炼钢工艺与设备概览课件

炼钢工艺与设备概览1主要内容一一 炼钢的基本任务炼钢的基本任务二二 炼钢用原材料炼钢用原材料三三 转炉炼钢工艺与设备转炉炼钢工艺与设备四四 电弧炉炼钢工艺与设备电弧炉炼钢工艺与设备五五 连续铸钢工艺与设备连续铸钢工艺与设备2钢铁生产流程一一 、炼钢的基本任务、炼钢的基本任务 炼钢的基本任务包括：1.脱碳、脱磷、脱硫、脱氧；2.去除有害气体和夹杂；3.提高温度；4.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，主要是以供入纯氧气，配合炉顶高位料仓加入石灰、白云山、氧化铁皮、出钢时加入合金材料等，电弧炉炼钢主要是供入强大电流，炉内石墨电极与废钢（钢液）形成电弧热，通过熔化-氧化-还原等手段，以获得所要求的钢液，浇成（模铸、连铸）合格钢钢锭或铸坯。5二二 、炼钢用原材料、炼钢用原材料 炼钢用原材料一般分为主主原原料料、辅辅原原料料和各种铁合金铁合金。61.金属料1)铁水：占金属料的（70100%）主要要求成分：Si、Mn、P、S温度：12001350度72)废钢 废钢是电弧炉炼钢的基本原料，用量约7090%；对氧气顶吹转炉炼钢，既是主原料之一，也是冷却效果稳定的冷却剂。通常占装入量的30以下，适当地增加废钢比，可以降低转炉钢消耗和成本。8废钢的分类：本厂废钢返回料（废钢锭、轧钢切头）回收料（加工废料，报废设备）外购废钢加工工业的废料（机械、造船、汽车等行业的废钢、车削等）钢铁制品的报废件（船舶、车辆、机械设备、土建材料等）93）铁合金 吹炼终点脱除钢中多余的氧，并调整成分达到钢种规格，需加入铁合金以脱氧合金化。炼钢常用的合金有Fe-Mn、Fe-Si、Mn-Si合金、Ca-Si合金、铝、Fe-Al、复合脱氧剂等。其化学成分及质量均应符合国家标准规定。102.辅助材料1）造渣剂石灰（石灰（CaO）萤石（萤石（CaF2）生白云石（生白云石（CaMg(CO3)2）菱镁矿（菱镁矿（MgCO3）合成造渣剂合成造渣剂锰矿石锰矿石石英砂（主要成分是石英砂（主要成分是SiO2）112)2)冷却剂冷却剂 氧氧气气顶顶吹吹转转炉炉炼炼钢钢过过程程热热量量有有富富余余，因因而而根根据据热热平平衡衡计计算算加加入入一一定定数数量量的的冷冷却却剂剂，以以准准确确地地命命中中终终点点温温度度。冷冷却却剂剂包包括括:废废钢钢、生生铁铁块块、铁铁矿矿石石和和氧氧化化铁铁皮皮、石石灰灰石石等等。123）氧化剂氧气氧化铁皮 氧气是氧气转炉炼钢的主要氧化剂，要求含氧量达到99.5以上，并脱除水分。氧压为612105Pa。工业用氧是通过制氧机把空气中的氧气分离、提纯来实现的。氧化铁皮要求杂质含量少，不含油污和水分。铁矿石铁矿石要求含铁高，P和水分低；134）还原剂和增碳剂 电炉炼钢电炉炼钢中需要使用还原剂和增碳剂中需要使用还原剂和增碳剂 包包括括：石石墨墨电电极极、木木炭炭、焦焦炭炭、电电石石、硅铁、硅钙、铝等；硅铁、硅钙、铝等；转转炉炉炼炼钢钢中中冶冶炼炼中中高高碳碳钢钢时时，一一般般使使用用含含灰份少的石油焦做增碳剂。灰份少的石油焦做增碳剂。14三 氧气转炉炼钢原理及工艺1.转炉炼钢生产模拟2.铁水予处理3.转炉炼钢过程151.转炉炼钢车间生产模拟162.铁水预处理过程 指铁水在兑入炼钢炉之前，为去除或提取某种成分而进行的处理过程。对铁水的炉外脱S、脱P和脱Si，即三脱技术就属于铁水预处理的一种。铁水进行三脱可以改善炼钢主原料的状况，实现少渣或无渣操作，简化炼钢操作工艺，以经济有效地生产低P、S优质钢。171)铁水予处理的类型近年来，铁水预处理技术发展很快，内容也更加丰富，手段多样化。铁水脱S铁水脱Si铁水同时脱P、脱S铁水提V、提Nb182)铁水脱硫预处理的设备鱼雷罐车喷粉罐喷枪扒渣机铁水罐193)铁水预处理生产模拟204)铁水预处理生产工艺脱S基本反应脱S工艺扒渣常用铁水脱S剂:碳化钙、石灰、苏打、金属镁及其组成的复合脱S剂,基本反应:CaC2+S=CaS(s)+2CCaO(S)+S=CaS(s)+2ONa2O+S=Na2O(l)+OMg(g)+S=MgS(s)广泛采用喷粉法,在混铁车中采用喷吹金属镁+石灰粉的复合脱S剂脱S,双孔喷枪插入,深度为1.01.5m,处理时间810min,脱S率7582%.扒除予处理渣,避免回P,回S.213.转炉炼钢工艺1)吹炼全程模拟222)氧气转炉炼钢技术的发展可化分为三个时期：转炉大型化时期（19501970年）转炉复合吹炼时期（19701990年）转炉综合优化时期（1990年以后）以转炉大型化技术为核心，逐步完善了转炉炼钢工艺与设备。先后开发出大型化转炉设计制造技术、OG法除尘与煤气回收技术、计算机静态与副枪动态控制技术、镁碳砖综合砌炉与喷补挂渣等护炉工艺技术。由于连铸技术的迅速发展，出现了全连铸的炼钢车间。对转炉炼钢的稳定性和终点控制的准确性提出了更高的要求。为了改善转炉吹炼后期钢渣反应远离平衡，实现平稳吹炼的目标，综合顶吹、底吹转炉的优点，研究开发出各种顶底复合吹炼工艺技术，在世界上迅速推广。围绕纯净钢生产，研究开发出铁水“三脱”预处理、高效转炉生产、全自动吹炼控制与溅渣护炉等重大新工艺技术。降低了生产成本、大幅度提高了生产效率。现代转炉炼钢采用的重大技术有：转炉大型化技术、转炉复合吹炼技术、煤气回收与负能炼钢技术、全自动转炉吹炼控制技术、溅渣护炉与转炉长寿技术。233)转炉炼钢生产工艺装料制度造渣制度供气制度温度制度出 钢脱氧及合金化24装料制度 装入量是指每炉装入的铁水和废钢的总量,一般废钢占1530%,装入量分为三种形式:1.定量装入:整个炉役期保持每炉的金属装入量不变;2.定深装入:随容积的扩大而增加装入量,保持熔池的深度不变;3.分阶段定量装入:将整个炉役分为若干阶段,每阶段定量装入.25造渣制度 造渣制度包括以下内容:1.炉渣碱度和石灰加入量:碱度指渣中碱性氧化物/酸性氧化物，一般为2.54.0，高S、P铁水控制在3.54.0,吨钢石灰消耗7080kg2:炉渣氧化性:用(%FeO)表示,高利于成渣,脱P,但降低金属回收率.一般初期高,终点15%左右,C、P要求高时，控制在2025%。3.渣中(MgO):为防止炉渣侵蚀炉衬,造渣时加入含镁材料,一般终渣(MgO)为68%,采用溅渣护炉则810%.4.造渣方法:单渣法、双渣法、双渣留渣法.渣料分批加入,开吹时加入1/21/3,其余分批加入.26供气制度顶部供气底部供气27供气制度(顶部供气)供氧操作控制以下参数:氧气流量:单位时间向熔池吹入氧气体积;供氧强度:单位时间向熔池吨钢提供氧气的体积;氧气工作压力:设定压力测定点的氧气压力(0.81.2MPa);枪位:喷头至静止金属熔池液面的距离(化渣枪位、基本吹炼枪位、拉碳枪位)28供气制度(底部供气)底吹类型非氧化性气体:Ar、N2氧化性气体:O2、CO2、空气底吹过程 吹炼前期N2搅拌,后期N2、Ar切 换;底 部 供 气 强 度0.3Nm3/t.min29温度制度 随铁水中元素氧化,金属液相线温度升高,浇注也要求过热度,升温是炼钢重要任务之一.出钢温度T的确定:T=浇注钢种液相线温度+浇注过热度+钢水镇静及炉外精炼温度降+出钢温度降30出钢出钢出钢过程 先测定先测定C、P、S及及T,判断是否满足判断是否满足出钢要求出钢要求,否则补吹否则补吹;采采用挡渣技术与红包出用挡渣技术与红包出钢钢.31脱氧及合金化脱氧及合金化脱氧 吹炼终点钢水O=0.020.08%,向钢中加入一种(或几种)与氧亲和力比Fe大的元素,常用脱氧剂Fe-Si、Fe-Mn、Al、Si-Al-Ca、Si-Al-Ba等；合金化 向钢水中加入合金元素使其达到成品钢成分要求324)转炉冶炼的物料平衡及热平衡物料平衡热平衡33 5)转炉炼钢的主要设备供料系统转炉系统供气系统净化系统辅助设备34供料系统 包括铁水供应、废钢供应、散状料和铁合金供应.高炉铁水直接装入鱼雷罐车运至炼钢车间.废钢用废钢槽运到炉前.散状料供应系统包括散状料场、地下料仓、运料设施、转炉上方高位料仓、称量和加料设备.铁合金料仓及称量和输送设备、向钢包加料设备组成。35转炉系统转炉本体炉底:分截锥型和球冠型;炉帽:为截椎型,减少喷溅及热损失;炉身:采用圆柱形;转炉炉型 指转炉内部自由空间的几何形状,分为筒球型、锥球型、截锥型。36转炉系统托圈用以支撑转炉和传递倾动力矩的金属构件。耳轴转炉左右耳轴是阶梯形圆柱体，由长侧耳轴低速转动将大扭矩从倾动机构传递给托圈。耳轴与托圈的连接为法兰盘螺栓连接。37供气系统（1）氧枪枪身由三层无缝钢管套装而成；内层与中层管之间的环缝是冷却水进水通道，中层与外层间的环缝为出水通道。氧气流速为4550m/s(氧气从氧枪出口处，经过拉瓦尔喷头，速度提升为2M)。水速为67m/s。枪头喷孔为拉瓦尔管，可获得Ma=2.0左右的超音速气流。38供气系统（2）升降机构吹炼中用于调整枪位时,由卷扬机、平衡锤、滑轮、钢绳卷筒组成，当卷扬机提升平衡锤时，氧枪及升降小车因自重下降；当卷扬机防下平衡锤时，因氧枪和升降小车的质量小于平衡锤而被提升。39供气系统（3）底部供气元件影响搅拌、炉子寿命、钢种质量及经济效益；分三大类：钢管型、砖型、细钢管多孔型（如图），不锈钢管内径为0.44mm，每块砖埋设10150根。耐火砖为高纯度镁砂+石墨并配加一定量的防氧化剂制成。40净化系统活动烟罩弯头脱水器汽化冷却烟道定径溢流文氏管可调喉口文氏管净化系统由以下部分组成：41净化系统-活动烟罩炉口上方的烟罩用于烟气收集，需通水冷却。由固定段与活动段组成，吹炼时活动段下降，缝隙用N2幕密封或采用微压差法以防止烟气外溢。转炉倾动时活动烟罩升起。42净化系统-弯头脱水器利用烟气做旋转90的运动时，含尘水滴在离心力的作用下被甩至脱水器叶片及器壁，通过排水槽排走。达到烟气净化的目的。43净化系统-汽化冷却烟道其作用是将14001500的烟气冷却至8001000.结构为密排式无缝钢管排列围成筒状,冷却水从烟道下部通入,流经无缝钢管时,由于吸收高温烟气的热量而汽化,从而将高温烟气冷却.44净化系统-定径溢流文氏管（一文）属于两级全湿法除尘的第一级,起降温和粗除尘的作用,由收缩段、喉口、扩张段组成，烟气被收缩段加速并冲击水幕，迅速吸收热量汽化，使烟气温度 由 1000下 降 至7080，细小水滴捕集烟尘并去除，一文的效率为9095%。45净化系统-可调喉口文氏管（二文）工作原理与一文相似，不同在于喉口可调，可以随炉气量变化而变化，以维持喉口流速，主要用于精除尘，效率可达98%。46辅助设备副枪副枪用于了解吹炼过程某一时刻成分与温度，实现动态控制。由枪身及探头组成，钢液由探头侧面小孔流入样杯。可测温、取样、定碳、测定熔池高度。47辅助设备挡渣机构由于合金化过程将降低钢液的氧化性，因此，要防止炉内含有（P2O5）的高氧化性渣进入钢包造成回P，必须进行挡渣操作，采用挡渣机构在即将完成出钢前将挡渣球送入炉内，防止炉渣进入钢包。484.电弧炉炼钢的设备及工艺1）电弧炉的设备49三维电弧炉炉体图50放入“狗屋”里面的电弧炉51521高压电缆高压电缆2隔离开关隔离开关3高压断路器高压断路器4电电抗抗器器5电抗器开关电抗器开关6电压转换开关电压转换开关7变变压压器器8短短网网9电电弧弧10钢钢水水图主电路示意图图主电路示意图53电炉等值电路电炉等值电路7/5/202454 电炉理论电气特性曲线电炉理论电气特性曲线7/5/2024552）电弧炉冶炼工艺补炉、装料通电熔化、吹氧助熔、喷燃料加渣料、氧化脱磷，吹氧脱碳、升温测温、取样，终点控制出钢、合金化5657 炉料熔化过程模型，基本可分为四个阶段（期），即点弧、炉料熔化过程模型，基本可分为四个阶段（期），即点弧、穿井、主熔化及熔末升温。穿井、主熔化及熔末升温。7/5/202458UHP相关强化冶炼技术废钢预热技术及装备氧-燃助熔技术二次燃烧及余热全量回收技术短网优化及智能冶炼技术59图6-24 双壳炉运行7/5/202460双壳炉工作原理图双壳炉工作原理图7/5/202461图图6-27康斯迪系统（得兴）布置图康斯迪系统（得兴）布置图图图图图6-27 6-27 6-27 6-27 康斯迪电炉工艺布置康斯迪电炉工艺布置康斯迪电炉工艺布置康斯迪电炉工艺布置7/5/202462图图 电炉的功能分化与现代电炉流程电炉的功能分化与现代电炉流程熔化期熔化期氧化期氧化期扒渣扒渣还原期还原期出钢出钢废钢预热废钢预热熔氧期熔氧期出钢出钢精炼精炼7/5/202463图图6-6氧氧-燃烧咀在电炉上的布置燃烧咀在电炉上的布置7/5/2024643)短网改造技术短网改造技术降降低低电电阻阻，减减少少损损失失功功率率，提提高高输输入入功功率率，如如增增加加导导体体截截面面，减少长度，改善接触等；减少长度，改善接触等；降降低低电电抗抗，增增加加功功率率因因数数，提提高高功功率率输输入入，如如增增加加导导体体截截面面，减少长度，合理布线（图减少长度，合理布线（图6-3）等；）等；改改进进短短网网布布线线，平平衡衡三三相相电电弧弧功功率率，如如三三相相导导体体采采取取空空间间三三角角形布置（图形布置（图6-4）或修正平面法等。）或修正平面法等。2024/7/565图6-3 短网的几种布线方式7/5/20246667图7-5 LF炉运行7/5/2024687/5/202469图7-8 VD设备布置示意图7/5/202470EAF+AOD冶炼304L不锈钢工艺O2/Ar或或N2电炉熔化出钢T=1600-1650脱碳期1Ar：O2=1：3C=0.3%还原期加FeSi、SiCr石灰、萤石造渣连铸脱碳期2Ar：O2=1：2C=0.13%0.15%脱碳期3Ar：O2=2：1C0.03%还原期C0.02%7/5/202471 钢的生产过程主要分为炼钢和浇注两大环节。浇注作业就是将成分合格的钢水铸成适合于轧制和锻压加工所需要的一定形状的固体（钢锭或者钢坯）。浇注作业的特殊性：把钢水转变为固体的凝固过程，当钢水一旦凝固成固体后，在以后的热加工过程中就不能对钢质量有本质上的改进了。把钢水凝固铸成固体有两种常用的工艺方法：一种是钢锭模浇铸法，简称模铸；一种是连续铸钢法，简称连铸。先有模铸（简单），后有连铸（复杂）。钢水的浇注模铸预连铸模铸 模铸生产中，在铸铁底盘上放置着一方形、矩形、多边形或圆形截面的空腔铸铁模。精炼后的钢液以两种不同的方式由钢包注入钢锭模中。一种称为上注法，即钢液由钢锭模的顶部注入；另一种称为下注或底注法，即通过流槽和汤道砖将钢液注到单个或多个钢锭模中。在上注法中，钢液注流对空气有过分的暴露，因 而二次氧化就比较严重。当注流冲击到钢锭模内 的熔体表面时，二次氧化产物和浮渣将被带入熔 体本体中而成为宏观夹杂。模铸过程中钢液飞溅 黏附到钢锭模壁上，在钢锭的表皮形成了表面缺 陷，这需要后续进行表面精整。底注过程中，虽然减少了注流暴露空气的二次氧 化、渣的卷吸以及飞溅，但钢液流股与流槽及汤 道砖内耐火材料的接触时间比较长，这将导致缘 由耐火材料的夹杂物污染钢液。对于高端用途的大型钢锭，质量是十分重要的，因此，在上注过程中采用了惰性气体保护或抽真 空。对于高端用途的小钢锭，普遍采用下注法。（1）模铸设备 模铸设备主要包括：盛钢桶、钢锭模、保温帽、中注管和底板等。1）盛钢桶：是盛钢水以进行浇注的主要设备，又称钢包。2）钢锭模：是浇注时承受钢液的模子，大多用铸造生铁铸成。3）保温帽：是使钢锭头部较长时间处于液态，以便充填钢锭本体因收缩而产生的缩孔，从而得到致密的钢锭。盛钢桶（2）模铸工艺流程模铸上注法下注法钢水准备锭模准备浇注冷却脱模红送缓冷轧制底板清理修砌摆模清灰冷却精整入库（3）模铸特点 简单，明了，对设备、工艺、生产组织、钢水质量要求不高；大型钢锭（电站转子），小规模材料，仍旧有相当的模铸，但是对以“高产，低耗，优质”的现代制造业，超大规模生产，模铸在以下方面，明显缺乏竞争力：a.准备工作复杂；b.综合成材率较低；c.能耗高；d.劳动强度大；e.劳动条件差；f.生产率低。目前已基本上被连铸所取代。1.1.2 连铸机主要设备组成及工艺流程钢包中间包结晶器扇形段火燃切割机运输辊道钢水包坐在钢包回转台上，钢 包回转台可转动中间包坐在中间包车上，中间 包车可横移结晶器安装在框架上，结晶器 上下振动火焰切割机用焦炉煤气或氢气钢水从钢包水口流出，经长水口流入中间包，中间包钢水面到一定高度，打开中间包塞棒钢水经浸入式水口流入结晶器，结晶器中钢水面到一定高度，结晶器振动，开始拉坯。中间包结晶器铸坯氧气切割钢包回转台扇形段1.1.2 连铸机主要设备组成及工艺流程