世界转炉炼钢现状及科研方向
2002-10-25 00:00 来源： 我的钢铁
在全世界得到迅速推广的氧气转炉工艺是目前最盛行的炼钢法。在世界产钢总量中，转炉钢的比例平均约为70%。与早期（50-60年代）的经典转炉炼钢工艺相比，据日本专家说，转炉本身在精炼功能方面所占比例已不到20%，即铁水预处理及钢的精炼大部分是在转炉之外进行。
一、当前世界转炉炼钢趋势
提高钢水洁净度，即大大降低吹炼终点时的各种夹杂物含量，要求S低于0.005％，P低于0.005％，N低于20PPm。
提高化学成分及温度给定范围的命中精度，为此采用复合吹炼、对熔池进行高水平搅拌并采用现代检测手段及控制模型。减少补吹炉次比例，降低吨钢耐材消耗。
铁水预处理对改进转炉操作指标及提高钢的质量有着十分重要的作用。美国及西欧各国铁水预处理只限于脱硫，而日本铁水预处理则包括脱硫、脱硅及脱磷。例如1989年日本经预处理的铁水比例为：NKK公司京滨厂为55％，新日铁君津厂为74％，神户厂为85％，川崎千叶厂为90％。
日本的所有转炉钢厂，美国、西欧各国的几十家钢厂以及其它国家的所有新建钢厂，在转炉上都装有检测用的副枪，在预定的吹炼时间结束前的几分钟内正确使用此枪可保证极高的含碳量及钢水温度命中率，使90％－95％的炉次都能在停吹后立即出钢，即无需再检验化学成分，当然也就无需补吹。此外，这也使产量提高，使炉衬磨损大大减少。
复合吹炼能促进各项冶炼参数稳定，因而在许多国家得到推广。80年代初期诞生于卢森堡和法国的LBE炼钢法，除原型方案外，相继演化出一系列派生工艺，有20多种名称，例如：STB、LD-KC、BAP、TBM、LD-OTB、LD-CB、K-BOP、K- OBM、LET等。无论是LBE原型，还是各派生工艺，实践证明它们有其各自的优势。LBE、LD－KC、BAP、TBM这些方法实际无差别都是炉顶吹氧及经炉底喷入氩气。还有一些方法是从炉底输人一氧化碳、二氧化碳、氧气。
各种复合吹炼工艺可用以下数字（转炉座数）说明其推广情况。1983年63座，1988年140座，1990年228座。奥地利、澳大利亚、比利时、意大利、加拿大、卢森堡、葡萄牙、法国、瑞士、韩国等这些国家全部或几乎全部转炉都采用复合吹炼。
单纯底吹的氧气炼钢法（Q-BOP、OBM、LWS）未能推广。1983年运行的这类转炉有26座，而到1990年只剩下18座。
日本采用所谓的吹洗法，即在炉顶吹氧结束时，接着从炉底吹氛，使钢水中碳含量达到0.01％。这对汽车用钢、薄板用钢及电工用钢的冶炼尤为重要。
值得注意的是，日本正在开发复合吹炼条件下调控冶炼过程用的新方法及新设备。其中有利用炉顶氧枪里的光缆随吹炼进程连续监测钢中锰含量；利用装于炉底的光纤传感器以及利用所排气体信息连续监测钢水温度；并在进行喷溅预测及预防方面的研究。
神户制钢公司开发的喷溅预测是以顶吹氧枪悬吊系统的检测为基础。日本NKK公司京滨厂是通过对出钢口的监测来减轻喷溅。当熔渣一猛烈上浮时，视频信号发出往炉内添煤或石灰石的指令。比较好用的材料（从平息熔池的时间来说）是煤。
转炉炉衬寿命是极为重要的课题。日本、美国及西欧各国资料分析表明，影响炉衬磨损的各项冶炼参数，例如后期渣氧化度、碱度及吹炼终点时钢水温度，各国钢厂之间并无大的差别。只有通过用副枪检测方可将对炉衬最为有害的后吹时间从10-15min减少到1-3min及消除补吹。
二、优化转炉炼钢工艺
转炉炼钢工艺各项指标取决于铁水的化学成分，而对铁水的主要要求是含硫量低（低于0.03％），相应要求较高含硅量（0.7％-0.9％）及具有优化造渣所需的锰量（0.8％-1.0％）。
对炼铁炼钢各阶段脱硫过程理化规律及动力特性分析表明，在动力方面，在铁水中比在钢水中更容易保证脱硫反应，因为在合碳量较高及氧化度较低条件下硫具有更高的活性。然而在高炉炼铁当中很难脱硫，因为在高炉一系列复杂的氧化还原反应中，深脱硫的各种热动力条件的能量不可避免地会增高硅含量并因此导致石灰及焦炭消耗的增加及产量的下降。因此，生产低硫铁需周密策划工艺，采用含硫最少的炉料及制备高碱度混成渣。
在转炉吹炼中脱硫也无效果，因为钢渣系中达不到平衡状态，渣与钢间的硫分配系数因熔池氧化度高及碳含量低，仅为2－7。如此低的硫分配系数使得难以在转炉冶炼中实现深脱硫，并导致炼钢生产在技术及经济上的巨大消耗。
无论是在高炉炼铁，还是在转炉炼钢当中都保证不了金属有效脱硫所需的热动力条件，因此进行高炉炼铁及转炉炼钢过程中的深脱硫研究，在技术及经济上都是不可取的。而合理的作法是将脱硫过程从高炉及转炉中分离出来。这就可简化烧结――高炉――转炉生产流程降低生产成本。
将脱硫从高炉及转炉中分离出来，使高炉炉外脱硫成为设计大型联合钢厂的重要工艺环节，在冶炼低硅铁的同时不必再为保证转炉中的精炼进行代价很高的高炉炉外脱硅。
铁水原始硅含量低还可降低锰含量。在氧气转炉炼钢中锰的作用非常重要，它决定着及早造渣所需的条件并对出钢前终点钢水氧化度起调节作用，长期实践证明，需设法使铁水中锰保持0.8％-l.0％的水平，因而在烧结混合料中必需补充锰而这就提高了成本。
烧结――高炉――转炉各流程锰平衡分析表明，上述锰在高炉里还原、然后在转炉里氧化导致锰原料及锰本身不可弥补的巨大损失，而且还给各生产流程操作增加很多麻烦。
在碳含量很低（0.05％-0.07％）条件下停正吹炼时，氧化度的影响如此之大，以致会把锰的最终含量定在极窄范围内，实际上已很少再与铁水原始锰含量相关。在这种条件下，尽管铁水原始锰含量达0.5％-1.2％，但钢的最终锰含量实际上都一样（0.07％-0.11％）。
因此在当代转炉炼钢工艺条件下（各炉次都有过吹操作），没必要在烧结混合料中使用含锰原料来提高铁水原始锰含量，更合理的作法是冶炼低锰铁。同时为节约低锰铁在转炉炼钢中脱氧的用量，研究直接采用锰矿石的效果具有重要意义。对众多炉次进行工业平衡计算所得工艺指标的对比表明，冶炼铁水不添加锰矿石，而在转炉炼钢中添加锰矿石，与用含锰1.13％的铁水炼钢，这两种炼钢法相比，前者每吨生铁可节省锰矿石15．3kg。此外，还可减少锰铁1.3kg/t钢、石灰5kg/t，氧气2.17m³/t的耗量，并可大大缩短吹炼时间。
铁水中硅、锰货量低及无需脱硫，这些条件会改变造渣机理及动力特性，因为这时石灰消耗下降，渣量减少，渣碱度及氧化度增高。在这样的条件下，渣的精炼功能只限于铁水脱磷。这样就能在转炉冶炼本身中多次利用渣，使渣具有很高的精炼能力。
根据这一原则开发出转炉炼钢新工艺，即在转炉炼钢本身中多次（3-5次）利用后期渣（循环造渣）。采用这样的工艺可降低石灰消耗及渣中铁损。及早造就高碱度氧化渣，及使硅、锰含量低可提供钢水深脱磷所需的强劲动力。
降低铁水硅含量可使转炉渣中SiO2含量下降，为了顺利脱磷（在钢水中低于0.005％），铁水中的硅含量不得超过0.10％- 0.15％。
锰含量低使渣中氧化铁补偿作用提高，因而也为深脱磷创造有利条件。
因此，在用低硅、低锰铁水炼钢时，由于渣氧化度及碱度较高及铁水中SiO2和Mn含量低，可提供转炉炼钢深脱磷（0.001％-0.005％P）的有利条件。
为配合炉外处理还开发出一种在转炉里预炼钢水的方法，即用氩气对熔池进行脉动吹洗，这样可明显提高精炼效果。
为提高钢水炉外处理的经济性，提出对具体钢种采用一些针对性的炉外处理工艺。
这项工艺的内容是：在转炉里进行以稳定为目的处理，炼出洁净的标准中间产品，然后进行炉外处理，最终炼出任意复杂成分的优质洁净钢。
但这种高产、经济、灵活的转炉炼钢法有一个极严重的缺陷，即它能处理的废钢比例有限（25％-27％），而且其效果要取决于此工艺自身及补加载能体的热利用率。从理论上说，把排出的CO100％地燃烧成CO2可使炉料中废钢用量达到53％的最高水平。为将废钢比例加大到30％-32％，曾通过往熔池吹惰性气体加强搅拌及在炉内燃尽所排烟气，来强化此项工艺。同时为将炉料中的废钢比例提高到45％-50％及100％，还试验往熔池里加无烟煤和吹入天然气以及从外部另行输送氧气的冶炼方案。增加金属炉料中的废钢用量进行冶炼，这种炼钢法的突出的问题是冶炼周期变长，金属料消耗过高以及生产状况恶化。因此虽然作过大量尝试，但此炼钢法未能得到更大的发展。
一、当前世界转炉炼钢趋势
提高钢水洁净度，即大大降低吹炼终点时的各种夹杂物含量，要求S低于0.005％，P低于0.005％，N低于20PPm。
提高化学成分及温度给定范围的命中精度，为此采用复合吹炼、对熔池进行高水平搅拌并采用现代检测手段及控制模型。减少补吹炉次比例，降低吨钢耐材消耗。
铁水预处理对改进转炉操作指标及提高钢的质量有着十分重要的作用。美国及西欧各国铁水预处理只限于脱硫，而日本铁水预处理则包括脱硫、脱硅及脱磷。例如1989年日本经预处理的铁水比例为：NKK公司京滨厂为55％，新日铁君津厂为74％，神户厂为85％，川崎千叶厂为90％。
日本的所有转炉钢厂，美国、西欧各国的几十家钢厂以及其它国家的所有新建钢厂，在转炉上都装有检测用的副枪，在预定的吹炼时间结束前的几分钟内正确使用此枪可保证极高的含碳量及钢水温度命中率，使90％－95％的炉次都能在停吹后立即出钢，即无需再检验化学成分，当然也就无需补吹。此外，这也使产量提高，使炉衬磨损大大减少。
复合吹炼能促进各项冶炼参数稳定，因而在许多国家得到推广。80年代初期诞生于卢森堡和法国的LBE炼钢法，除原型方案外，相继演化出一系列派生工艺，有20多种名称，例如：STB、LD-KC、BAP、TBM、LD-OTB、LD-CB、K-BOP、K- OBM、LET等。无论是LBE原型，还是各派生工艺，实践证明它们有其各自的优势。LBE、LD－KC、BAP、TBM这些方法实际无差别都是炉顶吹氧及经炉底喷入氩气。还有一些方法是从炉底输人一氧化碳、二氧化碳、氧气。
各种复合吹炼工艺可用以下数字（转炉座数）说明其推广情况。1983年63座，1988年140座，1990年228座。奥地利、澳大利亚、比利时、意大利、加拿大、卢森堡、葡萄牙、法国、瑞士、韩国等这些国家全部或几乎全部转炉都采用复合吹炼。
单纯底吹的氧气炼钢法（Q-BOP、OBM、LWS）未能推广。1983年运行的这类转炉有26座，而到1990年只剩下18座。
日本采用所谓的吹洗法，即在炉顶吹氧结束时，接着从炉底吹氛，使钢水中碳含量达到0.01％。这对汽车用钢、薄板用钢及电工用钢的冶炼尤为重要。
值得注意的是，日本正在开发复合吹炼条件下调控冶炼过程用的新方法及新设备。其中有利用炉顶氧枪里的光缆随吹炼进程连续监测钢中锰含量；利用装于炉底的光纤传感器以及利用所排气体信息连续监测钢水温度；并在进行喷溅预测及预防方面的研究。
神户制钢公司开发的喷溅预测是以顶吹氧枪悬吊系统的检测为基础。日本NKK公司京滨厂是通过对出钢口的监测来减轻喷溅。当熔渣一猛烈上浮时，视频信号发出往炉内添煤或石灰石的指令。比较好用的材料（从平息熔池的时间来说）是煤。
转炉炉衬寿命是极为重要的课题。日本、美国及西欧各国资料分析表明，影响炉衬磨损的各项冶炼参数，例如后期渣氧化度、碱度及吹炼终点时钢水温度，各国钢厂之间并无大的差别。只有通过用副枪检测方可将对炉衬最为有害的后吹时间从10-15min减少到1-3min及消除补吹。
二、优化转炉炼钢工艺
转炉炼钢工艺各项指标取决于铁水的化学成分，而对铁水的主要要求是含硫量低（低于0.03％），相应要求较高含硅量（0.7％-0.9％）及具有优化造渣所需的锰量（0.8％-1.0％）。
对炼铁炼钢各阶段脱硫过程理化规律及动力特性分析表明，在动力方面，在铁水中比在钢水中更容易保证脱硫反应，因为在合碳量较高及氧化度较低条件下硫具有更高的活性。然而在高炉炼铁当中很难脱硫，因为在高炉一系列复杂的氧化还原反应中，深脱硫的各种热动力条件的能量不可避免地会增高硅含量并因此导致石灰及焦炭消耗的增加及产量的下降。因此，生产低硫铁需周密策划工艺，采用含硫最少的炉料及制备高碱度混成渣。
在转炉吹炼中脱硫也无效果，因为钢渣系中达不到平衡状态，渣与钢间的硫分配系数因熔池氧化度高及碳含量低，仅为2－7。如此低的硫分配系数使得难以在转炉冶炼中实现深脱硫，并导致炼钢生产在技术及经济上的巨大消耗。
无论是在高炉炼铁，还是在转炉炼钢当中都保证不了金属有效脱硫所需的热动力条件，因此进行高炉炼铁及转炉炼钢过程中的深脱硫研究，在技术及经济上都是不可取的。而合理的作法是将脱硫过程从高炉及转炉中分离出来。这就可简化烧结――高炉――转炉生产流程降低生产成本。
将脱硫从高炉及转炉中分离出来，使高炉炉外脱硫成为设计大型联合钢厂的重要工艺环节，在冶炼低硅铁的同时不必再为保证转炉中的精炼进行代价很高的高炉炉外脱硅。
铁水原始硅含量低还可降低锰含量。在氧气转炉炼钢中锰的作用非常重要，它决定着及早造渣所需的条件并对出钢前终点钢水氧化度起调节作用，长期实践证明，需设法使铁水中锰保持0.8％-l.0％的水平，因而在烧结混合料中必需补充锰而这就提高了成本。
烧结――高炉――转炉各流程锰平衡分析表明，上述锰在高炉里还原、然后在转炉里氧化导致锰原料及锰本身不可弥补的巨大损失，而且还给各生产流程操作增加很多麻烦。
在碳含量很低（0.05％-0.07％）条件下停正吹炼时，氧化度的影响如此之大，以致会把锰的最终含量定在极窄范围内，实际上已很少再与铁水原始锰含量相关。在这种条件下，尽管铁水原始锰含量达0.5％-1.2％，但钢的最终锰含量实际上都一样（0.07％-0.11％）。
因此在当代转炉炼钢工艺条件下（各炉次都有过吹操作），没必要在烧结混合料中使用含锰原料来提高铁水原始锰含量，更合理的作法是冶炼低锰铁。同时为节约低锰铁在转炉炼钢中脱氧的用量，研究直接采用锰矿石的效果具有重要意义。对众多炉次进行工业平衡计算所得工艺指标的对比表明，冶炼铁水不添加锰矿石，而在转炉炼钢中添加锰矿石，与用含锰1.13％的铁水炼钢，这两种炼钢法相比，前者每吨生铁可节省锰矿石15．3kg。此外，还可减少锰铁1.3kg/t钢、石灰5kg/t，氧气2.17m³/t的耗量，并可大大缩短吹炼时间。
铁水中硅、锰货量低及无需脱硫，这些条件会改变造渣机理及动力特性，因为这时石灰消耗下降，渣量减少，渣碱度及氧化度增高。在这样的条件下，渣的精炼功能只限于铁水脱磷。这样就能在转炉冶炼本身中多次利用渣，使渣具有很高的精炼能力。
根据这一原则开发出转炉炼钢新工艺，即在转炉炼钢本身中多次（3-5次）利用后期渣（循环造渣）。采用这样的工艺可降低石灰消耗及渣中铁损。及早造就高碱度氧化渣，及使硅、锰含量低可提供钢水深脱磷所需的强劲动力。
降低铁水硅含量可使转炉渣中SiO2含量下降，为了顺利脱磷（在钢水中低于0.005％），铁水中的硅含量不得超过0.10％- 0.15％。
锰含量低使渣中氧化铁补偿作用提高，因而也为深脱磷创造有利条件。
因此，在用低硅、低锰铁水炼钢时，由于渣氧化度及碱度较高及铁水中SiO2和Mn含量低，可提供转炉炼钢深脱磷（0.001％-0.005％P）的有利条件。
为配合炉外处理还开发出一种在转炉里预炼钢水的方法，即用氩气对熔池进行脉动吹洗，这样可明显提高精炼效果。
为提高钢水炉外处理的经济性，提出对具体钢种采用一些针对性的炉外处理工艺。
这项工艺的内容是：在转炉里进行以稳定为目的处理，炼出洁净的标准中间产品，然后进行炉外处理，最终炼出任意复杂成分的优质洁净钢。
但这种高产、经济、灵活的转炉炼钢法有一个极严重的缺陷，即它能处理的废钢比例有限（25％-27％），而且其效果要取决于此工艺自身及补加载能体的热利用率。从理论上说，把排出的CO100％地燃烧成CO2可使炉料中废钢用量达到53％的最高水平。为将废钢比例加大到30％-32％，曾通过往熔池吹惰性气体加强搅拌及在炉内燃尽所排烟气，来强化此项工艺。同时为将炉料中的废钢比例提高到45％-50％及100％，还试验往熔池里加无烟煤和吹入天然气以及从外部另行输送氧气的冶炼方案。增加金属炉料中的废钢用量进行冶炼，这种炼钢法的突出的问题是冶炼周期变长，金属料消耗过高以及生产状况恶化。因此虽然作过大量尝试，但此炼钢法未能得到更大的发展。
