氧氣煉鋼發(fā)展歷程

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

(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，將空氣吹進一個可旋轉(zhuǎn)的不對稱轉(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年間進行了重要的開發(fā)工作。

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

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

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

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

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

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

(9) 底 吹和復(fù)吹轉(zhuǎn)爐技術(shù)的進一步改善，也促進了氧氣頂吹結(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。氧氣頂吹時與CO反應(yīng)生成CO2

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。同時吹入氧氣可以促進燃料燃燒，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。

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，通過向煉鐵過程供氧，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。它包括通過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程，將自精餾的第二氧流供往煉鐵過程，其中第一和第二氧流基本上都自精餾的相同的級排出，且都含97—98%（體積）的氧和小于100ppm（體積）的氮。

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

20世紀(jì)60年代中期,我國設(shè)計、科研、制造、生產(chǎn)人員共同協(xié)作，開展了大型氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼廠的設(shè)計，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年我國寶鋼首次從國外引進了300t大型轉(zhuǎn)爐成套設(shè)備,1985年建成投產(chǎn)。通過對寶鋼引進大型轉(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，我國轉(zhuǎn)爐煉鑄進入了高速發(fā)展期。

近年,我國轉(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，煉鋼過程控制水平和復(fù)吹比例提高；另外，氧槍設(shè)計、制造技術(shù)的進步和供氧制度的優(yōu)化。我國轉(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，我國轉(zhuǎn)妒氧氣消耗水平已接近國際先進水平；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，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的強烈侵蝕。1973年，中國東北工學(xué)院(冶金系、沈陽第一鋼廠、唐山鋼廠參照氧氣底吹轉(zhuǎn)爐使用油、氧噴嘴的經(jīng)驗，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的壽命。

從1974年到1976年，中國有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(因為需要在吹煉時傾動爐身，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，到90年代初，除唐山鋼廠一個氧氣側(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)爐最早研究開發(fā)成功(見圖)。頂吹時，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)到液面時仍有必要的動能和動量，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）。帶有巨大動能的氧流把熔池中心沖成一個旋轉(zhuǎn)拋物面形的凹坑，通過對凹坑表面的摩擦把動量傳遞給熔池，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)實際測定，當(dāng)熔池平均含碳1.0％～1.5％時，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）未進入熔池帶走熱量，因而氧氣轉(zhuǎn)爐熱量有富余，可以用來熔化廢鋼。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，此外由于可用計算機進行自動控制，使終點鋼的成分和溫度更為精確，所以鋼的質(zhì)量優(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，使氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼發(fā)展極快；由1952年誕生到1970年不到20年的時間，氧氣轉(zhuǎn)爐鋼產(chǎn)量就超過了平爐鋼；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、聯(lián)邦德國等國利用這一技術(shù)開發(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”，列為國家重點科研項目。加強領(lǐng)導(dǎo)，提供必要的條件，扶植這一社會主義新生事物的茁壯成長，為趕超世界先進水平，為加速我國鋼鐵工業(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、科研教學(xué)等單位，根據(jù)生產(chǎn)需要，開展調(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，以及開展全氧側(cè)吹轉(zhuǎn)爐大型化和其它長遠(yuǎn)發(fā)展課題的研究 。2100433B