CN114592104A - 一种炼钢终点熔体炉内脱氧的方法与装置 - Google Patents

一种炼钢终点熔体炉内脱氧的方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种炼钢终点熔体炉内脱氧的方法与装置，属于冶金技术领域。本发明在氧气炼钢吹炼终点期通过炼钢炉底吹系统将碳粉喷吹入熔池内，借助碳氧反应及其产物和底吹搅拌气体的共同作用降低熔体中的氧含量，特别是能够有效降低炉渣中的铁氧化物含量。

Description

一种炼钢终点熔体炉内脱氧的方法与装置
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，更具体地说，涉及炼钢吹炼过程终点期通过炉底向熔池喷吹碳粉对炉渣和钢液进行炉内脱氧的方法与装置。
背景技术
现代氧气炼钢是一个使用纯氧氧化铁熔体中碳和硅、锰、磷等元素并使铁熔体从初始成分氧化为终点目标成分的非平衡氧化过程，主要是通过连续向熔池吹入大量氧气首先氧化铁元素生成铁氧化物，再由铁氧化物间接氧化熔池中需要被氧化的其它元素实现的。根据热力学平衡，炼钢吹炼前期除碳以外的各种所需氧化去除元素均已大部分进入炉渣中，吹炼中后期主要是碳氧反应生成一氧化碳气泡排出的碳元素氧化过程，而且所需炉渣氧含量（炉渣中铁氧化物的比例）随着碳含量的降低不断提高，当熔池钢液中碳含量低于0.3%脱碳速率出现明显下降，尤其是对于熔池上方吹氧的顶吹转炉或电弧炉，鉴于其供氧方式使得富含铁氧化物的炉渣浮在钢液表面，钢渣之间混匀的难度和熔体液柱静压力抑制等反应条件，使得在较短时间内达到目标碳含量的熔体中氧必须有比平衡值高得多的含量。因此，当达到了最终碳元素的终点成分目标停止向熔体供氧时，熔体中的氧含量（特别是低碳钢种冶炼钢液中氧含量，尤其是炉渣中铁氧化物的氧含量）会大大超出与目标碳含量的平衡值，使钢的质量恶化、脱氧合金消耗增加和冶炼过程铁损变大（对终点倒渣的冶炼工艺而言），而且随着不断追求炼钢的高效率和低成本，吹炼供氧强度和废钢比日趋加大，使得冶炼终点碳含量越来越低、熔体中的氧含量越来越高。
为改善这一状况，业界开始尝试采用各种方式对熔体进行脱氧。例如，利用原先旨在改善吹炼过程中炉池冶金反应动力学条件的底吹惰性气体搅拌系统在冶炼顶吹氧停止后仍继续维持从炉底吹入惰性气体进行一定时间的静搅拌（通常为30秒~75秒），通过反应和扩散一定程度地降低熔体中的氧含量后再开始出钢。但由于惰性气体本身不具有还原性，目前典型复吹炼钢炉底吹透气砖可能吹入的气体流量也比较小，仅仅在液气界面通过吸附解吸反应和扩散脱氧速率很低，即便是静搅拌一定时间后的实际效果也很不理想，还会因静搅拌产生附加的冶炼周期时间增加和相应的额外散热损失。还有通过终点向炉内加还原剂或从熔体上部喷吹碳粉（电弧炉顶、侧壁和炉门碳氧枪）等方法，但都不能在冶炼过程顶吹氧停止之前实施，也由于实施中动力学条件不好使得效果不佳，也会造成冶炼周期时间的增加。
发明内容
要解决的问题
本发明的目的是针对现有技术炼钢终点熔体中的氧含量高，或为降低熔体氧含量吹入惰性气体进行静搅拌产生附加的冶炼周期时间增加和相应的额外散热损失等提出一种相对更加迅捷和有效的解决方法。
技术方案
为解决前述问题，本发明提出的技术方案为：在氧气炼钢吹炼终点期，通过炼钢炉炉底将碳粉喷入熔池中，借助熔池碳氧反应及其产物和载气等的共同作用降低炉内炉渣和钢液中的过剩氧含量，特别是所有现有技术都不能很好地解决脱除炉渣中氧的问题。
本发明技术方案基于所喷入碳粉本身对熔体进行脱氧的具体技术原理有以下六个方面：
1）碳氧直接反应降低熔体中钢液的氧含量
碳粉由炉底喷入熔池后随载气泡上浮过程中，部分碳粉首先与钢液接触并产生溶解时会与钢液中的氧直接进行碳氧反应脱氧，[C]+[O]=CO(g)。
2）碳氧直接反应降低熔体中炉渣的氧含量
未在钢液中溶解和反应消耗的剩余碳随气泡进一步上浮进入炉渣会与炉渣中铁氧化物直接反应脱氧，C(s)+(FeO)=[Fe]+CO(g)，被还原的铁有炉渣进入钢液中。在相同喷吹碳强度下，碳粉的粒径对其进入炉渣有效进行直接脱氧的效果有较大关联性，粒径过小会造成碳在气泡内完全反应后体积加大，上浮速度加快、比表面积小，不利于进一步的界面反应和界面扩散，且气泡上浮在钢液与炉气间破裂时剩余碳随气体逸出熔体的损失加大。
3）部分直接碳氧反应生成的一氧化碳进一步反应生成二氧化碳对熔体进行脱氧
在高氧熔体内的一氧化碳气泡会进一步与气泡表面吸附的氧进行反应解析生成二氧化碳，CO(g)+O=CO2(g)，直至趋于气泡中一氧化碳与二氧化碳的平衡值。
4）碳还原二氧化碳间接反应对熔体进行脱氧
喷入碳粉生成了更多体积的气泡，使得随着载气和反应生成气泡上浮的未在钢液中溶解的碳会在气泡内部还原前述反应生成的二氧化碳，（C(s)+ CO2(g) =2CO(g)），间接反应促进一氧化碳更多地与气泡表面吸附的氧进行反应解析生成与其平衡的二氧化碳，CO(g)+O=CO2(g)，实现喷吹碳进一步对熔体的脱氧。
5）熔池中气泡与熔体之间的氧平衡
喷入碳粉生成了更多体积的气泡，在相同搅拌气体（载气）供气强度下能获得更大的气泡与熔体之间反应和扩散总的比表面积，促进了气泡对熔体的脱氧。
6）熔池中钢液与炉渣之间的氧平衡
喷入碳粉生成了更多的具有搅拌功能的气体，搅拌能增加使得反应与扩散的动力学条件改善，在载气与反应生成气体的共同搅拌作用下，熔池中钢液与炉渣的混合更加充分，促进气泡与熔体中氧的反应及扩散，更加促进了熔体中钢液与炉渣之间的氧平衡，并通过良好平衡降低炉渣中的铁氧化物含量。
本发明所采用的技术方案是通过本发明的一种炼钢终点熔体炉内脱氧的装置实现的，碳粉计量并经流态化后采用稀相气力输送和利用载气从炉底喷吹入熔池。在结构上，本发明装置包括：
（1）碳粉储存仓及输送管路，用于储存和向喷吹仓输送碳粉。可优选的，为保证碳粉的可输送性，仓内采用蒸汽盘管进行外热干燥。
（2）碳粉喷吹仓，用于碳粉的计量下料和压力平衡。可优选的，碳粉下料的计量采用与载气压力平衡下的容积式机械定量设备。
（3）喷吹输送管路，用于输送流态化的碳粉及其喷吹载气等；
（4）混合器，用于碳粉的流态化、与载气的混合和向炼钢炉的稀相气力输送；
（5）埋入炉底的透气喷嘴，用于在吹炼过程中吹入气体搅拌熔池和吹炼终点向熔池喷射碳粉对炉内熔体进行脱氧。
有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
1）通过喷入碳粉及其产物与钢液和炉渣的还原进一步反应降低了炉内熔体中氧含量，特别是炉渣中的铁氧化物含量，降低了重点一次性倒渣工艺条件下的冶炼吹损；
2）借助喷入碳粉直接和间接还原反应的高速率和气泡比表面积的增加可以显著减少吹炼终点静搅拌时间，相应减少冶炼周期时间；
3）碳粉与熔体氧还原反应的气态产物能够实现更大的搅拌强度，有利于吹炼终点熔池冶金反应平衡和温度场、浓度场的均匀化；
4）因碳氧反应产物气体的产生，在获得更大搅拌强度的同时还可以适度降低底吹气体流量，有利于减缓透气砖端部蚀损和延长透气砖寿命，有助于实现整个炉役的全冶炼过程稳定底吹。
5）由于炉渣中铁氧化物含量的减少，使炉渣组分发生改变，铁酸钙和RO相比例减少，相对氧化钙含量增加，磷在渣、钢间的分配比提高，可以在降低炉渣碱度和减少渣量的条件下，提高冶炼过程的脱磷率。
6）由于炉渣中铁氧化物含量的减少和相对氧化钙含量增加，也使得硫在渣、钢间的分配比提高，冶炼过程脱硫率提高（或回硫率下降）。
7）由于吹炼完成后的终点后静搅拌是在熔池最高温度下进行的，减少静搅拌时间可以相应减少较大量的热损失。
8）因氧化铁含量降低使得炉渣稠化，转炉出钢后期出钢口上方的炉渣不易被涡流卷携进入钢包，钢包钢液回磷减少，并降低了后续钢液脱氧合金和精炼造渣料的消耗以及相应物料升温的能耗的。
9）炉渣中氧化铁含量的降低使得炉渣熔点升高，有利于后续的转炉溅渣护炉保护层抗破坏和抗蚀损能力的提高。
附图说明
图1 本发明的一种炼钢终点熔体炉内脱氧的装置示意图，图中：
1-碳粉储存仓，2-碳粉喷吹仓，3-载气控制阀及气力输送管路，4-混合器，5-炉底喷粉透气砖。
图2 为在典型现有技术的条件下实施本发明炼钢终点炉内熔体脱氧的方法，对炼钢炉底吹系统进行功能扩展改造后的装置示意图，图中：
01-典型现有技术炼钢炉底吹系统供气气源及其控制阀组，02-保留的典型现有技术底吹系统供气管路，03-封堵断开后去除的现有底吹系统供气管路，04-底吹系统炉底透气砖；
11-增加的碳粉储存仓，12-增加的碳粉喷吹仓，13-增加的输送管路，14-增加的混合器。
具体实施方式
本发明的一种炼钢终点熔体炉内脱氧的方法，其特征在于：在氧气炼钢吹炼终点期，通过炼钢炉炉底将碳粉喷入熔池中，借助熔池碳氧反应及其产物和载气等的共同作用降低炉内炉渣和钢液中的氧含量。
进一步地，所述冶炼终点期为熔池中钢液碳含量低于0.20%之后到出钢开始的阶段；
进一步地，所述碳粉的粒径不大于0.3毫米；
进一步地，所述碳粉借助炼钢炉底吹系统搅拌气体通道并同时利用搅拌气体作为载气喷入熔池中。
本发明方法的实施采用一种炼钢终点熔体炉内脱氧的装置（如图1所示），包括：1）碳粉储存仓及输送管路，用于储存和向喷吹仓输送碳粉；2）碳粉喷吹仓，用于碳粉的计量下料和压力平衡；3）载气控制阀及气力输送管路，用于喷吹载气控制和流态化的碳粉输送等；4）混合器，用于碳粉的流态化、与载气的混合和向炼钢炉的稀相气力输送； 5）炉底喷粉透气砖，用于将流态化的碳粉喷吹进入炼钢炉熔池底部。
进一步的，所述碳粉储存仓内带有蒸汽外热干燥系统。
进一步的，所述碳粉的计量采用机械容积式设备。
以下具体本发明的应用结合方案实施例进一步进行描述。
实施例1
基本条件：300吨顶底复吹转炉，双环缝透底吹气砖；生产超低碳钢，终点目标碳含量0.04%；底吹前期吹氮气中后期改吹氩气，终点搅拌强度为0.12Nm3/t*min；停止吹氧后进行终点静搅拌60秒；开始倒炉出钢时将氩气流量切换至吹扫模式；终点碳氧积0.0017，终渣全铁18.3%。
实施方案：
1）改造现有气体搅拌底吹系统，增加碳粉稀相流态化喷吹装置（见图2）；
2）吹炼过程终点前完全维持既有底吹供气工艺；
3）在停止吹氧前20秒钟开始喷吹碳粉直至开始出钢，喷粉时的供气强度调整为0.10 Nm3/t*min，粉气比为0.8~1.0kg/ m3；
4）在停止吹氧后静搅拌35秒钟开始倒炉出钢（减少静搅拌时间25秒，亦即缩短冶炼周期时间25秒钟），并同时停止碳粉喷吹（实际碳粉喷吹时间约55秒），10秒钟后搅拌氩气流量切换至吹扫模式；
5）出钢炉内碳氧积0.0014，终渣全铁16.1%。
实施例2
基本条件：100吨顶底复吹转炉，采用集束管式透气砖；采用终点留碳工艺，终点目标碳含量0.15%；底吹全程吹氮气，终点搅拌强度为0.06Nm3/t*min；不进行终点静搅拌，氧枪提出炉口时开始倒炉出钢，同时搅拌氮气流量切换至吹扫模式；出钢碳氧积0.0024，终渣全铁17.6%。
实施方案：
1）改造现有气体搅拌底吹系统，增加碳粉稀相流态化喷吹装置（见图2），更改集束管式透气砖为环缝式透气砖；
2）吹炼过程终点前完全维持现有底吹供气工艺；
3）在停止吹氧前10秒钟开始喷吹碳粉，粉气比为1.5-3.0kg/m3；
4）氧枪提出炉口时开始倒炉出钢，并同时停止碳粉喷吹（实际碳粉喷吹时间约25秒），10秒钟后搅拌氮气流量切换至吹扫模式。
5）出钢碳氧积0.0017，终渣全铁15.2%。
实施例3
基本条件：110吨电弧炉，铁水比70%炉料结构；采用终点留碳工艺，终点目标碳含量0.10%；配备有侧壁和炉门喷碳粉氧枪；无底吹搅拌系统；冶炼终渣全铁19.7%；EBT出钢方式，出钢后炉内留钢40吨。
实施方案：
1）增加配备三块喷吹透气砖的碳粉稀相流态化喷吹装置系统（见图1）；
2）电弧炉冶炼过程前期适度进行底吹气体搅拌促进废钢熔化；
3） 冶炼终点电极提升时开始炉底增加搅拌气量并随即喷吹碳粉，粉气比为1.0-2.0kg/m3；
4）出钢60%时停止碳粉喷吹（实际碳粉喷吹时间约125秒），10秒钟后载气流量切换至吹扫模式。
5）终渣全铁16.1%。
实施例4
基本条件：120吨顶底复吹转炉，环缝式透气砖；采用终点留碳工艺，终点目标碳含量0.12%；底吹全程吹氮气，终点搅拌强度为0.10Nm3/t*min；不进行终点静搅拌，氧枪提出炉口时开始倒炉出钢，同时搅拌氮气流量切换至吹扫模式；出钢碳氧积0.0023，终渣全铁17.6%。
实施方案：
1）改造现有气体搅拌底吹系统，增加碳粉稀相流态化喷吹装置（见图2）；
2）吹炼过程终点前完全维持现有底吹供气工艺；
3）在停止吹氧前10秒钟开始喷吹碳粉，粉气比为1.5-3.0kg/m3；
4）氧枪提出炉口时开始倒炉出钢，并同时停止碳粉喷吹（实际碳粉喷吹时间约20秒），10秒钟后搅拌氮气流量切换至吹扫模式。
5）出钢碳氧积0.0017，终渣全铁15.8%。
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

Claims (7)

1.一种炼钢终点熔体炉内脱氧的方法，其特征在于：在氧气炼钢吹炼终点期，通过炼钢炉炉底将碳粉喷入熔池中，借助熔池碳氧反应及其产物和载气等的共同作用降低炉内炉渣和钢液中的氧含量。
2.根据权利要求1所述的一种炼钢终点熔体炉内脱氧的方法，其特征在于：所述冶炼终点期为熔池中钢液碳含量低于0.20%之后到出钢开始的阶段。
3.根据权利要求1所述的一种炼钢终点熔体炉内脱氧的方法，其特征在于：所述碳粉的粒径不大于0.3毫米。
4.根据权利要求1所述的一种炼钢终点熔体炉内脱氧的方法，其特征在于：所述碳粉借助炼钢炉底吹系统搅拌气体通道并同时利用搅拌气体作为载气喷入熔池中。
5.一种炼钢终点熔体炉内脱氧的装置，应用于权利要求1的方法，其特征在于：包括：1）碳粉储存仓及输送管路，用于储存和向喷吹仓输送碳粉；2）碳粉喷吹仓，用于碳粉的计量下料和压力平衡；3）载气控制阀及气力输送管路，用于喷吹载气控制和流态化的碳粉输送等；4）混合器，用于碳粉的流态化、与载气的混合和向炼钢炉的稀相气力输送；5）炉底喷粉透气砖，用于将流态化的碳粉喷吹进入炼钢炉熔池底部。
6.根据权利要求5所述的一种炼钢终点熔体炉内脱氧的装置，其特征在于：所述碳粉储存仓内带有蒸汽外热干燥系统。
7.根据权利要求5所述的一种炼钢终点熔体炉内脱氧的方法与装置，其特征在于：所述碳粉的计量采用机械容积式设备。
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