氧气顶吹转炉

一个转炉有两个氧枪系统：工作氧枪和备用氧枪，这样可以在工作氧枪损毁时立即换上备用氧枪，不致造成冶炼中断。损坏的氧枪拆除后更换转炉及其氧枪系统使得氧另一新氧枪备用。转炉炉体包括炉壳、耳轴和托圈、轴承座等金属结构及倾动机构。

由钢板焊成，内衬砌有碱性耐火材料。各国由于资源不同，所用耐火材料也不同。主要有含Mg()较高的白云石砖和高纯度、高密度、高强度的镁碳砖。托圈起着支撑炉体、传递倾动力矩的作用。托圈断面呈矩形，中间焊有直立的带孔筋板，以增加托圈的刚度。转炉托圈两侧设有耳轴，耳轴支撑在轴承上，由齿轮带动，经托圈使炉体倾动。倾动机构是使炉体能倾动的机械设备，以便进行兑铁水、加废钢、取样、出钢和倒渣等工艺操作。倾动机构应能使炉体正反旋转3600°。

转炉炉型指炉壳砌衬后所形成的转炉内膛轮廓。最上端称为炉口，然后由上到下分为炉帽、炉身和炉底三段。炉帽有正口式和偏口式两种，正口式炉帽为轴心对称的截锥形，这样可使兑铁水和出钢分在两侧进行，有利于炉衬均匀受侵蚀，故大多数转炉都采用正口式炉帽。炉身为直圆筒形，炉底为球缺形。是不同吨位的转炉炉型比较示意图。决定转炉炉型的基本参数是炉容比和高宽比。炉容比是指炉型空间所有容积和金属料装入量之比，一般接近1m3/t钢水的密度是7t/m3。这样，炉子内只有1/7为钢水所占据，其余6/7都是空的，保留这样大的空间是为了容纳泡沫渣(见转炉泡沫渣)，避免喷溅。但过大的炉容比增加设备投资。高宽比是指炉型总高度和炉身直径的比。早期增加转炉容量时降低高宽比，即炉子向矮胖方向发展。但这使得两个耳轴距离加大，并导致耳轴中心线弯曲度增大，所以特别大的炉子高宽比又趋向增加。根据高宽比和炉容量即可确定熔池深度和熔池面积。

耳轴和托圈 它们不仅承受炉体(包括炉衬)和金属料的重量，在倾动时还承受很大的扭力，炉体受热膨胀还对托圈形成热应力。炉子越大，所受力越大，产生的应力也愈复杂。大炉子两耳轴间跨度增加，耳轴和托圈弯曲变形使减速器内齿轮咬合不好，增加磨损。因此大炉子多采用悬挂式减速系统，也就是把减速器甚至包括电动机全都挂在耳轴上。这样，无论耳轴中心线如何变形，减速器和耳轴都保持相互垂直关系。

倾动电动机和减速器 是根据倾动力矩的大小来设计的。

转炉的倾动力矩包括三部分：

(1)炉壳和炉衬自重引起的力矩，简称空炉力矩；

(2)炉内液体金属引起的力矩，简称铁水力矩；

(3)转炉倾动系统和耳轴的摩擦力矩。力矩由重心和耳轴位置所决定。空炉的重心是固定的，而铁水重心在炉子转动过程中不断变化，当炉子转到出钢位置，空炉重心和铁水重心位于耳轴的两侧，空炉力矩和铁水力矩方向相反。

如果所选耳轴位置和空炉重心很近，有可能造成铁水力矩大于空炉力矩的情况，如果倾动机械的制动不灵，在铁水力矩的作用，炉子会自动下倾而使钢水泼洒在地面上，造成严重事故。为了避免这个问题，选择耳轴位置时应使空炉力矩总是大于铁水力矩。当倾动机械临时发生故障，可使转炉借助自重自动转回垂直位置。后一种设计称为全正力矩，而前一种称为正负力矩。全正力矩的缺点是提高了力矩的最大值，增大了倾动机械的负荷和设备投资。

附属设备 为了保证转炉的正常运转，还要有加料系统、转炉烟气净化回收系统、冷却系统等附属设备。它们的配置情况如图5所示。加料系统由许多料仓和带式运输机组成，将各种散装料(石灰、铁矿石、萤石等)由地下料仓运输到炉顶上方。吹炼时根据工艺要求，将不同散装料用电子秤称量后，经由烟道的加料口加入转炉。烟气净化回收系统包括炉气的冷却、除尘和抽引机械，用以回收炉气的物理热和化学热和去除炉气中的细微烟尘颗粒物。 2100433B

通过转炉顶部的喷枪把氧气或空气吹入炉内从而强化炼钢过程并改善熔池搅拌的转炉炼钢工艺。

应用学科：材料科学技术（一级学科），金属材料（二级学科），钢铁材料（三级学科），钢铁材料生产技术（四级学科）

中文名称

顶吹转炉炼钢

英文名称

top blown converter steelmaking

定　　义

通过转炉顶部的喷枪把氧气或空气吹入炉内从而强化炼钢过程并改善熔池搅拌的转炉炼钢工艺。

应用学科

材料科学技术（一级学科），金属材料（二级学科），钢铁材料（三级学科），钢铁材料生产技术（四级学科）

氧气纯度在99％以上。吹入氧气的方式有顶吹、侧吹、底吹三种。1952年，顶吹氧气转炉最早研究开发成功(见图)。顶吹时，氧气喷嘴不埋入铁水中，和液面有1米左右的距离，可以用水冷却喷嘴。为了使氧流达到液面时仍有必要的动能和动量，喷嘴出口的氧气压力达0.81～1.22兆帕，喷出的氧流为超声速（450～500米/秒）。带有巨大动能的氧流把熔池中心冲成一个旋转抛物面形的凹坑，通过对凹坑表面的摩擦把动量传递给熔池，使熔池形成环流；另外，摩擦力又把金属液体撕碎，形成大量小液滴弥散分布在渣中，成为乳化状态。由于液滴有极大的界面积，反应速率极高。据实际测定，当熔池平均含碳1.0％～1.5％时，液滴中含碳量已降低到0.1％～0.7％；大量液滴是炼钢反应速率高的原因。由于反应速率高，放出化学热的反应速率也高，热损失少，再加上空气中的氮（占4/5）未进入熔池带走热量，因而氧气转炉热量有富余，可以用来熔化废钢。另外，高速脱碳使熔池沸腾非常激烈，沸腾的CO气泡将溶解在钢中的氢、氮、氧带出来，此外由于可用计算机进行自动控制，使终点钢的成分和温度更为精确，所以钢的质量优良。再加上转炉炼钢有极高的生产率（30～40分钟产出一炉钢），炼钢不消耗能量，甚至产生二次能源。由于上述优点，使氧气转炉炼钢发展极快；由1952年诞生到1970年不到20年的时间，氧气转炉钢产量就超过了平炉钢；20世纪90年代末期，氧气转炉钢年产量达3.5亿～4.0亿吨，已超过总产钢量的50％。1965年加拿大空气液化公司研究成功用烃类（柴油、丙烷）裂解吸热可以冷却吹氧喷嘴的技术，于是法国、联邦德国等国利用这一技术开发底吹氧气转炉炼钢。底吹转炉向熔池供氧可以不局限在一处，吹炼更平稳，喷溅少，金属收得率高。中国的冶金工作者利用该技术改造侧吹碱性转炉，也研发成功世界特有的侧吹氧气转炉炼钢。在研究底吹氧气转炉中发现，只需将20％～30％的氧由炉底吹入，70％～80％的氧仍由顶部吹入，效果和全部底吹差不多。于是产生了顶底复合吹炼转炉。更多类型的复吹转炉只从炉底吹入氮、氩等惰性气体，全部氧保持顶吹，这样也可以改进熔池的搅拌，减少金属氧化损失。所以，几乎所有的氧气转炉都改造成这种类型的复吹转炉；而生产超低碳钢种的转炉，采用部分氧底吹、部分氧顶吹的方法。单纯的顶吹转炉和底吹转炉已不复存在。

为了克服空气侧吹转炉炼钢热效率低、钢中含氮量高的缺点，用氧气代替空气吹炼是惟一的出路，但一般耐火材料喷嘴承受不了吹氧炼钢时的强烈侵蚀。1973年，中国东北工学院(冶金系、沈阳第一钢厂、唐山钢厂参照氧气底吹转炉使用油、氧喷嘴的经验，将侧吹转炉的风嘴改为油、氧喷嘴，解决了吹氧炼钢的喷嘴寿命问题。于是空气侧吹碱性转炉炼钢法被改造成为氧气侧吹转炉炼钢法。氧气侧吹转炉炼钢的工艺操作和空气侧吹碱性转炉炼钢基本相同。只是由于不再把空气中大量的氮吹入炉内，热效率提高，原料中废钢比可达10%～25%，钢铁料消耗降低30～100kg/t钢，铁损减少使炉龄也有了提高。油、氧喷嘴的构造如图4所示。它由两根同心套管组成，外管为无缝钢管，内管为紫铜管。铜管内通氧气，外壁切削出几条细的螺旋油槽，和外层钢管构成轻柴油的通路。轻柴油和氧同时吹入炉内，轻柴油在喷嘴出口受热气化和裂解，吸收了很多热量，使喷嘴受到冷却，喷嘴出口温度保持在200～250℃，使喷嘴能正常吹氧而保持较长的寿命。

从1974年到1976年，中国有26座空气侧吹碱性转炉改造成氧气侧吹转炉，总容量达150_t。在推广应用吹氧后，发现氧气侧吹转炉容量仍然不能增大。侧吹转炉的除尘设备大(因为需要在吹炼时倾动炉身，8t侧吹转炉和25t顶吹转炉的除尘设备相当);氧气侧吹转炉消耗轻柴油4～8L/t;钢铁料消耗比顶吹转炉高10～20kg/t。由于存在这些缺点，到90年代初，除唐山钢厂一个氧气侧吹转炉车间还在继续生产外，其余的氧气侧吹转炉或改为顶吹氧气转炉，或者停止了生产。

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