转炉-精炼-连铸虚拟炼钢低成本探讨

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第1章 文献综述

1.1 转炉炼钢工艺概述

转炉炼钢是以铁水、废钢、铁合金为主要原料，不借助外加能源，依靠铁水本身的物理热和铁水组分间化学反应产生热量而在转炉中完成炼钢过程。

转炉按炉衬的耐火材料性质分为碱性转炉（镁砂或白云石作为内衬）和酸性转炉（用硅质材料为内衬）；按气体吹入炉内的方式分为底吹转炉、顶吹转炉和顶底复吹转炉；按吹炼采用的气体，分为空气转炉和氧气转炉[3]。

碱性氧气顶吹和顶底复吹转炉由于其生产速度快、产量大，单炉产量高、成本低、投资少，为目前使用最普遍的炼钢设备。转炉主要用于生产碳钢、合金钢及铜和镍的冶炼。

1.1.1转炉炼钢工艺简史

1856年，英国人贝塞麦发明底吹酸性空气转炉炼钢法，将空气吹入铁水，使铁水中的硅、锰、碳高速氧化，依靠这些元素的氧化放热将铁水加热到浇注所需的温度，开创了大规模炼钢的新时代。1878年英国人托马斯创造碱性底吹空气转炉炼钢法。该炼钢法通过加入石灰造碱性渣除磷，适用于西欧丰富的高磷铁矿的冶炼。

用氧气代替空气吹炼的炼钢方法的优越性早被认识，只因未能获得大量并且廉价的工业纯氧，导致用纯氧炼钢长期未能实现。直到20世纪40年代初，大型空气分离机问世，为氧气炼钢提供了物质条件。空气分离制氧以工业规模进行生产之后，炼钢大量用氧成为可能。但旧有转炉改用氧气吹炼，炉底风眼烧损很快，使吹炼无法进行。1948年德国人罗伯特·杜勒在瑞士采用水冷氧枪垂直插入炉内吹炼铁水实验取得成功，1952年奥地利林茨和多纳维茨钢厂相继建立30吨的氧气顶吹转炉车间并投入生产。后来就按这两个地名的第一个字母称氧气顶吹转炉炼钢法为LD炼钢法。50年代，LD炼钢法得到广泛的应用，并且逐步取代平炉炼钢。

尽管氧气顶吹转炉炼钢法得到了广泛发展，但有人认为由底部供气，熔池搅拌力强，冶炼过程较为合理。1965年加拿大空气液化公司用同心吹氧管同时吹入气态碳氢化合物来冷却喷嘴的技术试验成功，该法较好的解决了氧气底吹风口烧损较快的问题，使底吹转炉炼钢法重新得到重视。

氧气顶底复吹转炉采用喷嘴或透气砖从转炉底部吹入少量惰性气体同时顶吹氧，这样可以明显改善熔池的搅拌力，更兼有底吹和顶吹的优点，1974年英

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国首先在1.25吨转炉上试验顶底复吹转炉炼钢成功。随后开始在世界范围内得到推广和应用[3][7]。

中国在30～40年代曾在各地用侧吹酸性转炉炼钢，总生产能力约10万吨／年。50年代，唐山钢厂试用碱性炉衬吹炼成功，并推广到全国各地。50～60年代侧吹转炉钢产量曾达中。

1.1.2转炉炼钢工艺原理

转炉炼钢法同其他炼钢法主要区别在于它不借助外加能源，仅靠吹入熔池的氧气与铁水中各种元素的放热氧化反应完成脱碳和去杂质的任务，并将钢液加热到出钢温度。

(1)氧化：氧气吹入铁水时，铁水中易氧化元素开始氧化，产生的氧化物和加入的石灰形成炉渣。各元素按其与氧结合能力的顺序依次氧化。首先氧化的是硅、锰和少量的铁。开始时因温度低(1200～1300℃)，而且石灰溶解很慢，组成低氧化钙的铁-锰-硅酸渣。随温度升高，碳开始激烈地进行氧化。随石灰逐渐溶解，炉渣转变为硅酸钙渣或磷酸钙渣，磷和硫亦被脱除，熔池铁液中各元素氧化的先后顺序为硅、钒、锰、铬。碳随着温度的提高而分别先于有关元素氧化。

(2)脱氧：吹炼终了时，钢液中存在少量过剩的溶解氧，一般为0.01～0.08％。其含量主要取决于终点钢水的碳含量，但凝固后氧的溶解度很低，仅为0.002～0.003％，因此在钢水浇注冷却凝固过程中，氧元素便以氧化亚铁形式析出，从而影响钢的质量。所以，要得到合格的钢水，就必须去除钢水中多余的氧。而脱氧就是将与氧元素亲和力较大的元素或合金作为脱氧剂加入钢水中，利用脱氧产物不溶于钢液而析出上浮脱离钢液的原理，使钢水中的氧含量降到规定范围之内。在实际生产当中常用的脱氧元素是锰、硅、铝，它们的脱氧能力依次递增。为提高脱氧效率，使脱氧产物易于形成大颗粒排出，脱氧剂的加入一般应采用由弱到强的顺序，即先加锰铁，再加硅铁，最后加铝（或铝铁）[3]。

1.2精炼工艺概述

精炼将常规炼钢炉(转炉、电路)中初炼的钢液倒入钢包或者专用容器内进行脱硫、脱氧、除气、去除非金属夹杂物、调整钢的成分和温度，以达到进一步冶炼的的的炼钢工艺。精炼也就是把在一般炼钢炉中要完成的精炼任务，如去除杂质和夹杂物变性、成分和温度的调整和均匀化的任务，部分或全部放到炉外的“钢包”或者专用的容器中进行，炼钢过程因此分为初炼和精炼两步进行，也叫“二次炼钢”。将炼钢过程分两步进行，可提高钢水的洁净度，缩短冶炼时间，简化工艺过程并降低生产成本[4]。

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1.2.1 精炼工艺简史

1933年法国派林应用专门配制的高碱度合成渣，在出钢的过程中对钢液进行“渣洗脱硫”，这是炉外精炼技术的萌芽。1950年，联邦德国真空处理脱除钢液中的氢以防止产生“白点”。此后，各种炉外精炼方法相继问世，逐步形成了炼钢工艺中的一个新分支。中国于1957年开始研究钢液真空处理法，建立了钢液脱气、真空铸锭装置。70年代引进了氩氧炉、钢包精炼炉和钢包喷粉装置等炉外精炼设备。80年代，国产钢包精炼炉、喂线设备与技术、钢水喷粉精炼技术得到了初步的发展。90年代，随着连铸技术的发展，对钢水质量提出了更高的要求，不仅炉外精炼设备数量增加了，处理量由过去占钢水总量的2%，持续增长，到1998年占20%以上。

炉外精炼法可以大幅度提高冶金质量，并将钢中有害杂质降低到以下水平：

[H]：0.5～3ppm，[O]：5～30ppm，[N]：15～50ppm，[C]：0.002～0.03%，[S]：0.002～0.01%，提高现有炼钢炉生产能力30～50%，使钢液浇铸温度波动幅度保持±3～4℃范围内，生产成本降低13～54%[4][11][12]。

当前炉外精炼技术的主要发展趋势：

(1)多功能化：炉外精炼设备由单一功能发展成多种处理功能和不同功能的装置组合在一起，建立综合处理站。

(2)提高精炼设备生产效率和二次精炼比。

(3) 优化钢铁生产流程，提高过程自动控制和冶金效果在线监测水平

1.2.2 精炼工艺原理 精炼主要通过下述作用：

(1) 渣洗：由炼钢炉炼出来的钢水再在钢包中通过钢液对合成渣的冲洗，进一步提高钢水质量的一种炉外精炼方法。合成渣主要有氧化钙—三氧化二铝系、氧化钙—二氧化硅—三氧化二铝系、氧化钙—二氧化硅—氟化钙系等。目前常用的合成渣系主要是氧化钙—三氧化二铝碱性渣系。目前合成渣主要是为提高夹杂物去除速度，强度溶解氧含量，提高脱硫率，加快反应速度而配置的。

(2) 惰性气体处理：向钢水中吹入惰性气体，这种气体本身不参与冶金反应，但从钢水中上升的每个小气泡都相当于一个“小真空室”(气泡中H2、N2、CO的分压接近于零)，具有“气洗”的作用。炉外精炼AOD法生产不锈钢的原理，就是不同的CO分压下碳、铬和温度之间的平衡关系的应用。用氩气和氧气对钢液进行吹炼（工艺过程中不断变换氩/氧的比例），可以降低碳氧反应中CO的分压，在较低温度的条件下，实现“脱碳保铬”。

(3) 真空脱气：钢液真空脱气可分为三类：钢流脱气、钢包脱气、循环脱气。氧、氢、氮是钢液中的主要气体杂质，钢液中气体的溶解度服从平方根定律。真空下碳氧反应为：?C???O??CO?，则?C?%*?O?%?pCO/K?m*pCO，平衡常数K为温度的函数，在1600℃和PCO为1大气压时值为0.0020～0.0025，因此真

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空下碳的脱氧能力很强，可超过脱氧元素硅、锰和铝。反应产物CO是气态而不是呈夹杂物形态，在真空下极易排除。对钢液进行真空处理时，降低精炼容器中氢的分压p，即可达到钢液脱氢的目的。氢的溶解反应平衡常数KH是温度的函数，在1600℃时，KH为0.0027。氢在钢液中溶解平衡常数低，扩散速度快，所以钢液脱氢速度很快，可使钢中氢含量接近平衡值。同理，也可进行脱氮，但氮原子的原子半径大，在钢液中的溶解平衡常数较高，KN为0.040，扩散速度系数低，空气中含氮较高，钢液真空处理后易吸氮。因此钢液真空脱氮效果不佳，脱出率仅为10～25%[4]。

(4)钢液搅拌：搅拌就是向流体系统供应能量，使系统内产生运动。钢液搅拌可借助气体搅拌、电磁搅拌、机械搅拌、重力搅拌。炉外精炼过程中对钢液进行搅拌，可使钢液成分和温度均匀化，净化钢液，并促进冶金反应。多数冶金反应过程是相界面反应，反应物和生成物的扩散速度是反应限制性环节。钢液静止状态下，冶金反应速度很慢，钢液搅拌可促进冶金反应的进行，缩短冶炼周期。

(5)加热：为充分完成精炼作业，增强精炼不同钢种的适应性和灵活性，精确控制浇注温度，要求精炼装置的精炼时间不再受钢液降温的控制，因此考虑采用加热手段。常用的加热手段有电弧加热法和化学热法。

1.3连铸工艺

连铸即为连续铸钢的简称。连铸就是把液态下的钢水用连铸机浇注、冷凝、切割，直接得到铸坯工艺。它是连接炼钢和轧钢的中间环节，是炼钢厂的重要组成部分。连铸生产的正常与否不但影响炼钢生产任务的完成，而且影响轧材的质量和成材率。与传统模铸相比，连铸技术具有大幅提高金属收得率和铸坯质量，节约能源等显著优势。

连续铸钢的具体流程为：钢水不断地通过水冷结晶器，凝成硬壳后从结晶器下方出口连续拉出，经喷水冷却，全部凝固后切成坯料的铸造工艺过程。如果连铸生产薄板坯，那么还可以进入连铸连轧工艺进行进一步的加工。连铸除了铸钢之外，还可以铸造铝、铜制产品。

1.3.1连铸工艺简史

二十世纪五十年代开始，连铸工艺开始在欧美的钢铁厂中应用，这种把液态钢水经连铸机直接铸造成成型钢铁制品的工艺相比于传统的先铸造再轧制的工艺大大缩短了生产时间，提高了工作效率。到了八十年代，连铸工艺作为主导技术逐步完善，并在世界各地主要产钢国得到大幅应用。九十年代初，世界各主要产钢国已经实现了90%以上的连铸比。中国则在改革开放后才真正开始对国外连铸技术的消化和移植，九十年代初中国的连铸比仅为30%[1]。

1.3.2 连铸机械

(1)连铸机：连铸机主要由钢包回转台、中间包、中间包车、结晶器、结晶

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器振动装置、二次冷却装置、拉坯矫直装置、切割装置等部分组成。

中间包是装盛钢水的部位，液态的钢水首先装在钢包中，由天车运至钢包回转台，并把钢水注入中间包中。中间包中的钢水再经由水口进入结晶器。液态金属的温度可以随合金大幅增加严格控制。

(2)结晶器：结晶器是连铸机的核心部件，连铸生产的主体思想是把液态的钢水直接铸造成成型产品，结晶器就是把液态钢水冷却成固态钢坯的部件，它是由一个内部不断通冷却水的金属外壳组成，这个不断输送冷却水的外壳把与之相接触的钢水冷却成固态。另一方面，结晶器的形状还决定了连铸出的钢坯外形，如果结晶器的横截面是长方形，连铸出的钢坯将是板坯；而正方形形状的结晶器横截面拉出的钢坯将是长条形，即方坯。

与结晶器相连的部件是结晶器振动装置，在生产过程中通过不断地振动带动结晶器一同振动，排除液态金属中的气体，帮助凝结成固态外壳的钢坯从下方拉出。

(3)拉坯矫直装置：拉坯装置在连铸机刚开始生产时起拉动第一块钢坯的作用。在液态钢水在结晶器中凝结之后，拉坯装置将钢坯从下方拉出，同时拉开连铸生产的序幕。

在拉出钢坯之后，第一个经过的区域是二次冷却装置，在二次冷却装置中向钢坯喷射冷却水，将钢坯将逐渐从外表冷却到中心，沿着辊道进入拉矫机。

拉矫机的作用是将连铸坯拉直，以便于下一步工序的进行。

拉矫机的后方是切割机。对于生产出不同形状的钢坯，使用的切割机也就不同。连铸薄板坯大多用大型飞剪，而条状坯则多使用与钢坯同步前进的火焰切割机[1][2]。

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