国内复吹转炉工艺问题与对策-刘浏教授

aO=0.209 顶底吹碳氧平衡比较
搅拌对平衡的影响和极限碳含量： 常压下顶吹平衡PCO+PCO2=1atm 加强熔池搅拌底吹平衡压力为0.4atm 代入以上公式求出aFeO=1时的极限[C]E 顶吹： [C]E=0.012%，底吹：[C]E=0.005% 搅拌对渣钢氧势的影响： （1）随[C]降低渣钢氧势PO2逐步升高，从10-16 升高到10-8。 （2）搅拌使渣钢反应趋于平衡：对顶吹转炉 炉渣氧势始终高于钢水氧势；对复吹转炉随搅 拌强度增加钢渣氧势更加接近。 （3）搅拌强度增大钢水氧势低于1atm平衡值。
熔池冲击深度的计算方法： Flinn公式：射流冲击深度为h0=1.5(p0D*/L1/2)+1.5。
式中，h0冲击深度，in（=25.4mm）；p0喷嘴前压力，psi （=6894.757Pa）；L喷枪高度，in；D*喉口直径，in。 2
1 2
冲击深度与熔池搅拌
软吹与硬吹：
LD操作特点与工艺控制
脱碳反应与钢渣氧化：
80~120 0.5~1.0
0.025 80~100 • 二次燃烧热效率高 •可灵活调整脱碳和化渣 • 钢中气体含量低 • 吹炼不平稳,易喷溅 • 终点渣钢过氧化严重 • 锰烧损较大
20~25 0.3~0.6
0.005 60~80 • 碳氧反应平衡,不易过氧化 • 渣钢反应平衡,吹炼平稳 • 底喷石灰粉, 提高脱磷能力 • 炉底寿命低,更换困难 • 钢水[H]高 • 热量不足造成废钢比降低
技术优势
存在问题
顶底复合吹炼工艺 复吹转炉的兴起：
20世纪80年代，复吹转炉迅速推广，成为主要炼钢 方法。特点是结合顶、底吹的技术优势，消除其缺点。 发展历史：复吹转炉发展遵循两条技术路线： 基于顶吹：增加底吹搅拌，提高反应效率。 基于底吹：增加顶供氧，提高炉底寿命和热效率。
复吹转炉分类：
（1）弱搅拌底吹惰性气体：源于顶吹，底吹惰性气 体，搅拌强度≤0.1Nm3/t.min。 （2）中等搅拌底吹氧化性气体：搅拌强度 0.1~0.3Nm3/t.min。 （3）底吹氧强搅拌：源于底吹，搅拌强度 ≥0.5Nm3/t.min。
CO Q-BOP LD 86.3 64.5 CO2 2.8 18.4 H2 5.6 0.7 N2 5.3 16.4 发热量(MJ/m3) 11.6 8.3
吹炼中[Mn]、[P]、 TFe变化比较 （2.5t试验炉,复吹的 底吹强度 Ar:0.42Nm3/t.min） 终点碳氧平衡 钢水氢含量的比较
顶、底吹转炉的工艺比较
底吹流量 和枪位对终渣(%T.Fe)的影响
L/L0对气相成份的影响
[C]对脱碳氧效率与CT的影响
氧气底吹转炉
发展历史及意义：
1952年LD转炉迅速发展，淘汰传统平炉和空气转炉。如 何利用原有空气转炉设施和平炉厂房推广氧气转炉成为迫 切需求，推动了底吹转炉的发明。底吹转炉的推广证实了 加强熔池搅拌，改善流动与传质可促进反应平衡，提高反 应效率，对今后炼钢技术的发展产生重大影响。
冶金特点：
（1）采用直接传氧为主，间接传氧为辅的供氧方式，取 代平炉间接传氧，提高碳氧反应速度。 （2）通过加速脱碳搅动熔池，提高渣钢反应速度。 （3）纯氧代替空气提高热效率，减少废气量。 （4）调整枪位可灵活控制脱碳和化渣，实现吹炼控制。 （5）实现转炉的煤气回收利用，降低能耗。
氧气顶吹转炉示意图
2 pCO 7 5 5 8 6 .7 6 5 lo g aC pCO T 2 Fe O ( FeO)
pCO2 pCO aO
0.781
2 pCO 537 aC pCO2
a FeO lo g a O
6150 2.6 0 4 T
复吹工艺单一
搅拌强度对促进钢渣反应平衡起重要作用。
搅拌强度对碳氧平衡的影响：随熔池[C]降低 钢中[O]增高，加强底搅使碳氧反应更趋近平衡： 对于弱搅拌工艺碳氧平衡接近1atm，对于强搅拌 工艺碳氧平衡低于1atm。 搅拌强度对渣钢平衡的影响：提高搅拌强度利 于降低炉渣过氧化，对弱搅拌复吹TFe从顶吹 18~25%降低到12~18%，对强搅拌工艺可降到 8~12%。 减少渣量或提高成渣速度有利于促进钢渣平衡。 如顶喷粉取代顶加石灰块明显降低渣中TFe。 搅拌强度对钢水碳氧平衡的影响
顶底复吹炼钢法的发展历史
顶底复合吹炼转炉的吹炼方式和底吹气体比例 底吹搅拌气体流量与均匀混合时间的关系
弱搅拌顶底复合吹炼工艺
采用惰性气体弱搅拌提高反应效率： （1）促进碳氧平衡：底搅强度为 0.01~0.1Nm3/t.min时，随[C]降低熔池 aO明显低于LD转炉。 （2）搅拌强度提高效果更明显，当 底搅为0.1Nm3/t.min时，低[C]区碳氧 反应接近平衡。 （3）提高脱磷能力：相同终点[P]时 渣中TFe降低5~10%。 （4）残锰含量提高，但搅拌强度 ≤0.1Nm3/t.min时效果不明显。
核心技术：
底吹氧管的冷却保护技术，Savard和Lee研究开发的双层 套管采用CH4保护吹氧管技术，奠定底吹氧工艺基础。 底吹石灰粉解决了化渣问题，适宜冶炼中、高磷铁水。
冶金特点：
（1）底吹氧气脱碳氧效率高，吹炼平稳，不喷溅。 （2）强化熔池搅拌，碳氧反应更接近平衡。 （3）底喷石灰粉改善化渣工艺，低氧位条件下比LD转 炉具有更高的脱磷效率。
根据反应状态调整氧枪高度实现软 吹与硬吹是转炉的基本操作方式。 通常L/L0≤0.2时为软吹操作； L/L00.5~0.8时为硬吹操作。 软吹有利于熔池化渣，硬吹有利于 熔池脱碳： • 随L/L0升高脱碳加剧，TFe升高； • 随L/L0升高炉气中CO2降低，二次燃 烧率下降； • 随L/L0升高二次燃烧热效率提高； • 随L/L0升高铁蒸发严重，烟尘中大颗 粒增加。
顶底吹脱磷效果比较
气体搅拌与终渣TFe对LP的影响
转炉回硫严重
炼钢是氧化过程，不利于还原脱硫，降低渣钢间 硫分配比(≤10)。造成脱硫率降低，甚至发生回硫。
（1）氧位对硫分配比的影响：铁水条件下随PO2升高硫 分配比降低，波动在2~50。R≥3时基本消除氧位的影响。 （2）TFe的影响：降低(TFe)≤10%时可大幅提高(S)/[S]。 （3）碱度的影响：随R提高硫分配比提高，复吹高于顶 吹转炉。 （4）搅拌强度的影响：相同搅拌条件下提高强度可大幅 提高硫分配比。底吹气体比例从30%提高到100%对脱硫 影响不大。
随[C]降低碳氧反应机制发生转变： 当[C]≥CT(临界碳含量)时熔池传氧为 限制性环节，脱碳炉不会造成钢渣过 氧化。当[C]<CT时碳扩散为碳氧反应 限制环节，脱碳会造成钢渣过氧化。 临界碳含量CT决定于： • 熔池搅拌强度，提高搅拌CT降低； • 渣量，随渣量降低CT减小； • 气体氧化势，随其降低钢渣过氧化 减弱； • 氧气流量，减小氧流量利于降低钢 渣过氧化。
萌 芽 期
变革期
鼎盛期
创新期
转炉“三脱” 少渣冶炼
氧气顶吹转炉
发展历史及意义：
20世纪40年代，德国林茨钢厂发明了氧气顶吹炼钢方法， 称为LD法。这一伟大变革开创了现代炼钢的新纪元，促进 钢铁生产全流程的技术革命。
核心技术：
实现大规模工业制氧 发明拉瓦尔顶吹水冷喷枪 发明OG法、动态控制、污泥(水)等配套技术
强搅拌复吹工艺
KMS法示意图
[C]与[O]的关系
[C]与FeO的关系
终点钢水含锰量比较
国内转炉炼钢的主要问题
（1）复吹工艺单一：国内转炉大多采用弱搅拌复吹工艺， 和日本相比复吹工艺种类和方法十分单一。 （2）复吹效果不佳： 低碳出钢，钢中氧含量高； 炉渣过氧化严重； 锰损 失严重； 脱磷效果不佳，回硫现象严重。 （3）缺乏基础研究：对复吹特性指数的研究和了解不足， 因此对炼钢中元素的氧化、还原缺乏控制手段和基础理论。 （4）护炉工艺简单，单纯依靠溅渣护炉： 国内尚未彻底解决低碳钢冶炼中底吹喷嘴长寿问题，主要 原因在于钢渣过氧化，转炉作业率偏低，未能采用快速直接 出钢技术。 （5）炼钢前沿领域研究开发处于空白： 在铁水“三脱”、少渣冶炼工艺研究、钢中锰铬氧化还原控 制与炉内合金化研究、转炉不锈钢冶炼工艺的研究等前沿领 域尚处于空白。
氧气底吹转炉示意图
底吹喷嘴保护机理：
为防止底吹喷嘴熔损需要8%的CH4，喷口处发生以下 反应：8CH4+100O28CO2+16H2+84O2(反应温度1400℃) 2Fe(1425℃)+O22FeO 由于CH4分解温度低于铁氧化温度，保护底吹喷嘴。
喷嘴保护原理
顶、底吹转炉的冶金特点
碳氧反应：C-O反应更接近平衡，低碳区aO明显低于顶吹。 钢渣反应：渣中TFe变化与顶吹相似，平均降低3~5%。 锰的氧化：吹炼中锰氧化不严重，残锰明显高于顶吹。 脱磷反应：脱磷规律与顶吹相似，前期和后期脱磷较快,整 体磷含量略高于顶吹。 钢中气体含量：由于CH4裂解造成[H]明显高于顶吹。 顶、底吹转炉煤气回收状况(%)
各种复吹工艺碳氧平衡关系
脱磷效率低
氧气转炉脱磷反应规律：
（1）提高搅拌强度和改进石灰加入，渣钢间 磷的分配比提高，终渣TFe含量降低。 （2）Q-BOP法优于K-BOP法，优于KGC顶 吹石灰法，LD法最低。 （3）渣钢间磷的分配比决定于炉渣碱度和底 吹搅拌强度，以及渣中TFe含量等工艺因素。 采用底吹强搅拌（如Q-BOP法）控制终渣 TFe≤15%使LP提高到160，而采用LD法控制终 渣TFe≥20%LP可达到80。 （4）弱搅拌复吹脱磷能力略高于顶吹，中期 强搅优于传统或后期强搅工艺，控制终渣 TFe10~14%可获得最高的渣钢间磷分配比。
工艺
项目
气体种类 供氧方式 喷孔数/个 工 3 艺 供氧强度(Nm /t.min) 参 熔池混匀时间/s 数 临界碳含量CT/% 来自百度文库限[C]/% 渣量(kg/t)(Si=0.4%)
顶吹LD 100%O2 顶吹水冷拉瓦尔喷枪 按炉容大小为3~6 3.0~4.0
底吹Q-BOP 92%O2+8%CH4 底吹双层套管喷枪 按炉容大小为4~20 2.5~3.0
底吹搅拌强度对(TFe)的影响
搅拌强度对(TFe)的影响
钢渣过氧化严重
碳氧平衡分析： 假定1600℃熔池[C]与气相和渣相平衡，碳 氧可表示为： 1600℃时： O CO ( g ) CO ( g )
2
8718 lo g 4 .7 6 2 p a T CO O C CO2 ( g ) 2CO ( g ) pCO2
国内复吹工艺问题与对策
刘
浏
2016年10月
现代炼钢技术的发展 现代炼钢技术起源于18世纪末期，
通过氧化精炼去除还原精炼带来的各 种杂质，大幅度提高钢的性能，人类 由铁器时代进入钢时代。 现代炼钢的发展分为四个时期：
（1）萌芽期(1856~1945年)：主要有两种 炼钢方法：自热式空气转炉和外加热源的 平炉法。前者冶炼热量不足，氮含量高； 后者效率低、能耗高。 （2）变革期(1945~1980年)：氧气转炉炼 钢迅速淘汰平炉和空气转炉，顶吹和底吹 转炉的发明发起了现代炼钢技术的革命， 促进高炉大型化、连铸和连轧等重大新工 艺的发展。 （3）鼎盛期(1980~2000年)：顶底复合吹 炼转炉的发展将现代转炉炼钢技术推向鼎 盛，开发出炉外精炼、铁水预处理和超纯 净钢冶炼等重大先进技术。 （4）创新期(2000~)：实现传统转炉功能 的重大转变：将脱硅、脱磷和脱硫反应与 脱碳、合金化等功能相分离，达到高效、 低成本和超纯净 的发展目标。
顶底复吹转炉操作实例
停吹时[C]与[O]的关系
TFe与[P]的关系
停吹时[C]与[Mn]的关系
——底吹氧比例对熔池反应的影响
底吹改为顶底复吹转炉，底供氧比例为6~50%， 顶吹氧二次燃烧过程中的反应规律： 碳氧反应：底供氧50%，碳氧平衡与底吹转炉相当， 底供氧6%+1Nm3/t.minAr搅拌也可达到相同的冶金 效果，底供氧6%时碳氧平衡略低于顶吹转炉。 钢渣反应：顶供氧40%，[C]≥0.05%时渣中 TFe5~10%，远低于顶吹转炉。碳脱至0.02%时顶 吹或底吹供氧0.9Nm3/t.min，TFe上升至16~22%。 锰的氧化还原：终点残锰约为LD冶炼的2倍，可节 约1.4~2.3kg锰铁。随底供氧比例升高锰收得率提高。