CN101050478A - 转炉熔炼方法及实施该方法的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于黑色金属、有色金属的冶炼及铁合金生产领域，尤其涉及一种转炉熔炼方法及实施该方法的设备；它的核心构思是在转炉内建立空间磁场；提供建立空间磁场所需的基础电源为直流电；在直流电流作用于空间磁场形成端之前先对其进行预调制，以使转炉内熔体由周边向中心方向运动。在转炉熔炼过程中向炉补加1～40kg/吨钢的含铁物料。所述含铁物料为矿石、氧化铁皮、球团矿或其混合物；利用配置于转炉上部的接触电极形成其磁力向量方向与转炉上升气流相对的补加电磁场。本发明的设备包括：配有耐火内衬的转炉(1)、置于炉内的喷吹氧枪(3)、布置于转炉内衬中的螺管线圈(5)、直流电源部分、调制信号发生部分。
Description
技术领域
本发明属于黑色金属、有色金属的冶炼及铁合金生产领域，尤其涉及一种转炉熔炼方法及实施该方法的设备。
背景技术
奥古尔措夫A.N.，格列斯A.B.钢连铸——第聂泊彼得洛夫斯克：系统工艺，2002.——675页——〔文献1〕披露了在连续铸造中利用电磁场对结晶槽内金属进行轴向搅拌的方法，该方法的目的是遏制中间钢水包射流引进的快速下降流。对于需要强化转炉内熔体运动的课题来说，这一方法的缺点是：采用该法造成的熔体运动与喷吹气流造成的熔体运动方向相反。喷吹气流造成的运动，根据亚沃依斯基B.N.钢生产过程理论——M.：冶金，1967——792页——〔文献2〕的说法是：“转炉周边为上升流，而其中央空间为下降流”。换言之。喷吹气流造成的熔体流动与该电磁搅拌法造成的熔体流动相互抵消，不能提供所需的熔体搅拌。而所需的这种熔体搅拌又恰恰是顺利进行转炉过程的主要条件之一。此外，为实施该法所需的电费也较大。
就工艺实质和达到的效果来看，乌克兰专利NO32562，C21C5/28，C21C5/42，2001(方法及设备原形)——文献〔3〕的转炉冶炼方法是最为接近的。它所造成的外部磁场，磁感应向量的走向与转炉的半径相同。根据文献〔4〕的成果，在这样走向的感应向量下形成的金属运动不是轴向运动，而是圆周运动。根据文献〔3〕的研究成果，这种运动能够促进减少喷溅从而降低铁水耗量，提高氧气的吸收率和增加耐火材料的寿命。但是对于解决转炉生产中其它殛待解决的问题来说(提高钢水产出率，提高熔体的温度和降低携尘量)，这一方法的缺点是：它不影响垂直方向的熔体运动，包括转炉熔池周边空间内的垂直方向的熔体运动，而这一点又极端重要，因为靠近炉壁处由喷吹气流造成的自然对流运动的速度大大减弱，使得在这些部位的搅拌作用已微乎其微，这对各种物理——化学的进程产生不利的影响。因为有相当大一部分熔体基本被排斥在了各种传质——传热过程之外。
上述方法(以及还有文献〔1〕的方法)的第二个缺点是：为造成外部磁场而使用的电源设备所产生的交流电流，要么是工业频率电流，要么是低频电流，但都是频率值不变的电流。这种情况完全符合磁电动力学原理，因为直流电一般不造成可引起熔体运动的磁场。然而对于转炉生产提出的问题而言，利用规格稳定特别是频率稳定的交流电，效果是不会太好的。这是因为在这种情况下造成的磁场，与转炉的自然磁场是不同步的——研究表明，即使在没有任何外力作用的情况下，在高温区产生的电子在喷吹气流作用下形成了定向移动，从而形成电流，也就自然形成了磁场。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足之处，而提供一种能加强转炉内质量交换总水平，降低转炉烟气携尘量、提高钢水产出率和熔体温度的转炉熔炼方法。另外本发明还提供一种实施上述方法所需的配套设备。
本发明的目的是这样实现的：一种转炉熔炼方法，其核心构思体现在：在转炉内建立空间磁场；提供建立空间磁场所需的基础电源为直流电；在直流电流作用于空间磁场形成端之前先对其进行预调制，以使转炉内熔体由周边向中心方向运动。
作为一种优选方案，本发明可利用配装于转炉内的螺管线圈形成转炉空间磁场；提供所述螺管线圈的基础电源为直流电；在将直流电流送入螺管线圈前先对其进行预调制，以使转炉内熔体由周边向中心方向运动。
作为另一种优选方案，本发明在转炉熔炼过程中可向转炉内补加1～40kg/吨钢的含铁物料。
本发明所述含铁物料为矿石、氧化铁皮、烧结矿、球团矿或其混合物。
作为第三种优选方案，本发明可利用配置于转炉上部的接触电极形成磁力方向与转炉废气流相对的补加电磁场。
本发明所述接触电极与螺管线圈最上一匝相接。
作为第四种优选方案，本发明预调制电流的频率范围控制在：100～10000HZ，幅度值的范围控制在：100～2000A。
实施上述转炉熔炼方法所需的配套设备，它包括：包括：配有耐火内衬的转炉、置于转炉内的喷吹氧枪、布置于转炉耐火内衬中的螺管线圈、直流电源部分、调制信号发生部分；所述直流电源部分输出的直流信号经调制信号发生部分进行调制后送入螺管线圈的输入端。
作为一种优选方案，本发明所述调制信号发生部分包括：信号发生器、直流整流器及其调制器；所述信号发生器发出的信号送入直流整流器及其调制器进行整流调制。信号发生器可采用Γ3-34信号发生器。
本发明所述螺管线圈的高度等于氧气吹炼时金属熔池的最大高度。
作为另一种优选方案，本发明在转炉的上部配有接触电极。
本发明所述接触电极与螺管线圈最上一匝相接。
本发明在转炉内腔范围内建立电磁场，其突出特点是电能消耗水平低(0.1～0.3KW.h/t钢)，正是这一点使其原则上区别于其它工序“用电作用于液态金属的方法”，包括连铸时采用的方法-电能消耗水平一般在10～100KW.h/t钢左右。
本发明的特点在于，它所建立的电磁场不仅仅在金属熔体中，而且也存在于气相渣相范围内，这就导致了熔体在转炉过程最重要的一些空间(喷枪下方区，转炉周边靠近炉壁部位)内的有效搅拌，也使得渣相和气相中含铁颗粒的磁化成为可能。
上述因素首要的作用是降低了粉尘析出水平。这首先是因为，熔体有效搅拌的结果降低了喷枪下方空间的温度——此处因铁的蒸发而成为最主要的粉尘析出源；其次是因为，在气相和渣相空间有磁场存在，使生成的粉尘颗粒被磁化，并聚合成较大的颗粒群(絮凝作用)。上升烟气流带走较大颗粒群的强度下降，于是有一定份额的颗粒落下来被渣和金属所吸收。
粉尘生成量减少首先有助于提高液态金属(合格的)产出率，因为随废烟气走失的铁少了。在这方面金属和渣的有效搅拌影响较大，这使渣中FeO全含量下降，从而导致了全铁损失的降低。渣中铁氧化物含量下降，氧气利用率提高。
气体对熔池的搅拌，在底吹或复合吹情况下，在电磁作用下参加搅拌过程的是整个熔池，包括周边空间(近炉壁部位)。这一点已被在模拟转炉内腔电磁作用的专门试验台上所做的试验所证明。这种专门试验台可允许把机组高度上和截面上磁场的动力作用记录下来。
从试验结果可以看出，采用本发明的方法时，所研究的三项指标均有明显的改善。最终，这些指标的变化能够保证大大改善生态条件，这是由于减少了粉尘析出量。此外还减少了装料的铁水量，增加了钢水产出率，从而降低了炼钢成本。
熔体温度的提高，排除了补充吹炼和采取其它措施的必要性，而补充吹炼和其它措施会使金属质量下降和增大料耗。减少了粉尘析出量，在提高了合格品产出率的同时，还改善了人员的工作条件，节约了除尘设备的费用。
上述生态效益和工艺效益(减少粉尘析出量，提高液态金属产出率和缩短喷吹时间)对于中国企业来说是最为现实和普通的。采用本方法使粉尘析出水平达到额定指标，既可避免因严重破坏卫生保健要求招致的企业停产，又可免除不甚严重违章而导致的罚款。
本发明的特点是利用直流电(而不是象通常情况下均采用交流电)作为原生电流。电流从直流电源输出后即进行调制，赋予其最佳的频率值和幅度值。
在工业顶吹转炉上对上面描述的方法完成了试验。利用该法的不同方案进行了3000多炉试验，把所得数据与相应数量的对比炉次的结果进行了对比，表明：在采用各个具体的方案下(电磁感应向量方向不同，感应器所在位置不同，电流参数不同等等)得出的结果是：
1)转炉废烟气中(在炉喉处取样)粉尘量减少30～50％；
2)按所铸钢锭量评价的液态金属产出率提高0.2～0.6％；
3)缩短吹炼时间1～2分钟/炉。
此外，在某些一定的方案下，发现第一次停吹倾炉瞬间，熔体温度提高了15～25℃，渣中FeO的含量下降了0.5～1.5％，这种情况带来的其它效益姑且不论，仅就内衬寿命而言便可提高10～15％。此外还记录到炉渣的碱度提高，在金属炉料消耗水平保持不变情况下，注入的铁水量减少了5～15kg/t。这些因素对于改善某些具体企业的工作指标也可能是有重要意义的。
这种方法可保证人员充分的用电安全，对车间设备的工作无任何不利的影响。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。
图1为本发明的工艺流程框图；
图2为本发明设备部分整体结构示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，一种转炉熔炼方法，在转炉内建立空间磁场；提供建立空间磁场所需的基础电源为直流电；在直流电流作用于空间磁场形成端之前先对其进行预调制，以使转炉内熔体由周边向中心方向运动。在实际操作中，可利用配装于转炉内的螺管线圈形成转炉空间磁场；提供所述螺管线圈的基础电源为直流电；在将直流电流送入螺管线圈前先对其进行预调制，以使转炉内熔体由周边向中心方向运动。本发明在转炉熔炼过程中向转炉内补加1～40kg/吨钢的含铁物料。上述含铁物料为矿石、氧化铁皮、烧结矿、球团矿或其混合物。本发明还可利用配置于转炉上部的接触电极形成磁力方向与转炉废气流相对的补加电磁场。所述接触电极与螺管线圈最上一匝相接。本发明进行预调制的频率范围为：100～10000HZ，幅度值的范围为：100～2000A。
实施所述转炉熔炼方法的设备，它包括：配有耐火内衬2的转炉1、置于转炉1内的喷吹氧枪3、布置于转炉耐火内衬2中的螺管线圈5、直流电源部分、调制信号发生部分；所述直流电源部分输出的直流信号经调制信号发生部分进行调制后送入螺管线圈5的输入端。所述调制信号发生部分包括：信号发生器9、直流整流器及其调制器6；所述信号发生器9发出的信号送入直流整流器及其调制器6进行整流调制。所述螺管线圈5的高度等于氧气吹炼时金属熔池的最大高度。本发明在转炉1的上部可配有接触电极4。所述接触电极的一极与螺管线圈最上一匝相接。
本发明是利用直流电流作为基础电流在转炉1空间内造成磁场。但在将其馈送到可形成磁场的螺管线圈5前要进行预调制，使得赋予转炉1内熔体的运动方向与从转炉1周边到中央(轴向空间)的自然运动相一致。此外，在转炉1熔炼过程中，再添加1公斤/吨钢的含铁物料——矿石(也可根据实际需要添加40公斤/吨钢的含铁物料——氧化铁皮或20公斤/吨钢的含铁物料——球矿)。在熔炼过程中把这些物料添加到转炉中的目的是为了提高渣的电导率，这会改善电磁作用的条件和提高电磁作用解决本专利所有课题的效率。
已知的金属熔炼设备包括一座筑有耐火内补的转炉，一只喷吹枪，用导线与螺管线圈相连接的交流电源。线圈作成螺旋状，置于转炉内衬中，置入高度与渣一金属乳浊液所在高度相当〔文献3〕。这种设备结构解决不了本发明提出的课题。这首先是因为采用了电流参数不变的交流电流，其参数与氧气吹炼时形成的电流的参数不协调，这就严重减弱了搅拌作用，尤其是在转炉的周边部位。此外，这种设备造成的磁场，感应向量的取向与转炉半径同向，这提供了熔体相对于转炉轴线的旋转运动方向。这时，喷吹气流作用下产生的熔池自然运动的方向与磁场造成的补加运动的方向不相吻合。这样的技术解决方案，有助于解决一系列课题，但却无法达到本发明提出的目标。
为解决本发明提出的课题，建议以产生初始电流为直流的电源器为基础制成一种设备，直流电从电源器输出之后经过调制再送到螺管线圈5上。在已知的设备中螺管线圈的高度应与转炉熔池的总高度(金属液——加渣液)相当。这个部位对任何容量的转炉都是已知的。但这个数据只是对处于静止态的熔体(没有搅起泡沫的)而言，因而是不充分的，因为没有包括熔体移动的所有情形，因此，根据这一原理而制造的设备，基本上只对一小部分熔体施加了影响。要解决本专利的课题，在上述设备中把螺管线圈5置于与氧气吹炼整个时间过程中炼钢熔池最大高度(高潮时)相当的高度上。
在本申请所涉及的设备中，在基础直流电源之后安装了调制整流装置，将其连接到螺管线圈5上。同时，线圈分布的高度，以氧气吹炼时金属熔池所在的高度为限。此外，在转炉上部安装接触电极4，使其与螺管线圈实现电连接，而电源器的第2极则做接地连接。
安装这个接触电极4，对于在转炉1上部形成磁力方向与转炉废气流相对的补加电磁场是十分必要的。这种解决方案造成了采用该法时达到最小电耗所需的最佳条件，也有利于赋予金属熔体从转炉周边向其中心的运动方向。
如图2所示，本发明装置包括转炉1，具有绝热层和工作层的耐火内衬2，上插喷吹枪3，信号发生器9，与直流整流器及其调制器6用导线相连的直流电源。在电路中有安培计7，电压表8，降压变压器10，转炉炉喉中的接触电极4。直流整流器及其调制器6是一个可控制桥式整流电路，通常用以解决其它电气课题(比如在焊接技术中)，由半导体开关元件组成。可控硅整流器的工作借助于来自信号发生器9的信号得以实现。电源器由三个元件组成，即：降压变压器10、直流整流器及其调制器6及信号发生器9。
用作信号发生器9的是一个标准化的声频振荡器，型号为Γ3-34或与之性能相近者。降压变压器10是一个标准化的降压电流互感器，型号为ВДУ-1500，用于1000～1500A的电流强度。
上述设备的工作方式如下：在向转炉1装入炉料、注入铁水并将其抬高到工作位置之后，用喷吹氧枪3对熔池进行吹炼。从开始供氧的一瞬间起即接通电源，然后对电流进行调制，以保证熔池的运动与氧气流造成的熔体运动方向相协调，调制后的电流馈送到螺管线圈5上。电流通过上述电路时造成一个外部磁场，它与液态熔体相互作用，赋予熔体以轴向运动，包括周边部位的轴向运动。
在1.5t实验室转炉上完成了一系列试验，借以检验该方法、电气设备以及整个装置的工作。
在1.5t实验室转炉内衬中预埋五匝螺管线圈，其高度与吹炼时炼钢熔池的高程位置相当。
在转炉炉喉中安装一石墨电极4，用导线把石墨电极4与螺管线圈最上一匝连接起来。电源器的第2极用导线与车间金属柱子连接(接地连接)。
向预热至1000～1200℃转炉中注入1300～1350℃的铁水，处理前铁水的化学组成如下(重量％)：碳——4～4.5；硅——0.8～0.9；锰——0.6～0.7；硫——0.05～0.06；磷——0.1～0.12；铁——余量。通过喷吹氧枪3对转炉1熔池进行吹炼，氧气流量为6.0立方米/min左右。在吹炼之初补加了60公斤石灰。当温度和金属中碳量达到规定值后，停止了吹炼。电功率为10～100W/kg(被处理金属)。
上述铁水的具体化学组成如下(重量％)：
(一) (二) (三)
C 4； C 4.5； C 4.3
Si 0.8； Si 0.9； Si 0.85
Mn 0.6； Mn 0.7 Mn 0.65
S 0.05； S 0.06 S 0.055
P 0.1； P 0.12 P 0.115
Fe 余量。 Fe 余量。 Fe 余量。
在供氧的瞬间即接通电源器，这时电流首先进入直流整流器及其调制器6，然后到达螺管线圈5。试验结果引入下表。
| 试验方案 | 废钢份额(％) | 第一次停吹倾炉时温度(℃) | 钢水产出率(％) | 炉次平均粉尘含量(％) |
| 现有技术 | 7 | 1650 | 96.0～96.5 | 35.0～40.0 |
| 10 | 1600 | 95.5～96.0 | 40.0～46.0 | |
| 本发明 | 7 | 1700 | 97.0～97.5 | 7.0～12.0 |
| 10 | 1645 | 96.2～97.3 | 8.0～15.0 |
本发明的保护范围将不仅局限于上述具体实施方式，任何以直流电作为基础电源，将直流电流转换成调制电流后，在转炉内形成外部磁场作用于转炉内熔体，使其由周边向中心方向运动为核心构思的技术方案均应认定为落入本发明的保护范围之内。
Claims (18)
1、一种转炉熔炼方法，其特征在于：在转炉内建立空间磁场；提供建立空间磁场所需的基础电源为直流电；在直流电流作用于空间磁场形成端之前先对其进行预调制，以使转炉内熔体由周边向中心方向运动。
2、根据权利要求1所述的转炉熔炼方法，其特征在于：利用配装于转炉内的螺管线圈形成转炉空间磁场；提供所述螺管线圈的基础电源为直流电；在将直流电流送入螺管线圈前先对其进行预调制，以使转炉内熔体由周边向中心方向运动。
3、根据权利要求1或2所述的转炉熔炼方法，其特征在于：在转炉熔炼过程中向转炉内补加1～40kg/吨钢的含铁物料。
4、根据权利要求3所述的转炉熔炼方法，其特征在于：所述含铁物料为矿石、氧化铁皮、烧结矿、球团矿或其混合物。
5、根据权利要求3所述的转炉熔炼方法，其特征在于：利用配置于转炉上部的接触电极形成磁力方向与转炉废气流相对的补加电磁场。
6、根据权利要求4所述的转炉熔炼方法，其特征在于：利用配置于转炉上部的接触电极形成磁力方向与转炉废气流相对的补加电磁场。
7、根据权利要求5所述的转炉熔炼方法，其特征在于：所述接触电极与螺管线圈最上一匝相接。
8、根据权利要求6所述的转炉熔炼方法，其特征在于：所述接触电极与螺管线圈最上一匝相接。
9、根据权利要求1或2所述的转炉熔炼方法，其特征在于：进行预调制的频率范围为：100～10000HZ，幅度值的范围为：100～2000A。
10、根据权利要求3所述的转炉熔炼方法，其特征在于：进行预调制的频率范围为：100～10000HZ，幅度值的范围为：100～2000A。
11、根据权利要求4所述的转炉熔炼方法，其特征在于：进行预调制的频率范围为：100～10000HZ，幅度值的范围为：100～2000A。
12、根据权利要求5所述的转炉熔炼方法，其特征在于：进行预调制的频率范围为：100～10000HZ，幅度值的范围为：100～2000A。
13、一种实施如权利要求1或2所述转炉熔炼方法的设备，其特征在于，包括：配有耐火内衬(2)的转炉(1)、置于转炉(1)内的喷吹氧枪(3)、布置于转炉耐火内衬(2)中的螺管线圈(5)、直流电源部分、调制信号发生部分；所述直流电源部分输出的直流信号经调制信号发生部分进行调制后送入螺管线圈(5)的输入端。
14、根据权利要求13所述实施转炉熔炼方法的设备，其特征在于：所述调制信号发生部分包括：信号发生器(9)、直流整流器及其调制器(6)；所述信号发生器(9)发出的信号送入直流整流器及其调制器(6)进行整流调制。
15、根据权利要求14所述实施转炉熔炼方法的设备，其特征在于：所述螺管线圈(5)的高度等于氧气吹炼时金属熔池的最大高度。
16、根据权利要求15所述实施转炉熔炼方法的设备，其特征在于：在转炉(1)的上部配有接触电极(4)。
17、根据权利要求16所述实施转炉熔炼方法的设备，其特征在于：所述接触电极与螺管线圈最上一匝相接。
18、根据权利要求17所述实施转炉熔炼方法的设备，其特征在于：所述信号发生器(9)采用Γ3-34信号发生器。
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