文献综述

第一章 文献综述

1.1氧气转炉炼钢法的诞生

1856年,亨利·贝氏麦(HenryBessemer)发明了贝氏麦转炉炼钢法,就倡议过用氧气取代空气在转炉内炼钢,用以消除贝氏麦转炉法的缺点之一，即钢中具有较高氮、磷含量，因当时还不具备廉价的工业用氧(当时氧气生产成本大约为300美元/t)限制了氧在炼钢生产中的应用。

20世纪30年代末叶，在德国，林德一弗朗克(Linde一Frankl)研制出的低压、大量制氧以后,柏林工业大学钢铁冶金系主任、教授罗伯特·杜勒尔(RobertDur-rer)为了消除上述贝氏麦转炉法的冶金缺点,解决钢质量存在的问题,在实验室进行了纯氧吹炼试验。

1949年12月初,澳钢联内部作出决定,采用林茨开发的LD法扩大炼钢生产能力,第一座LD转炉在1952年11月24日投产。实践证明,这一决定是很正确的,其冶金性能、生产技术指标及经济效益都达到了预期的目标。于是非常有必要继续兴建第二座和第三座LD转炉。

氧气顶吹转炉的问世以来,理所当然地引起世界其他国家的高度重视。两年之后,加拿大多法斯科(Dofaco)公司的哈密尔顿厂(Hamiton)和美国麦克劳斯(Mdouth)的底特律厂都率先开始兴建这种炼钢设备。在80年代末,西方资本主义国家的平炉已基本上被碱性氧气转炉所代替,即取代了长久以来平炉炼钢所占的主导地位。

1952年5月22日,世界上第一座氧气顶吹转炉投产。1953年，奥地利的Donawitz厂也建成了一座顶吹转炉炼钢厂，并投产成功，由此，这种顶吹氧气炼钢法被命名为LD炼钢法。它是世界炼钢技术的一次革命,它对世界钢铁生产在20世纪50年代初开始所产生的飞跃发展起到了决定性作用。LD炼钢法自从一问世就显示出如下优点:

生产效率较高，相当于同等容量平炉的10倍; 基建投资少;

钢水质量较好,有害元素含量低,适合多品种和高规格品种钢的生产; 大幅度节省能源消耗，并可回收煤气; 物料消耗低，生产成本较低，经济效益好。

由于LD炼钢法有诸多的优点，因此，从其诞生开始就迅速在全世界范围应用推广。转炉钢迅速增加，与此同时，平炉炼钢则大幅度减少，而电炉炼钢则由于世界钢材消耗量增加(废钢铁数量增加)及平炉钢产量减少(消耗废钢铁数量减少)而得以平稳发展。材消耗量增加(废钢废铁数量增加)及平炉钢产量减少(消耗废钢废铁数量减少)而得以平稳发展。

氧气底吹转炉炼钢法1967年开始于西德，之后法国、美国和日本相继采用。 我国1973年开始于唐钢(5吨炉)，之后在首钢、马钢等厂相继试验，并取得一些数据和经验。

常用的吹炼工艺方法有:采用气体保护的OBM法，采用气体保护剂带石灰粉喷吹的Q一BOp法和采用液体保护剂的LWS法。前两种比利时和美国采用较多，后一种法国采用的较多。

随着炉容的逐步大型化，氧气顶吹转炉固有的缺点变得更为突出，如钢水搅拌力不足造成的温度，成分的不均匀，钢一渣反应的不平衡性，铁、锰收得率较低，脱磷反应困难等。为了改善顶吹转炉的冶金反应必须增加熔池的搅拌力。氧气底吹转炉炼钢技术的成功，使得转炉顶底复合吹炼成为可能。在此基础上，70年代末期法国钢铁研究院研究成功了转炉顶底复合吹炼新技术，并于1997年在第八届国际氧气顶吹转炉会议上作了介绍，引起了与会者的极大兴趣。之后，卢森堡、英国、美国、日本等国都先后进行了实验室和半工业性试验。1997年日本首先用于工业生产，效果良好，受到世界各国的重视，近2-3年发展迅速。到1981年底西方国家己发展了81座。其中日本和西德各建了2座,法国13座，美国7座,卢森堡4座,比利时、荷兰、加拿大各1座。到了I982年日本增加到60～70座，加上计划改造的，差不多大部分转炉都将用顶底复合吹炼技术，其它国家如美国、加拿大等也有了增加。苏联扎波罗什钢厂的也在改

造中，在原有的平炉浇注跨建了3座200～250吨的顶底复合吹炼转炉。在原来的平炉浇注跨新建了3座200～250吨的顶底复合吹炼转炉。

经过2～3年的发展,顶底复合转炉吹炼技术开始走向成熟阶段。例如,作为这一技术关键的底吹气体用喷嘴和透气砖的寿命大大的提高。在吹炼高磷铁水条件下,透气砖的寿命己提高达1000炉以上,基本上与炉衬寿命相当。在吹炼低碳钢时,喷嘴寿命达1750炉。喷嘴处的平均熔损速度,在1650℃以下出钢时约为0.1毫米/炉,1700℃出钢时为1毫米/炉。一个炉役的复合吹炼适用率高达100%。I982年新日铁八蟠厂三炼钢采用复合吹炼的2号炉,炉衬的寿命达2430炉。 同氧气顶吹法相比较，底吹法的优点是:吹炼过程相对平静，喷溅少，金属收得率提高2~2.5%；残锰量高,铁合金消耗减少，去磷率高(达95%),去硫率高(平均为80%)；吹炼时间大幅缩短，生产率提高了10%左右;可扩大炉子装入量和增加废钢比,可生产极低碳钢（如0.01%的电工钢)，炉气中CO%较高，炉尘含量只有顶吹的1/3～1/5，厂房高度比顶吹车间低了1/3，基建-投资较少。

1.2国内外钢铁产业发展情况

钢铁产业是国民经济的重要支柱产业，涉及面广、产业关联度高、消费拉动大，在经济建设、社会发展、财政税收、国防建设以及稳定就业等方面发挥着重要作用。

近期，我国钢铁行业激烈的兼并重组情况，表明行业的成长性。由于我国钢铁行业的总产业较大，但生产规模较分散，产业集中度低，和发达国家的钢铁行业相比，我国钢铁行业的规模，经济仍有不少差距。正是在这样的情况下，我国钢铁行业的发展处于向集约化，规模化，专业化的发展阶段。{国内外钢铁行业目前现状 熊少楠 沈杨 刘志玲 2014 9 21}

钢铁产业的整合重组存在多种模式,较典型的是按参与重组企业的规模和产业整合，所涉及的经济区域范围可划分为以下三类:

1.低粒度整合重组模式。指低产能、市值的中小型钢铁企业之间的合并,这类整合重组主要通过现、债交易的方式实现资产融合,形成比较松散的合作体系,大多数发生在某国家或地区内部。此种区域内的低粒度重组模式下的产业整合

大多是为了实现企业自身规模的快速扩张以及应对外部竞争，提高企业生存能力。

2.强弱协同整合重组模式。是指大企业重组小企业,一般是具有比较大优势的大型钢铁企业集团对地区或国内实力较低的地方钢铁企业实施兼并重组,极少数情况下也有对国外经营不良钢铁企业的收购。在此类型模式下,大型企业往往能够利用其市场、管理、技术等方面优势,推动形成从原材料的供应、生产专业化分工、研发平台和营销网络共享、人力资源配置以及企业文化整合等较深层次的整合。强弱协同模式的产业整合重组不仅是为了扩大企业的市场份额,更主要的是追求协同效应以降低生产经营成本、增进技术创新能力和融资能力等。 3.强强联合重组模式。是指高产能、市值的大型钢铁企业几者之间发生的并购重组,这类产业整合的范围已不再局限于一国之内,其并购资金的规模动辄数十亿乃至上百亿美元。

50年代末,科学院化冶所和钢研院分别在300kg和1t转炉上进行了顶吹氧气炼钢试验;1962年,首都钢铁试验厂在3t转炉上进行了半工业性试验;1964年和1965年初,两座30t转炉分别在首钢和上钢一厂建成并成功投产。从此,开始了我国氧气转炉炼钢的新篇章, 氧气顶吹转炉钢产量连年上升，1979年达占钢总产量的37.49%，超过平炉钢的比例(占总产量的32.9%);1986年初,达到占钢总产量的54.7%。伴随着氧气顶吹转炉炼钢的快速发展，我国取得了一些生产成绩和技术进步。

氧气顶吹转炉投产初期主要生产普碳沸腾钢,伴随着原材料质量的提高,操作工艺的逐步稳定,终点控制的改进,和部分工厂采用铁水预处理脱硫、成分微调、钢包吹氢，真空脱气等炉外精炼技术后,转炉生产的钢质量逐步提高,品种日益扩大。

1986年,转炉钢的镇静钢比高达54.72%。其中,太原钢铁、武钢、鞍钢的转炉优质钢比高达一半以上。目前，转炉除生产普碳钢外，还主要生产优质碳素钢、低合金钢等，直接拉碳生产弹簧钢以及重轨钢，还能生产少量合金结构钢和合金钢。

近年来,我国新建了一批大、中型转炉及原有小型转炉的扩容改造,使得转炉炼钢厂生产规模均有所扩大,大、中型转炉钢产量大幅度提高。我国重点大型、中型钢铁企业转炉钢产量分布情况的统计表明,全国年产量200万t以上的大中型钢铁企业的产钢量已占到全国钢总产量的82，4%。

大型钢铁(集团)企业(>500万t/a)数量逐年增多,为发展转炉炼钢提供了有利

的条件。全国年产量超过500万t的钢铁企业数由2001年的4家增长至2003年的13家,钢产量由2001年4 326万t增至2003年9 789万t。 我国汽车、造船、集装箱、石化、等行业对优质钢需求日益旺盛,因此需要炼钢供应优质钢水浇铸成优质的合格铸坯以满足轧材品种的需要。近年来，我国转炉开发并成批量冶炼了IF钢,高强度级别的管线钢材，有些超低磷钢种要求[P]< 50*10-6 船用钢，压力容器用钢、及集装箱用钢等高附加值钢种，钢的质量也不断提高。一些主要的高附加值产品在2002年产量增加的基础上，在2003年又有大幅度增长，列如2003年低合金中厚板增幅62%，压力容器板达到65%。

以汽车面板用钢为代表的超深冲IF钢，经开发已经在全国各大型钢铁企业批量生产。在超低碳钢中加入适量的Ti、Nb或Ti和Nb同时加入，以消除钢中的间隙C、N原子，这类钢称为无间隙原子钢(interstitial free steel)，即IF钢。

目前我国生产的IF钢主要有Ti-IF钢和(Ti+Nb)IF钢。在Ti-IF钢中，Ti和S，N优先结合成Ti(N,S)化合物，然后再与C结合成TiC，在(T-i Nb)IF钢中，N和S由Ti固定，而C则由Nb固定生成NbC。IF钢经合理的热轧、冷轧及退火等工艺加工后，对深冲性能有利的再结晶得到充分的发展，因此IF钢具有较高的r值(塑性应变比)，和高的n值(应变硬化指数)及大的延伸率无时效等特性，目前我国的宝钢生产的IF钢的成分已能控制在[C]<01002%、[N]<01002%、[S]<01001%、T[O]<01002%的水平。本钢生产的IF钢的成分控制在[C]<01003%、[N]<01004%、[S]<01005%的水平。我国武钢、鞍钢也已批量生产IF钢。

1.3转炉炼钢的特点

今天，大部分的LD转炉都装备了炉底搅拌系统，复吹转炉也已经占到全球钢生产的相当比例。从1952年到2001年末，总共生产了123亿tLD转炉钢;从1968年以来，底吹转炉钢生产了大约11亿t，其中主要部分采用了K一OBM工艺。目前全球转炉钢生产中LD工艺占到了85.5%,K一OBM(包括OBM)占到了12%。

每种有竞争力的炼钢设备目标都是一样的，经济的生产优质钢，对环境的影响尽可能小。为了满足当前技术要求，现代氧气转炉应该有以下特点: (1)铁水预处理减少渣量;

(2)炉底搅拌或复吹，出钢时渣钢分离彻底以优化冶金效果; (3)使用镁碳砖耐火材材、溅渣护炉和炉壳冷却以延长转炉服役寿命; (4)高效废气净化和灰尘压块以便综合回收利用; (5)综合过程控制(静态和动态控制、副枪或炉气分析); (6)用埋入式风口在线测量钢水温度和成分; (7)自动挡渣和出钢。

新开发的通过底吹风口在线测量钢水温度和成分的系统应具有以下特点: (1)改善工艺控制过程; (2)高废钢比且重现性好;

(3)加强熔池搅拌，改善吹炼行为; (4)溅渣护炉时底吹风口不会有堵塞。

淘汰平炉的过程中得到电炉的有力支持。电弧炉也能够处理原本由平炉处理的废钢，并继续发展为废钢的最佳熔炼手段。在提高了生产率和改善了经济性

之后，现如今电弧炉炼钢是长材生产的主导工艺。从生态和经济角度来说，电弧炉技术将持续发展而且越来越重要。海绵铁或热压块铁以及铁水作为原料加入，使电弧炉可能进人优质扁平材的生产领域。

优质的废钢变得越来越短缺和昂贵，成为选择工艺路线的决定性经济因素。当然，将电弧炉铁水的装料比提高到50%和将转炉的废钢比提高到同一水平的技术正在研究开发中。在主脱碳期从转炉顶部吹人热空气会大大增加能量向熔体的传递。

顶底复合吹炼兼有顶吹转，底吹转炉的冶金特点。通过增加了底部供气,加强了熔池的搅拌力,减少了渣与金属间的不平衡程度;抑制了熔池铁的过氧化;改善了Mn、P在渣与金属间的分配比,提高了钢水中的残Mn量;降低钢水中的P含量;吹炼较平稳,喷溅少;CO的二次燃烧率高(27%),提高热效率。 由于上述冶金过程的改善,取得了明显的经济效果。

1)降低能源消耗,提高金属收得率。钢铁料消耗降低了0.5-1.5,锰铁硅铁消耗降低了1公斤/吨,铝消耗降低3公斤/吨;石灰消耗降低了1-3公斤/吨;矿石消耗降低4公斤/吨:白云石消耗降低9-15公斤/吨;氧气消耗降低8%;金属收得率提高1一1.5%;

2)提高钢质及扩大品种。由于降低了钢中非金属夹杂物和s、P等杂质的含量,钢水温度和成分均匀,终点命中率高从而提高了钢的质量,扩大了转炉钢的品种。用复合吹炼法可直接吹炼高碳、超低碳(成0.007肠C)钢,不锈钢,高牌号电工钢等;

3)提高转炉废钢比。由于CO二次燃烧率的提高(30帕左右),大大提高了熔池 温度,改善了热效率,从而提高了熔化废钢的能力。废钢比可提高到40%(苏联扎波罗什钢厂),采用喷煤粉和废钢预热等措施后,废钢比可达60%(日本)。 综合效果,每吨钢可降低成本1-3美元,投资在2-3年内可收回。

伴随着铁水预处理技术的普及,复合吹炼和铁水预处理相结合,发展了无渣复合吹炼法,其渣量相当于普通吹炼法的1/10,该方法氧的脱C率高,在低碳区几

乎达到100%,氧气单耗大幅降低;Mn的回收率高,在低碳区达70%;Cr不仅回收率高而且可以用铬矿代替Cr-Fe;由于基本不添加造渣剂,钢中〔H〕含量非常低,可以经济地生产低〔H〕钢;终点控制较容易,命中率提高。与平炉向LD转变这样大的变革相比,顶吹向复合吹炼的转变只是很小的一步改进。但是,在复合吹炼的真正价值与铁水预处理相结合发挥出来以后,这个转变的意义完全可以和平炉向LD转变的意义相匹敌。可以预见,各种形式的复合吹炼法,将会越来越广泛地用于现有转炉的改造和新建转炉,这种新工艺可能会成为炼钢方法的主流。 2.提高转炉煤气的回收,实现“零”能和“负”能炼钢

氧气转炉炼钢法是工序能耗最低的炼钢方法。但是为了进一步降低炼钢能耗,国外仍然非常重视转炉煤气的回收和有效利用。

转炉吹炼期间排出的烟气温度高达1260℃左右,含CO约90%,具有很高的显热 和潜热,总和超过25万大卡/吨钢。因此,回收这部分能量是转炉炼钢过程节能潜力的最大的环节。

回收转炉煤气有两种方法,一种是燃烧法,即利用转炉煤气中co燃烧放出显热产生蒸汽的方法,另一种是未燃烧的OG法,即利用转炉煤气中CO潜热的方法。oG法应用得比较普遍,回收率逐年提高。目前国外每吨钢可回收煤气60标米

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左右。日本比较先进,1981年平均每吨钢回84标米相当16.8万大卡的热能。不少转炉的煤气回收量超过平均回收量,每吨钢回收的煤气相当20万大卡的热能。川崎钢铁公司千叶厂的两座230吨氧气底吹转炉,煤气回收率最高。 1982年7月又创造了140.9标米/吨钢的世界纪录。该厂回收率高的原因:1)研究成功了炉底喷吹石灰粉的控制技术;2)把煤气回收罩至炉口的距离从过去的40-50毫米缩短到10-30毫米,减少了漏气。川崎钢铁公司第三炼钢厂1982年6月在顶吹转炉上也创造了138.3标米/吨钢的先进纪录。在日本目前的条件下,转炉炼一吨钢耗能17万大卡。因此不少先进的转炉确实实现了“零能”和“负能”炼钢。实际上,这样的转炉成了煤气发生炉。

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西德杜伊斯堡。莱茵豪森于1980年建成的一座为该市服务的供热站,就是利用克虏伯钢公司两座300吨转炉排放的烟气。建成后该系统的能力为56x10瓦,将来发展到召82X20瓦。

为了进一步提高回收率,近年来回收技术又有了新的发展。

(1)在原有利用潜热的基础上,在烟道上又配置了锅炉,实现了同时回收煤气和 蒸汽。一个年产却口万吨的转炉钢厂(250-300吨大型转炉,3吹2),一年回收转炉煤气的能量约相当16万吨标准煤。

(2)全封闭式排烟法。利用大型封闭门将整个炉子封闭起来,仅在炉口_和烟罩 间留有缝隙可观察到炉口火焰和喷溅情况。采用这种方法可有效地解决由于炉子产生气体波动造成向厂房大量溢烟问题,而且也解决了兑铁水、出钢及排渣时造成的二次烟气。

(3)利用转炉烟气的物理热加热冷却水发电。将通过冷却烟罩后己被加热的冷却水(采用热水密闭循环冷却系统汽化氟里昂带动透平)发电。日本住友金属工业公司鹿岛厂己在250吨转炉上采用,小时发电量为290口千瓦。

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1.4氧气转炉存在的问题及建议

我国氧气转炉炼钢除首钢和上钢一厂为1964年前后投入生产的外,以后多数氧气顶吹转炉是在“十年动乱”时期建成投产的,其中,60%是由侧吹空气转炉改建而成。这就形成了炉子小,装备差,不配套(包括主、副原料,氧气及铸锭设备),缺乏基本的检测计量仪表等问题。1982年及1985年对32个工厂实际调查结果,多数工厂的装备不能满足科学炼钢要求。此外,转炉炼钢生产不讲科学,不重视原料,不重视计量,操作不严细等,是当前存在的主重I可题。上述问题,各厂的情况不尽相同,程度也各有深浅。笔者认为要解决这些问题,当前最主要的任务是要尊重科学和切实抓好的基础工作,而不是盲目地急于采用新技术如计算机控制炼钢,炉后二次精炼等。氧气转炉复合吹炼技术确是当前转炉炼钢技术发展的方向,但它是以氧气顶吹转炉技术为基础的。因此,如果氧气顶吹转炉操作还不稳定,就很难想象采用复吹技术会得到应有的效果。武钢采川复吹技术在国内不

算早,但其复吹效果是国内最明显、最稳定的。原因就在十几年来, 武钢把氧气顶吹转炉的基础工作搞好了。他们十分强调尊重科学,采用复吹技术时,不断完善设备,提高设备的可靠性和仪表测量精度,并不断改进操作工艺。 当前,我国氧气转炉炼钢应抓以下工作。

1.4.1尊重科学,狠抓基础工作

对一个氧气转炉炼钢厂来说,基础工作甚多。就技术工作而言,应首先抓尊重科学和以转炉操作稳定性为中心的基础工作。 l)建立完善而可靠的计量检测系统。 2)坚决贯彻执行精料方针,首先是铁

水成分和温度,石灰成分及生过烧率的相对稳定,在此基础上逐步提高原料质量。

3)以稳定终点控制为中心,稳定转炉操作。（1）炉役过程定量或分阶段定量装料和稳定冶炼强度,(2)稳定造渣工艺稳定过程温度;(3)稳定终点控制。 4)充分重视炉后工作。

5)建立严格的岗位管理制度,包括细致的操作制度和岗位职责。

1.4.2积极采用行之有效的先进技术

在抓好技术基础工作的同时,要结合本厂实际情况,积极采用国内外各工厂行之有效的先进技术,如转炉复合吹炼、挡渣出钢、钢包滑动水口、钢包吹氢及合成渣脱硫、钢包喂丝技术以及炉衬采用镁碳砖、镁自云石碳砖等。

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