转炉炼钢原料 现代钢铁生产的核心
转炉炼钢是现代钢铁生产的主要工艺，约占全球粗钢产量的70%。优质的原料是获得高质量钢水的关键，主要包括铁水、废钢、造渣料、合金料和氧气。
原料作用
- 铁水：提供主要金属元素和热量
- 废钢：调节钢水温度和成分
- 造渣料：脱磷脱硫，形成流动性良好的炉渣
- 合金料：调整钢的化学成分和性能
- 氧气：氧化杂质元素，提供精炼手段
全球转炉钢产量超过12亿吨，占粗钢总产量约70%
转炉炼钢原料概述
转炉炼钢是以铁水为主要原料，在转炉内吹氧进行脱碳、脱磷、脱硫和升温的炼钢方法
转炉炼钢原理
转炉炼钢是利用氧气射流冲击铁水熔池，使铁水中C、Si、Mn、P等元素氧化，并通过造渣去除这些氧化产物的过程。整个过程在高温下快速进行，通常只需15-20分钟。
转炉炼钢的主要反应包括：碳的氧化产生CO气体，硅和锰的氧化形成SiO₂和MnO进入炉渣，磷的氧化形成P₂O₅与CaO结合进入炉渣。通过控制吹氧时间和强度，可以精确控制钢水成分。
五大原料功能
铁水
提供主要金属元素和冶炼所需热量，是转炉炼钢的基础
废钢
调节钢水温度和成分，回收利用废旧钢铁资源
造渣料
形成炉渣脱除有害杂质，保护炉衬
合金料
调整钢的化学成分，赋予特定性能
氧气
氧化杂质元素，提供精炼手段
转炉结构与原料加入示意图
转炉通过顶部氧枪吹入高压氧气，底部和侧面加入铁水、废钢等原料进行冶炼
铁水
铁水是转炉炼钢的主要原料，提供金属元素和冶炼所需热量，其成分和温度直接影响冶炼效果
铁水成分要求
碳(C)
提供热量，氧化放热
硅(Si)
氧化放热，提高炉渣碱度
锰(Mn)
氧化放热，改善钢性能
磷(P)
需脱除的有害元素
硫(S)
需脱除的有害元素
温度
保证入炉后温度
铁水来源与处理
铁水预处理技术
铁水凝固结构示意图
铸态组织
先共晶奥氏体+莱氏体组织
成分偏析
枝晶偏析和晶界富集
废钢
废钢是转炉炼钢的重要金属原料，可以调节钢水温度和成分，实现资源循环利用
废钢分类与用途
重废钢
厚度≥6mm的钢板、型钢等，收得率高，是主要原料
轻废钢
厚度<6mm的薄板、管材等，密度小，需压实处理
切割废钢
经剪切加工的统料，成分稳定，便于配加
返回废钢
本厂产生的浇冒口、切头切尾等，成分纯净
废钢加工处理
废钢质量要求
严格限制Cu、Sn、As等残余元素
禁止橡胶、塑料、油泥等有机物
便于装入和熔化
减少造渣负担和气体含量
避免影响钢质和炉况
废钢配加策略
- 根据铁水温度确定废钢比
- 考虑转炉容量和冶炼周期
- 平衡钢种成分要求
- 优化成本和质量关系
废钢典型形态示意图
重型废钢
厚度≥6mm的钢板、型钢
轻型废钢
厚度<6mm的薄板、管材
压块废钢
经压实处理的打包料
造渣料
造渣料用于形成炉渣，脱除铁水中的磷、硫等有害元素，保护炉衬，改善冶炼条件
石灰
转炉炼钢最主要的造渣料，主要成分是CaO，用于脱磷、脱硫，形成高碱度炉渣。
白云石
含MgCO₃的碳酸盐矿物，可补充炉渣中的MgO，保护炉衬，改善炉渣稳定性。
萤石
主要成分为CaF₂，能显著降低炉渣熔点和粘度，改善流动性，但使用需谨慎控制用量。
造渣反应机理
脱磷反应
- • 高碱度炉渣(R≥3.0)
- • 高FeO含量(15-25%)
- • 低温条件(1450-1550°C)
- • 强搅拌
脱硫反应
- • 高碱度炉渣(R≥3.5)
- • 高温条件(1550-1650°C)
- • 低FeO含量(<15%)
- • 还原性气氛
造渣料与炉渣结构示意图
石灰结构
多孔疏松结构，反应活性高
炉渣结构
复杂硅酸盐体系
合金料
合金料用于调整钢的化学成分，满足不同钢种的性能要求，是生产高品质钢材的关键
常用合金料种类
锰铁合金 (Fe-Mn)
脱氧、合金化，提高强度和韧性
硅铁合金 (Fe-Si)
强脱氧剂，改善钢的弹性
铝铁合金 (Fe-Al)
终脱氧剂，细化晶粒
钒铁合金 (Fe-V)
强化铁素体，提高强度
铌铁合金 (Fe-Nb)
细化晶粒，析出强化
钛铁合金 (Fe-Ti)
固定碳氮，改善焊接性
合金化原则
成分精准控制
- 根据钢种标准确定目标成分
- 考虑合金收得率和相互作用
- 预留余量应对波动
加入时机控制
- 脱氧剂在出钢前加入
- 合金元素可在终点或出钢过程加入
- 微合金元素宜在氩站精炼时加入
计算模型优化
- 基于物料平衡计算加入量
- 动态调整补偿偏差
- 积累数据优化模型
合金元素在钢中作用示意图
碳(C)
固溶强化，提高硬度和强度
锰(Mn)
强化铁素体，改善热加工性
硅(Si)
强化铁素体，提高弹性极限
钒(V)
析出强化，细化晶粒
铌(Nb)
析出强化，控制再结晶
铝(Al)
细化晶粒，终脱氧
氧气
氧气是转炉炼钢的核心介质，通过氧化反应脱除杂质元素，是实现高效低成本炼钢的关键
氧气技术要求
纯度
保证氧化效率，减少氮化
压力
确保射流穿透力和搅拌效果
流量
控制冶炼节奏和反应强度
露点
防止管道结冰堵塞
含油量
避免污染钢水
含水量
防止氢脆
氧气供应系统
制氧装置
采用低温分离法制氧，主流设备为全低压分子筛吸附制氧机，产氧量可达30000Nm³/h以上。
储运系统
包括压缩机、储罐、管道网络等设施，确保连续稳定供应，设有备用系统保证安全。
氧枪系统
水冷铜质氧枪，可升降调节，设有自动控制系统，保证吹氧位置准确和安全。
氧气消耗指标
氧气在转炉中作用示意图
氧气射流冲击熔池，与碳、硅、锰等元素反应，产生大量热量和CO气体