1、浅析氧气顶吹转炉炼钢设备摘要：我国是世界上最早生产钢的国家之一。考古工作者曾在长沙杨家山春秋晚期墓葬中发掘出一把铜格“铁剑” ，经研究证明是钢制的。这是我们所见到的中国最早的钢制实物，说明炼钢生产在中国距今已有2500 多年历史。20 世纪 50 年代中期，我国科学家叶渚沛率先提倡发展氧气转炉炼钢。本文将从各个方面详细介绍现代炼钢设备-炼钢转炉设备的应用。 关键词：氧气；转炉；炼钢；设备 中图分类号：TF341 文献标识码：A 前言：氧气顶吹转炉炼钢是利用纯氧从转炉顶部吹炼铁从而炼制成钢的转炉炼钢法。自从 50 年代初投入工业生产以来，在世界范围内得到迅速推广应用，并逐步取代空气转炉法及平炉炼
2、钢法，成为现代炼钢的主要方法。氧气顶吹转炉炼钢法最早建于奥地利的林茨(Linz)和多纳维茨（Donawiz） ，因此亦称 LD 法。 炼钢方法 炼钢的方法主要有转炉、电炉和平炉三种。 转炉炼钢主要是以铁水、废钢、铁合金作为原材料，不必借助外加能源，只依靠铁液本身物理热和铁液组分间的化学反应所产生的热量从而完成炼钢过程。 1.1 转炉炼钢的分类 转炉炼钢主要适用于生产碳钢、合金钢及铜和镍的冶炼。按其气体种类为分空气转炉和氧气转炉；按其气体吹入炉内的部位分类有顶吹、底吹和侧吹；按其耐火材料可以分为酸性和碱性。 碱性氧气顶吹炼钢和顶底复吹转炉炼钢因为其生产速度快、产量大，单炉产量高、成本低且投资少，
3、是目前炼钢中所使用的最为普遍的设备。2 转炉炼钢设备 2.1 转炉炉体 由炉壳及其支撑系统（托圈、耳轴、联接装置和耳轴轴承等）组成。炉体的外面是炉壳，是用钢板焊接而成，炉壳里面是炉衬，砌筑的耐火砖。转炉炉体断面构造详见下图： 2.2 转炉炉体各部分作用 a.炉壳 作用：保证转炉炼钢具有固定形状与足够强度，能够承受大力的倾动力矩、耐火材料及炉料的重量，以及炉壳钢板等温度梯度所产生的热应力、炉衬膨胀应力等。 b.托圈和耳轴 作用：支撑炉体并且传据转矩等。 托圈：选用优质钢板焊接而成，断面呈矩形中空圆环，内部以通水冷却，降低其热应力。而两侧则是固定的两个耳轴，由于炉壳受热膨胀不受限制和通风冷却，故需
4、在托圈与炉壳两者之间保留 100mm 间隙。 耳轴：给转炉与托圈传递低速度、重载荷、大力矩的传动部件，因此要求其具有足够强度刚度，可以用 40Cr 制作。耳轴位于炉体的两侧，其中一侧为固定端，而另一侧为浮动端。 固定端将转动力矩从倾动机构传递给托圈与炉体。耳轴多数是空心轴，内里通水冷却，冷却水经过耳轴、托圈直到炉口水箱。耳轴与托圈通过法兰盘螺栓连接。 c.托圈与炉体的联接装置 由上下托架及自调螺栓组成。 自调螺栓：由销轴、活接螺栓及两组球面垫圈所组成。活接螺栓用水平销轴连接到托圈上部支撑座上，可以在销轴上随意摆动，其上部通过两组球面垫片连接在炉壳法兰的销孔中，并用螺母锁紧，其最大特点是能够在两
5、组球面垫片中产生相对位移，从而适应炉体自由膨胀。 d. 耳轴轴承座 支撑炉壳、炉衬、铁水的全部重量的部件。 其工作条件：负荷大，转速慢、温度高，并且工作环境极为恶劣。 目前我国转炉耳轴轴承在大、中、小型转炉上普遍采用滚动轴承。它的优点是能够补偿耳轴由于托圈翘曲与制造安装中的不准确而引起的不同心度与不平行度。从动侧可采用铰接式轴承支座，靠支座的偏斜摆动补偿耳轴轴线方向上所产生的涨缩位移。 3 氧气顶吹炼钢 3.1 发展历程详见下表： 时间 国家 炼钢法 特点 1856 年 英国贝斯麦 底吹酸性转炉炼钢 不能去除硫和磷 1879 年 托马斯 底吹碱性转炉炼钢 对生铁成分有较严格要求，不能用废钢 1
6、864 年 法国马丁 平炉炼钢法 容量大，生产品种多 1952 年 奥地利 纯氧顶吹转炉 节省高炉焦炭耗量，能使用更多废钢 3.2 氧气顶吹转炉炼钢设备构造 在炼钢过程中，氧气顶吹转炉吹练所需氧气将由氧气枪输入炉内，继而通过氧枪头部的喷头将氧气喷射到熔池上面。其设备构造如下图所示： 设备组成：氧枪本体、氧枪升降机、换枪装置等 1.氧枪本体：由喷头、枪身及连接管接头而组成。 a.枪身：由外层管、中心管、中层管等三根无缝的钢管同心套装所成，三层管由内到外一次性输送氧气、供水及排水。 b.喷头：其材料均采用纯紫铜，从而延长其使用寿命。 分类：单孔、三孔和多孔。 单孔用于小型转炉，大中型转炉一般采用
7、37 孔。注意：多孔喷头由多个拉瓦尔喷孔组成。 喷头结构：是拉瓦尔型的，由收缩段、喉口段、扩张段构成。 作用：是将压力能转换成动能的能量转换器。 能量转换过程：当高压氧气通过收缩段时流速将增加，会在喷头出口处获得超音速流股，能较好的搅拌熔池，以提高氧枪寿命及炉龄。 3.3 顶吹转炉冶炼一炉钢的操作过程 主要是由一下的六步组成： （1）首先上炉出钢、倒渣，依次检查炉衬及倾动设备，从而进行必要的修补修理工作； （2）倾炉，加入废钢、兑入铁水，摇正炉体，使其至垂直位置； （3）降枪开吹，并加入第一批渣料； （4）在 35 秒后加入第二批渣料，并继续吹炼，随着吹炼进行，钢中的碳逐渐降低，约 12 秒后
8、火焰微弱，停吹； （5）倒炉，测试温度、提取样本，并确定补吹时间或出钢； （6）出钢同时，将备好的合金加入钢包中进行脱氧合金化。 （7）上一炉钢出完钢后，倒净炉内渣料，堵住出钢口，兑入铁水，加废钢，然后降枪供氧。送氧开吹时，先加入第一批渣料，其量相当于全炉总渣量的三分之二，3-5 分钟后，待第一批渣料化好后，再加入第二批渣料。如果炉内化渣不好，则允许重新加入第三批萤石渣料。 4. 氧气顶吹转炉炼钢的优越性 a.生产率 氧气顶吹转炉皆是采用含量在 99%以上的氧气吹炼，过程反应激烈，脱碳升温速度快，且冶炼周期较短，如宝钢 3001 转炉平均冶炼周期为 36秒/炉，平炉则要 56 小时(吹氧)才能
9、炼一炉钢。 b. 冶炼出的钢，质量优良且品种多样 氧气顶吹转炉炼钢能冶炼平炉的全部钢种和电炉熔炼的一部分钢种。从钢中的含碳量方面来看，氧气顶吹转炉可冶炼微碳、低碳、中碳，直到含碳量达到 1.30%1.50%的高碳钢种；从钢中含合金元素方面来看，从含微量元素的工业纯铁，低合金钢、中合金钢、超低碳不锈钢等，都能冶炼。 c. 原料适应性好 氧气顶吹转炉不仅能吹炼高炉生铁，而且能吹炼中磷、高磷生铁，还能吹炼含钒、钛等特殊成分的生铁。 d.基础建设投资少、建设生产速度快 由于氧气顶吹转炉车间的设备较为简单，所占用的厂房面积及重型设备数量比平炉车间少，因此会比相同产量的平炉车间投资低 30%40%，且生产
10、规模越大，基础建设投资越省，同时车间建设速度比平炉车间快得多。 e.原材料消耗少，热效率高、成本低 氧气顶吹转炉炼钢的金属消耗一般为 11001140kg/t 钢，稍高于平炉(但在良好操作情况下，金属消耗与平炉接近)。顶吹转炉的热源是利用铁水本身的物理热与化学热，热效率高，因此在燃料，动力消耗等方面均低于平炉、电炉。另外氧气顶吹转炉炼钢法具有高生产率，低消耗率，所以钢成本较低。 5 结语 氧气顶吹转炉炼钢生产发明从根本上改变了全世界钢铁工业的整体面貌。氧气顶吹转炉以其特有的优点在大多数钢铁国家得到迅速的推广应用，并在目前使用的各种炼钢方法中占据绝对优势。随着现代技术的不断发展进步，我们需要研究的还有更多，以推进炼钢设备的进一步发展。 参考文献: 1.王雅贞等.氧气顶吹转炉炼钢工艺与设备. 北京：冶金工业出版社，2001 2.张承武.炼钢学.北京：冶金工业出版社，1991 3.曲英.炼钢学原理.北京：冶金工业出版社，1994
