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轉(zhuǎn)爐煉鋼
靠自身物理熱完成煉鋼的過程
轉(zhuǎn)爐煉鋼（converter steelmaking）是以鐵水、廢鋼、鐵合金為主要原料，不借助外加能源，靠鐵液本身的物理熱和鐵液組分間化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量而在轉(zhuǎn)爐中完成煉鋼過程。轉(zhuǎn)爐按耐火材料分為酸性和堿性，按氣體吹入爐內(nèi)的部位有頂吹、底吹和側(cè)吹；按氣體種類為分空氣轉(zhuǎn)爐和氧氣轉(zhuǎn)爐。堿性氧氣頂吹和頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐由于其生產(chǎn)速度快、產(chǎn)量大，單爐產(chǎn)量高、成本低、投資少，為目前使用最普遍的煉鋼設(shè)備。轉(zhuǎn)爐主要用于生產(chǎn)碳鋼、合金鋼及銅和鎳的冶煉。
基本信息
| 中文名 | 轉(zhuǎn)爐煉鋼 |
| 外文名 | Converter steelmaking |
| 使用裝置 | 氧氣 頂吹轉(zhuǎn)爐,頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐 |
| 主要原料 | 鐵水，廢鋼， 鐵合金 |
發(fā)展歷程
早在1856年英國人貝斯麥就發(fā)明了底吹酸性轉(zhuǎn)爐煉鋼法，這種方法是近代煉鋼法的開端，它為人類生產(chǎn)了大量廉價鋼，促進(jìn)了歐洲的工業(yè)革命。但由于此法不能去除硫和磷，因而其發(fā)展受到了限制。1879年出現(xiàn)了托馬斯底吹堿性轉(zhuǎn)爐煉鋼法，它使用帶有堿性爐襯的轉(zhuǎn)爐來處理高磷生鐵。雖然轉(zhuǎn)爐法可以大量生產(chǎn)鋼，但它對生鐵成分有著較嚴(yán)格的要求，而且一般不能多用廢鋼。隨著工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，廢鋼越來越多。
平爐煉鋼法對原料的要求不那么嚴(yán)格，容量大，生產(chǎn)的品種多，所以不到20年它就成為世界上主要的煉鋼方法。
20世紀(jì)50年代，在世界鋼產(chǎn)量中，約85%是平爐煉出來的。1952年在奧地利出現(xiàn)純氧頂吹轉(zhuǎn)爐，它解決了鋼中氮和其他有害雜質(zhì)的含量問題，使質(zhì)量接近平爐鋼，同時減少了隨廢氣（當(dāng)用普通空氣吹煉時，空氣含79 %無用的氮）損失的熱量，可以吹煉溫度較低的平爐生鐵，因而節(jié)省了高爐的焦炭耗量，且能使用更多的廢鋼。由于轉(zhuǎn)爐煉鋼速度快（煉一爐鋼約10min，而平爐則需7h），負(fù)能煉鋼，節(jié)約能源，故轉(zhuǎn)爐煉鋼成為當(dāng)代煉鋼的主流。
頂吹法的特點決定了它具有渣中含鐵高，鋼水含氧高，廢氣鐵塵損失大和冶煉超低碳鋼困難等缺點，而底吹法則在很大程度上能克服這些缺點。但由于底吹法用碳?xì)浠衔锢鋮s噴嘴，鋼水含氫量偏高，需在停吹后噴吹惰性氣體進(jìn)行清洗。基于以上兩種方法在冶金學(xué)上顯現(xiàn)出的明顯差別，故在20世紀(jì)70年代以后，國外許多國家著手研究結(jié)合兩種方法優(yōu)點的頂?shù)讖?fù)吹冶煉法。繼奧地利人Dr.Eduard等于1973年研究轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹煉鋼之后，世界各國普遍開展了轉(zhuǎn)爐復(fù)吹的研究工作，出現(xiàn)了各種類型的復(fù)吹轉(zhuǎn)爐，到20世紀(jì)80年代初開始正式用于生產(chǎn)。由于它比頂吹和底吹法都更優(yōu)越，加上轉(zhuǎn)爐復(fù)吹現(xiàn)場改造比較容易，使之幾年時間就在全世界范圍得到普遍應(yīng)用，有的國家（如日本）已基本上淘汰了單純的頂吹轉(zhuǎn)爐。
傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程是將高爐來的鐵水經(jīng)混鐵爐混勻后兌入轉(zhuǎn)爐，并按一定比例裝入廢鋼，然后降下水冷氧槍以一定的供氧、槍位和造渣制度吹氧冶煉。當(dāng)達(dá)到吹煉終點時，提槍倒?fàn)t，測溫和取樣化驗成分，如鋼水溫度和成分達(dá)到目標(biāo)值范圍就出鋼。否則，降下氧槍進(jìn)行再吹。在出鋼過程中，向鋼包中加入脫氧劑和鐵合金進(jìn)行脫氧、合金化。然后，鋼水送模鑄場或連鑄車間鑄錠。
工藝流程
氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼設(shè)備工藝，如圖4所示。按照配料要求，先把廢鋼等裝入爐內(nèi)，然后倒入鐵水，并加入適量的造渣材料（如生石灰等）。加料后，把氧氣噴槍從爐頂插入爐內(nèi)，吹入氧氣（純度大于99%的高壓氧氣流），使它直接跟高溫的鐵水發(fā)生氧化反應(yīng)，除去雜質(zhì)。用純氧代替空氣可以克服由于空氣里的氮氣的
影響而使鋼質(zhì)變脆，以及氮氣排出時帶走熱量的缺點。在除去大部分硫、磷后，當(dāng)鋼水的成分和溫度都達(dá)到要求時，即停止吹煉，提升噴槍，準(zhǔn)備出鋼。出鋼時使?fàn)t體傾斜，鋼水從出鋼口注入鋼水包里，同時加入脫氧劑進(jìn)行脫氧和調(diào)節(jié)成分。鋼水合格后，可以澆成鋼的鑄件或鋼錠，鋼錠可以再軋制成各種鋼材。氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐在煉鋼過程中會產(chǎn)生大量棕色煙氣，它的主要成分是氧化鐵塵粒和高濃度的一氧化碳氣體等。因此，必須加以凈化回收，綜合利用，以防止污染環(huán)境。從回收設(shè)備得到的氧化鐵塵粒可以用來煉鋼；一氧化碳可以作化工原料或燃料；煙氣帶出的熱量可以副產(chǎn)水蒸氣。此外，煉鋼時，生成的爐渣也可以用來做鋼渣水泥，含磷量較高的爐渣，可加工成磷肥，等等。氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法具有冶煉速度快、煉出的鋼種較多、質(zhì)量較好，以及建廠速度快、投資少等許多優(yōu)點。但在冶煉過程中都是氧化性氣氛，去硫效率差，昂貴的合金元素也易被氧化而損耗，因而所煉鋼種和質(zhì)量就受到一定的限制。
我國轉(zhuǎn)爐
1951年堿性空氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法首先在我國唐山鋼廠試驗成功，并于1952年投入工業(yè)生產(chǎn)。1954年開始開展小型氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的試驗研究工作，1962年將首鋼試驗廠空氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐改建成3t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐，開始了工業(yè)性試驗。在試驗取得成功的基礎(chǔ)上，我國第一個氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼車間（2×30t）在首鋼建成，于1964年12月26日投入生產(chǎn)。以后，又在唐山、上海、杭州等地改建了一批3.5~5t的小型氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐。1966年上鋼一廠將原有的一個空氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼車間，改建成3座30t的氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼車間，并首次采用了先進(jìn)的煙氣凈化回收系統(tǒng)，于當(dāng)年8月投入生產(chǎn)，還建設(shè)了弧形連鑄機(jī)與之相配套，試驗和擴(kuò)大了氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的品種。這些都為我國日后氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗。此后，我國原有的一些空氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐車間逐漸改建成中小型氧氣頂吹煉鋼車間，并新建了一批中、大型氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐車間。小型頂吹轉(zhuǎn)爐有天津鋼廠20t轉(zhuǎn)爐、濟(jì)南鋼廠13t轉(zhuǎn)爐、邯鄲鋼廠15t轉(zhuǎn)爐、太原鋼鐵公司引進(jìn)的50t轉(zhuǎn)爐、包頭鋼鐵公司50t轉(zhuǎn)爐、武鋼50t轉(zhuǎn)爐、馬鞍山鋼廠50t轉(zhuǎn)爐等；中型的有鞍鋼150t和180t轉(zhuǎn)爐、攀枝花鋼鐵公司120t轉(zhuǎn)爐、本溪鋼鐵公司120t轉(zhuǎn)爐等；20世紀(jì)80年代寶鋼從日本引進(jìn)建成具70年代末技術(shù)水平的300t大型轉(zhuǎn)爐3座、首鋼購入二手設(shè)備建成210t轉(zhuǎn)爐車間；90年代寶鋼又建成250t轉(zhuǎn)爐車間，武鋼引進(jìn)250轉(zhuǎn)爐，唐鋼建成150轉(zhuǎn)爐車間，重鋼和首鋼又建成80t轉(zhuǎn)爐煉鋼車間；許多平爐車間改建成氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐車間等。到1998年我國氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐共有221座，其中100t以下的轉(zhuǎn)爐有188座，（50~90t的轉(zhuǎn)爐有25座），100-200t的轉(zhuǎn)爐有23座，200t以上的轉(zhuǎn)爐有10座，最大公稱噸位為300t，頂吹轉(zhuǎn)爐鋼占年總鋼產(chǎn)量的82.67%。
煉鋼原料
品種質(zhì)量
氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼鋼的品種和質(zhì)量
鋼中氣體和夾雜物是評價鋼的冶金質(zhì)量的主要指標(biāo)。氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼反應(yīng)速率快，沸騰激烈，所以鋼中H、N、O含量較低，[H]為(3～5)×10-4%，[N]為(20～40)×10-4%，低碳鋼[O]為0．06%～0．10%。夾雜物和脫氧及凝固操作有關(guān)。影響頂吹轉(zhuǎn)爐鋼含氮量的重要因素是氧氣純度，由表4數(shù)據(jù)可以看出。所以用于轉(zhuǎn)爐煉鋼的氧氣應(yīng)該是99%以上的純氧。
低碳鋼是轉(zhuǎn)爐煉鋼的主要產(chǎn)品。由于轉(zhuǎn)爐脫碳快，鋼中氣體含量低，所以鋼的塑性和低溫塑性好，有良好的深沖性和焊接性能。用轉(zhuǎn)爐鋼制造熱軋薄板、冷軋薄板、鍍鋅板、汽車板、冷彎型鋼、低碳軟鋼絲等，都具有良好的性能。
轉(zhuǎn)爐冶煉中、高碳鋼雖然有一些困難，但也能保證鋼的質(zhì)量。轉(zhuǎn)爐鋼制造的各種結(jié)構(gòu)鋼、軸承鋼、硬鋼絲等都已廣泛使用。冶煉高碳鋼的困難是拉碳和脫磷。在C>O．2%時靠經(jīng)驗拉碳很難控制準(zhǔn)確，如果有副槍可借副槍控制，沒有副槍時需要爐前快速分析，這就耽誤了時間。高碳鋼終點(FeO)低，脫磷時間短，因此需要采用雙渣操作，即在脫碳期開始時放掉初期渣，把前期進(jìn)入渣中的磷放走，然而雙渣操作損失大量熱量和渣中的鐵，沒有特殊必要不宜采用。增碳法是冶煉中、高碳鋼的另一種操作法，這時吹煉操作和低碳鋼一樣，只是在鋼包內(nèi)用增碳劑增碳，使含碳量達(dá)到丘岡紳的要求。增碳劑為焦炭，石油焦等。中碳鋼的增碳量小，容易完成。高碳鋼增碳要很好控制，但軌鋼、硬線等用增碳法冶煉可以保證質(zhì)量合乎要求。
轉(zhuǎn)爐冶煉低合金鋼沒有特殊困難。冶煉合金鋼時，因為合金化需要加入鋼包的鐵合金數(shù)量大。會降低鋼水溫度，而過分提高出鋼溫度又使脫磷不利。所以冶煉合金鋼應(yīng)與爐外精煉相結(jié)合．用鋼包爐完成合金化。另外，隨著對鋼的成分的控制要求不斷嚴(yán)格，為減少鋼性能的波動，要求成分范圍越窄越好。這也需要在鋼包精煉時進(jìn)行合金成分微調(diào)的操作。
頂吹轉(zhuǎn)爐冶煉超低碳鋼（C<0.03%）尚有困難。首先因為在臨界含碳量以下，脫碳速率下降，熔池攪拌減弱，加強(qiáng)供氧只能促使鐵氧化而不能使碳去除。其次，[%C][%O]=0.0025，當(dāng)[%C]=0.01時，[%O]=0.25，已經(jīng)是[0]的飽和濃度，也就是說0.01%C是脫碳的理論極限。如果要進(jìn)一步脫碳，必須降低氣相的CO分壓，這需要采用爐外精煉的方法來完成。
主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以150～300t轉(zhuǎn)爐為例，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下：
展開表格
科研方向
世界轉(zhuǎn)爐煉鋼趨勢
鐵水預(yù)處理對改進(jìn)轉(zhuǎn)爐操作指標(biāo)及提高鋼的質(zhì)量有著十分重要的作用。美國及西歐各國鐵水預(yù)處理只限于脫硫，而日本鐵水預(yù)處理則包括脫硫、脫硅及脫磷。例如1989年日本經(jīng)預(yù)處理的鐵水比例為：NKK公司京濱廠為55%，新日鐵君津廠為74%，神戶廠為85%，川崎千葉廠為90%。
日本所有轉(zhuǎn)爐鋼廠，美國、西歐各國的幾十家鋼廠以及其它國家的所有新建鋼廠，在轉(zhuǎn)爐上都裝有檢測用的副槍，在預(yù)定的吹煉時間結(jié)束前的幾分鐘內(nèi)正確使用此槍可保證極高的含碳量及鋼水溫度命中率，使90%-95%的爐次都能在停吹后立即出鋼，即無需再檢驗化學(xué)成分，當(dāng)然也就無需補(bǔ)吹。此外，這也使產(chǎn)量提高，使補(bǔ)襯磨損大大減少。
復(fù)合吹煉能促進(jìn)各項冶煉參數(shù)穩(wěn)定，因而在許多國家得到推廣。80年代初期誕生于盧森堡和法國的LBE煉鋼法，除原型方案外，相繼演化出一系列派生工藝，有20多種名稱，例如：STB、LD—KC、BAP、TBM、LD—OTB、LD—CB、K—BOP、K—OBM、LET等。無論是LBE原型，還是各派生工藝，實踐證明它們有其各自的優(yōu)勢。LBE、LD—KC、BAP、TBM這些方法實際無差別—都是爐頂吹氧及經(jīng)爐底噴人氬氣。還有一些方法是從爐底輸入一氧化碳、二氧化碳、氧氣。各種復(fù)合吹煉工藝可用以下數(shù)字（轉(zhuǎn)爐座數(shù)）說明其推廣情況。1983年63座，1988年140座，1990年228座。奧地利、澳大利亞、比利時、意大利、加拿大、盧森堡、葡萄牙、法國、瑞士、韓國等這些國家全部或幾乎全部轉(zhuǎn)爐都采用復(fù)合吹煉。
日本采用所謂的吹洗法，即在爐頂吹氧結(jié)束時，接著從爐底吹氬，使鋼水中碳含量達(dá)到0.01%。這對汽車用鋼、薄板用鋼及電工用鋼的冶煉尤為重要。
值得注意的是，日本正在開發(fā)復(fù)合吹煉條件下調(diào)控冶煉過程用的新方法及新設(shè)備。其中有利用爐頂氧槍里的光纜隨吹煉進(jìn)程連續(xù)監(jiān)測鋼中錳含量；利用裝于爐底的光纖傳感器以及利用所排氣體信息連續(xù)監(jiān)測鋼水溫度；并在進(jìn)行噴濺預(yù)測及預(yù)防方面的研究。
神戶制鋼公司開發(fā)的噴濺預(yù)測是以頂吹氧槍懸吊系統(tǒng)的檢測為基礎(chǔ)。日本NKK公司京濱廠是通過對出鋼口的監(jiān)測來減輕噴濺。當(dāng)熔渣猛烈上浮時，視頻信號發(fā)出往爐內(nèi)添煤或石灰石的指令。比較好用的材料（從平息熔池的時間來說）是煤。
轉(zhuǎn)爐爐襯壽命是極為重要的課題。日本、美國及西歐各國資料分析表明，影響爐襯磨損的各項冶煉參數(shù)，例如后期渣氧化度、堿度及吹煉終點時鋼水溫度，各國鋼廠之間并無大的差別。只有通過用副槍檢測方可將對爐襯最為有害的后吹時間從10-15min減少到1-3min及消除補(bǔ)吹。
優(yōu)化轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝
轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝各項指標(biāo)取決于鐵水的化學(xué)成分，而對鐵水的主要要求是含硫量低（低于0.03%），相應(yīng)要求較高含硅（0.7%-0.9%）及具有優(yōu)化造渣所需的錳量（0.8%-1.0%）。
煉鐵煉鋼各階段脫硫過程理化規(guī)律及動力特性分析表明，在動力方面，在鐵水中比在鋼水中更容易保證脫硫反應(yīng)，因為在含碳量較高及氧化度較低條件下硫具有更高的活性。然而在高爐煉鐵當(dāng)中很難脫硫，因為在高爐一系列復(fù)雜的氧化—還原反應(yīng)中，深脫硫的各種熱動力條件的能量不可避免地會增高硅含量并因此導(dǎo)致石灰及焦炭消耗的增加及產(chǎn)量的下降。因此，生產(chǎn)低硫鐵需周密策劃工藝，采用含硫最少的爐料及制備高堿度混成渣。
鐵水中硅、錳含量低及無需脫硫，這些條件會改變造渣機(jī)理及動力特性，因為這時石灰消耗下降，渣量減少，渣堿度及氧化度增高。在這樣的條件下，渣的精煉功能只限于鐵水脫磷。這樣就能在轉(zhuǎn)爐冶煉本身中多次利用渣，使渣具有很高的精煉能力。
根據(jù)這一原則開發(fā)出轉(zhuǎn)爐煉鋼新工藝，即在轉(zhuǎn)爐煉鋼本身中多次（3-5次）利用后期渣（循環(huán)造渣）。采用這樣的工藝可降低石灰消耗及渣中鐵損。及早造就高堿度氧化渣，及使硅、錳含量低可提供鋼水深脫磷所需的強(qiáng)勁動力。
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