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轉爐煉鋼
靠自身物理熱完成煉鋼的過程
轉爐煉鋼（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反應產生熱量而在轉爐中完成煉鋼過程。轉爐按耐火材料分為酸性和堿性，按氣體吹入爐內的部位有頂吹、底吹和側吹；按氣體種類為分空氣轉爐和氧氣轉爐。堿性氧氣頂吹和頂?shù)讖痛缔D爐由于其生產速度快、產量大，單爐產量高、成本低、投資少，為目前使用最普遍的煉鋼設備。轉爐主要用于生產碳鋼、合金鋼及銅和鎳的冶煉。
基本信息
| 中文名 | 轉爐煉鋼 |
| 外文名 | Converter steelmaking |
| 使用裝置 | 氧氣 頂吹轉爐,頂?shù)讖痛缔D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)明了底吹酸性轉爐煉鋼法，這種方法是近代煉鋼法的開端，它為人類生產了大量廉價鋼，促進了歐洲的工業(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爐煉鋼法，它使用帶有堿性爐襯的轉爐來處理高磷生鐵。雖然轉爐法可以大量生產鋼，但它對生鐵成分有著較嚴格的要求，而且一般不能多用廢鋼。隨著工業(yè)的進一步發(fā)展，廢鋼越來越多。
平爐煉鋼法對原料的要求不那么嚴格，容量大，生產的品種多，所以不到20年它就成為世界上主要的煉鋼方法。
20世紀50年代，在世界鋼產量中，約85%是平爐煉出來的。1952年在奧地利出現(xiàn)純氧頂吹轉爐，它解決了鋼中氮和其他有害雜質的含量問題，使質量接近平爐鋼，同時減少了隨廢氣（當用普通空氣吹煉時，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。由于轉爐煉鋼速度快（煉一爐鋼約10min，而平爐則需7h），負能煉鋼，節(jié)約能源，故轉爐煉鋼成為當代煉鋼的主流。
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。但由于底吹法用碳氫化合物冷卻噴嘴，鋼水含氫量偏高，需在停吹后噴吹惰性氣體進行清洗。基于以上兩種方法在冶金學上顯現(xiàn)出的明顯差別，故在20世紀70年代以后，國外許多國家著手研究結合兩種方法優(yōu)點的頂?shù)讖痛狄睙挿?。繼奧地利人Dr.Eduard等于1973年研究轉爐頂?shù)讖痛禑掍撝?，世界各國普遍開展了轉爐復吹的研究工作，出現(xiàn)了各種類型的復吹轉爐，到20世紀80年代初開始正式用于生產。由于它比頂吹和底吹法都更優(yōu)越，加上轉爐復吹現(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用，有的國家（如日本）已基本上淘汰了單純的頂吹轉爐。
傳統(tǒng)的轉爐煉鋼過程是將高爐來的鐵水經混鐵爐混勻后兌入轉爐，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。當達到吹煉終點時，提槍倒爐，測溫和取樣化驗成分，如鋼水溫度和成分達到目標值范圍就出鋼。否則，降下氧槍進行再吹。在出鋼過程中，向鋼包中加入脫氧劑和鐵合金進行脫氧、合金化。然后，鋼水送模鑄場或連鑄車間鑄錠。
工藝流程
氧氣頂吹轉爐煉鋼設備工藝，如圖4所示。按照配料要求，先把廢鋼等裝入爐內，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，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，除去雜質。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，當鋼水的成分和溫度都達到要求時，即停止吹煉，提升噴槍，準備出鋼。出鋼時使爐體傾斜，鋼水從出鋼口注入鋼水包里，同時加入脫氧劑進行脫氧和調節(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。氧氣頂吹轉爐在煉鋼過程中會產生大量棕色煙氣，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。氧氣頂吹轉爐煉鋼法具有冶煉速度快、煉出的鋼種較多、質量較好，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，因而所煉鋼種和質量就受到一定的限制。
我國轉爐
1951年堿性空氣側吹轉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。1954年開始開展小型氧氣頂吹轉爐煉鋼的試驗研究工作，1962年將首鋼試驗廠空氣側吹轉爐改建成3t氧氣頂吹轉爐，開始了工業(yè)性試驗。在試驗取得成功的基礎上，我國第一個氧氣頂吹轉爐煉鋼車間（2×30t）在首鋼建成，于1964年12月26日投入生產。以后，又在唐山、上海、杭州等地改建了一批3.5~5t的小型氧氣頂吹轉爐。1966年上鋼一廠將原有的一個空氣側吹轉爐煉鋼車間，改建成3座30t的氧氣頂吹轉爐煉鋼車間，并首次采用了先進的煙氣凈化回收系統(tǒng)，于當年8月投入生產，還建設了弧形連鑄機與之相配套，試驗和擴大了氧氣頂吹轉爐煉鋼的品種。這些都為我國日后氧氣頂吹轉爐煉鋼技術的發(fā)展提供了寶貴經驗。此后，我國原有的一些空氣側吹轉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、大型氧氣頂吹轉爐車間。小型頂吹轉爐有天津鋼廠20t轉爐、濟南鋼廠13t轉爐、邯鄲鋼廠15t轉爐、太原鋼鐵公司引進的50t轉爐、包頭鋼鐵公司50t轉爐、武鋼50t轉爐、馬鞍山鋼廠50t轉爐等；中型的有鞍鋼150t和180t轉爐、攀枝花鋼鐵公司120t轉爐、本溪鋼鐵公司120t轉爐等；20世紀80年代寶鋼從日本引進建成具70年代末技術水平的300t大型轉爐3座、首鋼購入二手設備建成210t轉爐車間；90年代寶鋼又建成250t轉爐車間，武鋼引進250轉爐，唐鋼建成150轉爐車間，重鋼和首鋼又建成80t轉爐煉鋼車間；許多平爐車間改建成氧氣頂吹轉爐車間等。到1998年我國氧氣頂吹轉爐共有221座，其中100t以下的轉爐有188座，（50~90t的轉爐有25座），100-200t的轉爐有23座，200t以上的轉爐有10座，最大公稱噸位為300t，頂吹轉爐鋼占年總鋼產量的82.67%。
煉鋼原料
品種質量
氧氣頂吹轉爐煉鋼鋼的品種和質量
鋼中氣體和夾雜物是評價鋼的冶金質量的主要指標。氧氣頂吹轉爐煉鋼反應速率快，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。影響頂吹轉爐鋼含氮量的重要因素是氧氣純度，由表4數(shù)據可以看出。所以用于轉爐煉鋼的氧氣應該是99%以上的純氧。
低碳鋼是轉爐煉鋼的主要產品。由于轉爐脫碳快，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。
轉爐冶煉中、高碳鋼雖然有一些困難，但也能保證鋼的質量。轉爐鋼制造的各種結構鋼、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%時靠經驗拉碳很難控制準確，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，只是在鋼包內用增碳劑增碳，使含碳量達到丘岡紳的要求。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量合乎要求。
轉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。所以冶煉合金鋼應與爐外精煉相結合．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行合金成分微調的操作。
頂吹轉爐冶煉超低碳鋼（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，加強供氧只能促使鐵氧化而不能使碳去除。其次，[%C][%O]=0.0025，當[%C]=0.01時，[%O]=0.25，已經是[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。
主要技術經濟指標以150～300t轉爐為例，主要技術經濟指標如下：
展開表格
科研方向
世界轉爐煉鋼趨勢
鐵水預處理對改進轉爐操作指標及提高鋼的質量有著十分重要的作用。美國及西歐各國鐵水預處理只限于脫硫，而日本鐵水預處理則包括脫硫、脫硅及脫磷。例如1989年日本經預處理的鐵水比例為：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，在轉爐上都裝有檢測用的副槍，在預定的吹煉時間結束前的幾分鐘內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，即無需再檢驗化學成分，當然也就無需補吹。此外，這也使產量提高，使補襯磨損大大減少。
復合吹煉能促進各項冶煉參數(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。各種復合吹煉工藝可用以下數(shù)字（轉爐座數(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爐都采用復合吹煉。
日本采用所謂的吹洗法，即在爐頂吹氧結束時，接著從爐底吹氬，使鋼水中碳含量達到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)復合吹煉條件下調控冶煉過程用的新方法及新設備。其中有利用爐頂氧槍里的光纜隨吹煉進程連續(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；并在進行噴濺預測及預防方面的研究。
神戶制鋼公司開發(fā)的噴濺預測是以頂吹氧槍懸吊系統(tǒng)的檢測為基礎。日本NKK公司京濱廠是通過對出鋼口的監(jiān)測來減輕噴濺。當熔渣猛烈上浮時，視頻信號發(fā)出往爐內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及消除補吹。
優(yōu)化轉爐煉鋼工藝
轉爐煉鋼工藝各項指標取決于鐵水的化學成分，而對鐵水的主要要求是含硫量低（低于0.03%），相應要求較高含硅（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，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。然而在高爐煉鐵當中很難脫硫，因為在高爐一系列復雜的氧化—還原反應中，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致石灰及焦炭消耗的增加及產量的下降。因此，生產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。這樣就能在轉爐冶煉本身中多次利用渣，使渣具有很高的精煉能力。
根據這一原則開發(fā)出轉爐煉鋼新工藝，即在轉爐煉鋼本身中多次（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勁動力。
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