氧氣煉鋼工作原理及過程

煉鋼主要是除去里面的雜雜質比如碳、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發(fā)生氧化反應，從而減低鋼材雜質的含量，常見如在高溫下氧氣易與鐵礦中的碳發(fā)生反應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、硫等雜質元素的反應速度，縮短煉鋼周期，提高產品質量。

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。

氧氣煉鋼工藝從最初的設想到首次實現(xiàn)工業(yè)化應用經歷了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) 埋入式側吹，將空氣吹入固定式轉爐的爐底附近 。

(3) 底吹，將空氣吹進一個可旋轉的不對稱轉爐中。這就是貝塞麥工藝或堿性貝塞麥一托馬斯工藝。當可獲得大量氧氣后，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 熔池充分攪拌。

(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轉爐上進行的。

但由于種種原因，比如耐材問題，風口損壞，噴濺嚴重、鋼水質量等，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貝塞麥轉爐上進行頂吹氧氣試驗。獲得的最重要結果是，證實了深入熔池內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)出用碳氫化合物保護底吹風口的方案 。

(9) 底 吹和復吹轉爐技術的進一步改善，也促進了氧氣頂吹結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部分頂吹熱空氣結合底吹氧氣。氧氣頂吹時與CO反應生成CO2

根據(jù)氧氣吹入的方式主要有：

氧氣頂吹轉爐煉鋼法

氧氣底吹轉爐煉鋼法

氧氣側吹轉爐煉鋼法

20世紀60年代中期,我國設計、科研、制造、生產人員共同協(xié)作，開展了大型氧氣頂吹轉爐煉鋼廠的設計，1971年容量120t的大型轉爐煉鋼廠于1971年在攀枝花鋼鐵公司順利建成投產。1978年我國寶鋼首次從國外引進了300t大型轉爐成套設備,1985年建成投產。通過對寶鋼引進大型轉爐煉鋼技術的學習、消化,于20世紀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了180t，210t，250t大型氧氣頂?shù)讖痛缔D爐，從此，我國轉爐煉鑄進入了高速發(fā)展期。

近年,我國轉爐氧耗明顯降低；一方面很多轉爐廠建設了鐵水預處理和二次精煉設備，“分段冶煉”有利于降低轉爐氧耗；其次，煉鋼過程控制水平和復吹比例提高；另外，氧槍設計、制造技術的進步和供氧制度的優(yōu)化。我國轉爐吹煉氧氣的消耗在55~70m3/t,少數(shù)轉爐消耗達到50m3/t，水平為55~60m/t，2006年日本轉爐煉鋼的氧氣消耗為59.9m/t,可見，我國轉妒氧氣消耗水平已接近國際先進水平；少數(shù)轉爐處于領先地位。

為了克服空氣側吹轉爐煉鋼熱效率低、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，中國東北工學院(冶金系、沈陽第一鋼廠、唐山鋼廠參照氧氣底吹轉爐使用油、氧噴嘴的經驗，將側吹轉爐的風嘴改為油、氧噴嘴，解決了吹氧煉鋼的噴嘴壽命問題。于是空氣側吹堿性轉爐煉鋼法被改造成為氧氣側吹轉爐煉鋼法。氧氣側吹轉爐煉鋼的工藝操作和空氣側吹堿性轉爐煉鋼基本相同。只是由于不再把空氣中大量的氮吹入爐內，熱效率提高，原料中廢鋼比可達10%～25%，鋼鐵料消耗降低30～100kg/t鋼，鐵損減少使爐齡也有了提高。油、氧噴嘴的構造如圖4所示。它由兩根同心套管組成，外管為無縫鋼管，內管為紫銅管。銅管內通氧氣，外壁切削出幾條細的螺旋油槽，和外層鋼管構成輕柴油的通路。輕柴油和氧同時吹入爐內，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座空氣側吹堿性轉爐改造成氧氣側吹轉爐，總容量達150_t。在推廣應用吹氧后，發(fā)現(xiàn)氧氣側吹轉爐容量仍然不能增大。側吹轉爐的除塵設備大(因為需要在吹煉時傾動爐身，8t側吹轉爐和25t頂吹轉爐的除塵設備相當);氧氣側吹轉爐消耗輕柴油4～8L/t;鋼鐵料消耗比頂吹轉爐高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吹轉爐車間還在繼續(xù)生產外，其余的氧氣側吹轉爐或改為頂吹氧氣轉爐，或者停止了生產。

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氧氣純度在99％以上。吹入氧氣的方式有頂吹、側吹、底吹三種。1952年，頂吹氧氣轉爐最早研究開發(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。為了使氧流達到液面時仍有必要的動能和動量，噴嘴出口的氧氣壓力達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，反應速率極高。據(jù)實際測定，當熔池平均含碳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速率高的原因。由于反應速率高，放出化學熱的反應速率也高，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，所以鋼的質量優(yōu)良。再加上轉爐煉鋼有極高的生產率（30～40分鐘產出一爐鋼），煉鋼不消耗能量，甚至產生二次能源。由于上述優(yōu)點，使氧氣轉爐煉鋼發(fā)展極快；由1952年誕生到1970年不到20年的時間，氧氣轉爐鋼產量就超過了平爐鋼；20世紀90年代末期，氧氣轉爐鋼年產量達3.5億～4.0億噸，已超過總產鋼量的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，于是法國、聯(lián)邦德國等國利用這一技術開發(fā)底吹氧氣轉爐煉鋼。底吹轉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改造側吹堿性轉爐，也研發(fā)成功世界特有的側吹氧氣轉爐煉鋼。在研究底吹氧氣轉爐中發(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。于是產生了頂?shù)讖秃洗禑掁D爐。更多類型的復吹轉爐只從爐底吹入氮、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，幾乎所有的氧氣轉爐都改造成這種類型的復吹轉爐；而生產超低碳鋼種的轉爐，采用部分氧底吹、部分氧頂吹的方法。單純的頂吹轉爐和底吹轉爐已不復存在。

為了適應氧氣側吹轉爐煉鋼這一新生事物迅速發(fā)展的需要，保證上述任務的完成，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“氧氣側吹轉爐煉鋼”，列為國家重點科研項目。加強領導，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。

②在冶金部和有關省、市、自治區(qū)冶金局的領導下，組織有關生產、設計、科研教學等單位，根據(jù)生產需要，開展調查研究工作，盡快提出現(xiàn)有車間改造的合理方案和新建小型轉爐車間的標準設計，以及開展全氧側吹轉爐大型化和其它長遠發(fā)展課題的研究 。2100433B