[科普中国]-碱性平炉炼钢法

简史

1856年，德国工程师威廉·西门子使用蓄热室为平炉的构造奠定了基础。1864年，法国工程师马丁利用有蓄热室的火焰炉，以煤气或重油为燃料，在燃烧火焰直接加热的状态下，将生铁和废钢等原料熔化并精炼成钢液。同转炉炼钢法相比，可大量使用废钢，而且生铁和废钢配比灵活；对铁水成分的要求不像转炉那样严格，可使用转炉不能用的普通生铁；能炼的钢种比转炉多，质量较好。平炉炼钢法问世后立刻为各国广泛采用，成为世界上主要的炼钢方法。在1930年至1960年的30年间，世界每年钢的总产量近80%是平炉钢。50年代初期氧气顶吹转炉投入生产，从60年代起平炉逐渐失去其主力地位。许多国家的平炉已经或正在陆续被氧气转炉和电炉所代替。

在碱性耐火材料砌筑的熔炼室内进行熔炼的平炉炼钢法。碱性平炉的炉底和堤坡由镁质或镁铬质耐火材料砌筑，炉顶由悬挂式镁砖或铝镁砖构成。冶炼过程使用碱性渣操作，能有效地去除钢液中的磷和一定程度的脱硫。由于碱性平炉对铁水成分和生铁/废钢配比的适应性强，1970年以前碱性平炉炼钢是世界上最主要的炼钢法。按金属炉料组成的不同，有废钢矿石法、矿石法、废钢法和废钢增碳法等4种。

废钢矿石法最重要和最常用的碱性平炉炼钢工艺。铁水为金属料的主要组成部分，占55%～85%，废钢量在45%以下。熔炼过程分为补炉、装料、熔化、精炼、脱氧和出钢5期，为了缩短整个熔炼时间，实际操作时通常是相邻期交叉进行的。

补炉从上炉出钢开始至下炉装入第一槽炉料的期间为补炉期。当上炉钢水一经放出，炉内熔池液面就开始下降，当后墙渣线、出钢口和炉头堤坡暴露于液面时，立即用补炉机进行修补，补炉材料为镁砂、白云石、铁皮、焦油和卤水等。补炉时炉内要保持正压和高温，即向炉内供给足量燃料，使补炉材料与炉体很好烧结。

装料向炉内装入第一槽冷炉料至兑完全部铁水的期间为装料期。为了保证炉料在全部熔化完毕时得到合适的熔毕碳和熔毕渣碱度，事先必须进行炉料的配料计算，计算炉料中的矿石量和石灰石量。熔毕碳是指炉料全部熔化完毕时金属液中的含碳量。此值应比所炼钢种的含碳量高出0.25%～0.80%(与炉容量大小有关，平均值为0.5%左右)，以保证精炼期的造渣、脱碳、升温和控制钢液成分能够顺利进行。合适的熔毕碳取决于正确的矿石加入量，而后者与炉子吨位、铁水和废钢的配比及成分、炉子氧化能力和熔化期的放渣量及其成分等因素有关。而这些参数间的相互关系主要依靠实践经验来确定。装料的顺序和速度、炉料加热的时间都对炉料的熔化速度、成渣速度和总冶炼时间有极大影响。装料顺序根据炉料的导热性能、难熔程度以及它们对炉衬材料的作用来确定。导热性差、热容小的矿石和石灰石先装入，而导热性好的生铁和废钢则后装入。通常在炉底上首先装矿石，其后是石灰石和矿石交替装入，最后装入废钢，而重废钢应装在上层靠近后墙侧，该处受热条件最好。装料操作的原则是高温快装、均匀铺平和分层烧透。冷炉料装完后，堆堵好炉门的假门坎，加热炉料一定时间。然后经过兑铁口连续兑入铁水，直至兑完，这时熔池开始活跃沸腾，而且熔池渣面升高，很快形成大量酸性初期渣。装料期应向炉内供应最高流量的燃料以快速加热装入的冷料，但当初渣生成后适当减少燃料流量。装料时间占总熔炼时间的20%～30%。

熔化从兑完铁水至炉料全部熔化完毕的期间为熔化期，它是平炉熔炼各期中最长的一个阶段，约占总冶炼时间的30%～50%。故缩短熔化期是实现平炉快速炼钢的关键。熔化期的任务是将炉料全部熔化并加热至一定温度，使炉渣具有合适的碱度和良好的流动性。同时在炉料熔毕时保证金属液内有合适的熔毕碳，为精炼期创造良好的条件。当铁水兑入炉内后，立即与矿石发生激烈反应，熔池开始沸腾而上涨，生成大量发泡偏酸性渣，这时需及时通过后墙上的放渣口或炉门进行放渣，可去除熔池金属液中50%～90%的磷和10%～20%的硫，同时可大大改善向熔池的传热和传氧，也减轻初渣对炉衬的侵蚀。当金属炉料熔化时，装在炉底上的石灰石加热后开始分解，其产物石灰(CaO)上浮进入渣中，并放出大量的CO2气体使熔池产生沸腾，称为石灰沸腾，这种沸腾有利于熔池的加热和氧化反应的进行。在熔化中期，随着温度上升，废钢和生铁块大量熔化，熔池里发生剧烈沸腾(俗称“大翻”)现象，也加速熔池加热和反应进行。这时金属液中的碳与矿石、渣中的FeO发生反应生成大量CO也引起熔池强烈沸腾，由于CO在熔池上方燃烧放出很大热量，故此时需适当减少向炉内的燃料供应。当熔池停止“大翻”时，即表明炉料已全部熔化完毕。若熔池温度合适，炉渣碱度接近2而且流动性良好，即可结束熔化期，而进入精炼期。

精炼从熔毕到炉内预脱氧(出钢)的期间称为精炼期。精炼期包含两个阶段，即矿石沸腾期和纯沸腾期。精炼期的主要任务是调整钢液成分，降低C、P、S含量并使之达到预脱氧前的要求;充分去除钢液中的夹杂物和气体，提高钢液纯净度;加热钢液到出钢所需温度。矿石沸腾期是指从炉料熔毕到纯沸腾开始这段时间。当炉料完全熔化和熔池温度达到预定值时，即可向熔池加进铁矿石进行精炼，加进铁矿石的目的是为了提高钢液的脱碳速度以缩短冶炼时间，C和O反应生成的大量CO逸出使熔池发生激烈沸腾，这种搅动有利于熔池的传热、造渣、气体和夹杂物的去除以及温度和成分的均匀。由加入矿石而产生CO使熔池沸腾的现象，称为矿石沸腾;这种沸腾对完成精炼任务起着决定性作用。铁矿石分批加入，其数量和时间应与平炉的供热能力相配合，为了促进脱硫、脱磷反应，在铁矿石之后还需分批加入一定量的石灰。当铁矿石和炉渣与钢液间的氧化熔炼反应接近完成时，熔池沸腾逐渐减弱，这表示矿石沸腾期结束和纯沸腾期开始。纯沸腾期是指从矿石沸腾结束到预脱氧前的这段时间。铁矿石和炉渣与钢液间的强烈氧化反应已经结束，代之而起的是钢液内部的C-O反应开始发生，从炉门窥孔可见到整个熔池表面冒着均匀而细小的CO气泡，很像粥锅里的冒泡沸腾，人们称这种沸腾为纯沸腾。纯沸腾的作用是进一步去除钢液中的气体和夹杂物和加热钢液至出钢温度。为保证钢的质量，对纯沸腾的时间有着严格的规定。通过取出钢样和渣样的分析和观察以及钢液温度的测定，就可判断纯沸腾期的结束。进行炉内预脱氧和出钢。在出钢过程中向钢流和钢包内投脱氧剂进行终脱氧。

脱氧和出钢当钢液成分和温度达到所炼钢种要求而结束精炼期时，即可进行炉内预脱氧和准备出钢，这时可适当减少向炉内供给燃料。炉内预脱氧对钢液温度影响较小，钢液成分较均匀，脱氧产物易于排除，但脱氧剂收得率较低。打开出钢口的操作也很重要，要保持出钢口平整圆滑，不使钢流发散，这是保证钢质量的重要条件，出完钢要把出钢口清理干净，在修补完炉底后便将它堵塞严实，以保证下炉的顺利操作。

矿石法这种炼钢工艺实际上是废钢矿石法的一种极端，即金属炉料只有生铁(或铁水)，而没有废钢，故在炉料中必须加入大量的铁矿石作为生铁中杂质元素的氧化剂，也因此而称为矿石法。当采用铁水为金属炉料时，就没有熔化期，冶炼时间可大为缩短。装料期、精炼期和出钢等操作基本上与废钢矿石法相似。此法极少采用。

废钢法这种工艺是废钢矿石法的另一种特例，其金属炉料中大部为废钢，仅有少量生铁且为固态。钢液中杂质元素的氧化剂主要来自氧化性炉气(O2、H2O和CO2)，还有少量来自加入的铁矿石。金属液中的碳主要来自加入的生铁，经氧化生成的CO造成熔池强烈的沸腾，大大促进了炉内的传热和传氧过程，保证了精炼作用和钢液的质量。冶炼过程的操作工艺有些部分类似于废钢矿石法。

废钢增碳法这种工艺是在完全缺乏生铁条件下的废钢法，即金属炉料全部由废钢组成，精炼期所需的碳来自炉料中的增碳剂，如无烟煤、焦炭、石墨等。此法与废钢法的主要区别是炉料中被氧化放热的元素硅和锰含量较低，而且炉料更难于熔化，为此必须向平炉内供给大流量燃料以获得熔炼室的高温。炉料中的含磷量很低，装料时只需用少量石灰石，所以不需采用放渣操作。冶炼操作与废钢法大致相同。2