180t顶吹氧转炉炉型设计 (正文部分)

1.3.1 氧气顶吹转炉技术的起源
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。可就在 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，大 量的廉价氧气能够生产，供工业使用，氧气炼钢又为冶金界所注意。此后有诸 多科学家在氧气炼钢上进行不断地实验，但都以这样或那样的失败告终。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，这样转炉吹氧炼钢的实验室试验宣告完成。 从实验室研究向工业化试验的进一步发展是由奥地利的沃埃施特公司完 成的。第二次世界大战后奥地利面临重建钢铁工业的需要，该国缺少废钢使得 平炉或电炉炼钢法缺乏竞争力。沃埃施特公司注意到了丢勒尔的试验，决心开 发一个具有竞争力的新的炼钢方法。1949 年 5 月在奥地利累欧本(Leoben)开了 一次氧气炼钢的讨论会， 决定冯•罗尔、 曼内斯曼(Mannesmann)、 阿尔派(ALPINE) 和沃埃施特 4 个公司协作， 在沃埃施特的林茨(Linz)钢厂作进一步的试验。 1949 年 6 月在林茨建成 2t 顶吹氧试验转炉， 由苏埃斯(T． Suess)和豪特(H． Hauttmann) 负责，在丢勒尔参与下，成功地解决了合适的氧气压力、流量和喷嘴与熔池面 距离等工艺操作问题。之后迅速建立 15t 试验转炉，广泛研究新方法所冶炼钢 的品质。由于钢的质量很好而且炼钢工艺的效率很高，1949 年末该公司决定在 林茨投资建设世界第一个氧气顶吹转炉工厂。并命名该炼钢法为 LD 法。林茨的 30tLD 转炉工厂于 1952 年 11 月投产。 翌年春季第 2 个 30tLD 转炉工厂在奥地利 多纳维兹([)onawitz)建成投产。1950 年由苏埃斯申请得到专利权。推动炼钢工
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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%。 （2） 优化转炉炼钢工艺 炼铁炼钢各阶段脱硫过程规律表明， 在铁水中比在钢水中更容易保证脱硫反 应， 因为在含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。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 在转炉冶炼中难以实现深脱硫，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。 将脱硫从高炉及转炉中分离出来， 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%-1.0% 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。 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%）条件下停止吹炼时，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。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 铁可节省锰矿石和其他诸多原料，如：锰铁、石灰、氧气等，并可大大缩短吹炼 时间。铁水中硅、锰含量低及无需脱硫，这些条件会改变造渣机理及动力特性，
1.3.4 氧气顶吹转炉技术在中国
20 世纪 50 年代中期，中国有科学家大力提倡发展氧气转炉炼钢，北京钢铁 研究总院、 中国科学院化工冶金研究所、北京钢铁学院(北京科技大学前身)等也 进行了实验室规模的氧气转炉炼钢试验。 然而对于中国发展氧气转炉炼钢的可行 性，冶金界没有统一认识。当时西方国家对中国实行经济封锁，只有前苏联可以 提供平炉炼钢成套设备， 中国的制氧机制造工业也还十分薄弱， 由于这些客观情 况，加上一些主观上的原因，中国氧气转炉炼钢发展比较缓慢。1964 年中国的
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第一座 30t 氧气顶吹转炉车间才在石景山钢铁厂(首都钢铁公司前身)建成投产。 1979 年全国氧气转炉钢产量超过平炉钢，1978～1985 年建设了宝山钢铁总厂 300t 氧气顶吹转炉，转炉炼钢技术方达到国际水平。1986 年氧气转炉钢产量超 过总产钢量的 50％。中国在氧气转炉炼钢的基本操作制度、可压缩性氧气射流 结构和多孔喷枪的设计、含钒生铁吹炼工艺、创造不烘炉炼钢操作、改进白云石 炉衬质量和研究白云石造渣工艺以提高转炉炉龄等方面， 也进行了许多研究和开 发工作。 而现如今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, 平炉被淘汰, 充裕的生铁资源， 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。 其次， 由于新建一批大、中型转炉以及原有小型转炉的扩容改造， 转炉炼钢厂生产规 模均有所扩大, 因此大、 中型转炉钢产量大幅度提高，再加上转炉冶炼新钢种的 开发与高附加值钢种的大幅度增长，转炉生产工艺进一步优化，转炉自动化水平 不断提高， 转炉消耗指标逐步降低和市场的强劲需求，在将来转炉炼钢仍然具有 相当可观的前景和工业生产地位。
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第一章
1.1 炼钢技术的简史
绪论
从人类社会步入工业时代开始， 钢铁材料一直是人类社会最主要使用的结构 材料,也是产量最大、应用最广泛的功能材料，在经济发展中发挥着举足轻重的 作用，被称为“工业之脊梁” 。尽管近年来钢铁面临着陶瓷材料、高分子材料、 有色金属材料（如铝）等的竞争，但由于其在矿石储量、生产成本、回收再利用 率、综合性能等方面所具有的明显优势，在可以预见的将来，钢铁在工业生产中 相比其他各类材料所具备的优越性和重要地位仍不会改变。
1.1.2 炼钢技术的发展
早在 1856 年英国人贝斯麦就发明了底吹酸性转炉炼钢法，这种方法是近代 炼钢法的开端，它为人类生产了大量廉价钢，促进了欧洲的工业革命。但由于此 法采用酸性炉衬， 故不能去除硫和磷两种元素， 因而其发展受到了限制。 1879 年
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出现了托马斯底吹碱性转炉炼钢法， 它使用带有碱性炉衬的转炉来处理高磷生铁。 虽然转炉法可以大量生产钢， 但它对生铁成分有着较严格的要求，而且一般不能 多用废钢 。随着工业 的进一步发展，废钢越来越多。在酸性转炉炼钢法发明不 到十年，法国人马丁利用蓄热原理，在 1864 年创立了平炉炼钢法，1888 年出现 了碱性平炉。平炉炼钢法对原料的要求不那么严格，容量大，生产的品种多，所 以不到 20 年它就成为世界上主要的炼钢方法，直到 20 世纪 50 年代，在世界钢 产量中，约 85%是平炉炼出来的。1952 年在奥地利出现纯氧顶吹转炉，它解决了 钢中氮和其他有害杂质的含量问题，使质量接近平炉钢，同时减少了随废气（当 用普通空气吹炼时，空气含 79 %无用的氮）损失的热量，可以吹炼温度较低的 平炉生铁，因而节省了高炉的焦炭耗量，且能使用更多的废钢 。由于转炉炼钢 速度快（炼一炉钢约 10min，而平炉则需 7h） ，负能炼钢，节约能源，故转炉炼 钢成为当代炼钢的主流。 在 20 世纪 80 年代中后期，西欧、日本、美等又相继开发成功了顶底复吹氧 气转炉炼钢法，在此法中，氧气由顶部氧枪供入，同时由炉底喷口吹入氩，氮等 气体对熔池进行搅拌（也可吹入少部分氧气） 。顶底复吹转炉炼钢既具备顶吹转 炉炼钢化渣好、废钢用量多的长处，同时又兼备氧气底吹转炉炼钢熔池搅拌好、 铁和锰氧化损失少、 金属喷溅少等优点，因而目前世界上较大容量的转炉绝大多 数都采用了顶底复合转炉炼钢工艺。
1.4 氧气顶吹转炉炼钢的未来
氧气顶吹转炉炼钢法具有冶炼速度快、炼出的钢种较多、质量较好，以及建 厂速度快、投资少等许多优点。但在冶炼过程中都是氧化性气氛，去硫效率差， 昂贵的合金元素也易被氧化而损耗，因而所炼钢种和质量就受到一定的限制 [1]。 由参考文献[1]得知
1.4.1 氧气顶吹转炉炼钢的趋势
1.3 氧气顶吹转炉的世界发展历程
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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。氧在用于燃烧之后，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。
转炉炼钢工艺各项指标取决于铁水的化学成分，所以提高铁水成分质量对转 炉炼钢的优化有着重要意义。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（0.7%-0.9%）及具有优化造渣所需的锰量（0.8%-1.0%） 。所 以其趋势主要是： （1） 提高钢水洁净度
铁水预处理有助于改进ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ炉操作指标及提高钢的质量。 美国及西欧各国铁水
1.2 氧气顶吹转炉炼钢法的冶金特征
氧气顶吹转炉在国外一般被称为 LD 转炉（Linz-Donawit 工厂的缩写） ，或 称为 BOF 转炉（Basic Oxygen furnace 的缩写） 。此炼钢方法继承了过去的空气 吹炼转炉的优点，又克服了其缺点。与电炉炼钢相比，该方法具有如下优点：1. 生产率高；2.对铁水成分的适应性强；3.废钢使用量高；4.可生产低硫、低磷、 低氮及低杂质钢；5.可生产几乎所有主要钢品种。正因为有这些长处，氧气顶吹 炼钢法在 1950 年后迅速发展成为世界上主要的炼钢方法。
顶吹转炉炼钢的习惯称呼。但美国矿冶工程师协会(AIME)主持编写的权威著作 《BOFSteelmaking》中明确承认丢勒尔(Durrer)在开发氧气转炉炼钢上的贡献。
1.3.3 氧气顶吹转炉技术在日本
日本对于发展氧气转炉炼钢非常关注，先经过多次考察，在 1951 年用 5t 钢包改造的试验装置进行试验(包括空气侧吹的试验)后， 决心向沃埃施特和阿尔 派(现已合并为奥钢联 VAI)购买专利特许权，于 1957 年在八幡建设第一个 LD 车 间，到 1963 年其 LD 钢产量 662t 超过平炉钢。1978 年关闭所有的平炉，前后仅 历 20 年。日本对顶吹转炉炼钢理论研究、扩大炼钢品种、改进炉衬耐火材料和 提高炉龄、炉气回收技术、用副枪测取冶炼信息和计算机自动控制、分解炼钢操 作功能使转炉冶炼更加简化、 配合连铸机实现全连铸炼钢生产等方面，均进行了 深入研究和技术创新。日本已成为氧气转炉炼钢技术最发达的国家。
1.1.1 炼钢技术的任务
炼钢学是一门研究如何将高炉铁水（生铁） 、直接还原铁（DRI、HBI）或废 钢（铁）加热、融化，通过化学反应去除铁液中的有害杂质元素，配加合金并浇 铸成半成品——铸坯并不断优化和创新的工程科学。 炼钢包括以下主要过程： （a） 去除钢中的氮、磷、硫、氧、氢等杂质组分以及由废钢带入的混杂元 素铜、锡、铅、铋等； （b） 为了保证冶炼和浇铸的顺利进行，需将钢水加热升温至 1600~1700 度； （c） 普通碳素钢通常需含锰、 硅， 低合金钢和合金钢则需含有鉻、 镍、 钼、 钨、 钒、 钛、 铌、 铝等， 为此在炼钢过程中需向钢液配加有关合金以使之合金化； （c） 去除钢液中内生和外来的各类非金属夹杂物； （d） 将合格钢水浇铸成方坯、小方坯、圆坯、板坯等； （e） 节能和减少排放，包括回收转炉炼钢煤气、炼钢烟气余热利用、减少 烟尘和炉渣排放以及炼钢烟尘污泥、炉渣、耐火材料等的返回再利用。
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业再次大变革的氧气顶吹转炉炼钢法登上了历史舞台。该法问世后，数十年内 迅速取代了平炉炼钢而成为世界上最主要的炼钢方法。
1.3.2 氧气顶吹转炉技术在北美
美国是平炉炼钢大国， 有平炉熔池吹氧的经验。美国同时又是第二次世界大 战的最大战胜国，工业基础雄厚。在得知转炉氧气炼钢的信息后，美国麦克劳斯 (McLouth)公司和加拿大多法斯柯(DOFASCO)公司于 1954 年各迅速建成一个 35t 氧气顶吹转炉车间并投产。 随后 1957 年琼斯一拉弗林(Jones—Laughlin)公司阿 里奎帕(Aliquippa)厂建成当时世界最大的(80t 级)顶吹氧气转炉。美国人没有 购买奥地利的专利， 由此发生了关于氧气顶吹转炉炼钢专利权的纠纷，最终美国 方面胜诉。BOF 法(Basic oxygen Furnace 的第一个字母构成)成为北美对氧气