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转炉炼钢文献综述
内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
摘要
根据炼钢厂设计要求及设计任务书的要求，本设计阐述了230万吨合格铸坯的转炉车间的设计工艺，并且介绍了近年来国内外转炉炼钢的现状和发展。本设计主要对转炉炼钢生产的生产规模、产品方案、工艺流程、车间组成和车间布置进行设计，并对120吨转炉炉型、原料供应系统进行了详细计算。对厂房各跨宽度，长度进行了估算。此外，对转炉车间的一些主要的附属设备进行了选择并对其技术性能进行讲解。
随着现代炼钢技术的发展，新建转炉炼钢车间要求炼钢过程洁净、高效、负能耗、设备可靠等等。设计中为实现上述目标，借鉴了国内外大中型转炉炼钢厂的一系列先进且成熟的技术，同时参阅了大量的文献资料。设计的炼钢车间理论上能够生产绝大多数钢种，但是结合实际考虑经济效益，主要生产重轨钢和一部分高附加值的碳素结构钢及合金结构钢等，以满足230万吨合格铸坯全连铸炼钢厂的匹配。
关键词：转炉炼钢 重轨钢 冶炼 II
文献综述
1.1 引言
21世纪钢铁工业的发展面临着机遇和挑战。根据市场预测:至2010年发达国家钢材消费年均增长量为0.7%；而发展中国家将达到3.8%；太平洋地区的增长为4.57%。世界钢材市场消费量的缓慢增长,为钢铁工业发展,特别是太平洋地区发展中国钢铁工业发展提供了良好的机遇。世纪国际钢铁工业发展面临的严峻挑战, 主要来自三个方面:（1）钢铁生产能力过剩,残酷的市场竞争将使一些落后的钢铁厂倒闭；
（2）环境保护对钢铁工业发展产生巨大压力,一些污染严重的落后工艺将被强制淘汰；（3）世界钢材价格呈下降趋势。
进入21 世纪, 面对机遇和挑战,钢铁企业必须努力发展高效生产工艺,降低生产成本,提高产品质量和减轻对环境的污染,才可能立于不败之地。
[1]1.2 我国转炉炼钢的发展及现状
1.2.1 我国钢产量
作为转炉炼钢主要炉料的生铁逐年增长, 为转炉炼钢钢产量的大幅度增长提供了良好而充裕的原料条件, 与世界各主要产钢国家相比, 我国铁钢比较高, 近年来我国生铁产量及铁钢比如表1.1所示。
表1.1 我国生铁产量及铁钢比
项目
2000 生铁产量/万t 钢产量/万t 铁/钢比 13103.42 12850 1.02
2001 15554.25 15103 1.028
2002 16908 18225 0.928
2003 20231.19 22234 0.91
年度
由于我国废钢资源短缺(仅2001年进口废钢量已达978.693万t),电力缺乏,电价偏高, 致使电炉钢产量的增长受到一定程度的制约；平炉被淘汰,生铁资源的充裕,给转炉钢产量的增长提供了良好条件,因此转炉钢产量近年来获得了快速增长。1.2.2 国内转炉钢厂的技术经济指标情况
据统计，2013年上半年全国重点钢铁企业的吨钢综合能耗和各工序能耗比2012年同期均有所下降，一些钢铁企业的部分指标已达到或接近国际先进水平。转炉炼钢工序基本实现负能炼钢，能耗-6.38kg/t，比2012年同期降低1.96kg/t[3]。
2013上半年国内重点统计钢铁企业节能指标统计情况见表1.2。
表1.2 2013年l-6份国内重点钢铁企业节能指标统计数据
指标
综合能耗/（kg·t）电耗/（kwh·t）水耗/（m3·t）烧结/（kg·t）球团/（kg·t）焦化/（kg·t）高炉/（kg·t）
-1-1-1-1-1-1-
1[2]
2013年上半年 594.29 465.84 3.48 49.77 28.69 100.37 399.96
与2012年同期相比-9.42-1.54-0.23-0.77-0.02-5.97-2.17
转炉炼钢/（kg·t）电炉炼钢/（kg·t）轧钢/（kg·t）-1-1-1
-6.83 63.24 59.55
-1.96-4.41-1.45 1.2.3我国转炉炼钢的不足和改进思路
（1）炉容偏小，截止2006 年，我国重点大中型钢铁企业中公称容量100t 以下的转炉多达266座，占总转炉数的70.74%，而发达国家，特别是欧洲和日本的炼钢转炉公称容量一般都大于150t，最大的为400t。可见，我国炼钢转炉大型化还存在很大空间，必须严格执行产业政策，淘汰落后产能，严把准入门槛，进一步提高大型转炉的比例。
（2）石灰消耗高，质量差，我国转炉生产消耗石灰40～80kg/t，波动较大，仅少数先进转炉厂达到国外同等水平，有相当数量转炉的石灰消耗都在65kg/t以上，除去工艺流程、技术装备的因素外，石灰质量差是一个重要原因。有效氧化钙和活性度低，S和P含量高，生烧或过烧严重，不仅增加石灰消耗，而且恶化了操作，如渣量大、铁损高、化渣难、易喷溅等。
（3）铁水预处理和二次精炼比低，近年来，我国铁水预处理和二次精炼技术发展很快，许多钢厂都建设了相关设备，大部分预处理和炉外精炼设备，甚至包括RH在内的真空处理设备均可实现高度国产化。但是在实际生产中，国内钢厂的铁水预处理和炉外精炼比例较低，均约30％，仅宝钢、武钢、攀钢、鞍钢等少数企业铁水预处理比例超过80％，钢水精炼比例超过60％。铁水“三脱”和钢水真空精炼比例更低，各厂差异较大。而日本绝大多数钢厂采用铁水“三脱”，炉外精炼比例超过90%，2006 年真空精炼74.7％。中国钢铁工业协会、金属学会指出，2010 年我国铁水预处理和钢水精炼技术的发展目标之一：铁水预处理和钢水精炼比均≥60％，真空精炼比达到30％。国内钢铁企业应重视提高预处理和二次精炼的处理能力，充分发挥已有预处理和精炼设备的潜力，这符合优化品种结构、提高钢水质量和增强企业竞争力的要求。
（4）供氧强度有待进一步提高据有关统计，我国小转炉供氧强度平均达3.9m3/min·t，利用系数已达64.8t/t·d，大中型转炉平均供氧强度约3.36m3/min·t，利用系数约23～34t/td。日本的转炉钢厂以铁水“三脱”为前提，开发高效转炉技术，转炉供氧强度提高到5ｍ3/min·ｔ，冶炼周期20min，其中吹氧9min，大大提高了转炉效率。中国钢铁工业协会、金属学会提出，2010 年我国转炉平均供氧强度发展目标是达到4～4.5m3/min·t，因此应尽快研发推广转炉强供氧及其相关工艺技术，提高转炉生产能力，降低成本。
（5）需加强煤气回收，降低能耗转炉煤气是炼钢过程最重要的副产品之一，回收利 用好转炉煤气对于节能减排意义重大，转炉钢厂应建设并利用好煤气净化回收装置。据统计，2006 年我国重点大中型钢铁企业转炉煤气回收量平均为56Nm3/t例，远低于国际先进水平（日本平均为110Nm3/t例）。我国各企业煤气回收水平参差不齐，大部分波动在18~100Nm/t例，只有个别企业达到国际先进水平，如武钢三炼钢250t转炉最好曾回收煤气112.33Nm3/t例。
转炉煤气回收量受装备水平、供氧强度、操作、原料等多种因素影响。原料条件主要指碳含量，在同等原料条件下，大转炉可能达到的煤气回收量比小转炉高。对于既定转炉来说，高供氧强度和合理的降罩操作制度是提高煤气回收量的关键因素。国内转炉炼钢厂应逐步实现转炉大型化，提高转炉自动化控制水平和供氧强度，优化降罩制度以提高转炉煤气回收量。
（6）转炉炉龄仍有提高空间
2006年我国重点大中型钢铁企业转炉平均炉衬寿命达6823炉，总体水平仍然偏低，但少数企业达到了国际领先水平，如莱钢、武钢、三明等，其它企业应积极学习相关经验，提高炉衬寿命，降低耐材消耗。3.（7）转炉控制技术落后我国除少数企业的一些大型转炉采用动态控制外，大多数转炉的装备、控制水平还较低，很多转炉钢厂，特别是中小型转炉，因技术、资金等方面的限制，日常生产是借助于“测温定碳”或“炉前取样快速分析”来进行人工经验判定。国外发达国家的转炉终点控制，目前已进入全自动吹炼控制阶段，主要方法为烟气分析法、副枪法或二者相结合。因地制宜地采用适合本厂具体情况的转炉自动控制技术，提高炼钢终点的控制精度和命中率，优化各项冶炼指标，是当前国内转炉炼钢生产中急需解决的问题。
目前，我国的转炉副枪系统技术已实现国产化，国内有条件的大型转炉厂应采用副枪、动态模型控制实现自动化炼钢；对于众多的中小转炉厂，由于容积规模偏小，适宜采用价格便宜、维护成本低，不用对设备、厂房大改造的烟气分析技术[4]。1.2.4我国转炉炼钢的未来发展
（1）市场的强劲需求随着我国国民经济的持续稳定发展, 对钢材市场的需求必将保持强劲的势头。其理由为:我国固定资产投资尽管会有调整, 但投资水平仍保持不断适量增长, 特别是一些国家重点工程项目的建设, 如南水北调、西气东输、青藏铁路、三峡工程、奥运工程、能源战略, 以及国家实施的西部大开发和振兴东北老工业基地等都将进一步促进对钢材的大量需求;随着人民生活的不断改善和提高, 我国的城市化建设以及人们对住房、汽车、耐用消费品等社会消费的需求不断增长。转炉炼钢处于炼铁、轧钢的中间环节, 前工序受高炉铁水供应的制约;后工序要满足轧钢对品种质量的要求。由于我国高炉生产能力的逐年增长, 现有轧机生产能力已大于炼钢生产能力, 废钢资源的短缺, 电力的紧缺和电价的昂贵, 从而限制了电弧炉炼钢的发展。综上所述, 今后转炉炼钢仍将呈发展态势, 其钢产量也将视市场需求与炼铁、轧钢同步适度增长。
（2）高附加值钢种大幅度增长一些高附加值钢种多为低合金高强度或微合金高强度钢种, 特别是V、Nb、Ti微合金化钢种将受到关注。今后我国汽车、造船、集装箱、机
械制造、油、气输送管线、电工等用钢仍将大幅度增长,大型转炉炼钢厂将依靠自身的装备优势(配置热连轧或宽厚板轧机), 结合日新月异的冶炼工艺技术进步, 努力增产这类高附加值钢种, 满足市场需求[2]。
1.3 转炉炼钢新技术新工艺
1.3.1 铁水预处理技术
目前铁水预处理技术在国外属成熟技术, 已从单一脱硫发展到脱硅、同时脱磷、脱硫。在我国一些企业炉外脱硫已成功地应用于生产, 取得了显著的经济效益。我国长期以来, 人们利用高炉和转炉对铁水进行脱硫处理, 认为冶炼过程是脱硫的主要手段,而把炉外脱硫看成是辅助手段。我国有些企业现在仍持这种观点, 阻碍了工艺技术结构调整的进程。由于高炉脱硫是要花费代价的(高碱度、高炉温, 故焦比高), 而转炉脱硫能力有限, 因而在现代钢铁工业中, 炉外脱硫是决定钢水最终含硫量的最经济工艺手段。采用炉外脱硫技术:(1)铁水含硫量可以降到超低含量, 有利于转炉冶炼优质钢和合金钢, 有利于钢铁产品升级换代, 生产具有高附加值的优质钢材;(2)能保证炼钢吃精料, 降低转炉炼钢成本、提高生产率、节约能耗;(3)可解放高炉生产能力, 减轻高炉脱硫负担, 适当降低炉渣碱度、减少渣量、降低焦比, 使高炉稳产、顺行;(4)可有效地提高铁、钢、材系统的综合经济效益。硫是决定连铸坯质量的关键因素, 铁水炉外脱硫是目前实现全连铸、近终形连铸连轧和热装热送新工艺的最可靠技术保障。
当前, 我国钢铁产量过剩, 产品供过于求, 企业只有靠不断改善产品质量, 开发新产品, 降低生产成本, 提高生产率, 才能在激烈竞争的市场环境里立于不败之地。因此, 在我国当前发展炉外脱硫技术是脱硫反应化学冶金学合理性的必要, 是钢材市场竞争力紧迫性的必要, 也是企业工艺结构调整、产品发展需求的必要[5]。
（1）处理容器
铁水包脱硫处理时间短、粉剂消耗低、可以深脱硫、综合处理成本最低。铁水包脱硫有喷吹法和搅拌法(KR 法)两种。铁水包喷吹法脱硫如图1所示，铁水包KR 法脱硫如图2所示[6]。
图1 铁水包喷吹法脱硫示意图
图2 铁水包KR 法脱硫示意图
（2）处理方法
铁水预脱硫的方法很多，主要有投掷法(将脱硫剂投入铁水中)、喷吹法(将脱硫剂喷入铁水中)和搅拌法(KR法)，投掷法、喷吹法和KR 法三种铁水预脱硫方法指标比较见表1.3。由表1.3可见，因投掷法脱硫率低、铁耗高、温降大、处理效果和可控性差、污染环境较严重等问题而被逐渐淘汰。机械搅拌法(KR 法)和喷吹法是工业应用较稳定且有发展前景的两种方法[6]。
表1.3 投掷法、喷吹法和搅拌法三种铁水预脱硫方法指标比较 工艺方法 脱硫率/% 脱硫剂种类 脱硫剂消耗/
8~10（kg·t）-
1投掷法 60~70 苏打粉
喷吹法 80~90 Mg系脱硫剂
KR法 90~95 石灰
0.5~2.0 10~12 处理后铁水最低硫
0.015 质量分数/% 铁耗/（kg·t-1）
温降/℃ 处理成本/（元·t-1）
投资成本 1.3.2 动态控制技术
转炉所采用的动态控制技术主要有副枪动态控制和炉气分析动态控制以及副枪+炉气分析动态控制。
（1）副枪动态控制技术
副枪动态控制技术是在吹炼接近终点时(终点前2～3 min), 向熔池内插入副枪, 检测熔池温度T和碳含量[C]及钢水氧活度,并取出金属样。根据检测数据,修正静态模型的计算结果,计算命中终点所需的供氧量(或供氧时间)和冷却剂加入量,调整2～3 min的吹炼参数。副枪安装的组合探头不同,具备的检测功能也不同,终点命中率也不同。
（2）炉气分析动态控制技术
0.003 0.00230~40-低
15~20 20~30 20 较高
炉气分析动态控制技术炉气分析动态控制技术是通过连续检测炉口逸出的炉气成分数据, 推算熔池瞬时脱碳速度和Si、Mn、Fe、P 的瞬时氧化量, 并对熔池物料平衡和能量平衡进行计算, 求出熔池瞬时的升温速度。它可依据前一时刻的检测值, 预报下一时刻的成分和温度变化, 同时, 比较每一时刻的计算值与检测值的误差, 不断对结果进行校正, 从而提高控制精度和命中率。目前, 国外如欧洲、日本、韩国等有基于炉气分析动态控制的应用实例较多, 国内应用较少。据了解, 在国内的大型转炉中, 目前只有本钢、马钢一炼钢已装备了炉气分析技术, 攀钢新建转炉也将引进副枪+炉气分析动态控制技术。
（3）副枪+炉气分析全自动吹炼控制技术
炉气分析与副枪是检测转炉吹炼信息的两种手段, 以达到优势互补, 目前日本和德国的做法是在大型转炉上同时采用副枪和质谱仪检测, 计算机采集数据在线计算, 将结果指令连续下达给控制系统, 实现完全自动控制, 吹炼结束直接出钢[7]。1.3.3 转炉自动炼钢控制技术
转炉自动炼钢控制技术就是自动有效实现终点命中的一种冶炼技术。包括从主辅原料加料量的计算，降氧枪、降罩、加料、氧枪枪位过程控制、副枪测量、自动提枪拉碳等操作均由计算机自动控制[8]。
图3 转炉自动炼钢原理示意图
1.3.4 转炉炼钢生产节能技术
（1）煤气回收利用技术“氧气转炉炼钢过程放出的能量约为 0.8×106kJ/t。如转炉煤气回收量达到 100 m3/t时，并全部进行综合利用（此煤气热值＞8 000 kJ/m3），可使转炉工序能耗下降 25 kgce/t；在回收煤气过程中，靠煤气显热可产生约 90 kg/t 的蒸汽，又可实现节能 30kgce/t。这样，转炉炼钢就可实现负能炼钢”存在的主要问题是：煤气回收量少，且回收后的煤气没有得到充分利用。没有除尘的转炉煤气只能供烧锅炉用，如采用干法除尘，将含尘量降到 10 mg/m3（标态下）以下时，用途就更广泛，可取代部分发热值高的焦炉煤气，实现企业综合节能效果
（2）转炉顶底复合吹炼技术“转炉顶底复合吹炼可实现转炉炼钢平稳!成渣快!喷溅少，终渣 FeO含量低，金属收得率提高 1%，氧气消耗减少 8%；钢中含Mn量升高，可节约锰铁 0.2 kg/t，改善了转炉脱 S、P 的条件，使钢水温度和成分均匀；提高转炉炉龄 10%~15%。
（3）提高制氧机自动控制水平，减少氧气放散，是降低制氧能耗的重要节能措施。
（4）对钢渣显热进行回收，可节能 6 kgce/t。
（5）铁水预处理工艺可将铁水中的 Si、P、S 脱除80%，进而使转炉冶炼时间缩短，提高生产率 25%~50%，提高金属收得率 10%~15%，提高生产过程的机械化和自动化，使钢种扩大，钢坯质量提高。
（6）高效连铸技术是以生产高质量铸坯为基础，高拉速为核心，实现高连浇率和高作业率。现在一些企业已实现小方坯连铸平均连浇55炉，拉速提高 80%，作业率 96%。这大大提高了连铸的节能效果。
（7）薄板坯连铸连轧技术生产的热轧带钢，比传统的模铸-开坯-热连轧生产工艺要节省基建投资70%，生产成本降到50%，减少能源消耗70%，降低人工成本90%，改善了生态条件（SO
2、CO
2、NOX外排少，用水少，占地少）[9]。
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