氧气顶吹转炉炼钢工艺.doc

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第四章 氧气顶吹转炉炼钢工艺
内容提要
一炉钢的吹炼过程
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
吹损与喷溅
操作事故及处理
转炉炼钢仿真操作训练
§4—1 一炉钢的吹炼过程
一.钢与铁的区别及炼钢的任务
1. 钢与铁的性能比较
钢和铁都是铁碳合金,同属于黑色金属,但它们的性质有明显不同.生铁硬而脆,焊接性差.钢具有很好的物理化学性能与力学性能,可进行拉,压,轧,冲,拔等深加工,其用途十分广泛;
用途不同对钢的性能要求也不同,从而对钢的生产也提出了不同的要求.

2. 钢与铁性能差别的原因:
碳和其它合金元素的含量不同.在钢中碳元素和铁元素形成Fe3C固熔体,随着碳含量的增加,其强度,硬度增加,而塑性和冲击韧性降低.
钢和生铁含碳量的界限一般是:
生铁: [C]=1.7～4.5%
钢: [C]≤ 1.7%

生铁和钢的化学成分
材料
化学成分%
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. 炼钢的基本任务:
⑴ 脱碳;
将铁水中的碳大部分去除,同时随着脱碳的进行,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".一般大多数钢种对P,S含量均有严格要求,炼钢必须脱除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的需要,要向钢液中供氧,就不可避免地使后期钢中含有较高的氧,氧无论是以液体形态还是以氧化物形态存在于钢中都会降低钢的质量,因此必须在冶炼后期或出钢过程中将多余的氧去除掉.
在冶炼过程中,铁水中的Si, Mn大部分氧化掉了,为了保证成品钢中的规定成分,要向钢水中加入各种合金元素,这个过程与脱氧同时进行,称为合金化.
⑸升温(保证合适的出钢温度).
铁水温度一般在1250～1300℃,而钢水的出钢温度一般在1650℃以上,才能顺利浇注成铸坯,因此炼钢过程也是一个升温过程.
5. 完成炼钢各项任务的基本方法
⑴氧化
为了将铁水等炉料中的硅,锰,碳等元素氧化掉,能够采用"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
为了去除炉料中的P,S等杂质,在炼钢过程中加入渣料(石灰,白云石,熔剂等),形成碱度合适,流动性良好,足够数量的炉渣,一方面完成脱除P,S的任务,同时减轻对炉衬对侵蚀.
⑶升温
转炉主要是依靠碳,硅,锰等元素氧化放出等热量,以及铁水的物理热实现升温.
⑷加入脱氧剂和合金料
经过向炉内或钢包内加入各种脱氧剂和合金料的方法,完成脱氧及合金化的任务.
二.金属成分和炉渣成分的变化规律
1. Si在吹炼前期(一般在3～4分钟内)即被基本氧化.
在吹炼初期,铁水中的[Si]和氧的亲和力大,而且[Si]氧化反应为放热反应,低温下有利于此反应的进行因此,[Si]在吹炼初期就大量氧化.
[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)
随着吹炼的进行石灰逐渐溶解,2FeO·SiO2转变为2CaO·SiO2,即SiO2与CaO牢固的结合为稳定的化合物,SiO2活度很低,在碱性渣中FeO的活度较高,这样不但使[Si]被氧化到很低程度,而且在碳剧烈氧化时,也不会被还原,即使温度超过1530℃,[C]与[O]的亲和力也超过[Si]与[O]的亲和力,终因(CaO)与(SiO2)结合为稳定的2CaO.SiO2,[C]也不能还原(SiO2).
硅的氧化对熔池温度,熔渣碱度和其它元素的氧化产生影响:
[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]的氧化反应只有到[%Si]P0.
⑵喷嘴前氧压P0:
其选用应考虑以下因素:
A. 氧气流股出口速度要达到超音速(450～530cm∕s),即M=1.8～2.1.
B. 出口的氧压应稍高于炉膛内气压.
一般P0=0.784～1.176MPa.
⑶出口氧压P:应稍高于或等于周围炉气的压力.
一般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的距离,常见H表示,单位是m.
当前,一炉钢吹炼中的氧枪操作有两种类型,一种是恒压变枪操作,一种是恒枪变压操作.比较而言,恒压变枪操作更为方便,准确,安全,因而国内钢厂普遍采用.
1. 枪位的变化范围和规律
关于枪位的确定,当前的做法是经验公式计算,实践中修正.
一炉钢冶炼中枪位的变化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——喷头的出口直径,mm;
H——枪位,mm.
具体操作中,枪位控制一般遵循"高-低-高-低"的原则:
⑴ 前期高枪位化渣但应防喷溅.
吹炼前期,铁水中的硅迅速氧化,渣中的(SiO2)较高而熔池的温度尚低,为了加速头批渣料的熔化(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用较高的枪位,保证渣中的(FeO)达到并维持在25～30%的水平;否则,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,合适的枪位是使液面到达炉口而又不溢出.
⑵ 中期低枪位脱碳但应防返干.
吹炼中期,主要是脱碳,枪位应低些.但此时不但吹入的氧几乎全部用于碳的氧化,而且渣中的(FeO)也被大量消耗,易出现"返干"现象而影响S,P的去除,故不应太低,使渣中的(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,产生喷溅的可能性不大,此时的基本任务是调好炉渣的氧化性和流动性继续去除硫磷,并准确控制终点碳(较低),因此枪位应适当高些.
⑷ 终点前降枪点吹破坏泡沫渣.
接近终点时,降枪点吹一下,均匀钢液的成分和温度,同时降低炉渣的氧化铁含量并破坏泡沫渣,以提高金属和合金的收得率.
2. 枪位的调节
⑴ 开吹前必须了解的情况
A. 喷嘴的结构特点及氧气总管氧压情况;
B. 铁水成分,主要是Si,P,S的含量;
C. 铁水温度,包括铁水罐,混铁炉或混铁车内存铁情况及铁水包的情况;
D. 炉役期为多少,是否补炉,相应的装入量是多少,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的要求;
F. 上一班操作情况,并测量熔池液面高度.
⑵枪位的调节
生产条件千变万化,因此具体操作中还应根据实际情况对枪位进行适当的调节.
A. 铁水温度:
若遇铁水温度偏低,应先压枪提温,而后再提枪化渣,以防渣中(FeO)积聚引发大喷,即采用低-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. 铁水成分:
铁水硅,磷高时,若采用双渣操作,可先低枪位脱硅,磷,倒掉酸性渣;若单渣操作,由于石灰加入量大,应较高枪位化渣.铁水含锰高时,有利于化渣,枪位则可适当低些.
C. 装入量变化:
炉内超装时,熔池液面高枪位应相应提高,否则,不但化渣困难而且易烧坏氧枪.
D. 炉内留渣:
采用双渣留渣法时,由于渣中(FeO)高,有利于石灰熔化,因此吹炼前期的枪位适当低些,以防渣中(FeO)过高引发泡沫喷溅.
E. 供氧压力:
高氧压与低枪位的作用相同,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,应适当降低枪位;
b 炉役前期液面高,可适当提高枪位;
c 炉役后期装入量增加,熔池面积增大,不易化渣,可在短时间内采用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,枪位应相应提高;
b 使用活性石灰成渣快,整个过程枪位都能够稍低些;
c 铁矿石,氧化铁皮和萤石用量多时,熔渣容易形成,同时流动性较好,枪位可适当低一些.
I. 钢种
炼高碳钢时,由于脱磷困难,应采用较高的枪位,特别是在吹炼后期.同理,在吹炼含磷很低的钢种时,应采用较高枪位.
七.恒压变枪操作的几种模式
由于各厂的转炉吨位,喷嘴结构,原材料条件及所炼钢种等情况不同,氧枪操作也不完全一样.现介绍如下几种氧枪操作方式.
1. 高—低—高的六段式操作
开吹枪位较高,及早形成初期渣;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—高的五段式操作
五段式操作的前期与六段式操作基本一致,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. 高一低一高一低的四段式操作
在铁水温度较高或渣料集中在吹炼前期加入时可采用这种枪位操作.开吹时采用高枪位化渣,使渣中含(FeO)量达25～30%,促进石灰熔化,尽快形成具有一定碱度的炉渣,增大前期脱磷和脱硫效率,同时也避免酸性渣对炉衬的侵蚀.在炉渣化好后降枪脱
高—低—高五段式操作示意图
碳,为避免在碳氧化剧烈反应期出现返干现象,适时提高枪位,使渣中(FeO)保持在10～15%,以利磷,硫继续去除.在接近终点时再降枪加强熔池搅拌,继续脱碳和均匀熔池成分和温度,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:要力求稳定,尽量少波动,每次动枪波动范围≯200mm.
补吹枪位:必须按最低枪位控制(1.1m).
B. 高枪位:1.7～2.0m;
基本吹炼枪位:1.4～1.7m;
拉碳枪位:1.2～1.4m;吹炼中,高碳钢拉碳枪位应提高0.1～0.2m.
例:马钢一钢厂95T转炉开吹枪位的确定
(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,特别是Si1%),P,S较高,或生产优质钢时采用.
倒渣时机
这是双渣法操作的关键.选择在渣中含P量最高,含铁量最低的时刻,以获得高脱磷率和低铁损的效果.同时,应在Si已氧化完毕,炉渣已基本化好,P在渣钢之间的分配已接近平衡时进行.
生产实践证明,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用双渣法,则应在吹炼10min左右倒渣.
注意:倒渣前1分钟适当提枪或加些熔剂改进炉渣的流动性,以便于倒渣操作.
3.双渣留渣法
定义:将上一炉的终渣(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的操作方法.
特点:
初渣早成而前期的去硫及去磷效率高,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起喷溅.若上一炉钢终点碳过低,不宜进行留渣操作.
应当指出,顶吹转炉虽能将高磷铁水炼成合格的钢,但技术经济指标较差,与吹炼中,低磷铁水相比,每吨钢的金属料消耗高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的70%～80%;另外,单渣法生产稳定,操作简单,便于实行计算机控制.因此,对于含硅,磷及硫较高的铁水,入炉前进行预处理使之达到单渣法操作的要求,不但技术上可行而且工艺上经济合理.
七.渣料的加入方法
关于渣料的加入,关键是要注意渣料的分批和把握加入的时间.
1. 渣料分批加入
目的:渣料应分批加入以加速石灰的熔化(否则,会造成熔池温度下降过多,导致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,渣料一般分成两批:第一批1/2～2/3及白云石全部(冶炼初期炉衬侵蚀最严重);第二批1/2～1/3.
2. 加料时间
⑴ 第一批渣料在开吹的同时加入.
⑵ 第二批渣料,一般是在硅及锰的氧化基本结束,头批渣料已经化好,碳焰初起的时候(30吨的转炉开吹6 min左右)加入(如果加入过早,炉内温度还低 且头批渣料尚未化好又加冷料,势必造成渣料结团难化;反之,如果加入过晚,正值碳的激烈氧化时期,渣中的(∑FeO)较低渣料亦难化.问题的关键是正确判断炉况,头批渣料化好的标志是:火焰软且稳定,炉内发出柔和的嗡嗡声,喷出物为片状,落在炉壳上不粘贴;未化好的情况是:炉口的火焰发散且不稳定,炉内发出尖锐的吱吱声,喷出物是金属火花和石灰粒).
有的厂二批料分小批多次加入以利熔化,但最后一小批料必须在终点前3～4分钟加入
八.石灰,白云石加入量的确定
加入炉内的渣料主要是石灰和白云石,还有少量的萤石或氧化铁皮等熔剂.
1. 石灰加入量的确定
⑴ 首先根据铁水的硅,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—石灰中的有效CaO,
%CaO有效=(%CaO)石灰-R×(%SiO2)石灰
废钢,生铁块也应根据上式计算需补加的石灰量.
例:
B. 铁水含磷较高([P]≥0.3%)时,
(kg∕t铁)
⑵ 其次,当加入含(%SiO2)的辅助原料时(如:矿石,白云石萤石,菱镁矿等),应补加石灰.
例: 铁矿石中SiO2的含量为8%,碱度按3.0控制,石灰的有效氧化钙为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
废钢中含有一定量的Si,但成分一般不知,一般按每吨废钢补加石灰15～20kg.
2.白云石用量的确定
白云石的加入量应根据炉渣要求的饱和MgO含量来确定.一般渣中MgO含量控制在8%～10%,除了加入的白云石含有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.熔剂的用量
萤石用量:尽量少用或不用,部标要求≤4kg/t.
矿石用量:铁矿石及氧化铁皮也具有较强的化渣能力,但同时对熔池产生较大的冷却效应,其用量应视炉内温度的高低,一般为装入量的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%,各原材料成分列在下表中.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
成分
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)
铁水带渣带入的SiO2应考虑铁水渣中CaO相当的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分如下表:
原料
成分
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:终渣成分要求(MgO)=9.66%,渣量为金属装入量的8.2%,炉衬侵蚀量是装入量的0.05%,其它条件同上述例题.
解题思路:
终渣(MgO)来源:A. 加入的轻烧白云石.
C. 石灰中的MgO.
D. 炉衬被侵蚀下来的MgO.
⑴ 计算轻烧白云石加入量
由例题1计算的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)
根据1t装入量计算终渣MgO量:1000×8.2%×9.667.92 (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的石灰量
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%.采用单渣法造渣,终渣碱度为3.5,每炉加矿石3000kg,为保证渣中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的石灰量
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.如果知道某一元素在钢中的数量,该元素其余部分全部进入了熔渣,则经过这个元素在渣中的百分含量,就能够计算出熔渣的数量.
Mn和 P两元素,从渣料及炉衬中的来源很少,其数量能够忽略不计.因而能够用Mn或 P的平衡来计算渣量.
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(按装入量的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
熔渣占装入量的百分比
用P平衡法
熔渣占装入量的百分比
习题:
1名词解释:泡沫渣,单渣法 双渣法 双渣留渣法
2造渣方法如何选择 采用双渣法操作时,倒渣的时间应如何掌握
3石灰加入量如何计算 渣料如何加入
4影响石灰溶解的因素有哪些
5炉渣严重泡沫化的原因是什么 如何控制泡沫渣
6.吹炼过程中为什么会出现炉渣"返干"现象
§4—5 温度制度
氧气转炉的温度制度包括两方面的内容:一是准确控制终点温度,二是恰当控制冶炼过程温度.
温度对于转炉吹炼过程既是重要的热力学参数,又是重要的动力学参数.它既对各个化学反应的反应方向,反应程度和各元素之间的相对反应速度有重大影响,又对熔池的传质和传热速度有重大影响.因此,为了快而多地去除钢中的有害杂质,保护或提取某些有益元素,加快吹炼过程成渣速度,加快废钢熔化,减少喷溅,提高炉龄等,都必须控制好吹炼过程温度.另外,对各钢种都有其要求的出钢温度.出钢温度过低会造成回炉,短锭,包底凝钢及钢锭的各种低温缺陷和废品;过高则会造成跑漏钢,钢锭上涨,粘模及钢锭的各种高温缺陷和废品,并影响炉衬和氧枪的寿命.
一.转炉温度控制的目标及温度控制内容
1. 目标
希望吹炼过程中均衡升温,吹炼终点时钢水的温度和化学成分同时命中钢种要求的范围.
2. 内容
⑴ 确定合适的钢种出钢温度;
⑵ 确定熔池富裕热量的数值,选择冷却剂并确定其冷却效果和加入量;
⑶ 掌握影响熔池温度变化的因素,及进行温度控制操作.
二.热量来源与热量支出
1. 热量来源
氧气转炉炼钢的热量来源主要是铁水的物理热和化学热.物理热是指铁水带入的热量,它与铁水温度有直接关系,化学热是铁水中各元素氧化后放出的热量,它与铁水化学成分直接相关.
在炼钢温度下,各元素氧化放出的热量各异,它能够经过各元素氧化放出的热效应来计算确定.例如铁水温度1200℃,吹入的氧气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时放出的热量为137520/12≈11300kJ/kg.
现以100kg金属料为例,计算各元素的氧化热能使熔池升温多少.
设炉渣量为装入金属料的15%,炉衬吸热为装入金属料的10%,计算热平衡公式如下:
Q=∑MCT
式中 Q—1kg元素氧化放出的热量,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·℃,炉渣和炉衬的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金属料的1%,因此,根据同样道理和假设条件,能够计算出其它元素氧化1%时使熔池的升温数.
碳完全燃烧生成CO2时其发热量最高,使熔池升温数最大,其次是磷和硅.可是碳大部分没有完全燃烧,因此,在氧气转炉吹炼中采用双流氧枪,可有助于CO进一步燃烧生成CO2,使转炉热效率提高.
哪些元素是转炉炼钢的主要热源,不但要看其热效应大小,还要视其氧化总量的多少而定.例如,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℃,可见碳氧化产生的总热量要比硅的总热量多得多.
2. 热量支出
热量支出主要包括: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,钢水的物理热约占70%,这是一项主要的支出,熔渣带走的热量大约占10%,它与渣量的多少有关.因此在保证去除P,S的条件下,采用最小的渣量.渣量过大不但增加渣料的消耗,也增加热量的损失,因此要求铁水进行预处理,这样既可实现少渣操作;同时在吹炼过程中也可减少喷溅,缩短吹炼时间,减少炉与炉的间隔时间,减少热损失,提高转炉的热效率.转炉热效率提高以后,能够提高废钢比.
3. 转炉炼钢的热平衡
指炼钢过程的热量来源与支出之间的平衡关系(见热平衡表).
为了准确的控制转炉的吹炼温度,需要知道铁水中各成分氧化反应放出的总热量;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与热平衡计算内容.
热平衡表的分析:
根据转炉吹炼过程中热量的收入与支出,作出热平衡计算列出热平衡表,得出
氧气转炉热工特点如下:
⑴ 热量收入主要是铁水的物理热和化学热;
⑵ 尚有大量的富余热量,必须加入冷却剂;
⑶ 元素氧化放热中,C,Si,P都是重要的发热元素,其中碳占有主要地位(占氧化总放热的一半以上).
⑷ 转炉热效率为60～70%左右.
转炉总热效率计算公式如下:
总热效率=×100%
在转炉炼钢过程中,真正有用的热量占整个热量收入的70%左右,在热量的利用上还是有一定潜力的,应努力提高热效率.
三.出钢温度的确定
出钢温度的高低受钢种,锭型和浇注方法的影响.
1. 出钢温度的确定依据:
⑴保证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,钢液吹氩时的降温,一般为80～120℃.
⑶考虑浇注方法和浇注锭型大小所用时间的降温.
2. 确定出钢温度T出钢
T出钢 =T凝 +△t过热+△T总
式中 T凝 ——钢液的熔点即液相线温度,根据钢种的化学成分而定.
T凝=1539-∑△ti×[%i]-7 ℃;
△t过热—钢水过热度,℃即高于熔点的温度值,与钢种,坯型有关.
△T总—从出钢→精炼→浇注过程中的温降值.
△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的温降,℃.
△t3—钢水精炼过程温降,℃.
△t4—钢水精炼完毕至开浇前的温降,℃.
△t5—钢水从钢包至中间包的温降,℃.
四.确定冷却剂用量
1. 冷却剂及其特点
转炉炼钢的冷却剂主要是废钢和矿石.
比较而言,废钢的冷却效应稳定,而且硅磷含量也低,渣料消耗少,可降低生产成本;可是,矿石可在不停吹的条件下加入,而且具有化渣和氧化的能力.因此,当前一般是矿石,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的高低随石灰适量加入.
另外,冶炼终点钢液温度偏高时,一般加适量石灰或白云石降温(前两种均不能用).
2. 各冷却剂的冷却效应
冷却效应是指每kg冷却剂加入转炉后所消耗的热量,常见q表示,单位是kJ/kg.
⑴矿石的冷却效应:
矿石冷却主要靠Fe2O3的分解吸热,因此其冷却效应随铁矿的成分不同而变化,含Fe2O370%,FeO10%时铁矿石的冷却效应为:
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废钢的冷却效应:
废钢主要依靠升温吸热来冷却熔池,由于不知准确成分,其熔点一般按低碳钢的1500℃考虑,入炉温度按25℃计算,于是废钢的冷却效应为:
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氧化铁皮的冷却效应:计算方法同矿石,对于50%FeO,40%Fe2O3 的氧化铁皮,其冷却热效应为:
q皮=5311 kJ/kg
以废钢的冷却效应为标准1,则各种冷却剂的相对冷却能力见教材(表4—9).
3. 冷却剂用量的确定:
关于冷却剂加入量的确定,有两种方案.一种是定废钢,调矿石(废钢:开吹前加入.铁矿石(铁皮):随造渣剂加入,采用分批加入方式.其中关键是选好二批料加入时间,即必须在初期渣已化好,温度适当时加入.) ;另一种是定矿石,调废钢.现以第一种方案为例说明冷却剂用量的确定:
国内当前的平均水平是,废钢的加入量为铁水量的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. 冷却剂用量的调整
一般各厂先依据自己的一般生产条件,按照上述过程计算出冷却剂的标准用量,生产中某炉钢冷却剂的具体用量则根据实际情况调整铁矿的用量,调整量过大时可增减废钢的用量.首钢30t转炉的经验数据为:
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)热量变化为:
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,正常的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.实际生产过程温度的控制
按照上述的计算结果加入冷却剂,即可保证终点温度.可是,吹炼过程中还应根据炉内各个时期冶金反应的需要及炉温的实际情况调整熔池温度,保证冶炼的顺利进行.
1. 影响终点温度的主要因素
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 炉与炉的间隔时间;
⑺ 枪位.
例:马钢一钢厂95T转炉温度控制影响因素参考数据
项 目 因素变化对终点温度影响
变化量 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℃
普通废钢 ±1000kg 12～14℃
废钢 生铁块 ±100kg ±1℃
2. 温度控制方法:
适时加入需要数量的冷却剂.其关键是准确确定冷却剂用量和最适当的加入时间.
⑴ 操作要点:
A. 废钢:开吹前加入.
B. 铁矿石(铁皮):随造渣剂加入,采用分批加入方式.其中关键是选好二批料加入时间,即必须在初期渣已化好,温度适当时加入.
C. 若发现熔池温度不合要求,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. 吹炼初期
如果碳火焰上来的早(之前是硅,锰氧化的火焰,发红),表明炉内温度已较高,头批渣料也已化好,可适当提前加入二批渣料;反之,若碳火焰迟迟上不来,说明开吹以来温度一直偏低,则应适当压枪,加强各元素的氧化,提高熔池温度,而后再加二批渣料.
B. 吹炼中期
可据炉口火焰的亮度及冷却水(氧枪进出水)的温差来判断炉内温度的高低,若熔池温度偏高,可加少量矿石;反之,压枪提温,一般可挽回10～20℃.
C. 吹炼末期
接近终点(据耗氧量及吹氧时间判断)时,停吹测温,并进行相应调整:
若温高,加石灰降温,高出度数×136/石灰的冷却效应.
若温低,加Fe-Si并点吹提温.1kgSi75氧化放热1×0.75×17807=13352kJ,例如,30吨钢液提温10℃需加Si75: 300×10×136/13352≈30 kg.
习题:
1. 转炉炼钢的温度制度包括哪些内容,它对冶炼有什么影响
2. 吹炼过程中熔池热量的来源与支出 有哪些方面
3. 出钢温度是怎样确定的
4. 什么是冷却剂的冷却效应
5. 掌握冷却剂用量的调整及测温后温度的调整方法.
§4—6 终点控制和出钢
一.终点控制
指终点温度和成分的控制.
1. 终点
熔池中金属的成分和温度达到所炼钢种要求时,称为终点.
2. 终点的条件
吹炼到达终点的具体条件是:
⑴含碳量进入所炼钢种的控制范围;
⑵硫,磷含量低于规格下限;
⑶温度达到出钢要求.
3. 终点碳的控制方法
硫,磷的脱除情况比较复杂,因此总是在吹炼过程中提前使之满足要求,这样终点控制就简化为终点温度和终点碳的控制.终点温度的控制前节已作阐述,故在此仅介绍终点碳的控制.
终点碳的控制方法有两种:
⑴拉碳法
定义:指熔池含碳量达到出钢要求时,停止吹氧,此时熔池中不但P,S和温度符合出钢要求,而且计入铁合金带入金属中的碳后,钢水中的碳也能符合所炼钢种的规格要求.(终点碳:钢种规格-合金增碳量.)
控制方式: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式.
A. 一次拉碳
转炉吹炼中将钢液的含碳量脱至出钢要求时停止吹氧的控制方式称为一次拉碳法.
准确拉碳,减少后吹,提高终点命中率是终点控制的基本要求.
后吹:
一次拉碳未达到控制的目标需要进行补吹的操作.
需补吹的情况:a 拉碳碳含量偏高;
b 拉碳P,S含量偏高;
c 拉碳温度偏低.
后吹的危害:
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 增加金属铁的氧化,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,将钢液的含碳量脱至高于出钢要求0.2～0.4%时停吹,取样,测温后,再按分析结果进行适当补吹的控制方式称为高拉补吹法.
主要优点:
a终渣的(∑FeO)含量较低,金属收得率高,且有利于延长炉衬寿命;
b终点钢液的含氧低,脱氧剂用量少,而且钢中的非金属夹杂物少;
c冶炼时间短,氧气消耗少.
缺点:
终渣∑(FeO)低,去P困难,中,高碳范围拉碳终点的命中率较低,一般须等成分确定是否补吹.
⑵ 增碳法(低碳低磷操作)
定义:吹炼平均含碳量大于0.08%的钢种时,一律将钢液的碳脱至0.05%~0.06%时停吹,出钢时包内增碳至钢种规格要求的操作方法叫做增碳法.
终点碳:0.05%~0.06%.
主要优点:
A. 终点容易命中,省去了拉碳法终点前倒炉取样及校正成分和温度的补吹时间,因而生产率较高;
B. .终渣的(∑FeO)含量高,渣子化得好,去磷率高,而且有利于减轻喷溅和提高供氧强度;
C. 热量收入多,能够增加废钢的用量.
D. 操作稳定,易于实现自动控制.
采用拉碳法的关键在于吹炼过程中及时,准确地判断或测定熔池的温度和含碳量努力提高一次命中率.而采用增碳法时,则应寻求含硫低,灰分少和干燥的增碳剂.
4. 终点的判断
⑴碳含量的判断
常见的判断仪器是热电偶结晶定碳仪,其特点是简单,准确,但速度慢.有前途的是红外,光谱等快速分析仪.生产中多凭经验对钢液含碳量进行判断,常见的方法有看火花,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,爆裂的碳火花几乎不分叉,形成的是小火星.
B. 看火焰:金属含碳量较高时,碳氧反应激烈,炉口的火焰白亮,有力,长且浓密;当含碳量降到0.2%左右时,炉口的火焰稀薄且收缩,发软,打晃.
C. 看供氧时间和耗氧量:生产条件变化不大时,每炉钢的供氧时间和耗氧量也不会有太大的出入,因此,当吹氧时间及耗氧量与上炉接近时,本炉钢也基本到达终点.
⑵温度的判断
当前常见插入式热电偶测定钢液的温度,生产中还能够借倒炉的机会观察炉内情况凭经验进行判断.
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.终点温度和终点成分偏离目标值的调整
1. 终点温度偏离目标值的调整方法
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,可根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,根据钢水量,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 对成品硫要求严格的钢种(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,可采取前后摇炉的方法降温.一般降温值为1.8～2.5℃∕min.
2.