侧吹转炉炼钢是从转炉的炉墙侧面吹入空气或氧气把铁水炼制成钢的转炉炼钢方法。空气酸性侧吹转炉按发明者姓氏也称特罗佩纳(Tropenas)炉。 50年代中国唐山钢厂试验成功了碱性炉衬的侧吹转炉炼钢,1958年后在中国各地使用。
从转炉炉身侧面吹入空气或氧气以氧化去除铁水中的杂质元素并提供热量而获得钢水的转炉炼钢方法。根据转炉炉衬材料和吹入的氧化性气体的不同,侧吹转炉炼钢法有:空气侧吹酸性转炉炼钢法,即小型贝塞麦法,空气侧吹
碱性转炉炼钢法和氧气侧吹转炉炼钢法3种。
小型贝塞麦转炉用
酸性耐火材料制作炉衬,吹空气冶炼。炉子容量很小。一般只有几吨,在机械制造厂铸钢车间使用。炉子小则热损失大,而铸钢要求钢水温度高一些,这就产生了困难。后来有人发现将底吹风嘴改为由侧方排列,在铁水面上吹炼,可以提高钢水温度,于是小的贝塞麦转炉炼钢就改造成侧吹酸性转炉炼钢,广泛用于铸钢车间。中国于20世纪30~40年代在青岛、上海、重庆、昆明、大冶和唐山等地也建设了一些小贝塞麦转炉,炉容量为1.5~3.0t,主要用于供给铸钢钢水。图1为小型贝塞麦转炉示意图。鼓风风嘴的高度恰好位于熔池表面,鼓入的空气将铁水中的硅、锰和碳氧化,反应放出热量使温度升高。碳氧化生成的CO在熔池面上又继续氧化生成CO2,放出更多的热量,于是碳的发热能力显著增大。另外熔池表面吹炼也使铁氧化,生成的FeO迅速进入渣中,这个反应也放出一些热量。渣中的(FeO)含量比底吹转炉中也高一些。小型贝塞麦法的吹炼操作基本上和贝塞麦法相同,第1期是硅、锰的氧化期,第2期是碳的氧化期,碳氧化完后炉口火焰收缩即可以停吹,然后脱氧出钢。吹炼时间大约在10~15min。
在中国,新中国成立后,国家建设的展开迫切需要钢材。原有的一些小型贝塞麦转炉,因为炉衬是酸性的,无法使用含磷量达0.2%~0.3%的生铁炼钢。1951年唐山钢厂开始试验将侧吹转炉的酸性炉衬改造为碱性炉衬,并通过一系列的工业试验建立了摇炉制度(通过炉身倾动使风嘴在吹炼全程位于熔池表面)、造渣制度、装入制度等操作制度,解决了吹损大及去磷不稳定等问题,于1952年正式投入工业生产,并命名为侧吹碱性转炉炼钢法。之后,上海、天津、乌鲁木齐等地也建立了碱性侧吹转炉,并将炉体由直筒形改为涡鼓形(图2)。这种炼钢法设备简单、投资少、生产率高,适合中国当时的经济条件。1958年开始,全国各地大批建造了侧吹碱性转炉炼钢车间,此法成为中国50~70年代的主要炼钢方法之一,侧吹转炉钢占总产钢量的比值为:50年代22.4%,60年代21.49%,70年代降为12.08%,到1982年降为5.1%。
侧吹碱性转炉炼钢的第1期是硅、锰氧化期,此时炉渣碱度较低,提高渣的(FeO)含量也能使磷迅速氧化,渣况好时此期去磷率可达70%左右,这时倒出部分炉渣可以巩固去磷效果。但是倒渣操作使热损失和铁损失显著增加。第2期为碳氧化期,炉口形成白亮火焰,炉温也迅速升高,这时可以造新渣去磷。炉渣造得好,磷和碳可同步氧化去除。但造渣不好,碳氧化完时磷含量仍高于钢种要求成分,只好进行“后吹”脱磷。但后吹也增大了铁的损失和提高了钢水氧化性。当温度、碳、磷均合格时,可进行脱氧和出钢操作。图3为侧吹碱性转炉吹炼过程的金属成分和炉渣成分的变化。
侧吹和底吹相比不仅气流位置和方向不同,侧吹时鼓风压力亦较低,搅拌能力不及底吹。因此在熔池表面生成的氧化铁不至于被硅、碳等元素完全还原,较高的氧化铁促进石灰熔化而较早形成碱性氧化渣,使磷能在前期去除。底吹时鼓风由炉底进入,有很强的搅拌能力,铁和磷在底部氧化后又全部被碳还原,在脱碳期不能形成流动良好的渣,磷只能在后吹期脱除。侧吹转炉中如果在第2期脱碳过快,也可能造成炉渣返干,不利于脱磷的进行。反之,如果鼓风压力过小或风嘴相对位置偏高,搅拌力不足,则铁大量氧化,不仅铁损增大而且有喷溅危险。只有控制好风嘴高度和鼓风压力,保持适当的搅拌能力,才能使炉渣状况良好,脱磷和脱碳同时顺利进行。空气侧吹碱性转炉由于碳氧化生成的CO能继续燃烧,炉气中的CO2含量比底吹转炉高。侧吹碱性转炉炉气的CO2/CO值平均达到0.6~2.2,而底吹空气或顶吹氧气转炉平均只有0.2%左右。侧吹碱性转炉炉气中自由氧含量平均只有0.9%左右,氧的利用率达95%以上。因此,侧吹碱性转炉的熔池金属温度比底吹转炉高。然而侧吹时鼓风没有穿过熔池,炉气温度低于熔池温度,一般为750~800℃,而底吹转炉则接近1400℃。侧吹转炉的面吹、浅吹操作减少了氮从熔池吸热,使炉气带走金属液的热量大大减少。侧吹碱性转炉炉气带走的热损失约相当于底吹转炉的50%。
侧吹碱性转炉炼钢的缺点是炉子容量不大,不能形成规模效益。炼钢过程的铁损失大。钢中含氮量较高。80年代以后,大多数侧吹碱性转炉被
氧气顶吹转炉所取代。
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150t。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。