基礎氧氣煉鋼的歷史

 Satyendra 2015年12月16日 0 評論 煉鋼廠, BOS, 底吹, 聯合吹風, 轉爐, 熱量, LD轉爐, LD煤氣, 分層燃燒, 煉鋼, 頂吹

基礎氧氣煉鋼的歷史

 基礎氧氣煉鋼(BOS)是通過將純氧(O2)吹入包含在一個容器中的液態金屬槽來煉鋼的過程，該容器被稱為基礎氧氣爐(BOF)、LD轉爐或簡單的轉爐。

煉鋼的歷史始于19世紀，1772年法國的Reaumur、1850年美國的Kelly和1856年英國的Bessemer發現如何通過控制鐵合金的碳含量來改進生鐵，從而真正成為鋼。作為化學家的Reaumur是受科學好奇心的驅使，而作為工程師的Kerry和Bessemer則是為了滿足工業革命，包括織布機、蒸汽機、機器和鐵路，對更大數量和更好質量的鋼的需求。這開始了科學和技術之間的辯證關系，當時發明了通過在液態浴中氧化碳（C）來提煉熱金屬（生鐵）的基本概念。

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

貝塞麥在1856年發明的氣吹式轉爐被認為是第一個現代煉鋼工藝。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?。⊿M）工藝，幾乎與托馬斯工藝同時開發。明爐工藝利用再生傳熱來預熱燃燒器中使用的空氣，它能夠產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50年代，也就是基本的氧氣煉鋼出現在地平線上的時候，煉鋼主要是基于明爐工藝技術。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）。明爐工藝是一個全熱過程，因此必須向爐子提供外部能源。對于200噸至250噸的液態鋼的熱量，典型的點對點時間為8小時。

緊隨電力發明之后，煉鋼業的下一個重大創新是電弧爐（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的，因為在當時，遠距離輸電還不可行。EAF技術的基礎是開發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煉鋼工藝被認為是啟動了循環經濟。

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

在歐洲和美國，用O2進行的實驗被反復進行。在那些使用高純度氧氣的人中，有一個是Otto Lellep，但是他的 "將氧氣垂直吹到液態鐵槽上 "的概念被證明是不成功的。根據Hubert Hauttmann的說法，他在1936年至1939年期間參加了Lellep在Gutehoffnungshütte的實驗，當時他受雇于該公司，其目的是通過轉爐底部的噴嘴吹入純氧來轉換鐵水。以這種方式生產的鋼的質量很差。

在第二次世界大戰期間，德國的C.V.施瓦茨、比利時的約翰-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模生產的水平。

卡爾-瓦萊里安-施瓦茨（Carl Valerian Schwarz）在1939年提交了一份專利申請，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问澜绱髴鸬谋l，施瓦茨專利中描述的技術最初沒有導致任何實際應用。也是在20世紀30年代末，瑞士的羅伯特-杜勒開始了自己的實驗。

戰后，Heinrich Hellbrügge和Robert Durrer（Roll'schen Eisenwerke的技術總監）在瑞士Gerlafingen鎮的Roll'schen Eisenwerke開始進一步的實驗。在Gerlafingen的第一個頂吹式氧氣轉換器的照片顯示在圖1。

圖1 格拉芬根的第一個頂吹式氧氣轉換器的照片

在Gerlafingen和V?EST建立了工業規模的技術合作關系后，是Durrer奠定了基本的理論原則，并建議V?EST在一個單獨的容器中從上面吹氧。 1949年6月3日，在V?EST的場地上開始了一系列使用2噸實驗性轉換器的實驗。 在林茨的團隊經歷了最初的幾次挫折后，早在1949年6月25日就取得了突破，當時降低了O2的壓力，并將吹氣槍的槍頭移到離熔池更遠的地方，這樣O2的噴射就不能穿透那么遠。通過這一突破，生產出的鋼材可以順利地軋制成板材。V?EST的實驗部門檢查了這種鋼，并對其觀察結果表示非?？隙?。這就是LD轉爐煉鋼工藝誕生的時刻。實驗一直持續到幾百次2噸的加熱，之后他們被轉移到一個特別建造的15噸實驗轉爐，該轉爐豎立在露天。第一批產品于1949年10月2日生產。這種新等級的鋼材經過了持續的冶金和其他測試。

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

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。在林茨的實驗中，在對該工藝進行演示后，1949年6月17日達成了精確的分工。V?EST將在一個更大的精煉容器中繼續處理來自林茨的粗鋼，而Mannesmann將對托馬斯鋼進行吹氧實驗，Roll'schen Eisenwerke將研究在EAF中使用O2，?AMG將在一個低軸生鐵爐中進行O2測試。該協議要求所有與O2冶金有關的人 "不發表任何聲明，也不向自己公司以外的人傳遞任何有關他們注意到的O2精煉的細節或他們在1949年6月17日林茨討論期間可能得出的結論的信息。

在協議的基礎上，很快就從多納維茨的實驗中發現，在豎爐中使用氧氣是沒有價值的，因此，公司開始探索不同的方法。在多納維茨開發的通過吹氧回收高錳含量礦渣的工藝，使人們認識到在多納維茨的鋼鐵生產擴展和合理化計劃中，只應考慮使用純氧的吹氧工藝。在對5噸或10噸的實驗裝置進行了廣泛的調查和成功的開發工作后，在第一次測試中，氧氣由串聯的鋼瓶供應，公司管理層決定建立一個新的鋼廠，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 "氧氣轉換器 "的德語首字母。這個術語在一定程度上幫助區分了??EST和?AMG的活動。

1949年12月9日，當時的VOEST總經理Heinrich Richter-Brohm做出了一個決定，即建造第一個LD鋼廠，這并非沒有風險。此后不久，在澄清了有關較硬鋼種的生產方法的問題后，決定在多納維茨也建立一個LD工廠。 1950年，該工藝的第一個專利被申請。

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

到1951年，在林茨，在煉鋼過程中用純氧精煉熱金屬已經成為一種創新的、操作上可靠的工藝，用于在林茨生產大宗質量的鋼。1951年12月，在萊奧本舉行的奧地利冶金學會 "用純氧煉鋼 "會議上，首次公布了這一新工藝。在這次會議上，羅伯特-杜勒表示，兩家冶金廠（林茨和多納維茨）已經將向國內熱金屬吹制高純度氧氣的概念發展成為一個可行的工業流程，并祝賀他們取得了這一巨大成功。隨著這一宣布，奧地利成為第一個通過吹制純氧在工業規模上用熱金屬生產鋼鐵的國家。圖2顯示了在液態金屬浴中吹氧前和吹氧過程中的LD轉爐截面。

圖2 LD轉爐在液態金屬浴中吹氧前和吹氧時的橫截面圖

1952年11月27日，第一座轉爐在林茨的LD煉鋼廠（圖3）投入使用，這是利用吹氧原理進行鋼鐵生產的一個里程碑。1953年1月5日，這個世界上第一個LD鋼廠正式開業。到1953年6月17日，林茨的LD第一煉鋼廠已經生產了10萬噸LD鋼，到1953年12月初，已經生產了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）投入運營。該工藝現在已經發展到完全成熟的操作，在它生產的鋼的質量和經濟可行性方面都超過了所有的預期。

圖3 V?EST的LD鋼廠1號轉爐的剖面圖

該工藝中特別有利的冶金條件產生了不含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。在技術性能方面，特別是冷成形性方面，LD轉爐生產的鋼明顯優于明爐工藝生產的鋼。LD工藝也能夠提供質量優異的結構鋼等級。在LD轉爐中生產的鋼在承受非常嚴重的負載的焊接結構中取得了優異的成績。在LD轉爐中生產的寬鋼帶卷正在大量供應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這個名字是因為林茨的V?EST和多納維茨的?AMG已經將其發展到工業規模的成熟度。

1954年8月，加拿大的Dominion Foundries & Steel, Ltd.成為德國以外第一個運營LD鋼廠的公司。它有兩個60噸的轉爐。同年，美國的麥克勞斯鋼鐵公司緊隨其后，在福斯特廠長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行LD的公司是法國的Société des Aciéries de Pompey，它有一個15噸轉爐。1957年，在西德、日本、巴西和美國有五家LD鋼廠投產，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（現有工廠的擴建）、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鋼鐵廠正在建設中，這些工廠在此之前已經建成。

上游制造工藝的技術創新，特別是精煉和鑄造工藝的技術創新，對于實現不斷提高各種應用所需鋼材的質量水平至關重要。 因此，自從林茨的第一個LD轉爐投入使用以來，BOS工藝也在不斷升級。

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60年代，鋼鐵制造商開始研究底吹轉爐，并引入惰性氣體吹氣，以攪拌轉爐中的液體金屬并去除P雜質。

20世紀70年代初，在BOS煉鋼方面有了進一步的發展，通過使用碳氫化合物氣體或燃料油保護的壺嘴進行底吹O2。在有了這兩種轉爐的經驗后，又開發了上下混合吹氣容器。在20世紀70年代末，混合吹氣被引入到BOS工藝的轉爐中?，F在世界上使用的大多數轉爐都是組合型的。

在頂吹轉爐中，由于缺乏金屬浴中的混合，在O2吹制過程中，熔體中會產生化學成分和溫度的均勻性。在轉爐的噴射空腔的正下方有一個相對死區。改善頂吹轉爐煉鋼工藝的必要性導致了聯合吹煉工藝的發展。第一個被商業化接受的聯合吹煉實踐是由ARBE-IRSID開發的LBE（Lance Bubbling Equilibrium）工藝。這種工藝與BOF工藝的關系更為密切，因為所有的氧氣都是由頂部的噴槍提供的。組合吹氣方面是通過安裝在轉爐底部的一組多孔元件實現的，氬氣或氮氣通過這些元件被吹出。在LBE工藝中，氮氣通常在3-11N Cum/min的范圍內幾乎完全用于吹氣的大部分過程。然而，在吹氣的后期，當氮氣吸收會產生問題時，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，這時的速率增加到10-17N Cum/min。

在LD轉爐工藝的早期，頂部氣體在轉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冷卻系統冷卻。 當時，每噸粗鋼產生約300公斤的蒸汽和250立方米的廢氣。

在20世紀50年代工業化實施時，環境問題是轉爐工藝的一個嚴重挑戰。轉爐廢氣中粉塵的細度迫使該工藝的供應商開發新的除塵系統。1克轉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 "的光學影響，要將粉塵從系統中清除到每立方米100毫克以下的水平。為此，濕式和干式除塵系統都被使用。隨著環境問題的增加，這一挑戰越來越成為轉爐工藝的一個機會。這個機會有助于開發抑制燃燒的轉爐氣體回收系統。 今天，經濟和環境要求轉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，開發了回收轉爐頂部高熱值氣體的工藝，以便將其作為工廠內部的氣體燃料。這是通過壓制燃燒實現的。安裝在轉爐口上方的工藝設備具有冷卻、清理的功能，并在壓制燃燒的幫助下回收轉爐氣體。通過對轉爐頂部煤氣的壓制燃燒，每噸粗鋼可回收70-100立方米轉爐煤氣，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冷卻系統被采用的話，還可以制造出蒸汽。

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

自1977年以來，在轉爐容器本身的設計、耐火材料和耐火材料應用實踐以及氧槍和爐底噴嘴的設計方面進行了一些改進，極大地促進了煉鋼效率的提高，降低了原材料和耐火材料的單耗，所有這些都有助于延長爐子的壽命，使其達到幾千次加熱。

如今，轉爐的規模已經擴大，可容納350公噸鐵水的大型轉爐已經出現。2014年，在全球1.69億噸的粗鋼總產量中，BOS工藝的粗鋼產量為1.29億噸，即占全球鋼總產量的73.7%。