氧氣煉鋼

氧氣煉鋼工藝從最初的設(shè)想到首次實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用經(jīng)歷了150年，而對(duì)于整個(gè)鋼鐵工業(yè)的影響是革命性的，針對(duì)于氧氣的吹入方式，氧氣煉鋼轉(zhuǎn)爐工藝的發(fā)展歷程可以用10個(gè)里程碑事件來(lái)描述：

(1) 一 封1855年的專利信中提到插入式頂吹方案，用一根耐火粘土吹管噴吹空氣 。

(2) 埋入式側(cè)吹，將空氣吹入固定式轉(zhuǎn)爐的爐底附近 。

(3) 底吹，將空氣吹進(jìn)一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的不對(duì)稱轉(zhuǎn)爐中。這就是貝塞麥工藝或堿性貝塞麥一托馬斯工藝。當(dāng)可獲得大量氧氣后，1930—1949年間進(jìn)行了重要的開(kāi)發(fā)工作。

(4)1936—1939年間 ，重點(diǎn)研究了底吹工藝，但這時(shí)增加了吹氧以保證 熔池充分?jǐn)嚢琛?

(5 ) 隨后，加強(qiáng)了頂吹，確保了氧氣射流進(jìn)入熔池深處進(jìn)行攪拌 (施瓦茨專利 ，1939 年 )。

(6) 在此期間還試驗(yàn)了從轉(zhuǎn)爐爐壁 下部 以一定角度頂吹氧氣。試驗(yàn)是在加拉芬根一臺(tái)由Durrer和Hellbrfigge提供的2t轉(zhuǎn)爐上進(jìn)行的。

但由于種種原因，比如耐材問(wèn)題，風(fēng)口損壞，噴濺嚴(yán)重、鋼水質(zhì)量等，上述 (4)～ (6)項(xiàng)研究沒(méi)有得到工業(yè)化推廣。

(7) 1949年6月，奧地利林茨的 鋼聯(lián)公司開(kāi)始在一臺(tái)改進(jìn)的2t貝塞麥轉(zhuǎn)爐上進(jìn)行頂吹氧氣試驗(yàn)。獲得的最重要結(jié)果是，證實(shí)了深入熔池內(nèi)部的氧氣射流及其強(qiáng)大動(dòng)能并不是攪動(dòng)金屬熔體和渣所必須的。

(8) 在 1936—1939年間進(jìn)行的底吹氧氣試驗(yàn)幾乎3O年之 后，開(kāi)發(fā)出用碳?xì)浠衔锉Ｗo(hù)底吹風(fēng)口的方案 。

(9) 底 吹和復(fù)吹轉(zhuǎn)爐技術(shù)的進(jìn)一步改善，也促進(jìn)了氧氣頂吹結(jié)合惰性氣體底吹攪拌工藝的改善 。

(10 ) 最新的發(fā)展很可能是在高碳范圍內(nèi)部分頂吹熱空氣結(jié)合底吹氧氣。氧氣頂吹時(shí)與CO反應(yīng)生成CO2

根據(jù)氧氣吹入的方式主要有：

氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法

氧氣底吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法

氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法

在現(xiàn)代鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中，氧氣是重要的工業(yè)氣體，用量很大，氧氣煉鋼就是一種氧氣煉鋼方法，通過(guò)向煉鐵過(guò)程供氧，使氧和碳反應(yīng)生成二氧化碳除去一氧化碳用于煉鐵，將鐵從化合物中還原出來(lái)。它包括通過(guò)空氣的精餾使氧與空氣分離，將自精餾的第一氧流供往煉鋼過(guò)程，將自精餾的第二氧流供往煉鐵過(guò)程，其中第一和第二氧流基本上都自精餾的相同的級(jí)排出，且都含97—98%（體積）的氧和小于100ppm（體積）的氮。

煉鋼主要是除去里面的雜雜質(zhì)比如碳、磷等元素，用氧氣在高溫條件下，可以是碳和磷氧化除去，從而達(dá)到煉鋼的目的。首先通過(guò)精餾使氧氣流和空氣分離，其中該氧氣含97－98%（體積）的氧和小于100ppm（體積）的氮，之后使鐵水與通過(guò)精餾與空氣分離的氧氣流接觸。利用氧氣的氧化性使煉鋼順利完成，在煉鋼過(guò)程中氧氣與鐵礦中的部分雜質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，從而減低鋼材雜質(zhì)的含量，常見(jiàn)如在高溫下氧氣易與鐵礦中的碳發(fā)生反應(yīng)生成一氧化碳和二氧化碳。同時(shí)吹入氧氣可以促進(jìn)燃料燃燒，加速原料和難熔合金的熔化，提高氧與鐵水中碳、硅、錳、磷、硫等雜質(zhì)元素的反應(yīng)速度，縮短煉鋼周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

20世紀(jì)60年代中期,我國(guó)設(shè)計(jì)、科研、制造、生產(chǎn)人員共同協(xié)作，開(kāi)展了大型氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼廠的設(shè)計(jì)，1971年容量120t的大型轉(zhuǎn)爐煉鋼廠于1971年在攀枝花鋼鐵公司順利建成投產(chǎn)。1978年我國(guó)寶鋼首次從國(guó)外引進(jìn)了300t大型轉(zhuǎn)爐成套設(shè)備,1985年建成投產(chǎn)。通過(guò)對(duì)寶鋼引進(jìn)大型轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的學(xué)習(xí)、消化,于20世紀(jì)90年代中、后期，又在寶鋼二煉鋼廠、武鋼三煉鋼廠、鞍鋼三煉鋼廠、首鋼煉鋼廠先后建成投產(chǎn)了180t，210t，250t大型氧氣頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，從此，我國(guó)轉(zhuǎn)爐煉鑄進(jìn)入了高速發(fā)展期。

近年,我國(guó)轉(zhuǎn)爐氧耗明顯降低；一方面很多轉(zhuǎn)爐廠建設(shè)了鐵水預(yù)處理和二次精煉設(shè)備，“分段冶煉”有利于降低轉(zhuǎn)爐氧耗；其次，煉鋼過(guò)程控制水平和復(fù)吹比例提高；另外，氧槍設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的進(jìn)步和供氧制度的優(yōu)化。我國(guó)轉(zhuǎn)爐吹煉氧氣的消耗在55~70m3/t,少數(shù)轉(zhuǎn)爐消耗達(dá)到50m3/t，水平為55~60m/t，2006年日本轉(zhuǎn)爐煉鋼的氧氣消耗為59.9m/t,可見(jiàn)，我國(guó)轉(zhuǎn)妒氧氣消耗水平已接近國(guó)際先進(jìn)水平；少數(shù)轉(zhuǎn)爐處于領(lǐng)先地位。

為了克服空氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼熱效率低、鋼中含氮量高的缺點(diǎn)，用氧氣代替空氣吹煉是惟一的出路，但一般耐火材料噴嘴承受不了吹氧煉鋼時(shí)的強(qiáng)烈侵蝕。1973年，中國(guó)東北工學(xué)院(冶金系、沈陽(yáng)第一鋼廠、唐山鋼廠參照氧氣底吹轉(zhuǎn)爐使用油、氧噴嘴的經(jīng)驗(yàn)，將側(cè)吹轉(zhuǎn)爐的風(fēng)嘴改為油、氧噴嘴，解決了吹氧煉鋼的噴嘴壽命問(wèn)題。于是空氣側(cè)吹堿性轉(zhuǎn)爐煉鋼法被改造成為氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法。氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的工藝操作和空氣側(cè)吹堿性轉(zhuǎn)爐煉鋼基本相同。只是由于不再把空氣中大量的氮吹入爐內(nèi)，熱效率提高，原料中廢鋼比可達(dá)10%～25%，鋼鐵料消耗降低30～100kg/t鋼，鐵損減少使?fàn)t齡也有了提高。油、氧噴嘴的構(gòu)造如圖4所示。它由兩根同心套管組成，外管為無(wú)縫鋼管，內(nèi)管為紫銅管。銅管內(nèi)通氧氣，外壁切削出幾條細(xì)的螺旋油槽，和外層鋼管構(gòu)成輕柴油的通路。輕柴油和氧同時(shí)吹入爐內(nèi)，輕柴油在噴嘴出口受熱氣化和裂解，吸收了很多熱量，使噴嘴受到冷卻，噴嘴出口溫度保持在200～250℃，使噴嘴能正常吹氧而保持較長(zhǎng)的壽命。

從1974年到1976年，中國(guó)有26座空氣側(cè)吹堿性轉(zhuǎn)爐改造成氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐，總?cè)萘窟_(dá)150_t。在推廣應(yīng)用吹氧后，發(fā)現(xiàn)氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐容量仍然不能增大。側(cè)吹轉(zhuǎn)爐的除塵設(shè)備大(因?yàn)樾枰诖禑挄r(shí)傾動(dòng)爐身，8t側(cè)吹轉(zhuǎn)爐和25t頂吹轉(zhuǎn)爐的除塵設(shè)備相當(dāng));氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐消耗輕柴油4～8L/t;鋼鐵料消耗比頂吹轉(zhuǎn)爐高10～20kg/t。由于存在這些缺點(diǎn)，到90年代初，除唐山鋼廠一個(gè)氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐車間還在繼續(xù)生產(chǎn)外，其余的氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐或改為頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐，或者停止了生產(chǎn)。

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氧氣純度在99％以上。吹入氧氣的方式有頂吹、側(cè)吹、底吹三種。1952年，頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐最早研究開(kāi)發(fā)成功(見(jiàn)圖)。頂吹時(shí)，氧氣噴嘴不埋入鐵水中，和液面有1米左右的距離，可以用水冷卻噴嘴。為了使氧流達(dá)到液面時(shí)仍有必要的動(dòng)能和動(dòng)量，噴嘴出口的氧氣壓力達(dá)0.81～1.22兆帕，噴出的氧流為超聲速（450～500米/秒）。帶有巨大動(dòng)能的氧流把熔池中心沖成一個(gè)旋轉(zhuǎn)拋物面形的凹坑，通過(guò)對(duì)凹坑表面的摩擦把動(dòng)量傳遞給熔池，使熔池形成環(huán)流；另外，摩擦力又把金屬液體撕碎，形成大量小液滴彌散分布在渣中，成為乳化狀態(tài)。由于液滴有極大的界面積，反應(yīng)速率極高。據(jù)實(shí)際測(cè)定，當(dāng)熔池平均含碳1.0％～1.5％時(shí)，液滴中含碳量已降低到0.1％～0.7％；大量液滴是煉鋼反應(yīng)速率高的原因。由于反應(yīng)速率高，放出化學(xué)熱的反應(yīng)速率也高，熱損失少，再加上空氣中的氮（占4/5）未進(jìn)入熔池帶走熱量，因而氧氣轉(zhuǎn)爐熱量有富余，可以用來(lái)熔化廢鋼。另外，高速脫碳使熔池沸騰非常激烈，沸騰的CO氣泡將溶解在鋼中的氫、氮、氧帶出來(lái)，此外由于可用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，使終點(diǎn)鋼的成分和溫度更為精確，所以鋼的質(zhì)量?jī)?yōu)良。再加上轉(zhuǎn)爐煉鋼有極高的生產(chǎn)率（30～40分鐘產(chǎn)出一爐鋼），煉鋼不消耗能量，甚至產(chǎn)生二次能源。由于上述優(yōu)點(diǎn)，使氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼發(fā)展極快；由1952年誕生到1970年不到20年的時(shí)間，氧氣轉(zhuǎn)爐鋼產(chǎn)量就超過(guò)了平爐鋼；20世紀(jì)90年代末期，氧氣轉(zhuǎn)爐鋼年產(chǎn)量達(dá)3.5億～4.0億噸，已超過(guò)總產(chǎn)鋼量的50％。1965年加拿大空氣液化公司研究成功用烴類（柴油、丙烷）裂解吸熱可以冷卻吹氧噴嘴的技術(shù)，于是法國(guó)、聯(lián)邦德國(guó)等國(guó)利用這一技術(shù)開(kāi)發(fā)底吹氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼。底吹轉(zhuǎn)爐向熔池供氧可以不局限在一處，吹煉更平穩(wěn)，噴濺少，金屬收得率高。中國(guó)的冶金工作者利用該技術(shù)改造側(cè)吹堿性轉(zhuǎn)爐，也研發(fā)成功世界特有的側(cè)吹氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼。在研究底吹氧氣轉(zhuǎn)爐中發(fā)現(xiàn)，只需將20％～30％的氧由爐底吹入，70％～80％的氧仍由頂部吹入，效果和全部底吹差不多。于是產(chǎn)生了頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐。更多類型的復(fù)吹轉(zhuǎn)爐只從爐底吹入氮、氬等惰性氣體，全部氧保持頂吹，這樣也可以改進(jìn)熔池的攪拌，減少金屬氧化損失。所以，幾乎所有的氧氣轉(zhuǎn)爐都改造成這種類型的復(fù)吹轉(zhuǎn)爐；而生產(chǎn)超低碳鋼種的轉(zhuǎn)爐，采用部分氧底吹、部分氧頂吹的方法。單純的頂吹轉(zhuǎn)爐和底吹轉(zhuǎn)爐已不復(fù)存在。

為了適應(yīng)氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼這一新生事物迅速發(fā)展的需要，保證上述任務(wù)的完成，我們建議:

①將我國(guó)首創(chuàng)的、初獲較好效果并有重要發(fā)展前途的“氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼”，列為國(guó)家重點(diǎn)科研項(xiàng)目。加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)，提供必要的條件，扶植這一社會(huì)主義新生事物的茁壯成長(zhǎng)，為趕超世界先進(jìn)水平，為加速我國(guó)鋼鐵工業(yè)的發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)。

②在冶金部和有關(guān)省、市、自治區(qū)冶金局的領(lǐng)導(dǎo)下，組織有關(guān)生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、科研教學(xué)等單位，根據(jù)生產(chǎn)需要，開(kāi)展調(diào)查研究工作，盡快提出現(xiàn)有車間改造的合理方案和新建小型轉(zhuǎn)爐車間的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，以及開(kāi)展全氧側(cè)吹轉(zhuǎn)爐大型化和其它長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展課題的研究 。2100433B