节能环保炼钢：转炉炼钢的工艺创新

节能环保炼钢：转炉炼钢的工艺创新



转炉冶炼的核心使命与目标

转炉厂的核心任务在于将高炉产出的生铁进一步精炼成优质的钢水，随后将其铸造成符合标准的铸坯，以供各轧钢厂进行高效轧制。其冶炼目的在于通过氧化去除生铁中的碳及其他杂质元素（例如硅和锰），从而创造出在物理、化学特性以及力学性能上都超越铁的优质钢材。



现代化转炉炼钢生产流程

一、转炉冶炼生产

(1)铁水预处理

在铁水进入转炉之前，为确保其纯净度和高效利用，会进行一系列的预处理。这些处理旨在去除铁水中的有害元素，如硫（S）和磷（P），同时尽可能回收如铌（Nb）和钒（V）等稀有元素。其中，喷吹法是一种常用的技术，通过氮气将颗粒镁吹入铁水中，不仅去除杂质，还能有效搅动铁水，为后续的精炼步骤做好准备。这种处理方法既可以在混铁车中进行，也可以在铁水包内完成。

(2）KR法（机械搅拌法）的应用

KR法，也被称为机械搅拌法，通过将十字形叶轮搅拌头沉入铁水内部进行旋转，在铁水的中央区域形成一个锥形的漩涡。这一过程促进了脱硫剂与铁水之间的充分混合与反应，从而提高了脱硫的效率。

图1展示了KR法脱硫过程中，十字形叶轮搅拌头在铁水中的旋转情况。通过这一机械搅拌方式，铁水中央区域形成的锥形漩涡，有效促进了脱硫剂与铁水的混合与反应，进而提升了脱硫效率。

二、炼钢



★ 转炉炼钢的原材料



【金属料】

（1）铁水：铁水是转炉炼钢的主要原料，其用量通常占据金属料装入量的70～100%。

（2）废钢：废钢在转炉炼钢中作为辅助原料，其用量可控制在0～30%之间。

（3）铁合金：铁合金在炼钢过程中扮演着脱氧和成分调整的重要角色，常见的脱氧剂包括锰铁、硅铁等，而合金料则有锰铁、硅铁等用于调整钢液成分。



【非金属料】

（1）石灰：石灰是转炉炼钢的基本造渣材料，通过造渣可以脱磷脱硫，同时保护炉衬并作为冷却剂使用。

（2）萤石：萤石在转炉中主要作为助熔剂使用，促进炉渣的形成和流动。

（3）白云石：白云石可以部分替代石灰，减少石灰用量，并有助于前期渣早化和终渣稠化，从而延长炉衬寿命。

（4）氧化剂：转炉炼钢中常用的氧化剂包括氧气、铁矿石和氧化铁皮，它们参与钢水的氧化反应。

（5）冷却剂：为了控制炉温和反应进程，转炉炼钢会使用废钢、铁矿石、氧化铁皮、石灰和白云石等作为冷却剂。

（6）增碳剂：增碳剂如碳粉、碳线等，用于增加钢中的碳含量，满足特定的碳含量需求。



★ 氧气顶吹转炉的主要设备

氧气顶吹转炉的核心设备包括炉子本体、倾动装置和供氧设备，这些设备共同协作，完成转炉炼钢的各项工艺流程。



炉体：炉体的外层是炉壳，它承受着耐火材料、钢液和炉渣的全部重量，并维持着炉子的固定形态。炉壳内部则填充了一定厚度的碱性耐火材料。



倾动设备：该设备包括电动机制动装置、减速装置和支座轴承，其作用是使炉体能够倾斜，从而满足兑铁水、加废钢、取样、出钢和倒渣等工艺需求，确保炉体能够正反转360°。



供氧设备：主要包括氧枪及供氧系统。氧枪，又称喷枪或喷氧管，负责向熔池内吹入高压氧气。



★ 吹炼过程



【氧气顶吹转炉炼钢法】是直接通过炉口垂直伸入的氧枪，向熔池内吹入高压氧气，将铁水中的碳、硅、锰、磷等元素氧化去除。这种方法利用铁水的物理热和元素氧化产生的化学热，无需外部热源即可达到熔炼所需的高温。



【顶底复合吹炼】则是在顶吹的基础上，从底部同时吹入适量气体，增强金属熔池和炉渣的搅拌，并控制熔池内气相中CO的分压。这样不仅克服了顶吹氧气流搅拌能力的不足，还使炉内反应更接近平衡，减少了铁损失，同时保留了顶吹法容易控制造渣过程的优点。



★ 炉外精炼



炉外精炼是将炼钢炉内的一部分任务移至钢包或其他专用容器中完成，从而将传统的炼钢工艺分为初炼和精炼两个步骤。通过炉外精炼，可以在真空、惰性气氛或可控气氛下对钢水进行深脱碳、脱硫、脱氧、除气、成分调整和温度均匀化等处理，同时去除夹杂物并改变其形态和组成。

【钢包吹氩】和【RH法（真空循环脱气法）】

钢包吹氩是通过钢包底部的透气砖向钢液中吹入一定数量与压力的氩气，以排除有害气体和非金属夹杂物，并均匀钢液温度和成分，改善其流动性。而RH法处理钢液时，则先将真空室下端的上升管及下降管插入钢包钢液中，通过抽真空使钢液在真空室内上升至压差高度，进行脱气处理。

这时，向上升管中吹入氩气，由于钢液中含有氩气泡，其密度降低，导致钢液继续上升。同时，真空室内的液面逐渐升高。相比之下，下降管内的钢液密度较大，因此下降并流回钢包。通过这种连续循环，钢液不断进入真空室，并在真空状态下进行高效的脱气处理。此外，根据钢种的不同需求，还可以向真空室内添加各种合金。



【LF法（埋弧加热吹氩钢包精炼法）】

LF法(钢包精炼法)利用石墨电极进行加热，电弧埋藏在钢液面上的熔渣层中。通过使用合成造渣料造渣，同时在钢包底部进行吹氩搅拌，以及保持钢包内的强还原气氛，实现对钢液的精炼。

钢包吹氩处理又称钢液吹氩处理，是一种简易的钢液脱气和去除非金属夹杂物的炉外精炼方法。这种方法工艺简单，设备便宜，精炼效果显著。

精炼炉钢包底吹氩控制装置的优点分析

通过外部控制器打开第二支管上的第四电子控制阀，然后打开进气管上的第一电子控制阀，通过外部输送设备将氩气通过氩气输送管、第二支管、供气管和进气管，通过透气砖输送到钢包本体内，然后将待加工的铁水倒入钢包本体内。反应过程中，可通过电子显示屏实时查看各个进气管的气压，当气压不足时，可通过外部设备启动输送泵，将氩气经过输送泵输送到储气罐内并增压，然后打开第一支管上的第三电子控制阀，通过储气罐向各个进气管进行补压。第一电子控制阀的设计，可根据不同的加工要求，通过调整第一电子控制阀来实现各个透气砖的送气量调整，使各个透气砖的出气量可独立控制。当氩气输送管内的气压不足时，储气罐的设计意义在于可通过外部控制器启动输送泵，对储气罐进行输气增压，然后通过储气罐向各个透气砖供气，保证供气压力；电子显示屏的设计，可随时查看各个透气砖的供气压力。减震弹簧的设计，可减少在设备使用过程中对设备造成的冲击损坏。

精炼炉钢包底吹氩控制装置的优点在于第一电子控制阀的设计，可根据不同的加工要求，通过调整第一电子控制阀，调整各个透气砖的送气量，使各个透气砖的出气量可独立控制；储气罐的设计可在氩气输送管内的气压不足时，通过外部控制器启动输送泵，对储气罐进行输气增压，然后通过储气罐向各个透气砖供气，保证供气压力；电子显示屏的设计，可随时查看各个透气砖的供气压力；减震弹簧的设计，在设备使用过程中，可减少冲击对设备的损坏。