转炉炼钢工艺概述
转炉炼钢定义
转炉炼钢是以铁水为主要原料，在转炉内通过吹入高压氧气，使铁水中的碳、硅、锰、磷等杂质元素氧化并以炉气和炉渣的形式排出，同时调整钢水成分和温度，最终获得合格钢水的炼钢方法。氧气转炉炼钢法是目前世界上应用最广泛的炼钢方法，其产量占全球粗钢总产量的70%以上。
转炉炼钢特点
- 生产效率高：冶炼周期短，一般为15-25分钟
- 基建投资省：设备简单，占地面积小
- 原料适应性强：可处理各种成分的铁水
- 易于自动化控制：便于实现计算机控制
- 产品质量好：钢中气体和夹杂物含量低
- 环保性能佳：烟尘治理技术成熟
发展历史
早期发展(1950年代)
奥地利发明氧气顶吹转炉(LD法)，开启现代炼钢新时代
技术完善(1960-80年代)
底吹、复吹技术相继出现，提高冶炼效率和钢质
现代化阶段(1990年代至今)
计算机控制、副枪技术、溅渣护炉等新技术广泛应用
全球转炉炼钢现状
全球粗钢产量
18.8亿吨
2022年
转炉钢占比
72%
生产工艺
中国转炉钢
10.1亿吨
2022年
平均炉役
15000炉
炉龄
转炉炼钢原理
氧化反应原理
硅的氧化
[Si] + 2[O] = (SiO₂)
反应热：-592 kJ/mol，是转炉初期主要热源
锰的氧化
[Mn] + [O] = (MnO)
反应热：-192 kJ/mol，放热反应
碳的氧化
[C] + [O] = {CO}
[C] + 2[O] = {CO₂}
反应热分别为-110.3 kJ/mol 和-393.5 kJ/mol
磷的氧化
2[P] + 5[O] + 3(CaO) = (Ca₃(PO₄)₂)
去磷条件：高碱度、高氧化性、适当温度
热平衡分析
热收入项目
热支出项目
热效率：通常为70-75%
脱硫反应原理
炉渣脱硫反应
[S] + (CaO) = (CaS) + [O]
(CaS) + (FeO) = (CaO) + [S] + (Fe)
脱硫条件：高碱度、还原性气氛、高温、大渣量
气化脱硫反应
[S] + 2{CO} = {CS₂} + 2{CO}
[S] + {H₂} = {H₂S}
气化脱硫率通常为10-20%
脱硫效率影响因素
- 炉渣碱度：R=CaO/SiO₂=3.0-4.0为宜
- 温度：1600-1650℃脱硫效果最佳
- 搅拌强度：强搅拌有利于脱硫反应进行
- 炉渣流动性：良好的流动性促进反应界面更新
转炉炼钢主要设备
转炉本体设备
炉壳
钢板焊接结构，承受高温和机械应力
材质：16MnR或15CrMoR
厚度：炉帽80-120mm，炉身60-100mm
炉衬
镁碳砖砌筑，保护炉壳免受高温侵蚀
材质：MgO-C砖，碳含量10-20%
厚度：工作层400-600mm
托圈
支撑炉体并传递倾动力矩的关键部件
结构：箱形焊接结构
材质：ZG35SiMn或35SiMn2MoV
供氧系统设备
氧枪
向熔池吹氧的核心设备
结构：三层同心钢管
出口马赫数：Ma=2.0-2.2
设计氧压：0.8-1.2MPa
鼓风机
提供氧气输送动力
类型：轴流式或离心式
流量：25000-60000Nm³/h
出口压力：1.2-1.6MPa
测量仪表
监测氧压、氧量、氧纯度等参数
氧纯度：≥99.5%
压力精度：±0.01MPa
流量精度：±1%
辅助系统设备
装料系统
铁水罐车、废钢料槽等
除尘系统
LT或OG除尘装置
汽化冷却
炉口、烟道水冷系统
控制系统
PLC、HMI自动化系统
典型转炉技术参数
| 参数 | 数值 | 单位 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 公称容量 | 80-300 | 吨 | 出钢量 |
| 炉膛直径 | 4.5-7.5 | 米 | 熔池直径 |
| 炉膛高度 | 6.0-10.0 | 米 | 总高度 |
| 高宽比 | 1.3-1.6 | - | H/D比 |
| 氧枪出口马赫数 | 2.0-2.2 | - | 超音速射流 |
| 供氧强度 | 3.0-4.5 | Nm³/t·min | 单位时间内供氧量 |
转炉炼钢工艺流程
基本冶炼流程
装料
将铁水和废钢按规定比例装入转炉
装料制度：
铁水装入量：80-120吨
废钢比：10-30%
吹炼
降枪吹氧，进行脱碳、脱磷、脱硫等反应
吹炼阶段：
前期：Si、Mn氧化
中期：C激烈氧化
后期：C、P、S精炼
加料
根据需要加入造渣剂、冷却剂等辅料
主要辅料：
石灰：15-25kg/t钢
白云石：3-8kg/t钢
萤石：1-3kg/t钢
测温取样
通过副枪或人工检测钢水温度和成分
控制标准：
终点[C]：0.03-0.20%
温度：1650-1700℃
出钢
钢水达到目标成分和温度后出炉
出钢操作：
挡渣出钢
合金化
钢包处理
溅渣护炉
留渣操作，提高炉衬寿命
技术要点：
炉渣MgO>8%
氮气压力：0.8-1.2MPa
溅渣时间：2-4分钟
吹炼过程控制
供氧制度
枪位控制
造渣制度
渣料加入时机
炉渣成分控制
(CaO)
45-55%
(SiO₂)
12-18%
(FeO)
10-20%
碱度R
2.8-3.8
转炉炼钢过程控制
终点控制技术
温度控制
通过调整冷却剂用量和吹炼时间控制终点温度
控制精度：±10℃
冷却剂：废钢、铁矿石、氧化铁皮
成分控制
动态控制碳含量，一次拉碳率达到90%以上
终点[C]：0.03-0.20%
终点[P]：≤0.010%
终点[S]：≤0.020%
副枪技术
采用TSC型副枪实现不倒炉测温取样
测量时间：90秒内
命中率：温度>95%，成分>90%
自动化控制系统
静态控制模型
基于物料平衡和热平衡原理建立的控制模型
输入参数：
铁水成分、温度、废钢配比、辅料成分等
动态控制模型
实时监测吹炼过程参数，动态调整操作
监测参数：
烟气成分、声音、火焰图像、氧枪参数等
人工智能应用
神经网络、专家系统等AI技术的应用
技术效果：
终点命中率提高10-15%，钢铁料消耗降低2-5kg/t
关键工艺参数
冶炼周期
15-25
分钟
日历利用系数
35-45
吨/(公称吨·天)
炉龄
10000-20000
炉
钢铁料消耗
1030-1060
kg/t钢
转炉钢质量控制
钢水纯净度控制
气体含量控制
[O]溶解
300-600 ppm
[N]溶解
30-60 ppm
[H]溶解
2-5 ppm
总氧T.O
200-400 ppm
夹杂物控制
通过优化脱氧制度和炉外精炼减少夹杂物
控制措施：
挡渣出钢、钢包渣改质、氩气搅拌
有害元素控制
| 元素 | 控制目标 | 控制方法 |
|---|---|---|
| [P] | ≤0.010% | 低温去磷 |
| [S] | ≤0.020% | 炉渣脱硫 |
| [As] | ≤0.010% | 原料控制 |
合金元素控制
合金收得率
终点成分控制
终点[C]
0.03-0.20%
终点[T]
0.03-0.15%
终点[Si]
0.00-0.30%
终点[Mn]
0.10-0.60%
合金化时机
- 出钢过程加入：合金收得率高，成分均匀
- 出钢结束前2分钟停止加合金
- 强脱氧剂(如铝)在出钢80%时加入
- 微调合金可在LF炉进行
质量检测技术
温度检测
红外测温、热电偶测温技术
精度：
±5℃以内
成分分析
直读光谱仪、红外碳硫仪等
分析时间：
2-5分钟
图像识别
火焰图像、钢水图像识别技术
应用：
终点判断、异常报警
转炉炼钢技术发展
高效化技术
高拉碳技术
提高终点碳含量，降低钢水氧化性
目标终点[C]：0.10-0.20%
效果：降低合金消耗5-10kg/t
高废钢比技术
提高废钢使用比例，降低铁水消耗
废钢比：30-50%
技术：废钢预热、高功率供电
少渣冶炼技术
减少石灰用量，降低渣量
渣量：<80kg/t钢
效果：缩短冶炼时间2-3分钟
智能化技术
人工智能炼钢
基于大数据和机器学习的智能控制
技术：深度学习、神经网络
效果：终点命中率>98%
机器人应用
自动测温取样、自动加料机器人
应用：自动副枪、机械臂
优势：提高安全性、一致性
数字孪生技术
虚拟仿真与实际生产同步
功能：工艺优化、故障预测
价值：提高作业率、降低成本
环保与节能技术
负能炼钢
回收煤气和蒸汽能量，实现能量自给
效果：
吨钢能耗<-10kgce
超低排放
颗粒物<10mg/m³，SO₂<50mg/m³
技术：
高效除尘、脱硫脱硝
循环经济
钢渣100%利用，水资源循环使用
指标：
水重复利用率>98%
未来发展趋势
技术发展方向
氢冶金技术
氢气代替碳作为还原剂，大幅降低CO₂排放
智能化工厂
全流程智能化控制，实现黑灯工厂
绿色制造
近零排放、全生命周期环境友好
装备升级方向
大型化高效化
更大容量转炉，更高生产效率
数字化装备
集成传感器、执行器的智能设备
模块化设计
标准化、系列化、可重构设备