炼钢生石灰(关于钢的那些事儿（三）)

Posted 2023-06-01

篇首语：旦旦而学之，久而不怠焉，迄乎成。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了炼钢生石灰(关于钢的那些事儿（三）)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

炼钢生石灰(关于钢的那些事儿（三）)

上一篇文章“关于钢的那些事儿（二）”中，从钢化学成分、应用领域、产品的出厂形状和表面状态、标准几个方面进行了描述，本段内容对钢一次熔炼流程中的一些关键要素进行介绍。鉴于本人翻译和专业水平有限，不妥之处请各位朋友多多谅解。

#4. 一次炼钢(primary steeling)

4.1. 转炉炼钢(basic oxygen furnace steelmaking)

全球有一半以上的钢是通过转炉进行的一次熔炼。转炉炼钢是在转炉中使用纯氧把高炉(blast furnace)中冶炼的铁和加入到转炉里的废钢通过一系列化学反应炼成钢，如图1所示。

图1 转炉炼钢生产车间分布及主要设备

4.1.1. 炉料(the charging)

炼钢过程中所加入的含铁原料(iron-bearing raw material)主要是高炉铁(blast furnace iron)和废钢(scrap)，典型的熔融状态下的高炉铁包含：3.8%-4.5% 碳C、0.4%-1.2% 硅Si、0.6%-1.2% 锰Mn、多达0.2% 磷P、0.02% 硫S，其加入时的温度通常在1400°C-1500°C。高炉铁中的磷(phosphorus)是从炼铁所需要的矿石(ore)带入进来的，它在炼铁的过程中并没有被去除掉；硫(sulfur)元素是在炼铁过程中由焦炭(coke)和燃料(fuel)带入的。废钢属于精炼铁，其中也包含了像铜、锡(tin)、铬等杂质。在转炉里，当高炉铁和氧接触之后会产生大量的热，特别是当硅(Si)和氧(O)产生二氧化硅(SiO2)的放热反应过程。因此，在炼钢过程中只使用高炉铁会使最终的液态钢水的温度过高而不利于后续的工艺使用。作为另一种主要原料的废钢有效地解决了这一问题，在炼钢炉中加入高炉铁之前先加入计算好数量的废钢，熔化每公斤废钢需要消耗340千卡的热量。在转炉中加入原料的一般比例为75%的高炉铁和25%的废钢。为了保证炼钢质量和产量的稳定，需要保证高炉铁具有稳定的化学质量且低成本地供应，这就对高炉铁的稳定生产及稳定的供应链提出了要求。此外为了控制炼钢成本，对进入转炉前高炉铁中硅和硫的含量需要进行控制和优化。可见，炼钢和炼铁过程虽然独立但是相互依赖，需要作为一个整体的系统进行控制和管理。

4.1.2. 炉体

转炉的炉身呈圆柱体，炉顶是一个开口的圆锥形，如图1所示。例如360吨，其炉身直径大概为8m，炉高11米。转炉的炉身用厚钢板制造，吊在炉耳轴上，以便于转动进行上料(charging)、检验(testing)、出钢(tapping)和出渣(slag-off)过程的操作。

转炉内衬(lining)根据炉内的不同部位以及损蚀程度采用不同厚度的菱镁矿(magnesite brick)（主要成分为：MgCO3）砖（菱镁矿砖是一种碱性的耐火材料）堆砌而成，整个内衬的厚度可以超过1m。理论上菱镁矿转不参与到炼钢过程的化学反应中，但在实际使用中，它们均会受到一定程度的侵蚀。

出钢口的位置在转炉的上部正好在圆锥体的下面。

作为转炉炼钢过程中的一个主要元件 -- 氧枪(oxygen lance)是一个多层的管状结构，如图2所示。在大型转炉中氧枪的直径可达300mm，长度可以到21m。氧枪的端部有3-5个喷嘴，略微向外延伸，用来喷射出超音速氧气。氧枪里面具有水冷结构，保证氧枪能够在高温的环境中工作。氧枪是通过氧枪天车来进行上下移动，并调节氧枪和钢浴页面之间的距离。通常氧枪的端部每生产150炉钢进行一次更换。

图2 氧枪

转炉还需要一个巨大的废气排放系统来对废气进行净化并避免废气泄漏到厂房中或污染大气。从转炉出来的废气温度可达1650°C，其中包含90%的一氧化碳(monoxide)和10%的二氧化碳(dioxide)，还包含在氧化反应区域产生的铁氧化物粉尘。一般有两种废气排放系统：完全燃烧式和非燃烧式。在完全燃烧式的的系统中，从转炉出来的废气与过量的空气进行燃烧，产生的热量用来加热水系统进行热交换，剩下的冷却后的烟尘通过文丘里除尘器(venturi scrubber)或静电除尘(electrostatic precipitator)进行收集。在大型转炉系统中，烟尘的流动通过10,000立方米/分钟的风机进行带动，平均每生产1吨钢可以收集0.7公斤的铁氧化物。非燃烧式系统在转炉进行氧化反应以前，把一个环形罩降低到炉口，在废烟气产生的过程中不对其进行燃烧处理，而是收集起来，为其它的工艺流程作为能量使用，其存储的能量为3,000KJ/m^3。

转炉生产所需要的车间通常比较高，有时可达80m，用来放置和操作氧枪、废烟气收集系统、上料系统、天车、皮带机等来实现快速边界的上料、出钢和出渣等工艺操作。

4.1.3. 工艺过程

炼钢的过程是把铁中的碳含量降到2%以下（不同的钢种有不同的碳含量，但都在2%以下），除去磷、硫、氧、氮、氢有害元素（不可能完全脱去，降到一个很低的程度），再根据不同的钢种需求加入合金元素。

磷：虽然能提高钢的强度，但随着磷含量的增加，钢的塑性和韧性降低（特别是冲击韧性降低），使钢具有“ 冷脆性” ，还能使钢的焊接性能降低。

硫：硫化物会使钢在热轧过程中产生热脆现象，使钢在轧制过程中在横向上失去连续性，还会影响钢的韧性。

氧：氧在凝固的过程中会反应生成一氧化碳，在铸造的过程中会产生气孔。此外，过高的含氧量还会生成对钢有害的氧化物杂质。

氢：会在钢的凝固过程中产生气孔，生成“发纹”或“白点”。

氮：相比较于氢来说，氮“进”、“出”钢水都不是太容易。氮虽然能增强钢的强度，但降低了塑性和焊接性能，也会引起钢的冷脆性，产生时效硬化。

第1步 - 检测：每炼一炉钢都是从检验炉内的防火内衬(refractory lining)开始的。当炉体在垂直位置时，有时会使用激光轮廓仪来检测防火内衬的厚度。

第2步 - 上料：转炉倾斜到45°的位置，废钢先通过上料天车或专用上料设备倒入转炉中，然后高温熔融高炉铁通过专用铁水包倒入转炉中。在倒入转炉之前，很多工厂在会把高炉铁加入镁石灰或碳化钙进行脱硫处理，脱硫过程中生成的渣在倒入转炉前会去除掉。由于在炼钢的过程中会有铁元素的烧损，因此在上料的时候会多加入一些铁和废钢，这个量是可以预估的，例如：1080公斤的原料可以生产1000公斤的液态钢，出产率为92.6%。炼钢过程中的化学成分、温度和上料重量都是通过计算机控制来完成的。

第3步 - 吹氧：转炉转回到垂直位置，降下氧枪开始吹氧，在大型转炉中氧气喷射速度可达800m^3/min，氧气的吨钢消耗量在110m^3。在吹氧初期，往转炉中加入生石灰(burnt lime)（主要化学成分为：CaO），通常每吨钢加入70公斤。在此阶段转炉中发生的化学反应如下：

2C + O2 = 2CO （1）

Si + O2 = SiO2 （2）

2Mn + O2 = 2MnO （3）

4P + 5O2 = 2P2O5 （4）

2Fe + O2 = 2FeO （5）

初始状态的钢渣(slag)由上述反应的固态生成物：SiO2、MnO、P2O5、FeO以及作为熔剂(flux)的生石灰CaO，其中的FeO是生成的损耗物。钢渣中的CaO的熔点高达2570°C，因此在炼钢的温度下其依然为固态。通常在碱性钢渣(basic slag)中含有：55% CaO、15% SiO2、5% MnO、18% FeO、7% P2O5 + 硫化物（主要为FeS）+ 7% 其它氧化物。钢渣会和原料中的硫化物（FeS）发生反应：

FeS + CaO = CaS + FeO （6）

钢渣的碱性程度由CaO/SiO2来表示，通常在CaO/SiO2 > 3.5的情况下钢渣能够很好地吸收CaS，实现对钢水脱硫的过程，这也就是这种常用的炼钢方式为什么叫做“Basic Oxygen Process（BOP）”。但从式（6）中可以看出：足够多的CaO，也就是强碱环境有利于脱硫的过程，但同样需要钢水中有尽量少的FeO，因为氧离子（O-）和硫离子（S-）Ca会对钙离子（Ca+）进行争夺。但在炼钢吹氧的过程中不可避免地会生成一定数量的FeO，因此很多钢厂在高炉铁进入到转炉之前就对其进行脱硫处理，此阶段的高炉铁没有多少溶解氧。虽然如此，由于硫通常也存在于炼钢过程中使用的废钢和熔剂中，因此为了实现低含硫量（例如：0.008%）的钢，在炼钢过程中同样需要脱硫的过程。

在转炉炼钢过程中最重要的化学反应过程就是脱碳，式（1），氧先与硅发生反应生成二氧化硅，而后开始与碳反应形成剧烈的“沸腾”(boiling)现象，其产生的一氧化碳通过上述的废气收集装置排出。通过沸腾的搅拌作用加速了钢液中的化学反应及热传递，并且通过上升气泡把氢和氮从钢液中带了出去。在“沸腾”过程的后半段，通过一根水冷的带有传感器的副枪浸入到钢液中进行检测和取样。取样结果输入到控制炼钢过程的计算机中，通过计算机来预测和控制吹氧时间、温度及化学成分。在稳定的原料及上料过程里，仅通过副枪就能实现对钢液成分的检验，在一些情况下则需要使转炉倾斜通过人工来检验钢液温度及成分。有时也会再加入生石灰进行二次吹氧来提高温度或调节化学成分。

虽然脱碳是炼钢中的最重要过程，但有时需要额外加入一些碳粉来调节控制碳元素的含量，而不是一味降低。

此外还会在此过程中加入煅烧白云石(burnt dolomite)（CaO·MgO），CaO参与式（6）的反应，在钢渣中剩下MgO有助于减少钢渣对炉内防火砖的侵蚀。

第4步 - 出钢：在出钢(tapping)的过程中转炉进行转动，钢水从炉口倒入下面的钢包中。根据钢水接下来的不同用途（例如：直接铸造或进行连铸），在综合考虑和预测了二次处理、保持等因素后，出钢的窗口温度(temperature window)可以准确地进行控制。例如：含碳量为0.1%的钢的出钢温度为1596°C，高出其理论开始凝固温度80°C。含碳量越来越高的钢的出钢温度会沿着铁碳平衡图（参见本系列文章“关于钢的那些事儿（一）”）中的A-B-C线越来越低。

在炼钢过程中虽然碳含量被降低了，但根据碳和氧的关系：%C × %O = 0.0025 × CO pressure，即在1个大气压下，钢水中含0.1%的碳会溶解0.025%的氧，也就是说随着碳含量的降低钢水中溶解的氧含量提高了。因此，在出钢之前或出钢的过程中会往钢包中加入铝或硅铁合金，铝和硅都是强氧化剂，与钢水中溶解的氧进行反应生成氧化铝(alumina)（Al2O3）和氧化硅(silica)(SiO2)等钢渣。为了使在此过程中生成的钢渣快速地上浮到钢水表面，在钢包炉中会使用电磁搅拌器或炉底吹氩气。由于在吹氧过程中高炉铁中的锰元素基本被氧化，在此过程中通常也会加入锰铁合金来达到规范要求。

此外，根据不同钢种及规范的要求，钢的合金化也在此过程中完成。因此为了减少合金损失，例如：铬(chromium)、钛(titanium)、钒(vanadium)，合金化之前的脱氧还原过程就尤为重要。对于不易氧化的金属元素，例如：镍(nickel)、钴(cobalt)、钼(molybdenum)、铜(copper)，可以提前加入提高热能利用率。绝大多数合金元素都是以铁合金的形式加入以降低成本，例如铁硅合金中含有50%、75%、90%的硅元素以及不同程度的碳元素和其它杂质。

在出钢过程中，出口的钢渣检测设备检测到钢渣出现时，出口的快速关闭装置迅速关闭出口且转炉转回到垂直位置，钢渣被倒入钢渣罐中。

转炉炼一炉钢需要大约30至45分钟，一天能炼30多炉。大型转炉车间一般有三个转炉，每年能生产500万吨钢水。由于钢铁生产是一个连续流程，转炉的维修和维护非常重要，每周只能检修一台。转炉的耐火砖内衬能够使用1500至3000个炉次，在炉砖到寿命之后通过机械设备进行自动砌砖，这个过程需要在一周内完成。

4.1.4. 其他方式

随着技术的进步和发展，转炉炼钢过程和工艺也做了很多的调整和改进。例如：

% 对于在炼铁过程中使用的高含磷量（0.15%以上）的矿石所得到的的高炉铁，则采用LD-AC（AC是卢森堡阿尔贝德及其研究院：Arbed-CentreNational的缩写）法炼钢。在这个方法中石灰粉通过氧枪跟氧气一起喷射到钢水中，快速形成钢渣。这种双渣炼钢法能够大量除磷，初次形成的钢渣被排掉并作为化肥使用。

% 另外一种改进是在现有的转炉结构上，从转炉的底部向钢水中喷射氩气或氮气起到搅拌的作用，在加快化学反应的同时降低了喷氧反应区的温度，可以减少铁的氧化反应消耗。

% 还有一种叫做Q-BOP（Quick-quiet Basic Oxygen Process）的方法，这种方法和传统方法的最大区别是完全不采用顶吹的方式，而是通过从转炉底部的喷吹枪喷吹氧气、石灰粉或者在需要的情况下喷吹氩气。这种类型转炉的底部耐火层的寿命要小于边部耐火层，因此在维修的时候需要更多的时间。但底部喷吹也使得反应物有更大的接触面积来改善冶金反应，能更好地对过程进行控制。在此方法中，由于参与氧化反应的铁较少，因此会提高钢的产量，但较少的氧化反应也会产生较少的热量，使需要大量氧化反应热来熔化的废钢的使用量减少，在废钢价格较低的情况下会带来生产成本的提高。有些工厂为了解决这个问题会在转炉顶部安装二次燃烧氧枪，通过燃烧一氧化碳气体来产生额外的热量，从而提高废钢的使用率。

% 还有另外一种提高废钢使用率的技术：在倒入高炉铁之前对废钢通过氧枪预热大约20分钟。还有一种方法是加入铝，铝在氧化反应的过程中会产生大量的热。

待续。。。关于钢的那些事儿（四）：#4. 一次炼钢 - 电炉炼钢