氧氣底吹轉(zhuǎn)爐煉鋼

通過轉(zhuǎn)爐底部的氧氣噴嘴，把氧氣吹入爐內(nèi)熔池進行煉鋼的方法。簡史??氧氣底吹轉(zhuǎn)爐始于改造托馬斯轉(zhuǎn)爐(見托馬斯法)。西歐富有高磷鐵礦資源，用它煉出的生鐵含磷高達1.6%?2.0%。以這種高磷鐵水為原料的傳統(tǒng)煉鋼方法即托馬斯法，也即堿性空氣底吹轉(zhuǎn)爐法，其副產(chǎn)品鋼渣可作磷肥。對于高磷鐵水，托馬斯法過去一直是綜合技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)較好的一種煉鋼方法。直至20世紀60年代，西歐還存在年產(chǎn)能力約1000萬t鋼的托馬斯?fàn)t。但作為煉鋼氧化劑的空氣，其中氧氣僅占1/5,其余4/5的氮氣不僅吸收大量熱量，并使鋼中氮含量增加，引起低碳鋼的脆性。為此人們一直試圖用純氧代替空氣，以改進鋼的質(zhì)量和提高熱效率。但采用氧氣后，化學(xué)反應(yīng)區(qū)的溫度很高，底吹所用氧氣噴嘴很快被燒壞。1965年加拿大空氣液化公司為了抑制氧氣煉鋼產(chǎn)生的大量污染環(huán)境的褐色煙塵，試驗在氧槍外層通氣態(tài)或液態(tài)冷卻劑，取得了預(yù)期效果，并同時解決了氧槍燒損快的問題。1967年聯(lián)邦德國馬克西米利安冶金廠(Maximilianshttte)引進了這項技術(shù)，以丙烷為氧噴嘴冷卻劑，用于改造容量為24t的托馬斯?fàn)t，首先試驗成功氧氣底吹轉(zhuǎn)爐煉鋼，取名OBM法。1970年法國文代爾一西代爾公司(Wendel—Sidelor??Co.)的隆巴(Rombas)廠以燃料油為氧噴嘴冷卻劑，也成功地將241托馬斯?fàn)t改造成氧氣底吹轉(zhuǎn)爐，稱為LWS法。隨后用氧氣底吹氧槍改造的托馬斯?fàn)t在西歐得到迅速推廣,爐容量大多為25?70t,用于高磷鐵水煉鋼，脫磷仍在后吹期完成，副產(chǎn)品鋼渣作磷肥。1971年美國鋼鐵公司(U.S.Steel?Corp.)引進COBM法，為了解決經(jīng)濟有效地吹煉低磷生鐵和設(shè)備大型化問題，在該公司煉鋼實驗室的30t試驗爐上作了系列的中間試驗，增加了底部吹氧同時噴吹石灰粉的系統(tǒng)，吹煉低磷普通鐵水可在脫碳同時完成脫磷，稱為Q—B0P法。隨后，在菲爾菲德(Fairfield)廠和蓋里(Gary)廠分別建設(shè)了兩座2001Q—B0P爐和3座2351Q—B0P爐。前者取代原有平爐，后者取代正在建設(shè)的氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐。從而實現(xiàn)了氧氣底吹轉(zhuǎn)爐的大型化，并擴大了應(yīng)用范圍。到20世紀70年代末氧氣底吹轉(zhuǎn)爐年產(chǎn)鋼能力總計約3500萬1。在中國，1973年鋼鐵研究總院在300kg氧氣底吹試驗轉(zhuǎn)爐上進行了底吹氧氣和石灰粉的煉鋼試驗。隨后，該院與北京鋼鐵設(shè)計研究總院及有關(guān)單位合作，在唐山鋼廠、首都鋼鐵公司、濟南第二鋼廠及馬鞍山鋼鐵公司先后完成了51氧氣底吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的工業(yè)性試驗。同時還進行了鐵水提鈮、提釩的試驗。后由于頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐的出現(xiàn)和發(fā)展而停止。工藝特點??氧氣底吹轉(zhuǎn)爐所用爐襯耐火材料、原材料及基本工藝和氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐相同或相似。主要金屬爐料是鐵水和約10%?25%的廢鋼。供氧壓力約為0.6?1.0MPa(6?10atm)。每爐吹煉時間(吹氧時間)一般為15?20min。每爐冶煉周期(本爐出鋼到下爐出鋼時間)一般為30?40min。氧耗量為50?60m3/1。主要工藝特點是從轉(zhuǎn)爐底部供氧。(見圖1)裝有氧噴嘴的轉(zhuǎn)爐爐底可以拆卸、更換。氧噴嘴由同心的雙層套管組成。內(nèi)層為銅管或不銹鋼無縫管，外層用碳素鋼無縫管。內(nèi)層通氧氣，并可同時噴吹石灰粉。兩層套管之間的間隙通冷卻劑。冷卻劑通常為氣態(tài)或液態(tài)的碳氫化合物，如天然氣、丙烷或燃料油等。依靠碳氫化合物裂解吸熱，并在氧流周圍形成保護氣膜，以及高速氣流帶走熱量，以降低氧噴嘴及其附近反應(yīng)區(qū)的溫度，達到保護氧氣噴嘴、減緩燒損的目的。為了使熔池攪拌均勻，反應(yīng)界面大，吹煉平穩(wěn)，并避免氧噴嘴個數(shù)少、直徑過大、氧流比較集中而導(dǎo)致氧氣穿透熔池，因此采用多支氧噴嘴，分散供氧。每支氧噴嘴的內(nèi)徑尺寸不超過熔池深度的1/35。這個數(shù)據(jù)適用于吹氧壓力約為0.5?1MPa的中、小型轉(zhuǎn)爐。例如：容量為301的轉(zhuǎn)爐，熔池平均深度為700mm，據(jù)此每支氧噴嘴最大內(nèi)徑為20mm；氧氣壓力為0.8MPa；氧氣含石灰粉為1?2kg/m3，則氧氣流量約為130m3/h?cm2；耗氧量為60m3/1；吹煉時間最多為20min。因此可以算出：需要供氧流量為5400m3/h，所需氧噴嘴內(nèi)管總橫截面約為42cm2，所需氧噴嘴數(shù)為14個。大型氧氣底吹轉(zhuǎn)爐的氧噴嘴直徑與熔池深度之比可以大于上述數(shù)據(jù)，一般不超過熔池深度的1/15。例如200?2401氧氣底吹轉(zhuǎn)爐所用氧噴嘴數(shù)可采用10?16個。氧噴嘴之間以及氧噴嘴與爐壁之間要有適當(dāng)間距，使熔池攪拌均勻和反應(yīng)平穩(wěn)，并減輕對爐襯耐火材料的侵蝕。氧噴嘴的布置偏于爐底平面的后部半圓內(nèi)，以便在倒?fàn)t取樣和出鋼時，氧噴嘴能露出渣液面，避免鋼渣噴濺。由于氧氣底吹轉(zhuǎn)爐吹煉比較平穩(wěn)，噴濺少，故其爐體比氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐矮胖，爐體的高寬比（H/D）約為1?1.1。爐容比約為0.8?1.0m3/t。氧氣底吹轉(zhuǎn)爐車間立面布置示意圖見圖2。其廠房高度比氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的低（因為沒有頂吹氧槍），可節(jié)約廠房建設(shè)的費用。此點尤其利于利用原有平爐廠房，將平爐改建成氧氣底吹轉(zhuǎn)爐，可節(jié)約改建的投資由于氧氣底吹轉(zhuǎn)爐在煉鋼時，氧氣是從爐底多個氧噴嘴分散地直接吹進熔池，所以攪拌條件好，氧氣流和液態(tài)金屬的接觸面積大，化學(xué)反應(yīng)迅速而均勻。碳與氧接近平衡狀態(tài)，也就是說，與氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐相比，熔池含氧量較低且分布較均勻，所以吹煉平穩(wěn)，噴濺少。由于熔池中鐵元素比其他元素多得多，所以氧氣無論由頂部吹入或由底部吹入，氧原子與鐵原子碰撞的概率最大，且反應(yīng)的吉布斯能變量為負值，所以氧化鐵首先形成。但在底吹氧條件下，不穩(wěn)定的氧化鐵在上浮過程中，被熔池中與氧的親和力強于鐵的元素（如硅、錳、碳等元素）所還原。所以底吹氧氣轉(zhuǎn)爐的渣中氧化鐵含量較低，見圖3。并且由于氧噴嘴冷卻劑降低了高溫反應(yīng)區(qū)的溫度，鐵的蒸發(fā)損失少，而已蒸發(fā)的鐵經(jīng)過熔池的過濾作用又使這種損失進一步減少。因此，其煙塵量約為氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的1/3。由于上述原因，氧氣底吹轉(zhuǎn)爐的金屬收得率比氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐高2％左右。美國鋼鐵公司蓋里廠曾將兩者鐵平衡進行對比（見表1）氧氣底吹轉(zhuǎn)爐的氧耗量及石灰消耗量也較低。吹煉終點鋼液的余錳較高、氧含量低，所以還可節(jié)省錳鐵等脫氧劑的消耗量。特別是噴吹石灰粉，由于顆粒細，比表面積大，增加了反應(yīng)界面，成渣快，脫磷、脫硫的效率高。由于氧氣底吹轉(zhuǎn)爐鋼中氧含量低（見圖4），而且低碳時可以依靠底吹氣流的強攪拌作用，特別適合生產(chǎn)低碳鋼和超低碳鋼，且質(zhì)量較好。同時，由于底部供氧，鐵水中所含各種元素被氧化形成的氧化物，在由熔池底部上浮過程中，在一定的溫度條件下，不穩(wěn)定的氧化物大部分會被熔池中與氧親和力較強的元素所還原。因而能夠較好的實現(xiàn)選擇氧化。所以用氧氣底吹轉(zhuǎn)爐進行鐵水預(yù)處理，通過控制溫度等條件，從鐵水中提取所需的共生元素，可以取得比較好的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。例如從含釩鐵水中進行提釩試驗；中國還曾用于從含鈮鐵水中提鈮試驗。結(jié)果表明，可以獲得含氧化鐵及其他雜質(zhì)較低的優(yōu)質(zhì)富釩渣或富鈮渣（這種渣可進一步制取釩鐵、鈮鐵或其純金屬。提釩或提鈮后的半鋼可進一步煉鋼）。并且釩、鈮和鐵的收得率也較高。中國某些單位進行的從含鈮、磷鐵水中提鈮試驗結(jié)果見表2。由所列數(shù)據(jù)可見，氧氣底吹轉(zhuǎn)爐所得的富鈮渣含.Nb205最高，含P205和FeO最低，渣中（Nb）/（P）比最高。而且熔池深度愈深，這種效果愈加明顯。富鈮渣中含Nb量與提鈮后半鋼中殘留鈮含量之比（Nb）/[Nb]均最高，表示鈮的收得率高；渣中含F(xiàn)eO低，表示鐵的損失少。問題和發(fā)展前景氧氣底吹轉(zhuǎn)爐的主要缺點是：由于高溫區(qū)在轉(zhuǎn)爐底部，爐底壽命低于爐身和爐帽。由于采用了碳氫化合物作氧槍冷卻劑，既增加了設(shè)備的復(fù)雜性，且碳氫化合物高溫裂解產(chǎn)生氫氣，使熔池含氫量較高。冶煉高質(zhì)量鋼時需要在吹煉末期噴吹惰性氣體進行脫氫處理。由于冷卻劑的吸熱以及爐氣中含CO較高，也就是碳的燃燒不完全，廢鋼加入量稍低于氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐為了增加氧氣底吹轉(zhuǎn)爐的廢鋼加入量，OBM法的發(fā)明者馬克西米利安冶金廠曾試驗在OBM轉(zhuǎn)爐的熔池以上增設(shè)氧槍，使?fàn)t氣中的CO二次燃燒，充分利用這部分新增熱能，以增加廢鋼加入量。后來又在OBM轉(zhuǎn)爐上底吹煤粉，開發(fā)了KMS法和KS法，進一步增加廢鋼加入量，并且后者可全部采用廢鋼。氧氣底吹轉(zhuǎn)爐的這一發(fā)展，更有利于它取代平爐，而且對于各種氧氣轉(zhuǎn)爐應(yīng)用外加熱源以便多吃廢鋼和生鐵等冷料有普遍意義。氧氣底吹轉(zhuǎn)爐和氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐相比，各有優(yōu)缺點，前者攪拌條件好，后者成渣快。因此人們設(shè)想把兩者優(yōu)點結(jié)合起來。這就是20世紀70年代中期開始發(fā)展起來的頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼成為氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼一項重要發(fā)展。由