冶金工程概论第07章氧气转炉炼钢(设备)
《冶金工程概论》课程教学大纲
《冶金工程概论》课程教学大纲课程编号：0802505104课程名称：冶金工程概论英文名称：Conspectus of Metallurgical Engineering课程类型：专业选修课总学时：24 讲课学时：24 实验学时：0学时：24学分：1.5适用对象：冶金、材料等专业先修课程：无机化学、材料热力学等一、课程性质、目的和任务冶金工程概论课程是从事冶金行业和金属材料的一门专业基础课，它是在学生学习无机化学的基础上，系统地介绍了钢铁和主要有色金属(铜，铝等)提取冶金过程的基本原理，工艺特点和基本工艺流程。
通过学习，学生对冶金(包括火法，湿法和电冶金)生产过程有一个全面而概括的了解，初步掌握冶金的基本知识，为进一步学习冶金学理论、机加工生产工艺和金属材料理论打下必要的专业基础。
除此之外，本课程还简要介绍了金属的分类，主要金属的性质，用途，资源状况，生产方法，近年来的世界产量和价格，以及发展我国冶金工业的基本国情等方面的内容。
本课程旨在介绍冶金工业在国民经济的地位，冶金工业的原料，冶金过程和方法，冶金工程设计和新技术。
使学生了解冶金工业概况和冶金技术的进步，为材料开发提供新的思路。
要求学生认识冶金工业是国民经济的支柱产业。
了解冶金工程的主要研究内容是从金属矿石中提取有价元素加工成纯金属和金属化合物的原理和工艺，涉及过程自动控制，工程设计，新材料制备等领域。
二、教学基本要求本课程介绍炼铁、炼钢、铜冶金和铝冶金原理、工艺及设备，以炼铁和炼钢为重点。
学完本课程应达到以下基本要求：1．了解金属及其分类方法，金属的产量和价格，冶金工业在国民经济中的地位和作用；矿石、矿床和矿物的概念及金属元素在地壳中的分布；掌握冶金和冶金方法，冶金工艺流程和冶金过程；选矿的基本任务，工艺指标和选矿方法.。
2．了解高炉炼铁的基本知识，高炉附属设备和高炉生产的发展方向。
熟练掌握高炉冶炼用原料及要求，高炉冶炼中铁氧化物碳热还原的一般规律，高炉冶炼炉内反应，高炉结构以及高炉生产的主要技术经济指标。
第七章 氧气转炉炼钢
7.3 氧气转炉炼钢工艺
特点 ① 完全依靠铁水氧化带来的化学热及物理热； ② 生产率高(冶炼时间在35分钟左右)； ③ 质量好(气体含量少，CO的反应搅拌，将N、 H除去)可 以生产超纯净钢,有害成份(S、P、N、H、O)＜80ppm； ④ 冶炼成本低，耐火材料用量比平炉及电炉用量低； ⑤ 原材料适应性强，高P、低P都可以。 ⑥ 冶炼品种多达400个。
对铁水温度的要求： 铁水物理热得占转炉热收入的50%。入炉铁水温度应大于 1200℃～1300℃ ，并且要相对稳定。
⑵ 废钢 废钢量一般是总装入量的10%-30%。既是金属料又是冷却剂
⑶ 铁合金 脱氧剂和合金化元素。
7.1.2 辅助材料
⑴ 造渣材料 ① 石灰(CaO) 作用：脱磷、脱硫、保护炉衬。
⑤ 吹炼中期脱碳反应激烈，渣中(％FeO)降低，致使炉渣熔
点增高和粘度加大，并可能出现稠渣(“返干“)现象。此时应
适当提高枪位，并可加入第二批料(氧化铁皮或矿石)，可考
虑加入萤石，但要防止“喷溅”。
⑥ 吹炼末期，[％C]降低，脱碳反应减弱，火焰变短而透明。 确定吹炼终点，并提枪停止供氧，倒炉测温取样，若碳温合 适，则出钢，否则补吹后出钢。 ⑦ 出钢前挡渣帽，出钢程中加入脱氧剂和铁台金进行脱氧合 金化，在出钢末期加挡渣塞。
第七章 氧气转炉炼钢
7.1 转炉炼钢原辅材料
金属料：铁水（生铁）、废钢、铁合金； 非金属料：造渣材料、氧化剂、冷却剂和增碳剂。
7.1.1 金属料
⑴铁水 铁水一般占装入量的70～100%，是转炉炼钢的主要热源。 对铁水要求有：①成分；③温度。 硅(Si)：是重要的发热元素，铁水中含Si量高，炉内的化学 热增加。 锰(Mn)：是发热元素，有利元素。 磷(P)：是高发热元素，对一般钢种来说是有害元素， 硫(S)：有害元素。
《转炉炼钢生产》课程标准
《转炉炼钢生产》课程标准一、课程性质转炉炼钢生产处于钢铁生产制造链（炼铁—炼钢—轧钢）的中心环节，因此《转炉炼钢生产》是冶金技术专业的一门核心学习领域。
本学习领域主要培养学生转炉炼钢生产的基本理论和主要工艺操作，常见生产事故及处理方法，及转炉炼钢生产的主要工艺设备和机械设备的使用与维护。
同时注重培养学生独立分析问题和解决现场实际问题的能力，为学生今后的工作奠定基础。
前导课程：金属材料及热处理、冶金通用机械与冶炼设备、烧结矿与球团矿生产、高炉炼铁生产后续课程：炉外精炼、连续铸钢生产、轧钢概论等二、课程目标（一）总体目标通过本课程实施使学生了解转炉炼钢原材料的选择、炼钢车间构筑物及主要设备；掌握转炉炼钢生产的原料配比、工艺过程制订及常见问题的处理。
培养学生利用理论知识分析和解决实际问题的初步能力，掌握专业思维方法，为今后走上工作岗位，解决现场实际问题打下基础。
能力目标：1、能识别转炉炼钢所用原材料，并具备一定的质量判断能力；2、能够依据原材料条件和所炼钢种要求，合理地进行造渣、供氧、温度控制、脱氧合金化等方面的工艺计算，并能够进行初步的操作；3、初步具备兑铁水、加废钢、吹氧、控制喷溅、取样、测温、摇炉、合金加入的操作能力及冶炼终点的判断能力；4、具有正确使用和维护转炉炼钢设备的一般能力，并能分析和排除一般的故障。
知识目标：1、掌握常用耐火材料及钢铁料的识别与选用方法；2、掌握脱氧剂、铁合金、各种造渣材料及其他物料的识别与选用方法；3、重点掌握转炉生产工艺及操作方法；4、了解转炉炼钢设备的检查使用及事故处理方法。
素质目标：1、具有较强的事业心和实事求是的科学态度；2、热爱本职工作，锐意进取，具有创新意识和开拓精神；3、加强艰苦岗位的职业道德教育。
（二）职业资格证书考核目标学生学习完本课程后可考取中级转炉炼钢工，有能力的同学可考取高级转炉炼钢工并参加全国转炉炼钢技能大赛。
三、课程内容及要求四、实训项目五、课程实施为了充分体现学生的主体地位和教师的主导作用，培养学生独立思考的习惯，分析问题和解决问题的能力和创新能力，培养学生与人沟通交流和合作的良好素质。
现代钢铁冶金——转炉炼钢
小组成员：孙 妮
康 毅
贾李峰
汪衍军
一、转炉炼钢发展历程 二、转炉炼钢的冶金特性 三、转炉炼钢的氧气射流及供氧装置
四、炼钢原料及耐火材料
内 容
五、转炉冶炼工艺
六、转炉炼钢的物料平衡及热平衡 七、转炉炼钢的主要设备
八、转炉的自动控制
九、转炉节能环保及资源循环利用
1.转炉炼钢发展历程
• 转炉炼钢是以铁水作为主要原料，用氧气作为氧化剂，依靠 铁水中的氧化热提高钢水温度，在短时间内完成一个冶炼周 期的快速炼钢方法。以下简介转炉炼钢发展主要历程： 1856年，英国人H.Bessemer发明了酸性底吹转炉炼钢法 1878年，英国人thomas发明了碱性底吹转炉炼钢法
图6 顶吹转炉氧气射流与熔池相互作用
3.1 转炉炼钢的氧气射流
• 在第一反应区中，由于温度很高，Si、Mn、和P对氧 的亲和力下降，这些元素很难直接被氧化，在循环 区（第二反应区）进行氧化反应：
在循环区的金属—气泡界面也会发生碳的氧化反应：
在吹炼后期，循环区的脱碳反应占有较大的比重。
3.2 供氧装置
2.1 氧气顶吹转炉炼钢
由于使用的 铁水成分和所炼 钢种的不同，吹 炼工艺也有所区 别。右图（图2） 为某转炉厂对未 经脱硫、脱磷、 及脱硅处理的铁 水采用单渣操作 工艺为例，来说 明炼钢吹炼过程。
图2 吹炼中钢水成分及渣成分的变化（85t转炉）
2.1 氧气顶吹转炉炼钢
转炉冶炼一炉钢的操作过程，由装料、吹炼、测温、 取样、出钢、出渣构成。锤炼时间与炉容量没有直接联系， 吹炼时间通常为11-20min,下面为一个实例。
• 铁合金应合理选用以降 低成本，使用前应烘烤 以减少气体带入。另外 要纯净，不得混有其它 夹杂物，块度要适当。
世界氧气顶吹转炉炼钢技术发展史
世界氧气顶吹转炉炼钢技术发展史氧气顶吹转炉炼钢(oxygen top blown converter steelmaking)由转炉顶部垂直插入的氧枪将工业纯氧吹入熔池，以氧化铁水中的碳、硅、锰、磷等元素，并发热提高熔池温度而冶炼成为钢水的转炉炼钢方法。
它所用的原料是铁水加部分废钢，为了脱除磷和硫，要加入石灰和萤石等造渣材料。
炉衬用镁砂或白云石等碱性耐火材料制作。
所用氧气纯度在99％以上，压力为0.81～1.22MPa(即8～12atm)。
简史空气底吹转炉和平炉是氧气转炉出现以前的主要炼钢设备。
炼钢是氧化熔炼过程，空气是自然界氧的主要来源。
然而空气中4/5的气体是氮气，空气吹炼时，这样多的氮气在炉内穿行而过，白白带走大量的热且有部分氮溶解在铁液中，成为恶化低碳钢品质的重要原因。
平炉中，氧在用于燃烧燃料之后，过剩的氧要通过渣层传入钢水，所以反应速率极慢，这也就增加了热损失。
因此，直接把氧气吹入熔池炼钢，成为许多冶金学家向往的目标。
早在19世纪，现代炼钢法的创始人贝塞麦(H．Bessemer)就有了纯氧炼钢的设想，但因没有大量氧气而未进行试验。
20世纪20年代后期，以空气液化和分馏为基础的林德一弗兰克(Linde—Frankel)制氧技术开发成功，能够生产可供工业使用的廉价氧气，氧气炼钢又为冶金界所注意。
从1929年开始，柏林工业大学的丢勒尔教授(R．Durrer)在实验室中研究吹氧炼钢，第二次世界大战开始后转到瑞士的冯•罗尔(V．Roll)公司继续进行研究。
1936～1939年勒莱普(O.Lellep)在奥伯豪森(Oberhausen)进行了底吹氧炼钢的试验，由于喷嘴常损坏未能成功。
1938年亚琛(Aachen)工业大学的施瓦茨(C．V．Schwarz)提出用超音速射流向下吹氧炼钢，并在实验室进行了试验，将托马斯生铁吹炼成低氮钢，但因熔池浅而损坏了炉底。
1948年丢勒尔(R．Durrer)等在冯•罗尔(VonRoll)公司建成2．5t的焦油白云石衬的试验转炉，以450的斜度将水冷喷嘴插入铁水吹氧炼钢，无论贝塞麦生铁或托马斯生铁都能成功炼成优质钢水，而且认识到喷嘴垂直向下时，最有利于喷嘴和炉衬的寿命。
钢铁冶金概论-炼钢-转炉炼钢
（1）最初加入的石灰温度低,初渣在石灰表面冷凝形成较低熔点的渣壳 （2FeO· 2） SiO （2）随温度升高,渣壳熔化。一部分FeO渗入石灰，发生CaO+熔渣的溶解反 应，形成低熔点化合物或液体化合物，使部分石灰熔化。 （3）同时渣中的SiO2与刚熔化的石灰反应形成高熔点的2CaO•SiO2坚壳(C2S)， 包裹在石灰外部，使石灰溶解受阻。 （4）渣中降低坚壳熔点的组元(FeO、CaF2、MnO)使坚壳溶解，C2S+FeO,降低 C2S的熔点。 （5）从而在石灰表面和内部发生FeO＋CaO的溶解反应。 进而完成石灰的溶解。
2、钢液成分的变化
Si：吹炼初期，Si剧烈氧化至痕迹 Mn：初期，Mn迅速氧化， 中期出现回锰（C-O反应） 后期，Mn再次被氧化. C：初期脱碳速度vC慢，Si、Mn氧化占主要， 中期vC↑，C氧化为主； P：初期，钢中含有Si、Mn，基本不脱磷； 中后期，CaO溶解，[Si、Mn]下降，P迅速氧化； 后期，随炉温升高，[P]变化平缓，出现回磷； S：从初期到中后期平缓的变化，脱硫率η S<30% ，
(4)乳化液的稳定和破坏 稳定 a.不断产生CO气泡
支 撑 作 用 隔 离 作 用
b.渣粘稠 破坏 a.内部反应：使渣的性质发生变化 b.供氧条件:使(FeO)含量变化 c.脱碳反应进入后期： d.短时提高枪位： 氧流的冲击，抑止泡沫渣发展。
(5)乳化液中的反应 a.金属液滴比熔池反应有效
4)枪位对冲击深度、冲击面积的影响
高枪位， S大、h小 反应界面较大，熔池运动平缓 低枪位， S小、h大 反应界面较小，熔池运动剧烈;
软吹：软吹是指枪位较高或氧压较低的吹炼模式。在软吹时， 氧气流股对熔池的冲击力减小，冲击深度变浅，冲击面积加 大，反射流股的数量增多，对于熔池边面搅动有所增强，脱 碳速度缓慢，因而对熔池内部的搅动相应减弱，熔渣中TFe含 量有所增加。 硬吹：硬吹是指枪位低或氧压高的吹炼模式。当采用硬吹时， 氧气流股对熔池的冲击力大，形成的冲击深度较深，冲击面 积相对较小，因而产生的金属液滴和氧气泡的数量也多， 气—熔渣—金属乳化充分，炉内的化学反应速度快，特别是 脱碳速度加快，大量的CO气泡排出，熔池搅动强烈，熔渣的 TFe含量较低。
转炉冶炼
第一节转炉冶炼过程概述氧气顶吹转炉炼钢过程，主要是降碳、升温、脱磷、脱硫以及脱氧和合金化等高温物理化学反应的过程，其工艺操作则是控制装料、供氧、造渣、温度及加入合金材料等，以获得所要求的钢液，并浇成合格钢锭或铸坯。
从装料起到出完钢、倒完渣为止，转炉一炉钢的冶炼过程包括装料、吹炼、脱氧出钢、溅渣护炉、倒渣等几个阶段。
一炉钢的吹氧时间通常为l2～18min ，冶炼周期(相邻两炉之间的间隔时间，即从装料开始到装料开始或者从出钢毕到出钢毕)通常为30～40min。
表10—1为氧气顶吹转炉生产一炉钢的操作过程，图10—1为转炉吹炼一炉钢过程中金属和炉渣成分的变化。
吹炼的前l／3—1／4时间，硅、锰迅速氧化到很低的含量。
在碱性操作时，硅氧化较彻底，锰在吹炼后期有回升现象；当硅、锰氧化的同时，碳也被氧化。
当硅、锰氧化基本结束后，随着熔池温度升高，碳的氧化速度迅速提高。
碳含量<0.15％以后，脱碳速度又趋下降。
在开吹后不久，随着硅的降低，磷被大量氧化，但在吹炼中后期磷下降速度趋缓慢，甚至有回升现象。
硫在开吹后下降不明显，吹炼后期去除速度加快。
熔渣成分与钢中元素氧化、成渣情况有关。
渣中CaO含量、碱度随冶炼时间延长逐渐提高，中期提高速度稍慢些；渣中氧化铁含量前后期较高，中期随脱碳速度提高而降低；渣中Si02，Mn0，P25含量取决于钢中Si，Mn，P氧化的数量和熔渣中其他组分含量的变化。
在吹炼过程中金属熔池升温大致分三阶段：第一阶段升温速度很快，第二阶段升温速度趋缓慢，第三阶段升温速度又加快。
熔池中熔渣温度比金属温度约高20-1000C。
根据熔体成分和温度的变化，吹炼可分为三期：硅锰氧化期(吹炼前期)、碳氧化期(吹炼中期)、碳氧化末期(吹炼末期)。
表10— 1 氧气顶吹转炉一炉钢的操作吹炼时间 %图10—1 转炉吹炼一炉钢过程中金属和炉渣成分的变化第二节装入制度与装入操作一、装入量装入量指炼一炉钢时铁水和废钢的装入数量，它是决定转炉产量、炉龄及其他技术经济指标的重要因素之一。
氧气转炉炼钢培训
氧气转炉炼钢的优势
高效节能 氧气作为吹炼气体能加 速炼钢进程，提高生产 效率
质量控制
氧气转炉炼钢能够实现 精确的合金含量控制， 提高产品质量
氧气转炉炼钢的应用领域
钢铁行业
广泛应用于钢铁产业， 提高钢材品质和生产效 率 可对合金含量进行精确 控制，适用于不同要求 的钢材生产
建筑行业
用于生产高强度、高质 量的建筑钢材 提供可靠的材料支持， 确保建筑结构稳定性
生产效率指标
氧气转炉炼钢生产效率 较高 提高生产效率可降低生 产成本
市场前景分析
行业发展趋势积极向好 氧气转炉炼钢市场需求 稳步增长
管理与发展策略
有效的团队建设是企业 发展的基础 技术创新是企业持续发 展的动力
结语
氧气转炉炼钢具有显著的经济效益，在不断改进管理与技术创新的基础 上，企业可以保持竞争优势并在市场中立足。
高品质钢材
02 生产出品质高、强度大的钢材
03
氧气转炉炼钢的 关键技术
氧气转炉炼钢的关键技术包括氧气喷吹、转炉 操作、合金掺入等。这些技术的运用使得氧气 转炉炼钢工艺更加高效、节能。
氧气转炉炼钢的特点
高炉模式
采用炉顶供氧方式 炼钢过程中产生大量氧 气废气
高效率
炼钢速度快 生产效率高
高品质
生产出优质钢材 产品质量可控
未来发展趋势
高端技术应用
01 推动产业升级
绿色环保趋势
02 减少能源消耗
智能化生产
03 提高生产效率
个人发展规划
学习氧气转炉炼钢新技 术
持续提升专业能力
积极参加培训课程 不断学习更新知识
参与行业研讨会 拓展人脉
定期总结工作经验 发现问题并改进
转炉炼钢基础知识
04 转炉炼钢操作技术
装料技术
装入炉料
根据炼钢工艺要求，将所需原材料装入转炉中。
合理配比
根据钢种要求，合理配比铁水、废钢、生铁等炉 料。
装料顺序
按照一定顺序装入炉料，以保证炼钢过程顺利进 行。
熔化技术
熔化温度控制
控制熔化温度，确保炉料完全熔 化。
熔化速过慢影响生产效率。
转炉炼钢是现代钢铁生产中最为重要的工艺之一，具有高效、低耗、环保等优点。
转炉炼钢的工艺流程
铁水预处理
去除铁水中的杂质和有 害元素，提高铁水的纯
净度。
转炉吹氧
通过向炉内吹入氧气，使铁 水中的杂质和碳元素氧化，
生成气体和炉渣排出。
钢水成分调整
通过加入合金元素，调 整钢水的化学成分，以 满足不同用途的要求。
钢水浇注
将合格的钢水注入钢锭 模或连铸机中，形成钢
锭或连铸坯。
转炉炼钢的优缺点
优点
生产效率高、成本低、环保性好 、产品品种多等。
缺点
对原料质量要求高、能耗较大、 操作技术要求高等。
02 转炉炼钢原料
铁水
铁水是转炉炼钢的主要原料之一，含 有大量的铁元素和少量的碳、硅、锰 等元素。
铁水预处理技术，如脱硫、脱磷等， 可以提高转炉炼钢效率和产品质量。
烟气处理系统的设计需考虑能耗、处理效果和设 备寿命等方面的因素。
06 转炉炼钢环境保护与节能 减排
烟尘治理
烟尘来源
转炉炼钢过程中产生的烟尘主要来源于原料的破碎、配料、装料、 熔炼、出钢等环节。
烟尘治理措施
采用高效除尘器，如电除尘器、袋式除尘器等，对烟尘进行收集和 处理，降低烟尘排放浓度。
烟尘治理效果
余热利用
转炉炼钢的基本任务及原理
整理课件 19
1. Cu﹑Ni﹑Mo﹑W等元素氧化 的ΔGo线都在Fe氧化ΔGo线之上。 从热力学角度来说，在炼钢吹氧过 程中这些元素将受到Fe的保护而不 氧化。
2. Cr﹑Mn﹑V﹑Nb等元素的氧 化程度随冶炼温度而定。
3. Al﹑Ti﹑Si﹑B等元素氧化的 ΔGo线在图中位于较低的位置，它 们最易氧化。在实际生产中，这些 元素作为强脱氧剂使用。
整理课件 21
脱碳反应的作用
脱碳反应除了调整钢液碳含量的作用 外，其反应产物CO气体的上浮排除 使得脱碳反应给炼钢带来独特的作用。
➢ 促进熔池成分﹑温度均匀； ➢ 提高化学反应速度； ➢ 降低钢液中的气体含量和夹杂物数量： ➢ 造成喷溅和溢出：
整理课件 22
2.2.1 脱碳反应
转炉中的脱碳反应以间接氧化为主：(FeO)+[C]={CO}+Fe。这是一 个吸热反应，因此，熔池温度升高至1500℃左右后脱碳反应方能激烈 进行。
当钢液含碳量降低到一定程度时，碳的扩散 成为限制性环节，脱碳速度取决于熔池搅拌情况。
整理课件 25
2.2.4 临界含碳量
转炉炼钢中，脱碳反应速度由氧的 扩散控制转成由碳的扩散控制时的钢 液含碳量称为临界含碳量。顶吹转炉 的临界含碳量为0.10%左右，而复吹 转炉由于有底吹搅拌其临界含碳量则 为0.07%；而且，同为临界含碳量以 下时，复吹的脱碳速度也大些。
冶炼过程中，转炉中熔渣成分的变化规律大致如下：
（1）（FeO）：呈下凹弧形变化：吹炼初期，为了化渣枪 位较高，渣中的（FeO）含量高达28%（复吹为16%）； 中期随脱碳进行（FeO）被大量消耗而逐渐降至12%以下 （太低，出现返干，复吹为6%）；随着[C]的减少，脱碳 速度下降，（FeO）的浓度又渐升至15%（复吹为12%）。
转炉炼钢设备与工艺
炼钢方法的发展演变
平 炉 1865 年 英 国
复合吹炼，用各种成分的惰性 气体
LD 转 炉 1948 年 奥 地 利
生产率低，能源和耐火材料消耗 高
电炉1900年
生产率低，能源和耐火材料消耗高 酸性转炉1860年 碱性转炉1879年英 国
炉底寿命短 炉容小 钢水含氮高 喷溅 污染 废钢比低
OBM/Q-BOP 复 合 吹 炼
转炉炉型
❖ 炉型类型： 按金属熔池形状的不同，转炉炉型可分为筒球型、锥球型和截锥
型三种，
转炉炉型
A 筒球型 熔池形状由一个球缺体和一个圆筒体组成。它的优点是炉型形
状简单，砌筑方便炉壳制造容易。熔池内型比较接近金属液循环流 动的轨迹，在熔池直径足够大时，能保证在较大的供氧强度下吹炼 而喷溅最小，也能保证有足够的熔池深度，使炉衬有较高的寿命。 大型转炉多采用这种炉型
2P+5FeO+3CaO—— 5Fe+Ca2(PO4)2(入渣)
❖ 在使碳等元素降到规定范围后，钢水中仍含有大量的氧，是有害 的杂质，使钢塑性变坏，轧制时易产生裂纹。故炼钢的最后阶段 必须加入脱氧剂(例如锰铁、硅铁和铝等)，以除去钢液中多余的 氧：
Mn＋FeO ——MnO＋Fe
Si＋2FeO—— SiO2＋2Fe
Al＋3FeO ——Al2O3＋3Fe
❖ 同时调整好钢液的成分和温度，达到要求可出钢，把钢水铸成连 和平炉三种。 ❖ 平炉炼钢的主要特点是可搭用较多的废钢(可搭用钢铁料的20—
50％的废钢)，原料适应性强，所用的原料有废钢、废铁、铁矿 石和溶剂 （石灰石和生石灰）。反应所需的热量是由燃烧气体燃 料（高炉煤气，发生炉煤气）或液体燃料（重油）所提供。 但冶 炼时间长，已被淘汰。
冶 金 工 程 概 论 第七章 氧气转炉炼钢(设备)
③白云石(CaCO3·MgCO3) 经焙烧可得轻烧白云石（CaO·MgO），白云石的作用如下： 采用生白云石或轻烧白云石代替部分石灰造渣，可减轻炉渣
对炉衬的侵蚀。
溅渣护炉操作时，通过加入适量的生白云石或轻烧白云石保 持渣中的MgO含量达到饱和或过饱和，使终渣能够做黏，出 钢后达到溅渣的要求。 促进前期化渣(生成共熔点化合物，都比C2S的熔点低的多)
供料设备包括：铁水、废钢、铁合金和散状材料(熔剂)供 料设备等
⑴ 铁水供应设备 主要有三种： ① 高炉—铁水罐车—混铁炉—铁水罐—称量—转炉。 ② 高炉—混铁车—铁水罐—称量—转炉。 ③ 高炉—铁水罐车—铁水罐—称量—转炉。
混铁炉：是铁水的中间贮存设备，以协调高炉与转炉之间 铁水供求的不一致性，保证供应及时。同时还有均匀不同高 炉和不同时间的铁水。 混铁车：兼有运送和贮存铁水两种作用，实质上是列车式 的小型混铁炉
氧枪 又名喷枪或吹氧管，担负着向熔池吹氧的任务。 采用循环水冷却的套管结构；由喷头、枪身及尾部结构所 组成。
喷头： 采用紫铜制成，内通高压水强制冷却，均为超音速喷头。 喷头的类型按结构形状，可分为拉瓦尔型、直简型、螺 旋型等；按喷孔数目，可分为单孔、三孔和多孔喷头。
拉瓦尔喷头是：收缩—扩张型喷头，截面最小处为喉口
转炉托圈简图
③ 耳轴 支撑托圈和炉体的载荷，传动扭矩使转炉旋转，耳轴要 求很高的强度和刚度。 耳轴和托圈用法兰盘、螺栓或焊接等方式连接成整体。 ⑵ 倾动机构 作用：是倾动炉体，以满足兑铁水、加废钢、取样、
出钢和倒渣等操作的要求
要求：
① 在整个生产过程中，满足工艺要求。如以一定的转速连续回转360°， 可以停留在任何位置，能与氧枪等有一定连锁要求；
氧气转炉炼钢
4
一、主要设备
烟气净化 系统
渣料系统
氧枪系统
主原料装入系统
倾动系统
出钢、出渣系统
5
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7
炉衬
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出钢挡渣装置
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底吹元件布置
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转炉炉体
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转炉炉体
12
倾动机构
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氧枪
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15
氧气喷头
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烟气冷却、除尘、煤气回收系统
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干法(静电)除尘系统
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干法(静电)除尘系统
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干法除尘
（3） 铁合金 吹炼终点要脱除钢中多余的氧，并调整成分达到钢种规格，需加入 铁合金以脱氧合金化。它们的形式不一样，有的是以铁合金的形式 使用，如锰铁、硅铁、铬铁等；有的以合金形式使用，如硅锰、硅 钙、硅铝钡等；有的以纯金属形式使用，如铝、锰、铬、镍等；还 有以化合物形式使用的，如稀土化合物。 铁合金的品种较多，但是生产成本高，因此要选用适当牌号的铁合 金，以降低钢的成本。转炉常用的铁合金有Fe-Mn、Fe-Si、Mn-Si 合金、Ca-Si合金、铝、Fe-Al、Ca-Al-Ba合金等。
1.5 溅渣护炉技术
炉衬寿命：炉衬寿命影响转炉的工作时间及生产成本。炉龄是钢厂 一重要生产技术指标。 炉衬损坏的原因： 铁水、废钢及炉渣等的机械碰撞和冲刷 炉渣及钢水的化学侵蚀 炉衬自身矿物组成分解引起的层裂 急冷急热等因素。
提高炉龄的措施： 耐材质量； 系统优化炼钢工艺； 补炉工艺 新工艺：溅渣护炉工艺，九十年代， 美国开发成功转炉溅渣护炉技术 ，在我国达到最高效益，炉龄 30000。
加入渣料； 调节供氧。
终渣组成： CaO： MgO： SiO2： Al2O3： FetO： P2O5： S：
氧气转炉炼钢工艺与设备
氧气转炉炼钢工艺与设备1、氧气转炉炼钢的特点：①供氧强度大，②脱碳反应激烈、速度快。
③④⑤2、氧气转炉炼钢的主要任务是：“四脱”：脱碳、脱磷、脱硫、脱氧；“二去”：去气、去杂质；“二调整”：调整温度、调整化学成分。
3、氧气转炉炼钢的“五大制度”：装入制度、供氧制度、造渣制度、温度制度、终点控制及脱氧合金化制度。
4、转炉炼钢所用的原材料主要有金属料（铁水、废钢、铁合金），辅助原料：造渣材料（石灰、萤石、生白云石、火砖块），冷却剂（废钢、铁矿石、氧化铁皮），氧化剂（氧气、铁矿石、氧化铁皮），增碳剂（石油焦、碳化硅、无烟煤粉、木炭粉、沥青焦）5、顶吹氧气转炉炼钢常用的铁合金有哪些？答：锰铁、硅铁、硅锰合金、硅铝合金、硅钙合金、硅钙钡、钒铁。
6、炉容比是指转炉新砌砖后炉内自由空间的容积V与金属装入量T之比。
7、氧气转炉炼钢在确定合理装入量时应考虑的因素是：合适的炉容比，合适的熔池深度，与连铸相匹配。
8、废钢比：废钢的加入量和金属料总装入量之比。
9、顶吹氧气转炉炼钢过程中向熔池供氧的主要设备是氧枪。
10、氧气转炉炼钢对氧气有什么要求？答：氧气转炉炼钢对氧气的要求有：(1)要求氧气纯度≥99.5%，并脱去水份；(2)压力为0.6～1.2兆帕，小容量转炉取下限。
11、枪位：是指氧枪喷嘴出口端距静止金属液面的高度。
当采用“硬吹”时，枪位较低，熔池金属液面搅动得越充分，熔池升温较快。
当采用“软吹”时枪位较高，熔池金属液面搅动得差，熔池升温较慢，易发生返干。
12、氧气流量：指单位时间内通过氧枪喷嘴嘴向熔池供氧的数量。
13、供氧强度：指单位时间内每吨金属料消耗氧气的数量。
14、氧气转炉有利于脱硫的条件是：高碱度、高温、大渣量、适当的低氧化亚铁；氧气转炉有利于脱磷的条件是：高碱度、高氧化亚铁、大渣量、适当的低温。
15、确定合适的枪位应考虑的两个因素：一定的冲击面积和一定的冲击深度。
16、氧气转炉炼钢枪位调节和控制的基本原则和要求应该是早化渣、化透渣、不返干、不喷溅、均匀升温、准确控制终点。
2氧气转炉炼钢的基本原理
2氧气转炉炼钢的基本原理2.1 炼钢的基本任务从化学成分来看，钢和生铁都是铁碳合金，并还含有Si、Mn、P、S等元素，由于碳和其他元素含量不同，所形成的组织不同，因而性能也不一样。
根据Fe—C相图，碳含量在0.0218％～2.11％之间的铁碳合金为钢；碳含量在2.11％以上的铁碳合金是生铁(根据国家标准和国际标准规定以碳含量2％为钢和铸铁的分界点)；碳含量在0.0218％以下的铁碳合金称为工业纯铁。
冶标规定碳含量在0.04％以下为工业纯铁。
若以生铁为原料炼钢，需氧化脱碳；钢中P、S含量过高分别造成钢的“冷脆“性和“热脆”性，炼钢过程应脱除P、S；钢中的氧含量超过限度后会加剧钢的热脆性，并形成大量氧化物夹杂，因而要脱氧；钢中含有氢、氮会分别造成钢的氢脆和时效性，应该降低钢中有害气体含量；夹杂物的存在会破坏钢基体的连续性，从而降低钢的力学性能，也应该去除；炼钢过程应设法提高温度达到出钢要求，同时还要加入一定种类和数量的合金，使钢的成分达到所炼钢种的规格。
综上所述，炼钢的基本任务包括：脱碳、脱磷、脱硫、脱氧；去除有害气体和夹杂；提高温度；调整成分。
炼钢过程通过供氧、造渣、加合金、搅拌、升温等手段完成炼钢基本任务。
氧气顶吹转炉炼钢过程，主要是降碳、升温、脱磷、脱硫以及脱氧和合金化等高温物理化学反应的过程，其工艺操作则是控制供氧、造渣、温度及加入合金材料等，以获得所要求的钢液，并浇成合格钢钢锭或铸坯。
2.2 气体射流与熔池的相互作用顶吹氧气转炉是将高压、高纯度（含O2 99.5％以上）的氧气通过水冷氧枪，以一定距离（喷头到熔池面的距离约为1～3米）从熔池上面吹入的。
为了使氧流有足够的能力穿入熔池，使用出口为拉瓦尔型的多孔喷头，氧气的使用压力为10～15×105Pa，氧流出口速度可达450～500m•s-1。
2.2.1 转炉炉膛内氧气射流的特征转炉炉膛是一个复杂的高温多相体系，喷吹入炉内的氧气射流离开喷头后，由于炉内周围环境性质变化，使射流的特性也变得有些不能确定了。
氧气转炉炼钢培训
氧气转炉炼钢的原理：利用氧气与铁水中的碳、硅、锰等元素反应，去除杂质并提高钢的纯度。
氧气转炉炼钢的反应：在高温下，铁水中的碳与氧气发生氧化反应，生成二氧化碳气体，同时 释放出大量的热量。
氧气转炉炼钢的特点：通过控制氧气的流量和温度，实现对钢水成分和温度的精确控制，提高 钢的质量。
氧气转炉炼钢的应用：广泛应用于现代钢铁企业的生产中，是提高钢铁产品质量和降低能耗的 重要手段之一。
温度检测：使用热电 偶等温度检测设备， 监控钢水和炉渣的温 度，保证炼钢过程的 温度控制。
气体分析：通过分析 炼钢过程中产生的烟 气成分，推断炼钢过 程的反应程度和钢水 的纯净度。
质量问题：成分不均、夹杂物超标、表面质量差 解决方案：加强原材料控制、优化冶炼工艺、提高操作技能 检测方法：化学分析、金相检验、无损检测 质量控制：建立完善的质量管理体系、加强过程控制、提高员工素质
每日检查：对设备进行日常检查，确保设备正常运行 定期保养：按照规定进行定期保养，延长设备使用寿命 清洁工作：保持设备清洁，防止设备腐蚀和磨损 润滑工作：定期对设备进行润滑，减少设备磨损和摩擦
炉体漏水：检查密封圈和炉体连接处是否紧固，更换密封圈 炉内耐火材料脱落：检查耐火材料质量，定期更换 炉内结渣：调整吹氧量，控制炉温 炉底上涨：检查底渣排放是否畅通，调整底渣排放量
氧气转炉的结构：由炉体、炉帽、炉底和传动装置组成，炉体内有炉衬。
氧气转炉的工作原理：通过炉体的转动，使物料在高温下与氧气反应，实现炼钢过程。
氧气转炉的特点：具有高效率、低能耗、环保等优点，是目前应用最广泛的炼钢设备之 一。
氧气转炉的维护与保养：定期检查炉体、炉衬、传动装置等部位，及时更换损坏部件， 保持设备良好运行状态。
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转炉托圈简图
③ 耳轴 ▪ 支撑托圈和炉体的载荷，传动扭矩使转炉旋转，耳轴要 求很高的强度和刚度。 ▪ 耳轴和托圈用法兰盘、螺栓或焊接等方式连接成整体。
⑵ 倾动机构 ▪ 作用：是倾动炉体，以满足兑铁水、加废钢、取样、 出钢和倒渣等操作的要求
▪ 要求：
① 在整个生产过程中，满足工艺要求。如以一定的转速连续回转360°， 可以停留在任何位置，能与氧枪等有一定连锁要求； ② 安全可靠的运转。即使某一部分发生事故，倾动机械也可继续工作， 维持到一炉钢结束； ③ 适应高温、动载荷、扭振的作用，具有较长的寿命。
⑴ 铁水供应设备 ▪ 主要有三种： ① 高炉—铁水罐车—混铁炉—铁水罐—称量—转炉。 ② 高炉—混铁车—铁水罐—称量—转炉。 ③ 高炉—铁水罐车—铁水罐—称量—转炉。
▪ 混铁炉：是铁水的中间贮存设备，以协调高炉与转炉之间铁 水供求的不一致性，保证供应及时。同时还有均匀不同高炉 和不同时间的铁水。
▪ 混铁车：兼有运送和贮存铁水两种作用，实质上是列车式的 小型混铁炉
转炉常用炉型图
a—筒球形；b—锥球形；c—截锥形
300吨转炉炉型图
转炉主要尺寸
⑸ 转炉炉容比（V/T）
▪ 概念：是指转炉转炉内自由容积V与金属装入量T之比， m3/t。 炉容比过大，投资增加；炉容比过小，会喷溅及对炉衬的冲 刷加剧，使提高供氧强度受到限制，不利于提高生产率。 大型转炉的炉容比一般在0.9～1.05 m3/t之间，而小型转炉 的炉容比在0.8 m3/t左右。
7.2.4 转炉烟气净化与回收设备
▪ 通常将炉内原生的气体称为炉气，炉气出炉口后则称为烟 气 ▪ 炉气成分：主要CO和CO2，此外，还含有大量的铁和其 它氧化物粉尘。在进入烟罩与净化系统时，或多或少地吸 入部分空气使CO燃烧，炉气成分等均发生变化。
⑴ 转炉烟气的特点：温度高(1450～1800℃,平均1500 ℃)、气量多、含尘量大，气体具有毒性和爆炸性，直接 排放有很大的危害，必须净化、回收。
⑹ 转炉高径比（H/D）
▪ 概念：是指转炉腔内的自由空间的高度(单位m)与熔池直径 (单位m)之比。 ▪ 高径比一般为0.8-1.8； ▪ 作用： 1）决定转炉氧枪的吹炼强度，冶炼时间等； 2）同时影响溅渣的好坏； 3）决定氧枪喷头的设计参数，如喷头的射流角等。
7.2.2 转炉供料设备
▪ 供料设备包括：铁水、废钢、铁合金和散状材料(熔剂)供料 设备等
▪
加强交通建设管理，确保工程建设质 量。00:10:2700:10:2700:10M onday, October 19, 2020
▪
安全在于心细，事故出在麻痹。20.10.1920.10.1900:10:2700:10:27October 19, 2020
▪
踏实肯干，努力奋斗。2020年10月19 日上午1 2时10 分20.10. 1920.1 0.19
2）温度。 铁水物理热得占转炉热收入的50%。入炉铁水温度应大于 1200℃～1300℃ ，并且要相对稳定。
⑵ 废钢 废钢量一般是总装入量的10%-30%。既是金属料又是冷却剂
⑶ 铁合金 脱氧剂和合金化元素,如Fe-Mn、Fe-Si、Fe-Cr等。
7.1.2 辅助材料
⑴ 造渣材料
① 石灰(CaO) 作用：脱磷、脱硫、保护炉衬。 活性石灰：把具有高反应能力、体积密度小、气孔率高、比表面积大、晶
转炉护炉技术(溅渣护炉)
▪ 炉衬寿命：炉衬寿命影响转炉的工作时间及生产成本。炉 龄是钢厂一重要生产技术指标。 ▪ 炉衬损坏的原因： ① 铁水、废钢及炉渣等的机械碰撞和冲刷； ② 炉渣及钢水的化学侵蚀； ③ 炉衬自身矿物组成分解引起的层裂； ④ 急冷急热等因素。
▪ 溅渣护炉是维护炉衬的主要手段； ▪ 其基本原理：利用高速氮气射流冲击熔池液面，将MgO饱 和的高碱度炉渣喷溅涂敷在炉衬表面，形成一层具有一定耐 火度的溅渣层。
▪ 特点：此法由于烟气中CO含量高，需注意防爆防毒，要求整个除尘系
统必须严密，其控制水平也较高。但由于其废气量小，整个冷却、除尘 系统设备较小，又可回收大量煤气及部分热量，故近年来国内外多采用 此法。
300吨氧气转炉煤气回收法(OG法)的工艺流程。
课后思考题
▪ 转炉炼钢原料有哪些？ ▪ 何为石灰有效熔剂性？ ▪ 何为活性石灰？ ▪ 转炉炉衬包括那几层？ ▪ 转炉内形包括哪些类型？ ▪ 何为转炉炉容比？ ▪ 何为转炉高径比？ ▪ 何为溅渣护炉，有何作用？
7.2.3 转炉供氧设备
氧气顶吹转炉炼钢主体设备及氧枪
▪ 供氧系统由：制氧机、加压机、中间储气箱、输氧管、 控制闸阀、测量仪表及喷枪等主要设备组成。
▪ 氧枪 ▪ 又名喷枪或吹氧管，担负着向熔池吹氧的任务。 ▪ 采用循环水冷却的套管结构；由喷头、枪身及尾部结构所 组成。
▪ 喷头：
▪ 采用紫铜制成，内通高压水强制冷却，均为超音速喷头。
③白云石(CaCO3·MgCO3) 经焙烧可得轻烧白云石（CaO·MgO），白云石的作用如下： ▪ 采用生白云石或轻烧白云石代替部分石灰造渣，可减轻炉渣 对炉衬的侵蚀。 ▪ 溅渣护炉操作时，通过加入适量的生白云石或轻烧白云石保 持渣中的MgO含量达到饱和或过饱和，使终渣能够做黏，出 钢后达到溅渣的要求。 ▪ 促进前期化渣(生成共熔点化合物，都比C2S的熔点低的多)
7.2 转炉设备
▪ 转炉炼钢：转炉、转炉倾动机构、供料系统、供氧系统、 烟气净化与回收系统、钢包及钢包回转台、渣罐及台车 ▪ 钢包及钢包台车：钢包用于盛装钢水；钢包台车将钢水运 送到不同的加工、处理地点。 ▪ 渣罐及台车：渣罐用于盛装热炉渣；钢渣台车将热炉渣运 送到不同的加工、处理地点。
7.2.1 转炉炉体及转炉倾动系统
▪
追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。2020年10月19日星期 一上午12时10分27秒00:10:2720.10.19
▪ 倾动机构通常有以下几种类型： ① 落地式； ② 半悬挂式：部分中型转炉采用； ③ 全悬挂式：我国大部分大中型转炉都采用此种类型。
转炉半悬挂式倾动机构
300 t 转炉全悬挂装置
⑶ 转炉炉衬
▪ 金属炉壳内砌筑的耐火材料即为炉衬。
▪ 转炉炉衬：由工作层、填充层和永久层组成。 ① 工作层：材质采用镁碳砖，其具有良好的耐火度、高温强度、耐蚀性 和抗热震性。工作层厚度为350～800 mm。 ② 填充层：工作层和永久层之间，由镁砂和焦油捣打成，厚度在80～150 mm。 ③ 永久层：保护炉壳，在靠近炉壳内壁砌上一层或多层标准砖，修炉时 一般不拆除。一般用标准镁砖修砌，其厚度65～345mm，炉底永久层要 厚些。
▪ 工艺特点： ① 操作简便； ② 成本低； ③ 时间短，一般只需3～4min ④ 溅渣均匀覆盖在整个炉膛内壁上，基本上不改变炉膛形状； ⑤ 工人劳动强度低，无环境污染； ⑥ 炉膛温度较稳定，炉衬砖无急冷急热的变化； ⑦ 利于提高钢产量和平衡、协调生产组织。
⑷ 转炉炉型及设计参数
① 转炉炉型：指新砌砖的转炉由耐火材料构成的内部形状 尺寸，即为炉膛的几何形状。 ② 类型：国内外转炉炉型主要有筒球型、锥球型和截锥型。 我国推荐用转炉炉型是筒球型和截锥型，容量100 t 以下的 转炉一般采用截锥型活炉底，容量在150 t 以上的转炉一般 采用筒球型死炉底。此外，有些炉子也用锥球型和大炉膛转 炉。转炉炉型目前有从细高向矮胖演变的趋势
⑵ 氧气顶吹转炉烟气的处理 ▪ 处理般过程包括三部分： ① 对含有大量CO的高温炉气的处理； ② 然后对出炉口后的烟气进行收集和冷却； ③ 将冷却后的烟气进行净化。
▪ 氧气顶吹转炉烟气的净化处理方式主要分两大类：
① 燃烧法： ▪ 原理：即在炉气离开炉口进入烟罩时，使其与大量空气 混合，使炉气中的CO全部燃烧。采用较大的空气过剩系数。利用过剩的空气和水 冷烟道对烟气冷却，然后进入文氏管湿法净化系统进一步冷却，最后排入大气。 ▪ 特点：这种方法不能回收煤气和余热。炉气的化学热和物理热全部浪费掉了，而 且由于吸入空气量大，进入净化系统的烟气量大大增加，使设备占地面积大，投资 和生产费用比未燃法高。但因不回收煤气，烟罩结构和净化系统的操作、控制较简 单。
⑵ 氧化剂 ① 氧气
转炉炼钢的主要氧源，氧气纯度，超过98%；氧气压力要稳定，
0.6作用
⑶ 冷却剂 ▪ 作用：准确命中转炉终点温度。 ▪ 种类：废钢、氧化铁皮、铁矿石、烧结矿、球团矿、石灰石 等。 ⑷ 增碳剂 种类：木炭、电极粉、焦炭粉、生铁等。
粒细小的优质石灰称为活性石灰 有效熔剂性：熔剂含有的碱性氧化物扣除其自身酸性氧化物造渣所需的碱
性氧化物后剩余的碱性氧化物质量分数。 ② 萤石（主要成分：CaF2，含有SiO2、Al2O3杂质） 作用：化渣。 原理： 1）萤石与CaO作用形成1635K的共晶体，直接促进石灰熔化； 2）能显著降低2CaO·SiO2的熔点(生成3CaO·CaF2·2SiO2，熔点1362℃)； 3）能降低炉渣粘度，认为氟离子切断了硅酸盐链状结构。
谢谢各位，下次课继续探讨！
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树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20.10.1920.10.19Monday, October 19, 2020
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人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。00:10:2700:10:2700:1010/19/2020 12:10:27 AM
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安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.10.1900:10:2700:10Oc t-2019- Oct-20
▪ 喷头的类型按结构形状，可分为拉瓦尔型、直简型、螺 旋型等；按喷孔数目，可分为单孔、三孔和多孔喷头。
▪ 拉瓦尔喷头是：收缩—扩张型喷头，截面最小处为喉口
▪ 工作原理是：高压低速的气流经收缩段时，气流的压力能转化为动
能，使气流获得加速度，当气流到达喉口截面时，气流速度达到音速。 在扩张段内，气流的压力能除部分消耗在气体的膨胀上外，其余部分 继续转化为动能，使气流速度继续增加。在喷头出口处，当气流压力 降到与外界压力相等时，即获得了远大于音速的气流速度。 ▪ 最常用的为三孔拉瓦尔喷头