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基礎(chǔ)氧氣煉鋼的歷史

 Satyendra 2015年12月16日 0 評(píng)論 煉鋼廠, BOS, 底吹, 聯(lián)合吹風(fēng), 轉(zhuǎn)爐, 熱量, LD轉(zhuǎn)爐, LD煤氣, 分層燃燒, 煉鋼, 頂吹

基礎(chǔ)氧氣煉鋼的歷史

 基礎(chǔ)氧氣煉鋼(BOS)是通過將純氧(O2)吹入包含在一個(gè)容器中的液態(tài)金屬槽來煉鋼的過程，該容器被稱為基礎(chǔ)氧氣爐(BOF)、LD轉(zhuǎn)爐或簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)爐。

煉鋼的歷史始于19世紀(jì)，1772年法國的Reaumur、1850年美國的Kelly和1856年英國的Bessemer發(fā)現(xiàn)如何通過控制鐵合金的碳含量來改進(jìn)生鐵，從而真正成為鋼。作為化學(xué)家的Reaumur是受科學(xué)好奇心的驅(qū)使，而作為工程師的Kerry和Bessemer則是為了滿足工業(yè)革命，包括織布機(jī)、蒸汽機(jī)、機(jī)器和鐵路，對(duì)更大數(shù)量和更好質(zhì)量的鋼的需求。這開始了科學(xué)和技術(shù)之間的辯證關(guān)系，當(dāng)時(shí)發(fā)明了通過在液態(tài)浴中氧化碳（C）來提煉熱金屬（生鐵）的基本概念。

這與豎爐中的氣固反應(yīng)（高爐的前身，用木炭還原鐵礦石），或與鐵水坑（在固體狀態(tài)下進(jìn)行的鍛造和精煉技術(shù)）相比，是一個(gè)根本性的變化，而這種變化在當(dāng)今時(shí)代是沒有的。19世紀(jì)下半葉的創(chuàng)新力度令人印象深刻，它帶來了一種模式的轉(zhuǎn)變。貝塞麥轉(zhuǎn)爐煉鋼于1856年出現(xiàn)，明爐除了精煉熱金屬外，還可以熔化廢料，在貝塞麥轉(zhuǎn)爐9年后的1865年才被發(fā)現(xiàn)，而基本的托馬斯轉(zhuǎn)爐則在12年后的1877年被發(fā)現(xiàn)。 托馬斯轉(zhuǎn)爐是利用空氣來精煉液態(tài)金屬的。

貝塞麥在1856年發(fā)明的氣吹式轉(zhuǎn)爐被認(rèn)為是第一個(gè)現(xiàn)代煉鋼工藝。1877年，托馬斯工藝，一種改良的貝塞麥工藝，被開發(fā)出來，允許處理高磷的液體鐵。在托馬斯工藝中，磷（P）在大部分C被從熔池中去除后，在所謂的 "后吹 "中被氧化。明爐工藝，也被稱為西門子-馬丁（SM）工藝，幾乎與托馬斯工藝同時(shí)開發(fā)。明爐工藝?yán)迷偕鷤鳠醽眍A(yù)熱燃燒器中使用的空氣，它能夠產(chǎn)生足夠的熱量來熔化和精煉固體廢鋼和混響爐中的熱金屬。大約在20世紀(jì)50年代，也就是基本的氧氣煉鋼出現(xiàn)在地平線上的時(shí)候，煉鋼主要是基于明爐工藝技術(shù)。熱金屬和廢鋼被裝入大型水平爐，燃燒器為廢鋼熔化提供能量。氧氣（O2）噴槍被用來提高燃燒器的效率，并從熱金屬中去除碳和硅（Si）。明爐工藝是一個(gè)全熱過程，因此必須向爐子提供外部能源。對(duì)于200噸至250噸的液態(tài)鋼的熱量，典型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)時(shí)間為8小時(shí)。

緊隨電力發(fā)明之后，煉鋼業(yè)的下一個(gè)重大創(chuàng)新是電弧爐（EAF）煉鋼工藝。電弧爐是由Heroult在1900年左右在靠近新能源源頭的阿爾卑斯山谷地引進(jìn)的，因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)，遠(yuǎn)距離輸電還不可行。EAF技術(shù)的基礎(chǔ)是開發(fā)一種可以替代煤炭的能源，并且比露天爐灶更大量地熔化廢鋼。EAF煉鋼工藝被認(rèn)為是啟動(dòng)了循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

BOS的概念可以追溯到1856年，當(dāng)時(shí)Henry Bessemer為一種涉及吹氧的煉鋼工藝申請(qǐng)了專利，以使鐵水脫碳（英國專利號(hào)2207）。當(dāng)時(shí)，沒有任何方法可以提供該工藝所需的O2數(shù)量。商業(yè)數(shù)量的氧氣根本無法獲得或過于昂貴，因此貝塞麥的發(fā)明只停留在紙面上，一直沒有使用。1928年，當(dāng)林德公司成功開發(fā)出大量供應(yīng)純氧的方法（林德-弗蘭克爾工藝）時(shí)，通過吹制純氧煉鋼變得切實(shí)可行。由于Lind-Fr?nkl工藝的成功，氧氣也變得非常便宜，因此引入BOS工藝的兩個(gè)先決條件（大量供應(yīng)以及廉價(jià)氧氣的供應(yīng)）都得到了滿足。

在歐洲和美國，用O2進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)被反復(fù)進(jìn)行。在那些使用高純度氧氣的人中，有一個(gè)是Otto Lellep，但是他的 "將氧氣垂直吹到液態(tài)鐵槽上 "的概念被證明是不成功的。根據(jù)Hubert Hauttmann的說法，他在1936年至1939年期間參加了Lellep在Gutehoffnungshütte的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)時(shí)他受雇于該公司，其目的是通過轉(zhuǎn)爐底部的噴嘴吹入純氧來轉(zhuǎn)換鐵水。以這種方式生產(chǎn)的鋼的質(zhì)量很差。

在第二次世界大戰(zhàn)期間，德國的C.V.施瓦茨、比利時(shí)的約翰-邁爾斯、德國的杜勒瑞士和海因里希-海爾布呂格等工程師提出了他們的氧氣吹煉版本，但只有杜勒和海爾布呂格將它帶到了大規(guī)模生產(chǎn)的水平。

卡爾-瓦萊里安-施瓦茨（Carl Valerian Schwarz）在1939年提交了一份專利申請(qǐng)，要求以超音速將氧氣吹入熔池。但是這種方法也 "還不能生產(chǎn)出可用的鋼"。盡管后來的林茨-多納維茨（LD）工藝與施瓦茨的專利有相似之處，但其典型特征是不同的（例如 "中央垂直吹制"）?？隙ㄊ怯捎诘诙问澜绱髴?zhàn)的爆發(fā)，施瓦茨專利中描述的技術(shù)最初沒有導(dǎo)致任何實(shí)際應(yīng)用。也是在20世紀(jì)30年代末，瑞士的羅伯特-杜勒開始了自己的實(shí)驗(yàn)。

戰(zhàn)后，Heinrich Hellbrügge和Robert Durrer（Roll'schen Eisenwerke的技術(shù)總監(jiān)）在瑞士Gerlafingen鎮(zhèn)的Roll'schen Eisenwerke開始進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。在Gerlafingen的第一個(gè)頂吹式氧氣轉(zhuǎn)換器的照片顯示在圖1。

圖1 格拉芬根的第一個(gè)頂吹式氧氣轉(zhuǎn)換器的照片

在Gerlafingen和V?EST建立了工業(yè)規(guī)模的技術(shù)合作關(guān)系后，是Durrer奠定了基本的理論原則，并建議V?EST在一個(gè)單獨(dú)的容器中從上面吹氧。 1949年6月3日，在V?EST的場(chǎng)地上開始了一系列使用2噸實(shí)驗(yàn)性轉(zhuǎn)換器的實(shí)驗(yàn)。 在林茨的團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了最初的幾次挫折后，早在1949年6月25日就取得了突破，當(dāng)時(shí)降低了O2的壓力，并將吹氣槍的槍頭移到離熔池更遠(yuǎn)的地方，這樣O2的噴射就不能穿透那么遠(yuǎn)。通過這一突破，生產(chǎn)出的鋼材可以順利地軋制成板材。V?EST的實(shí)驗(yàn)部門檢查了這種鋼，并對(duì)其觀察結(jié)果表示非?？隙?。這就是LD轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝誕生的時(shí)刻。實(shí)驗(yàn)一直持續(xù)到幾百次2噸的加熱，之后他們被轉(zhuǎn)移到一個(gè)特別建造的15噸實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)爐，該轉(zhuǎn)爐豎立在露天。第一批產(chǎn)品于1949年10月2日生產(chǎn)。這種新等級(jí)的鋼材經(jīng)過了持續(xù)的冶金和其他測(cè)試。

這一創(chuàng)新的關(guān)鍵因素是液體浴的移動(dòng)。在此之前，人們認(rèn)為如果不把O2吹到更深的地方，就不可能獲得足夠的浴液運(yùn)動(dòng)。但這種運(yùn)動(dòng)是通過形成CO（一氧化碳）以非常令人滿意的方式實(shí)現(xiàn)的。軟吹 "的原則也促進(jìn)了氧化鐵的形成，而氧化鐵又吸收了氧化的雜質(zhì)，形成了熔渣。 這有助于生產(chǎn)出優(yōu)秀的新鋼種。

除了位于Gerlafingen的Roll'schen Eisenwerke和V?EST之外，位于Duisburg-Huckingen的Mannesmann AG和?AMG（即Donawitz）也在1949年5月表示對(duì)O2吹煉工藝或至少是一般的O2冶金工藝感興趣。在林茨的實(shí)驗(yàn)中，在對(duì)該工藝進(jìn)行演示后，1949年6月17日達(dá)成了精確的分工。V?EST將在一個(gè)更大的精煉容器中繼續(xù)處理來自林茨的粗鋼，而Mannesmann將對(duì)托馬斯鋼進(jìn)行吹氧實(shí)驗(yàn)，Roll'schen Eisenwerke將研究在EAF中使用O2，?AMG將在一個(gè)低軸生鐵爐中進(jìn)行O2測(cè)試。該協(xié)議要求所有與O2冶金有關(guān)的人 "不發(fā)表任何聲明，也不向自己公司以外的人傳遞任何有關(guān)他們注意到的O2精煉的細(xì)節(jié)或他們?cè)?949年6月17日林茨討論期間可能得出的結(jié)論的信息。

在協(xié)議的基礎(chǔ)上，很快就從多納維茨的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在豎爐中使用氧氣是沒有價(jià)值的，因此，公司開始探索不同的方法。在多納維茨開發(fā)的通過吹氧回收高錳含量礦渣的工藝，使人們認(rèn)識(shí)到在多納維茨的鋼鐵生產(chǎn)擴(kuò)展和合理化計(jì)劃中，只應(yīng)考慮使用純氧的吹氧工藝。在對(duì)5噸或10噸的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了廣泛的調(diào)查和成功的開發(fā)工作后，在第一次測(cè)試中，氧氣由串聯(lián)的鋼瓶供應(yīng)，公司管理層決定建立一個(gè)新的鋼廠，兩年后就可以投入使用。多納維茨的工程師們最初將他們的工藝命名為 "SK"，是 "氧氣轉(zhuǎn)換器 "的德語首字母。這個(gè)術(shù)語在一定程度上幫助區(qū)分了??EST和?AMG的活動(dòng)。

1949年12月9日，當(dāng)時(shí)的VOEST總經(jīng)理Heinrich Richter-Brohm做出了一個(gè)決定，即建造第一個(gè)LD鋼廠，這并非沒有風(fēng)險(xiǎn)。此后不久，在澄清了有關(guān)較硬鋼種的生產(chǎn)方法的問題后，決定在多納維茨也建立一個(gè)LD工廠。 1950年，該工藝的第一個(gè)專利被申請(qǐng)。

在1951年的年度研究和質(zhì)量保證報(bào)告中指出，"在審查年度，大量的研究工作致力于LD鋼種，并發(fā)表了一份出版物。預(yù)計(jì)這種類型的鋼在質(zhì)量方面具有巨大的潛力，特別是將允許生產(chǎn)出具有高質(zhì)量表面和良好冷成型能力的鋼。這對(duì)金屬薄板的生產(chǎn)特別重要，到目前為止，只有在接受某些表面缺陷的情況下，才有可能實(shí)現(xiàn)良好的冷成型性（被殺死的鋼級(jí)）。但是，通過氧氣精煉工藝，也可以生產(chǎn)出具有較高屈服強(qiáng)度的鋼，這一點(diǎn)非常有利。

到1951年，在林茨，在煉鋼過程中用純氧精煉熱金屬已經(jīng)成為一種創(chuàng)新的、操作上可靠的工藝，用于在林茨生產(chǎn)大宗質(zhì)量的鋼。1951年12月，在萊奧本舉行的奧地利冶金學(xué)會(huì) "用純氧煉鋼 "會(huì)議上，首次公布了這一新工藝。在這次會(huì)議上，羅伯特-杜勒表示，兩家冶金廠（林茨和多納維茨）已經(jīng)將向國內(nèi)熱金屬吹制高純度氧氣的概念發(fā)展成為一個(gè)可行的工業(yè)流程，并祝賀他們?nèi)〉昧诉@一巨大成功。隨著這一宣布，奧地利成為第一個(gè)通過吹制純氧在工業(yè)規(guī)模上用熱金屬生產(chǎn)鋼鐵的國家。圖2顯示了在液態(tài)金屬浴中吹氧前和吹氧過程中的LD轉(zhuǎn)爐截面。

圖2 LD轉(zhuǎn)爐在液態(tài)金屬浴中吹氧前和吹氧時(shí)的橫截面圖

1952年11月27日，第一座轉(zhuǎn)爐在林茨的LD煉鋼廠（圖3）投入使用，這是利用吹氧原理進(jìn)行鋼鐵生產(chǎn)的一個(gè)里程碑。1953年1月5日，這個(gè)世界上第一個(gè)LD鋼廠正式開業(yè)。到1953年6月17日，林茨的LD第一煉鋼廠已經(jīng)生產(chǎn)了10萬噸LD鋼，到1953年12月初，已經(jīng)生產(chǎn)了25萬噸鋼。 第二家LD鋼廠于1953年5月22日在多納維茨的?sterreichisch-Alpine Montangesellschaft（?AMG）投入運(yùn)營。該工藝現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到完全成熟的操作，在它生產(chǎn)的鋼的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)可行性方面都超過了所有的預(yù)期。

圖3 V?EST的LD鋼廠1號(hào)轉(zhuǎn)爐的剖面圖

該工藝中特別有利的冶金條件產(chǎn)生了不含O2的粗鋼，因此不需要脫氧。該鋼是一種低氣體、低氮（N2）鋼，不含磷（P）、硫（S）和不需要的伴隨元素。在技術(shù)性能方面，特別是冷成形性方面，LD轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的鋼明顯優(yōu)于明爐工藝生產(chǎn)的鋼。LD工藝也能夠提供質(zhì)量?jī)?yōu)異的結(jié)構(gòu)鋼等級(jí)。在LD轉(zhuǎn)爐中生產(chǎn)的鋼在承受非常嚴(yán)重的負(fù)載的焊接結(jié)構(gòu)中取得了優(yōu)異的成績(jī)。在LD轉(zhuǎn)爐中生產(chǎn)的寬鋼帶卷正在大量供應(yīng)給德國和國外的冷軋廠。

今天通常使用的Linz-Donawitz的縮寫LD是在1958年正式采用的。選擇LD這個(gè)名字是因?yàn)榱执牡腣?EST和多納維茨的?AMG已經(jīng)將其發(fā)展到工業(yè)規(guī)模的成熟度。

1954年8月，加拿大的Dominion Foundries & Steel, Ltd.成為德國以外第一個(gè)運(yùn)營LD鋼廠的公司。它有兩個(gè)60噸的轉(zhuǎn)爐。同年，美國的麥克勞斯鋼鐵公司緊隨其后，在福斯特廠長(zhǎng)Rudolf Rinesch的幫助下，開始了其LD鋼廠。1956年9月，德國以外的第三家開始運(yùn)行LD的公司是法國的Société des Aciéries de Pompey，它有一個(gè)15噸轉(zhuǎn)爐。1957年，在西德、日本、巴西和美國有五家LD鋼廠投產(chǎn)，1958年又增加了五家，1959年在印度Rourkela有兩家，1960年有八家。1960年，在美國、日本、西班牙、葡萄牙、意大利（現(xiàn)有工廠的擴(kuò)建）、西德、巴西、英格蘭、蘇格蘭、挪威、阿根廷、澳大利亞（1961年）和法國，有更多的LD鋼鐵廠正在建設(shè)中，這些工廠在此之前已經(jīng)建成。

上游制造工藝的技術(shù)創(chuàng)新，特別是精煉和鑄造工藝的技術(shù)創(chuàng)新，對(duì)于實(shí)現(xiàn)不斷提高各種應(yīng)用所需鋼材的質(zhì)量水平至關(guān)重要。 因此，自從林茨的第一個(gè)LD轉(zhuǎn)爐投入使用以來，BOS工藝也在不斷升級(jí)。

最初的LD工藝包括通過垂直噴槍的水冷噴嘴在鐵液的頂部吹氧。在20世紀(jì)60年代，鋼鐵制造商開始研究底吹轉(zhuǎn)爐，并引入惰性氣體吹氣，以攪拌轉(zhuǎn)爐中的液體金屬并去除P雜質(zhì)。

20世紀(jì)70年代初，在BOS煉鋼方面有了進(jìn)一步的發(fā)展，通過使用碳?xì)浠衔餁怏w或燃料油保護(hù)的壺嘴進(jìn)行底吹O2。在有了這兩種轉(zhuǎn)爐的經(jīng)驗(yàn)后，又開發(fā)了上下混合吹氣容器。在20世紀(jì)70年代末，混合吹氣被引入到BOS工藝的轉(zhuǎn)爐中。現(xiàn)在世界上使用的大多數(shù)轉(zhuǎn)爐都是組合型的。

在頂吹轉(zhuǎn)爐中，由于缺乏金屬浴中的混合，在O2吹制過程中，熔體中會(huì)產(chǎn)生化學(xué)成分和溫度的均勻性。在轉(zhuǎn)爐的噴射空腔的正下方有一個(gè)相對(duì)死區(qū)。改善頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的必要性導(dǎo)致了聯(lián)合吹煉工藝的發(fā)展。第一個(gè)被商業(yè)化接受的聯(lián)合吹煉實(shí)踐是由ARBE-IRSID開發(fā)的LBE（Lance Bubbling Equilibrium）工藝。這種工藝與BOF工藝的關(guān)系更為密切，因?yàn)樗械难鯕舛际怯身敳康膰姌屘峁┑?。組合吹氣方面是通過安裝在轉(zhuǎn)爐底部的一組多孔元件實(shí)現(xiàn)的，氬氣或氮?dú)馔ㄟ^這些元件被吹出。在LBE工藝中，氮?dú)馔ǔＴ?-11N Cum/min的范圍內(nèi)幾乎完全用于吹氣的大部分過程。然而，在吹氣的后期，當(dāng)?shù)獨(dú)馕諘?huì)產(chǎn)生問題時(shí)，氬氣被用于攪拌。此外，氬氣幾乎完全被用作吹煉后攪拌的惰性氣體，這時(shí)的速率增加到10-17N Cum/min。

在LD轉(zhuǎn)爐工藝的早期，頂部氣體在轉(zhuǎn)爐口通過開放的罩子完全燃燒，然后在煙囪中用水間接冷卻或通過蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)冷卻。 當(dāng)時(shí)，每噸粗鋼產(chǎn)生約300公斤的蒸汽和250立方米的廢氣。

在20世紀(jì)50年代工業(yè)化實(shí)施時(shí)，環(huán)境問題是轉(zhuǎn)爐工藝的一個(gè)嚴(yán)重挑戰(zhàn)。轉(zhuǎn)爐廢氣中粉塵的細(xì)度迫使該工藝的供應(yīng)商開發(fā)新的除塵系統(tǒng)。1克轉(zhuǎn)爐粉塵的可見表面積在300至500平方米之間。為了普遍避免 "棕色煙霧 "的光學(xué)影響，要將粉塵從系統(tǒng)中清除到每立方米100毫克以下的水平。為此，濕式和干式除塵系統(tǒng)都被使用。隨著環(huán)境問題的增加，這一挑戰(zhàn)越來越成為轉(zhuǎn)爐工藝的一個(gè)機(jī)會(huì)。這個(gè)機(jī)會(huì)有助于開發(fā)抑制燃燒的轉(zhuǎn)爐氣體回收系統(tǒng)。 今天，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境要求轉(zhuǎn)爐煤氣和含鐵粉塵中的能量被收集并有效回收。

在60年代初，開發(fā)了回收轉(zhuǎn)爐頂部高熱值氣體的工藝，以便將其作為工廠內(nèi)部的氣體燃料。這是通過壓制燃燒實(shí)現(xiàn)的。安裝在轉(zhuǎn)爐口上方的工藝設(shè)備具有冷卻、清理的功能，并在壓制燃燒的幫助下回收轉(zhuǎn)爐氣體。通過對(duì)轉(zhuǎn)爐頂部煤氣的壓制燃燒，每噸粗鋼可回收70-100立方米轉(zhuǎn)爐煤氣，熱值范圍為1600-2000千卡/N立方米。除了80公斤/噸的粗鋼蒸汽外，如果頂層煤氣的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)被采用的話，還可以制造出蒸汽。

在轉(zhuǎn)爐煉鋼的早期，從煙囪里冒出的褐色煙霧表明轉(zhuǎn)爐正在工作。今天，由于轉(zhuǎn)爐氣體回收和清潔系統(tǒng)的存在，轉(zhuǎn)爐的運(yùn)行只能從火炬煙囪中檢測(cè)出來。

自1977年以來，在轉(zhuǎn)爐容器本身的設(shè)計(jì)、耐火材料和耐火材料應(yīng)用實(shí)踐以及氧槍和爐底噴嘴的設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了一些改進(jìn)，極大地促進(jìn)了煉鋼效率的提高，降低了原材料和耐火材料的單耗，所有這些都有助于延長(zhǎng)爐子的壽命，使其達(dá)到幾千次加熱。

如今，轉(zhuǎn)爐的規(guī)模已經(jīng)擴(kuò)大，可容納350公噸鐵水的大型轉(zhuǎn)爐已經(jīng)出現(xiàn)。2014年，在全球1.69億噸的粗鋼總產(chǎn)量中，BOS工藝的粗鋼產(chǎn)量為1.29億噸，即占全球鋼總產(chǎn)量的73.7%。