳高温度高时,可加矿石调温;
b 当终点碳不高,温度高时,可用生白或石灰石,白云石调温;
c 当已出钢而温度偏高时,可用清洁小块废钢降温;
d 对成品硫要求严格钢种(如焊条钢),终点调温不能加铁矿石,需用石灰石,白云石.
B. 镇静降温
当温度略高于目标值,如10℃左右时,可采取前后摇炉方法降温.通常降温值为1.8～2.5℃∕min.
2.终点化学成份偏离目标值
⑴ 碳不合格
见温度不合格.
⑵ 锰不合格
A. 原因
a 铁合金计量误差,计算误差,误用.
b 铁水装入量不准,出钢量估量不准;铁水含锰量不清楚,造成终点残锰估量不准.
c 出钢下渣多,钢包大翻,造成锰收得率改变.
B. 吹炼原因对终点锰影响
原因
铁水
锰高
终点
碳高
终点
温度高
喷溅
大
渣量
大
后吹
多
终点加矿石多
或枪位高
余锰
高
高
高
低
低
低
低
⑶ 终点[P],[S]不合格
A. 终点[P]高于目标值
a 若终点[C]在钢种上限值,终点温度也是中上限值时,采取:多倒终渣→加铁皮,矿石,后吹去P→倒炉测温,取样→钢包增碳.
b 若终点[C]低,温度也低时,采取:多倒终渣→加焦炭,石灰,后吹去P→倒炉测温