轉(zhuǎn)爐冶煉工藝技術(shù)的進(jìn)步

1轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的發(fā)展2003年，中國的鋼產(chǎn)量達(dá)到22萬噸，是世界上首次生產(chǎn)鋼鐵的國家。而煉鋼是鋼鐵生產(chǎn)的主要工序,對降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、擴(kuò)大品種范圍具有決定性影響。轉(zhuǎn)爐是目前國內(nèi)外最主要的煉鋼設(shè)備,世界上約有600座轉(zhuǎn)爐在運(yùn)行,約占全球粗鋼產(chǎn)量的60%。在我國,粗鋼產(chǎn)量的80%以上由轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)。鞍鋼、武鋼等大型鋼廠多采用全轉(zhuǎn)爐冶煉生產(chǎn)。全世界現(xiàn)代轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r參見表1。2頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐按吹煉設(shè)施的布置,轉(zhuǎn)爐大體上分為頂吹轉(zhuǎn)爐、底吹轉(zhuǎn)爐和復(fù)吹轉(zhuǎn)爐三類。1952年奧地利的林茨和多納維茨鋼廠合作發(fā)潘秀蘭,教授級高工,1982年畢業(yè)于鞍山科技大學(xué)煉鋼專業(yè),現(xiàn)工作于鞍鋼集團(tuán)技術(shù)中心科技信息研究所(114009)。明了第一座氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐,1960年世界氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的鋼產(chǎn)量占全球粗鋼產(chǎn)量的比率不到5%。20世紀(jì)70年代該技術(shù)發(fā)展較快,占全球粗鋼產(chǎn)量的比率提高到40%,到20世紀(jì)80年代初提高到60%以上。1968年德國馬克西姆利安鋼廠又成功開發(fā)了氧氣底吹轉(zhuǎn)爐。到20世紀(jì)70年代,底吹轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)能力達(dá)到3000萬t。1977年美國瓊斯—勞夫林公司芝加哥廠建成了2座225t氧氣底吹轉(zhuǎn)爐,接著日本川崎制鐵公司千葉廠也投產(chǎn)了230t底吹轉(zhuǎn)爐,稱為Q-BOP法。20世紀(jì)70年代中期至80年代初期,法國鋼鐵研究院、盧森堡阿爾貝德公司等十幾個國家的煉鋼廠先后開展了頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐實(shí)驗(yàn)研究。1980年3月,日本住友金屬工業(yè)公司鹿島廠250t復(fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐正式投入生產(chǎn)。頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐的種類繁多,以底部吹入氣體的種類劃分,可分為強(qiáng)攪拌型和弱攪拌型,如日本新日鐵大分廠采用的LD-OB法為強(qiáng)攪拌型,底吹氧氣強(qiáng)度為0.15~0.80m3/(t·min);而法國鋼研院和阿爾貝德公司開發(fā)的LBE法為弱攪拌型,該法采用多孔磚底吹N2、Ar,底吹供氣強(qiáng)度為0.07~0.15m3/(t·min)。頂?shù)讖?fù)合吹煉的轉(zhuǎn)爐分類參見表2。如表2所示,復(fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐可分為三類:(1)g、ld-obt,nk-bld-ab這種方法為強(qiáng)攪拌型復(fù)吹法,代表技術(shù)有LBE、LD-KG、LD-OBT和NK-(BLD-AB)等。此技術(shù)底部供氣元件易維護(hù)、壽命長、操作工藝較簡單、適應(yīng)鋼種范圍廣,在世界上廣為采用,中國的復(fù)吹轉(zhuǎn)爐絕大多數(shù)采用該法。(2)綜合上部氧法這一方法屬于強(qiáng)化冶煉型,代表技術(shù)有:BSC-BAP、LD-HC、STB、STB-P和K-BOP等,歐洲和日本采用此法較多。(3)氧氣法：上部氧法、下部氧法和燃料法此法可顯著提高廢鋼比,代表技術(shù)有KMS和KS等,其中KS法在底吹氧的同時噴入煤粉,鋼鐵料可100%采用廢鋼,德國應(yīng)用了該技術(shù)。3日本工藝及技術(shù)特點(diǎn)目前,社會對潔凈鋼的需求不斷增加,迫切需要建立起一種全新的、能大規(guī)模廉價生產(chǎn)純凈鋼的生產(chǎn)體制。同時,單純依賴生產(chǎn)工序的技術(shù)改進(jìn),很難達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效果。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),日本冶煉專家提出了“分階段冶煉”的思想,經(jīng)過近10年的實(shí)踐,日本基本解決了新流程所面臨的技術(shù)問題。采用新工藝后,原轉(zhuǎn)爐的鋼水質(zhì)量和生產(chǎn)效率明顯提高,改變了“三吹二”或“二吹一”的傳統(tǒng)模式,建立起一座轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)體制。見表3。4復(fù)合吹煉對鋼水含氧量、脫碳效率和收率的影響轉(zhuǎn)爐冶金特性取決于供氧方式,與頂吹、底吹轉(zhuǎn)爐相比,復(fù)吹轉(zhuǎn)爐具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)熔池內(nèi)鋼水成分和溫度均勻快。從底部供氣元件吹入氣體,增加了熔池的攪拌能,使熔池內(nèi)鋼水成分和溫度均勻快。(2)改善吹煉操作條件。通過底吹氣體攪拌,使吹煉平穩(wěn)。鋼中含氧量有所降低,渣中FeO減少,噴濺減少,終點(diǎn)命中率高。(3)轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)錳收得率有所提高。由于復(fù)吹轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)鋼水中的氧和渣中的FeO有所降低,所以鋼水的錳收得率有所提高。(4)復(fù)吹煉鋼鋼水含氧量有所降低。復(fù)吹轉(zhuǎn)爐常規(guī)吹煉和少渣煉鋼吹煉終點(diǎn)C含量和H含量的關(guān)系如圖1所示?？梢?采用復(fù)合吹煉時,鋼水中氧含量有所降低。(5)脫碳效率有所提高。由于底吹氣體的強(qiáng)攪拌,使鋼水中C含量和O含量反應(yīng)接近在平衡狀態(tài)下進(jìn)行,使脫碳效率有所提高,有利于生產(chǎn)低碳鋼。(6)與頂吹轉(zhuǎn)爐相比,噸鋼生產(chǎn)成本降低約6元。(7)復(fù)吹法對原料的適應(yīng)性強(qiáng),與底吹轉(zhuǎn)爐相比,冶煉中、高碳鋼能力強(qiáng);與頂吹轉(zhuǎn)爐相比,冶煉低碳鋼能力強(qiáng)。5國內(nèi)外復(fù)合吹脫液技術(shù)的最新技術(shù)5.1國外先進(jìn)造船廠的復(fù)合吹脫法(1)tbm法復(fù)合吹煉早在20世紀(jì)70年代末期,蒂森公司通過一系列的研究試驗(yàn),確立了TBM法復(fù)合吹煉技術(shù)。該法是從轉(zhuǎn)爐底部向熔池吹入N2、Ar。多年來,蒂森公司的布魯克豪森廠2座380t轉(zhuǎn)爐、貝克爾韋特廠3座260t轉(zhuǎn)爐和盧森堡阿爾貝德馬里蒂姆廠2座300t轉(zhuǎn)爐均采用TBM法復(fù)合吹煉,并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益,生產(chǎn)成本亦有所降低。采用TBM法復(fù)合吹煉,鋼水收得率提高、造渣劑加入量減少、合金回收率高、氧槍及爐襯壽命延長,使鋼的生產(chǎn)成本降低約5馬克/t鋼。此外,TBM法曾出售給印度一家鋼廠,在生產(chǎn)實(shí)踐中也取得了良好的脫磷效果。2001年我國梅山冶金公司150t轉(zhuǎn)爐引進(jìn)了TBM技術(shù),運(yùn)行結(jié)果表明,TBM法具有良好的脫磷能力。(2)超聲煤調(diào)濕的制作伏林根廠3座150t轉(zhuǎn)爐采用LBE法復(fù)合吹煉。生產(chǎn)實(shí)踐證明,LBE法復(fù)吹技術(shù)透氣元件壽命長,可大幅度調(diào)節(jié)吹氣量;操作簡便;流經(jīng)爐底布置的12個透氣磚的氣流可以保持恒定,透氣磚沿爐底呈圓周布置;攪拌氣體的輸入管線可從轉(zhuǎn)爐耳軸經(jīng)球型接頭引入轉(zhuǎn)爐爐底;利用聲波對爐內(nèi)成渣過程進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。采用LBE法復(fù)合吹煉取得了下列效果:①爐渣中FeO含量降低約2.5%;②金屬收得率提高約0.5%;③石灰耗量約減少5kg/t鋼;④不經(jīng)脫氣處理的鋼中碳含量可達(dá)0.02%;⑤轉(zhuǎn)爐出鋼成分、溫度均勻。由于LBE法復(fù)吹具有諸多優(yōu)點(diǎn),被歐洲一些鋼廠及新日鐵室蘭廠廣泛采用。(3)新日鐵的ld-ob轉(zhuǎn)爐早在1979年末,新日鐵公司大分廠340t轉(zhuǎn)爐、八幡一煉鋼150t轉(zhuǎn)爐、八幡三煉鋼320t轉(zhuǎn)爐以及名古屋廠均相繼把原有頂吹轉(zhuǎn)爐改造成了LD-OB復(fù)吹轉(zhuǎn)爐。此外,新日鐵還開發(fā)了LD-AB復(fù)吹技術(shù),從轉(zhuǎn)爐底部吹入惰性氣體,如君津二煉鋼300t轉(zhuǎn)爐、君津一煉鋼220t轉(zhuǎn)爐。1990年新日鐵向?qū)氫撦敵隽薒D-AB技術(shù)。日本新日鐵采用預(yù)脫磷硫-BOF-精煉-CC工藝生產(chǎn)海洋結(jié)構(gòu)用高級管線鋼,達(dá)到碳(0.001%)、全氧(0.0025%)、氮(0.0015%)、磷(0.0025%)、硫(0.0003%)和氫(0.0001%)之和為0.0069%。(4)轉(zhuǎn)爐底可更換空氣住友金屬發(fā)明了STB復(fù)合吹煉技術(shù),從轉(zhuǎn)爐底部吹入N2、Ar、CO2、O2四種混合氣體,其中O2約占15%。底部噴嘴采用雙層套管式,爐底安裝了4支噴嘴,轉(zhuǎn)爐采用活爐底,可進(jìn)行更換,爐底采用Mg-C質(zhì)磚,最初爐底壽命僅為700~1000次。最近已將透氣元件改為透氣磚,透氣磚為Mg-C磚,每塊透氣磚內(nèi)鑲嵌56~60根耐熱不銹鋼管,不銹鋼管直徑為2mm。STB法復(fù)吹轉(zhuǎn)爐由于從底部噴入部分CO2,因此,應(yīng)增設(shè)CO2的制備系統(tǒng)。一般從轉(zhuǎn)爐廢氣中回收CO2,要求CO2純度>99.25%,水分≤0.0002%。由于采用STB復(fù)合吹煉技術(shù),擴(kuò)大了轉(zhuǎn)爐冶煉超低碳鋼種的范圍,同時獲得了良好的操作指標(biāo)。(5)底吹概念及其制備川崎制鐵公司開發(fā)出兩種不同類型的頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐,即K-BOP和LD-KGC。K-BOP在底吹噴嘴噴入石灰的同時,還吹入一部分氧氣;LD-KGC則在底吹噴嘴噴吹惰性氣體的同時,用頂槍吹氧。LD-KGC通過提高底吹惰性氣體流量來增加熔池的攪拌力;K-BOP法在精煉末期,混合底吹惰性氣體與氧氣來增加熔池攪拌。生產(chǎn)中,LD-KGC法使用CO氣體;K-BOP法使用CO2氣體。(6)低碳鐵合金鑄件日本鋼管公司開發(fā)了NK-CB復(fù)吹技術(shù),并先后在福山一煉鋼廠180t轉(zhuǎn)爐和福山二煉鋼廠250t轉(zhuǎn)爐上采用。從轉(zhuǎn)爐底部噴吹CO2氣體,冶煉極低碳鋼時吹入N2和Ar,底部噴入氣體量≤0.1m3/(t·min),采用單管噴嘴,爐底設(shè)4支噴嘴。采用NK-CB復(fù)吹技術(shù)冶煉低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼時,金屬收得率可提高0.6%,鐵合金消耗有所降低,其中鋁降低0.35kg/t鋼,Fe-Mn降低1.2kg/t鋼;石灰消耗降低3kg/t鋼,轉(zhuǎn)爐吹煉時間可縮短1min。(7)鐵水脫磷工藝目前,單用轉(zhuǎn)爐工藝磷含量可達(dá)到0.004%~0.01%。其高低取決于鐵水的硅和磷含量。根據(jù)渣量來確定鐵水硅含量,在脫磷期間形成的P2O5是一定的。在日本,鐵水脫磷后再進(jìn)行少渣吹煉比較普及。采用轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法脫磷,鋼水含磷可達(dá)0.004%。然而,在這種情況下必須注意的是,鐵水脫磷必須先脫硅,轉(zhuǎn)爐冶煉超低硅鐵水,具有少渣操作的優(yōu)越性。另一方面,這一工藝廢鋼比低。采用雙聯(lián)法,第一座轉(zhuǎn)爐的爐渣扒掉,第二座轉(zhuǎn)爐出鋼后爐渣返回到第一座轉(zhuǎn)爐,用于下一爐次鐵水脫磷,使轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)磷含量達(dá)0.003%。如果出鋼時帶少量渣,渣中P2O5還原可使鋼水回磷。此外,添加含磷合金元素和錳鐵,也能引起磷含量增加,最終產(chǎn)品的磷含量比轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)的磷含量高出0.001%左右。由此表明,選擇合適的工藝步驟,可得到磷含量為0.003%~0.004%的鋼。轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)工藝原理參見圖2。5.2爐法技術(shù)的發(fā)展我國1964年第一座30t轉(zhuǎn)爐在首鋼建成投產(chǎn)至今,轉(zhuǎn)爐技術(shù)發(fā)展迅速,已成為我國最主要的煉鋼方法。目前轉(zhuǎn)爐鋼產(chǎn)量已占我國鋼產(chǎn)量的80%以上,超過1.6億t,武鋼、鞍鋼等大型鋼鐵廠鋼產(chǎn)量的100%采用轉(zhuǎn)爐工藝生產(chǎn)。(1)為面臨磷預(yù)處理的配套措施鐵水質(zhì)量的好壞直接影響轉(zhuǎn)爐煉鋼的產(chǎn)量和質(zhì)量。國外先進(jìn)鋼鐵廠一般均采用全量鐵水預(yù)處理,日本絕大多數(shù)鋼廠采用鐵水全量“三脫”(脫Si、P、S),歐美鋼廠以預(yù)脫硫?yàn)橹?。近幾?由于潔凈鋼的需求日益增加,我國鐵水預(yù)處理迅速推廣,不少鋼廠已達(dá)到國際先進(jìn)水平。如寶鋼二煉鋼廠250t轉(zhuǎn)爐已實(shí)現(xiàn)100%鐵水預(yù)處理,其中35%進(jìn)行預(yù)脫磷處理,處理后鐵水含硫量低于0.003%,含磷量低于0.0025%。武鋼二煉鋼廠的KR法在粉劑消耗、攪拌頭壽命、處理溫降和生產(chǎn)成本等方面的指標(biāo)已優(yōu)于德國蒂森鋼廠。我國典型鐵水脫硫預(yù)處理工藝方法及冶金效果參見表4。從表4可見,我國鐵水預(yù)處理以預(yù)脫硫?yàn)橹?。處理方法多為機(jī)械攪拌法和噴吹法。采用CaO基脫硫劑比一般噴吹法具有脫硫效率高、處理后硫含量低、處理時間短等優(yōu)勢。但與鎂基脫硫劑噴吹法比較,KR法溫降大,鐵損高。比較混合噴吹、復(fù)合噴吹和純鎂噴吹三種鎂基脫硫劑工藝,純鎂噴吹法脫硫效率高,處理后鋼水含硫最低可達(dá)0.0003%,工藝簡單、渣量少、溫降和鐵損小,設(shè)備投資少、生產(chǎn)成本低。如武鋼二煉鋼廠KR法脫硫成本為20元/t鋼,武鋼一煉鋼廠純鎂噴吹法的處理成本僅為14.96元/t鋼。(2)復(fù)吹轉(zhuǎn)爐技術(shù)特點(diǎn)我國轉(zhuǎn)爐通過應(yīng)用濺渣護(hù)爐技術(shù),爐齡已達(dá)到國際先進(jìn)水平。2004年,全國轉(zhuǎn)爐平均爐齡4674爐。我國自主開發(fā)的長壽復(fù)吹轉(zhuǎn)爐工藝技術(shù)成功地解決了底吹噴嘴與爐齡不同步的技術(shù)難題。2004年2月武鋼再次創(chuàng)造了30368次我國最高轉(zhuǎn)爐爐齡紀(jì)錄,復(fù)吹比達(dá)100%,全程底部供氣元件不更換。國內(nèi)鋼廠轉(zhuǎn)爐長壽復(fù)吹工藝情況參見表5。寶鋼在300t轉(zhuǎn)爐上開展了少渣煉鋼工業(yè)性試驗(yàn)。通過工業(yè)試驗(yàn),掌握了少渣吹煉的工藝特點(diǎn)和規(guī)律,寶鋼轉(zhuǎn)爐少渣吹煉生石灰單耗達(dá)到11.3kg/t,輕燒白云石單耗達(dá)到6.3kg/t,轉(zhuǎn)爐渣量僅為常規(guī)渣量的三分之一。通過少渣吹煉,在吹煉終點(diǎn)碳含量大于0.10%的情況下,錳的收得率在50%以上。本鋼150t轉(zhuǎn)爐是原120t轉(zhuǎn)爐擴(kuò)容改造的,爐容比僅為0.62,采用長壽復(fù)吹工藝后,供氧強(qiáng)度從2.3m3/(t·min)提高到3.7m3/(t·min),冶煉周期從50min縮短到30min,年鋼產(chǎn)量提高100萬t,經(jīng)濟(jì)效益顯著。太鋼第二煉鋼廠1號轉(zhuǎn)爐是由奧鋼聯(lián)引進(jìn)的復(fù)吹轉(zhuǎn)爐,生產(chǎn)不銹鋼,而2號、3號轉(zhuǎn)爐原為傳統(tǒng)的80t頂吹轉(zhuǎn)爐,生產(chǎn)碳鋼。為了擴(kuò)大品種,提高產(chǎn)品質(zhì)量,太鋼與鋼鐵研究總院合作,在2004年4月將2座頂吹轉(zhuǎn)爐改造為復(fù)吹轉(zhuǎn)爐。改造后:①渣中鐵含量降低2.0%~3.0%;②金屬收得率提高0.5%~1.5%;③石灰消耗減少了3~5kg/t;④終點(diǎn)碳含量可達(dá)0.02%以下;⑤終點(diǎn)殘錳提高約0.02%~0.06%;⑥鋼水磷含量降低約0.002%;⑦鋼水中氧含量明顯降低,有利于生產(chǎn)純凈鋼;⑧減少和消除了噴濺,可適當(dāng)增加裝入量;⑨降低供氧,氧耗約5%,并縮短了冶煉周期。此外,解決了爐齡與底部供氣元件不同步的問題。(3)能力提高,爐襯磚消耗增加轉(zhuǎn)爐煤氣和蒸汽回收,鋼渣二次利用,以及采用雙預(yù)熱鋼包蓄熱式烘烤器等,使煉鋼能耗明顯降低。繼寶鋼300t轉(zhuǎn)爐后,武鋼三煉鋼250t轉(zhuǎn)爐和寶鋼二煉鋼250t轉(zhuǎn)爐相繼實(shí)現(xiàn)了負(fù)能煉鋼。2001年武鋼三煉鋼轉(zhuǎn)爐工序能耗降低到-6.37kg/t,轉(zhuǎn)爐煙氣熱量回收率為91.2%,噸鋼煤氣回收量為112.33m3,噸鋼蒸汽回收量為108kg,爐襯磚消耗從1.36kg/t降至0.21kg/t,使全爐役耐火材料消耗保持在0.7kg/t左右。此外,武鋼250t轉(zhuǎn)爐通過實(shí)施計(jì)算機(jī)煉鋼技術(shù),終渣全鐵含量明顯降低,吹煉氧氣消耗量由56.69m3/t降低到50.89m3/t。(4)低硫含量產(chǎn)品隨著用戶對潔凈鋼需求的增加,國內(nèi)大多數(shù)鋼廠配置了爐外精煉設(shè)備,掌握了CAS、LF、VD、RH等精煉工藝,并根據(jù)不同鋼種,采用了各種系統(tǒng)完整的生產(chǎn)工藝。寶鋼采用“鐵水三脫-復(fù)吹轉(zhuǎn)爐-LF-RH-CC”工藝生產(chǎn)管線鋼,保證鋼水含硫在0.001%以下,最低可達(dá)0.0005%。武鋼采用“鐵水預(yù)處理-復(fù)吹轉(zhuǎn)爐-LF-RH-CC”工藝生產(chǎn)X70管線鋼,解決了同時獲得超低硫低磷效果的難題,使X70管線鋼成品硫含量最低達(dá)0.00034%,而磷含量也僅為0.007%。參見表6?？傊?從國內(nèi)大型復(fù)吹轉(zhuǎn)爐的綜合指標(biāo)來看,武鋼三煉鋼的250t轉(zhuǎn)爐和寶鋼二煉鋼的250t轉(zhuǎn)爐運(yùn)行效果最佳,處于世界先進(jìn)水平。6提高復(fù)吹工藝技術(shù)對比國內(nèi)外先進(jìn)鋼鐵廠轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)現(xiàn)狀、設(shè)備條件和對產(chǎn)品未來需求的市場預(yù)測,相關(guān)鋼