第八章第八章 钢铁工业窑炉钢铁工业窑炉 本章要点：本章要点： 高炉冶炼是获得生铁的手段，而转炉则为炼钢车间的高炉冶炼是获得生铁的手段，而转炉则为炼钢车间的主体设备。本章学习的主要目的在于掌握钢铁生产的两大主体设备。本章学习的主要目的在于掌握钢铁生产的两大基本炉窑（高炉与转炉）的工作原理、窑炉结构、内衬材基本炉窑（高炉与转炉）的工作原理、窑炉结构、内衬材料以及损毁机理，为现代冶金工业的优质高效、长寿节能、料以及损毁机理，为现代冶金工业的优质高效、长寿节能、清洁生产和过程自动设计奠定基础。清洁生产和过程自动设计奠定基础。第一节第一节 炼铁高炉炼铁高炉 高炉冶炼主要以铁矿石（天然富矿、烧结矿和球团矿）为原料，以焦碳、煤粉、重油、天然气为燃料和还原剂，以石灰石为溶剂，在高炉中通过燃料燃烧、氧化物中铁元素的还原以及非铁元素造渣等一系列复杂的物理化学过程，获得生铁。如图8.1。 高炉本体包括高炉基础、钢结构、炉衬、冷却装置，而高炉本体设计是最为关键的部分。高炉炉衬用耐火材料已由单一用陶瓷耐火材料过渡到陶瓷质和碳质耐火材料。 图8.1 高炉生产流程1.储矿槽；2.焦仓；3.称量车；4.斜桥；5.放散阀；6.高炉；7.热风炉；8.除尘器；9.切断阀；10.洗涤塔；11.渣罐；12.铁水罐；13.基墩；14.基座 所谓五段式结构，自高炉底部死铁层以上的部位，依次为炉缸、炉腹、炉腰、炉身、炉喉。 1.高炉有效容积和有效高度 我国习惯地规定: 有效容积Vu 620m3，为大型高炉。 高炉的有效高度，对高炉内煤气和炉料之间的传热过程有重大影响。有效高度增加，煤气流速与炉料接触机会增加，有利于传热传质，降低能耗。但太高会形成料拱，对炉料下降不利。一、高炉本体五段式结构 2. 炉缸 指高炉炉型下部圆筒部分。它的上中下部分分别装有风口，渣口，铁口。炉缸下部容积盛装有液态的渣铁，上部空间为风口燃烧带。风口的数目主要取决于炉容大小，与炉缸直径成正比，还与冶炼强度有关。其数目n的确定可参照如下公式： n = 2( d + 1 ) 中小型高炉 n = 2( d + 2 ) 大型高炉 n = 3d 巨型高炉（4000m3以上） 式中d为炉缸直径，m。 3. 炉腹 位于炉缸上部，呈倒截圆锥形。炉腹的形状适应该部位炉料已熔化滴落而引起的物料体积的收缩，稳定下料速度。由于燃烧带产生的煤气是鼓风量的1.4倍，理论燃烧温度可达1800-2000度，气体激烈膨胀，炉腹的存在适应这一变化。 4. 炉腰 炉腹上部的圆形空间为炉腰，是高炉炉型直径最大部位。它是冶炼的软熔带，炉料的透气性变差，炉腰的存在扩大了该部位的横向空间，改善了通气条件。因此，当冶炼渣量大时，应适当扩大直径。 在炉型结构上，炉腰起承上启下的作用，使得炉腹向炉身过渡来的平缓，减少死角。高度一般取13 m之间。炉腰直径与炉缸、炉腹角、炉腹高度有关。 5. 炉身 呈正截圆锥形向下扩张，以适应于炉料向下运动，因温度升高所产生体积的膨胀，有利于减小炉料下降的摩擦阻力，避免形成料拱。炉身高度占高炉有效高度的5060%，保障了煤气与炉料之间传热和传质过程的进行。 6. 炉喉 呈圆柱型，它的作用是承接炉料，稳定料面，保证炉料合理分布。炉喉直径与炉腰直径之比应在0.64 0.73之间。炉喉之上部位是钟上炉顶装料装置。 炉型设计与计算见有关书籍。二. 高炉炉衬破坏机理碱金属和其他有害元素的破坏作用炉料和煤气流的摩擦冲刷及煤气碳素沉积的破坏作用高温和热震破损高温渣铁的渗透与侵蚀炉衬破坏机理归纳为如下几方面 综上所述，高炉内任何部位的破坏，都是多种破坏机理的交替综合作用的结果。高炉寿命是炉型设计、炉衬结构及材质、高炉冷却设备与工艺制度、冶炼条件等因素的综合作用的结果。 高炉用耐火材料有陶瓷质材料和碳质材料。陶瓷质材料有粘土砖、高铝砖、刚玉砖、不定型耐火材料。碳质材料有碳砖、石墨砖、石墨炭化硅砖、氮结合炭化硅砖和粘土结合炭化硅砖。三. 高炉用耐火材料1. 粘土砖和高铝砖粘土砖和高铝砖 其具有较好的机械强度，耐磨性和抗渣性均好，成本较低，普遍用于高炉的各个部位。高炉用粘土砖和高铝砖要求具备如下性能: （1） （2）（3）（4）化学成分中氧化铝含量高而氧化铁含量低耐火度和荷重软化要求高重烧收缩率要小气孔率要低2. 碳质耐火材料碳质耐火材料 随着冶炼强度提高，炉衬热负荷加重。以快速导热的碳质耐火材料显示独特性能。尤其炉底部位几乎普遍采用碳质耐火材料。它的主要性质如下：耐火度高,3500升华。在冶炼工艺过程中不软化也不熔化具有很好的抗渣性,无论对酸性与碱性炉渣都有良好的抗蚀性具有高导热性与抗热冲击性,有利于延长炉衬的寿命热膨胀系数小，热稳定性高但对氧化性气体的抵抗能力差，易氧化 (2) (3) (1) (5) (4) 3. 不定型耐火材料 主要有捣打料、喷补料、浇注料、泥浆和填料。其主要特点是成型工艺简单、能耗低、抗热震性好、耐剥落等优点。 高炉冷却的目的是维持炉衬在一定温度下工作，使其不失去强度，保持炉型；形成渣皮，保护和替代炉衬工作；保护炉壳与各种钢结构，使其不因受热而变形或破坏。 常用的冷却方式为水冷，风冷和汽化冷却。四. 高炉冷却 高炉基础是高炉下部的承重结构，它的作用是将高炉全部载荷传递到地基。构成形式为基座和基墩（如图8.1）。五五. . 高炉基础高炉基础第二节第二节 炼钢转炉炼钢转炉 本节主要介绍氧气顶吹转炉结构与工艺特点。氧气转炉是转炉炼钢的主体设备，如图8.2所示。转炉由炉帽、炉身和炉底三部分组成。炉帽系一上小下大的正口形截圆锥体；炉帽以下、熔池面以上的圆筒为炉身部分；熔池面以下为炉底部分。图8.2 转炉结构一. 炉型结构主要确定的参数 熔池尺寸的确定（熔池直径与深度）1炉身、炉帽、出钢口尺寸确定2炉容比确定3 它是提高炉龄的基础。常用的工作层衬砖有：沥青结合镁砖，含碳量56%；烧成浸渍镁砖，焦油或沥青结合的白云石砖，含碳量2%；沥青或树脂结合白云石碳砖，含碳量715%；沥青或树脂结合镁碳砖，含碳量1025%。由于镁碳砖成本高，一般只用于耳轴区或渣线易损部位。二. 炉衬材质的合理选择 通常炉衬由永久层、填充层和工作层组成。 永久层紧贴与保护炉壳，常用煤砖砌筑; 填充层介于永久层与工作层之间，主要功能是减轻炉衬受热膨胀时对炉壳产生挤压; 工作层系指与金属、熔渣和炉气接触的内层炉衬，工作条件相当恶劣。目前该层多用镁碳砖和焦油白云石砖综合砌筑。炉帽可用二步煅烧镁砖。 三. 炉衬的组成四. 砖型选择原则11尽可能选用大砖，提高筑炉速度，减少砖缝，减轻劳动强度；2 2 力争筑炉过程中不打或少打砖，以提高砖的利用率和保证砖的质量；3 33在出钢口和炉底选用异性砖；4 4 4尽量减少砖型种类。1 1尽可能选用大砖，提高筑炉速度，减少砖缝，减轻劳动强度；42 转炉炉体的金属构件由炉壳、炉体支承装置和倾动机构组成。炉壳通常由炉帽、炉身和炉底三部分组成。由于炉帽，特别是炉口部位受高温作用易变形，所以目前采用水冷炉口。对30t以上的转炉要求耐高压的锅炉钢板，也有用合金钢板的，如16Mn, 14MnNb等。五. 氧气顶吹转炉炉体的金属构件 支承装置承载炉体全部重量，主要部件有托圈。炉体与托圈的连接装置为耳轴及其轴承，炉体及其托圈的全部载荷通过耳轴，经轴承座传给地基；而倾动机构的力矩又通过耳轴传给炉体与托圈，因此要求具有足够的强度和刚度，一般选用合金钢。 倾动机构：转炉在冶炼过程中前后倾转，倾动角度为360，以满足兑铁水、加废钢、取样测温等需要，倾动速度可以调节。倾动机构的主要参数有倾动速度（0.151.5r/min）、倾动力矩和耳轴位置。 炉型基本特征：炉底一般为平底以便设置喷口；炉子的高宽比略小于顶吹转炉，却大于底吹转炉，略呈矮胖型；熔池深度取决于底部喷口直径和供气压力。主要设计参数为：炉容比；高径比；熔池直径和熔池深度。 六. 顶底复吹转炉炉型与底部供气构件 一般为Ar、N2、O2、空气，缺少Ar气地方可以设置CO2和CO气源。气源压力不能少于3MPa。气源选择与吹炼功能有关。顶底复吹法可分为如下三种：1强化冶炼型：顶枪吹氧，底部也吹氧，同时还要吹入保护性燃料和中性气体、石灰粉等。供气构件和系统比较复杂。2增加废钢比型： 顶枪上设有上下孔，上孔专为CO完全燃烧成CO2提供氧气，下孔专为氧化金属中的杂质供氧；底枪为氧-燃型喷枪。3加强搅拌型： 顶枪吹氧，底部吹惰性气体或中性气体N2。供气构件大为简化。1.底气气源种类 采用底吹氧时一般吹氧用量占总氧量的20 25%。采用底吹Ar、N2、CO2，供气强度小于0.03Nm3/tmin，冶金特征接近顶吹法；达到0.20.3Nm3/tmin，可保证降低炉渣和金属的氧化性，并达到足够的搅拌强度。 2. 底气用量3. 透气构件透气构件透气砖：目前采用组合式透气砖，由多块耐火砖组合成各种砖缝并外包不锈钢板而成。高压成型透气砖以镁碳砖为宜，单管内径1.54mm, 壁厚1 mm。喷嘴：套管式喷嘴的内管和环缝均供气，调节气流的压力和面积可改善气流性能。12一、薄板坯连铸连轧工艺技术1、CSP工艺技术(Compact Strip Production) CSP工艺也称紧凑式热带生产工艺。CSP生产工艺流程一般为：电炉或转炉炼钢钢包精炼炉薄板坯连铸机剪切机辊底式隧道加热炉粗轧机(或没有)均热炉(或没有)事故剪高压水除鳞机小立辊轧机(或没有)精轧机输出辊道和层流冷却卷取机。 第三节 薄板坯连铸连轧生产用加热炉及炼钢炉 图9.1 高炉转炉薄板坯连铸连轧CSP工艺流程图1回转台；2钢包；3中间罐；4连铸机；5剪切机；6加热炉；7除鳞机；8粗轧机；9加热炉；10事故剪；11除鳞机；12精轧机；13层流冷却；14卷取机；15预留卷取机2、ISP工艺技术(Inline Strip Production) ISP工艺也称在线热带钢生产工艺。ISP生产线的工艺流程一般为：电炉或转炉炼钢钢包精炼连铸机大压下量初轧机剪切机感应加热炉克日莫那炉热卷箱高压水除鳞机精轧机输出辊道和层流冷却卷取机。 见图9.2。1中间包；2结晶器；3液芯压下；4除鳞机；5预轧机；6剪切机；7感应加热炉；8热卷箱；9事故剪；10除鳞机；11精轧机；12层流冷却；13卷取机3、FTSR工艺技术(Flexible Thin Slab Rolling) FTSR工艺(Flexible Thin Slab Rolling)被称之为生产高质量产品的灵活性薄板坯轧制工艺。FTSR工艺流程一般为：电炉或转炉炼钢钢包精炼薄板坯连铸机旋转式除鳞机剪切机辊底式隧道式加热炉二次除鳞机立辊轧机粗轧机保温辊道三次除鳞装置精轧机输出辊道和带钢冷却段卷取机。见图9.3。1连铸机；2旋转式一次除鳞；3隧道式加热炉；4二次除鳞；5立辊轧机；6粗轧机；7保温辊道；8三次除鳞；9精轧机；10输出辊道和层流冷却；11卷取机4、CONROLL工艺技术 CONROLL工艺是奥钢联工程技术公司开发的用于生产不同钢种的连铸连轧生产工艺。CONROLL工艺流程为：常规连铸机板坯热装(或直接)进步进梁式加热炉带立辊可逆粗轧机精轧机架输出辊道和层流冷卷取机 1钢包加热炉；2电炉；3AOD；4传送车；5连铸机；6加热炉；7立辊轧机；8粗轧机；9精轧机；10卷取机5、QSP工艺技术 QSP技术是日本住友金属开发出的生产中厚板坯的技术，开发的目的在于提高铸机生产能力的同时生产高质量的冷轧薄板。QSP工艺生产流程一般为：电炉或转炉炼钢钢包精炼炉薄板坯连铸机剪切机辊底式隧道加热炉立辊轧边机粗轧机高压水除鳞机精轧机卷取机。见图9.5。1单流连铸机；2软压下装置；3剪切机；4隧道式加热炉；5立辊轧边机；6初轧机、除鳞机；7除鳞机；8精轧机；9卷取机6、TSP工艺技术(Tippins-Samsung Process) 倾翻带钢新技术，简称TSP。TSP工艺流程一般为：电弧炉(AC或DC）或转炉炼钢钢包精炼薄板坯连铸机步进式加热炉高压水除鳞机立辊轧边机单机架斯特克尔轧机层流冷却卷取机。见图9.6。1电弧炉；2钢包精炼炉；3连铸机；4均热炉；5卷取机；6立辊轧边机；7单机架斯特克尔轧机；8层流冷却；9成品带卷 7、CPR工艺技术(Casting Pressing Rolling) CPR工艺即铸压轧工艺，用于生产厚度小于25mm的合金钢和普碳钢热轧带材。它利用浇铸后的大压下(60%的极限压下量)，仅使用一组轧机，最终可生产厚度为6.0mm的薄带卷，也可生产低碳钢、管线钢、铁素体和奥氏体不锈钢及高硅电工钢等。该生产线包括一台连铸机、一台感应炉、除鳞机、一台四辊轧机。工艺流程示意为：电炉或转炉炼钢钢包精炼炉薄板坯铸压轧感应加热炉旋转式高压水除鳞机精轧机层流冷却卷取机。见图9.7。1结晶器；2挤压辊；3轧制辊；4感应炉；5除鳞区；6轧机；7冷却区；8卷取机8、薄板坯连铸连轧的关键技术1) 结晶器： 为提高薄板坯连铸单流产量及提高铸坯质量，结晶器已由传统的平行板型演化成现在的漏斗型乃至全鼓肚型，以利于浸入式水口的插入及保护渣的熔化。 2) 浸入式水口： 浸入式水口的开发，其中包括形状、出口角度、材质等，在薄板坯连铸工艺中也别具特点。3) 保护渣技术： 保护渣技术要求熔点低、黏度低且流动性强的渣系才行，中空颗粒渣能保证结晶器内器壁与铸坯间很快地形成稳定、可控的保护渣膜，起到良好的润滑作用。4) 铸轧技术。 铸轧技术是薄板坯连铸连轧工艺的关键技术。铸轧技术的内涵包括液芯轻压下和液固相的轧制两方面。 5) 动态软压下技术。 动态软压下是指薄板坯连铸技术中每一个软压下扇形段由液压缸各自进行位置控制，根据拉坯速度、产品质量、拉坯力等动态调节。动态软压下可以在理想的时机进行压下，使铸坯受挤压而不破裂，改善铸坯组织，提高质量。6) 高压水除鳞。 7) 加热方式。 大多采用均热炉的加热方式，炉内布置内芯冷却的耐热辊道，保温效果好。 8) 精轧机组。 二 薄板坯连铸连轧加热技术1、薄板坯连铸连轧加热炉的作用 在连铸与连轧之间采用的加热设备 （加热、均热、保温炉）是衔接连铸连轧生产线的关键设备。从工艺角度讲，中间加热设备需要在完成输送连铸坯的过程中对其进行补热以使铸坯温度均匀达到连轧温度要求的功能，解决板坯温度场不均的问题。加热炉作为连铸机与连轧机两种不同工艺速度部分之间的缓冲区，对铸机与轧机间的物流进行衔接、缓冲，协调二者的生产。2、薄板坯连铸连轧加热炉的类型1)直通式辊底隧道炉 该炉子是连铸机和连轧机的输送辊道和加热炉的集成体，炉体为直通式隧道，内装耐热辊道，连铸坯在直通式辊底炉内对其补热和轧机换辊及事故时的缓冲。 直通辊底式隧道炉的结构特点为：(1)加热炉为直通式结构，炉顶可拆卸，便于处理紧急事故；(2)钢结构分块组装，热膨胀可有效地消除在模块之间；(3)炉顶及侧墙上部采用耐火纤维，加热炉热惰性小，炉温控制灵活；(4)炉底为斜仓式结构，配有气动渣门，可临时储存氧化铁皮，定期手动打开渣门清渣；(5)烧嘴布置于板坯上部加热炉的两侧，上加热，下排烟；(6)炉体两侧基础上的钢结构支撑炉辊。2)步进梁式加热炉 步进炉为传统加热方式。步进梁式加热炉同样分三段操作，第一段为加热段，第二段具有缓冲、保温功能，第三段与轧机同步。 图9.8 步进梁式加热炉移动梁的运动3)感应加热炉和热卷箱 该炉子由感应加热炉和无芯卷取的热卷箱式均热炉组成，主要作为薄板坯连铸连轧ISP工艺技术的衔接区设备。感应加热炉是在辊道上设置一组感应线圈，铸坯在辊道上运行的同时也在线圈中通过，加热温度是通过改变线圈的电流强度来控制，而铸坯的透热深度是通过改变频率来调整。经过加热的铸坯由无芯卷取设备卷成带卷，进入热卷箱中均热，热卷箱上有储存多个带卷的位置，以增加缓冲的时间。 三 薄板坯连铸连轧生产用炼钢炉1、电炉短流程 多数薄板坯连铸连轧生产线中是配以电炉炼钢。目前生产薄板坯的短流程钢厂的典型类型是：废钢和少量海绵铁交流或直流电炉LF钢包精练炉薄板坯连铸连轧。电炉炼钢必须具备两个基本条件：充足的电力供应和丰富的废钢资源。 1) ABB型直流电弧炉 ABB型直流电弧炉的技术核心是导电耐火材料炉底，见图9.9。 1炉底导电耐火材料 2阳极铜板 3接线端子 4风冷系统ABB型直流电弧炉底电极的特点：(1)底电极接触面积大，有利于废钢充分熔化；(2)炉底负载电流密度低，炉底应力小，蚀损率低，有利于延长炉底寿命；(3)炉底为预制镁碳砖，便于砌筑和维护；(4)安全可靠，不漏钢。2) GHH型（Unarc）直流电弧炉 Unarc型电炉炉底采用触针式电极，特点是在炉底耐火材料中垂直放入几百支低碳钢导体，称为接触螺栓，也称为触针，上端略高于炉底耐火材料，下端有螺纹，穿过炉底支承底板后固定在导体板上。 图9.10 Unarc型直流电弧炉底电极结构示意图Unarc型(风冷接触棒针型)底电极有以下特点：(1)稳定的电弧导致传热效果好；(2)炉底采用风冷式，比水冷式安全，炉底厚度小，便于更换；(3)底电极区电阻小、能耗低；(4)相同工作电流和供热条件下，散热面积大；(5)炉子中心的熔化条件优化，渣区的耐火材料损蚀小；(6)炉底电极的熔损速度均匀，约为1 mm/炉。3) CLECIM型直流电弧炉 CLECIM型直流电弧炉采用的底电极又称钢棒式水冷型，这种底电极是铜与钢焊接在一起的水冷电极。电极上端与钢水接触的消耗部分的材质是低碳钢，下半部分的材质是紫铜，并通水冷却。 图9.11 CLECIM型直流电弧炉炉底电极结构示意图和底电极结构局部剖面图1炉底内衬 2炉壳底板 3钢柱 4特种耐火材料制的套筒 5绝缘材料 6铜套筒 7水套 8出水口 9铜帽 10供水、供电 11补偿器CLECIM型直流电弧炉底电极具有以下优点：(1)结构较风冷接触棒针型简单，造价低；(2)电耗和耐火材料消耗、噪声与烟尘级别、闪烁控制、熔炼方式相当或优于现有的风冷炉底电极结构；(3) 熔池温度分配均匀，且能控制底电极电流，避免了在炉衬上产生热点和冷点；(4)更换、维修底电极较其它形式的直流电弧炉方便，每个炉役的使用寿命一般超过1300炉。4) VAI型直流电弧炉 VAI型直流电弧炉的特点在于其阳极是由嵌在整体氧化镁捣结料中的薄钢片组成，薄钢片的厚度大约1.5mm。因为片的厚度与表面的比值有利，所以没有必要进行炉底冷却。 图9.12 VAI型直流电弧炉电极结构示意图叶片型底电极的特点：(1)采用不含碳的标准镁质捣结耐火材料；(2)炉衬不会使钢水增碳，故可以冶炼低碳钢；(3)阳极扇形件可以预制备用，以便进行快速更换，缩短停炉时间；(4)电流密度小、故炉底内衬使用寿命长。5) MDH型直流电弧炉 图9.13 MDH型直流电弧炉水冷底电极结构示意图1钢柱；2电极密封环；3铜柱；4冷却器；5热电偶；6绝缘材料MDH型直流电弧炉底电极的特点：(1)采用喷淋式水冷却，冷却效果好；(2)为保持热平衡，底电极由两种材料(钢和铜)制成；(3)底电极二次导体的布置最大限度地减少了电弧的偏移；(4)两个热电偶用来监视电极熔化情况，超过预定温度时报警；(5)四个底电极分成两组，两组通过的电流可调节，从而可随意改变电弧方向，使电弧引向“冷点”；(6)底电极的二次导体软缆是通过炉底的接线装置连结的，使用简便，更换炉壳时拆卸也方便。用高炉转炉长流程来嫁接薄板连铸连轧技术的优势体现在：(1)转炉比电炉的燃料、动力消耗低，炼钢费用低。 (2)转炉炼钢原料条件好，钢水纯净度高，生产能力大。 (3)转炉炼钢可利用已有的炼铁系统供应的丰富的铁水，通过新建薄板坯连铸连轧生产线改变原长条产品为热板带产品，还可充分发挥结构紧凑等优势，提高经济效益。(4)从规模和投资角度分析，薄板坯连铸连轧嫁接到高炉一转炉长流程上也是合理的。2、高炉转炉长流程 为保证整条生产线物流畅通、结构合理、产品规格合适、配置规模选择得当，需要妥善安排好以下的问题：(1)转炉和连铸机的配合。 (2)炼铁、炼钢、连铸连轧各工序间的均衡生产。