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氧氣煉鋼技術67年發展歷程介紹!
  發布時間:2019年03月06日 點擊數:

   氧氣煉鋼是一項成熟技術,該技術于1952年首次提出,并在過去的60年里迅猛發展,據初步統計,2012年氧氣煉鋼占世界鋼產量的69.6%,相當于生產了超過十億噸的粗鋼。

        在英國發明家貝塞麥于1856年開發出噴吹空氣轉爐之后,首次提出用純氧代替空氣噴吹冶煉。在貝塞麥的轉爐中,空氣通過轉爐底部一系列耐材噴嘴吹入轉爐。貝塞麥意識到空氣中的氮不利于鋼水的性能,限制了轉爐煉鋼種類及其應用。但是,貝塞麥轉爐由于缺少氧氣規模供應,他的建議沒有得到商業化應用。

  1  底吹氧氣轉爐

        盡管德國工程師卡爾馮林德1895年就通過分離液化空氣得到氧氣,但是大規模生產氧氣的設備在二戰后才得到發展。戰后,德國把戰爭期間過剩的廠房都用來做轉爐煉鋼的試驗廠房,并在貝塞麥轉爐上第一次嘗試用純氧代替空氣底吹煉鋼,但是由于高溫,噴嘴磨損嚴重。

  在某種程度上,可以用吹入蒸汽、CO2或者碳氫化合物代替氧氣,二氧化碳被證明過于昂貴,但是蒸汽和碳氫化合物可以用于商業用途。

  20世紀50年代后期到60年代初期,在英國塔爾伯特港,低氮工藝被用在底吹蒸汽和氧氣混合氣體的轉爐,蒸汽分解的吸熱反應冷卻了噴嘴區域,因此提高了底吹噴嘴的壽命、鋼水澆鑄稱鋼錠的過程中產生的氫氣導致沸騰鋼的形成,而低氮含量使鋼錠軋制成適合深沖應用的帶鋼,例如可以用于汽車車身的板材。低氮含量還可以防止儲存期間軋制帶鋼的老化,而帶鋼軋制使得氫(澆鑄時引起氣泡)向金屬內擴散出去。但是,鋼的沸騰性質使得連續澆鑄很難,這時就需要更多的研究和改進。

  20世紀60年代中期,加拿大的蒙特利爾空氣液化公司開發了一種可以通過管道中心同軸噴嘴噴吹氧氣的工藝,氧氣中混入碳氫化物。吸收的熱量可以用于分解碳氫化物,包括丁烷(126KJ/mol)、丙烷(104 KJ/mol)、甲烷(75 KJ/mol),這些可以保護噴嘴。

  1967年在德國,第一次把氫氣用在馬克西米利安公司的底吹轉爐,該轉爐底吹噴嘴用的是空氣液化公司開發的環形噴嘴。1971年這項工藝被馬克西米利安公司授權同意美國鋼鐵公司采用,美國鋼鐵公司將該工藝命名為底吹轉爐Q—BOP。底吹轉爐Q—BOP是當時美國鋼鐵公司董事長Edwin H Gott命名的,而Q的意思未被證實,但普遍認為Q代表安靜或者質量,BOP代表氧氣工藝。

  同年法國文代爾—西代爾公司和工廠建造者Sprunck公司與克勒索盧瓦爾工廠共同開發了另外一種不同的工藝,此工藝使用燃料油來保護碳氫化物。這三家公司將這個新工藝命名為LWS。

  2  頂槍工藝轉爐冶煉

  從1947年開始,歐洲試驗通過噴槍將純氧高速噴入轉爐比通過底吹噴管噴入的效果要好。其目的是熔體脫碳,同時產生的爐渣和金屬緊密混合作為脫磷手段之一,而磷普遍存在于歐洲大多數的礦石中。

  瑞典多姆納維特廠布卡林教授開發了卡爾多轉爐煉鋼工藝,此工藝在熔體上方用氧槍吹氧的同時,與水平面成20°的圓柱形爐體可以快速的旋轉(轉速40rpm)。然而要使金屬和爐渣混合均勻,轉爐耐火材料內村磨損較高(最大90爐次),由于需要有旋轉300t重量的動力使驅動系統要承受相當大的負擔,表面以大約30mile/h(48km/h)的速度運動,因此這個工藝過程相對緩慢(100t轉爐產出60t/h,冶煉周期90min)。此工藝的主要優點是廢鋼能比其他工藝多吃50%,也能處理高磷鐵水。十九世紀六十年代中期,瑞士鋼鐵有限公司引進該工藝,盡管該工藝也可以冶煉含鎳鋼,但最后因沒有商業化而被淘汰。

  德國奧博豪森開發了羅脫轉爐煉鋼工藝,該工藝也使用一個可以旋轉的爐體,但是在水平方向可以很慢的速度旋轉,有兩支氧槍,一支在熔體上面,另外一支插入熔體吹氧。相比卡爾多工藝這種羅托轉爐可以更好的提高耐材壽命(110t轉爐可達130—150爐次),因為氧槍的位置可以沿著轉爐的軸線移動以均衡耐材磨損,另外,整個轉爐可以反轉旋轉和從另外一端吹氧來進一步均衡耐材磨損。然而,由于驅動系統復雜、維護費用昂貴和生產率(30—70t/h)低,當時只有很少的國家建造了此轉爐,例如英國、德國和南非。

  奧地利也開發了一種新工藝,該工藝在轉爐中用頂槍將氧氣以超音速吹到熔融金屬/爐渣混合物的表面,轉爐可以傾斜但是不能旋轉。這個方法最終獲得了成功,并被命名為氧氣頂吹轉爐煉鋼。這個名字源于兩個首先開發和使用此工藝的地方林茨(Linz)和多納維茨(Donawiz),或者可能源于德語的描述“Linz Dusenverfahren”(林茨噴射工藝)。

  氧氣頂吹轉爐煉鋼在今天仍被稱為堿性氧氣煉鋼(BOS)(堿性是指轉爐耐火材料內襯的化學性質,通過加入石灰溶劑使轉爐能處理含磷鐵水。)或堿性氧氣轉爐(BOF);堿性氧氣工藝(BOP),或者有時簡稱為轉爐煉鋼。

  自從1952年氧氣頂吹轉爐煉鋼商業化投產以來,開發出了許多變種工藝:
        ◆堿性頂吹氧氣煉鋼法LD—AC,在盧森堡和比利時“AC”代表阿爾貝德鋼鐵制造商和其冶金研究中心,與奧鋼聯公司以前開發了噴吹石灰處理高磷礦石冶煉鐵水工藝。
        ◆轉爐復合吹煉鋼法LD—CL,“CL”代表回轉氧槍,當時日本鋼管公司(現在JFE)開發的一個工藝。
        ◆LD—HC,比利時的艾諾桑布爾公司冶金研究開發的頂底復合吹煉工藝。
        ◆轉爐底吹氧復合吹煉鋼法LD—KGC,當時的日本鋼鐵公司(目前為JFE)開發的轉爐底吹氧復合吹煉鋼法。
        ◆轉爐頂底復合吹煉鋼法LD—OB,當時新日鐵開發的復合吹煉生產工藝。
        ◆轉爐氧氣頂底復合吹煉鋼法LD—OTB,當時的日本神戶制鋼開發的轉爐氧氣頂底復合吹煉鋼法。
        ◆LD—RH—OB,結合真空脫氣(RH)的兩步驟法轉爐煉鋼法。
        在世界的一些地區氧氣轉爐煉鋼和貝塞麥轉爐一直共存至1981年,但是在歐洲止于19世紀70年代,使用情況見表1。

        堿性氧氣轉爐煉鋼工藝是第一個被開發者商業化應用的工藝,奧地利奧鋼聯公司于1952年在林茨和1953年在多納維茨建造了使用該工藝的轉爐。1954年加拿大安大略省哈密爾頓Dominion鑄造廠是第一個在奧地利之外使用該工藝的。19世紀60年代初,印度是亞洲第一個擁有轉爐工藝煉鋼廠的國家,在德國和奧地利的援助下建在洛爾克拉鋼鐵廠。

  自此,氧氣轉爐煉鋼得到快速發展,而平爐煉鋼開始下降,如圖1所示。氧氣轉爐煉鋼發展超過平爐煉鋼的一個重要因素是連鑄技術的引進。連鑄要求鋼水源源不斷供應,而氧氣轉爐的工藝時間比較短,能很容易地滿足連鑄的鋼水供應,一個大轉爐(350t)的產鋼速度為500t/h。與此相對照,如果平爐常規操作,煉鋼至出鋼需要12—14h,或者如果借助工業用氧加速也需要7—8h。目前在烏克蘭、俄羅斯和印度仍然存在一定數量的平爐冶煉。這些爐子正逐步被電弧爐取代,2012年平爐工藝總產鋼量1690萬t,約占全球鋼產量的1.1%。

 

        第一代轉爐只能處理磷含量相對低的鐵水,最大磷含量不能超過0.4%。后來由于解決了粉狀石灰和氧氣共同注入這個難題,使得處理鐵水的磷含量可以達到2%。這個工藝叫做LD—AC,該工藝后來在奧地利、比利時、盧森堡和法國鋼廠中快速發展。而雙渣工藝是在中途中斷吹煉過程,倒出高磷含量渣,然后再加入更多石灰進行二次造渣。第一階段倒出的渣磷含量較高,可以把他用于制作肥料,此時的爐渣因沒有加入降低P2O5溶解度的熔渣劑螢石而使得肥料中的磷不會在土壤中擴散。

  工業用氧是現代鋼鐵工業發展中一個大的突破。因此,19世紀50年代至70年代,鋼產量快速增長,1996年我國成為全球主要的鋼鐵制造國,其中90%的鋼產量是通過堿性氧氣轉爐生產的。

   通常情況下,一個轉爐噸鋼耗氧50—55m3。資源回收利用是一個關鍵問題,通常一個轉爐要加入20%--25%的廢鋼,廢鋼不僅可以回收金屬,也可作為冷卻劑。

  3  轉爐和電爐的對比分析

        電爐正在成為轉爐煉鋼的一個競爭者,目前電弧爐除電極提供能量外,還可以通過氧槍和燃料燃燒器補充。電弧爐是最有效的廢鋼熔化爐,可以減少能量需求70%--75%,碳排放量可減少到平均455kgCO2/t鋼,相比高爐—轉爐工藝排放1.88tCO2/t鋼少了很多。

  在質量方面,使用100%廢鋼的電弧爐只限于生產長材產品,雜質元素以及廢鋼中的銅和錫等元素是沒有影響的。但是電弧爐后來越來越多的使用各種形式的鐵水,例如直接還原鐵、熱壓塊鐵水、冷生鐵甚至是高爐鐵水。這樣就可以通過薄板坯連鑄機和熱軋機連接生產高品質的薄帶鋼。第一條薄板坯連鑄連軋生產線(CSP)是1986年由德國西馬克公司與美國紐柯集團公司簽約,并于1989年在美國紐柯公司(NUCOR)克勞福茲維爾廠(Crawfordsville)投入生產。今天,在世界各地有約27條不同形式的CSP生產線。

  紐柯鋼鐵公司是世界上第一家生產熱軋帶鋼的電爐鋼廠,使用的是澳大利亞必和必拓和日本開發的技術。帶鋼直接澆鑄技術是在鋼水連鑄時使用成的水冷旋轉鼓,這個概念也是貝塞麥于1846年專利中的想法,但是在當時技術無法實現。該技術在不銹鋼生產中第一次得到證明,并于2003年由三菱日立制鐵機械公司首次成功應用。但是作為生產不銹鋼帶鋼的方法之一,該技術從未證明是有用的。2002年5月,紐柯鋼鐵公司引進了世界第一臺帶鋼連鑄機,克勞福茲維爾廠再次成為先行者,2009年紐柯鋼鐵公司在它的布萊斯維爾阿肯色州廠引進了第二臺更大的帶鋼設備。

   鑒于電弧爐煉鋼廠產能的增加,以及他們靈活的操作方式,社會上也要求減少碳排放量,氧氣煉鋼制造商把電爐作為有潛力和發展前景的煉鋼方法。

  雖然電弧爐煉鋼產量沒有超過全球粗鋼總產量的三分之一(在2012年占29.3%),但由于中國在世界鋼產量的主導地位(占世界總量的46%),且它主要使用氧氣煉鋼,電弧爐煉鋼的影響被忽略,表2顯示了在2012年不同地區轉爐煉鋼及電弧爐煉鋼的相對比例。

  根據全球不同國家氧氣轉爐煉鋼多年增長趨勢可知,從2000年開始,電弧爐煉鋼所占比重有了一個明顯下降,2000年也是轉爐煉鋼曲折的轉折點,這是由中國轉爐煉鋼的快速增加引起的,90%的優勢轉爐煉鋼工藝都在中國。

    

來源:熱加工論壇

 

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