氧气炼钢的历史

基础氧气炼钢的历史

 Satyendra 2015年12月16日 0 评论 炼钢厂, BOS, 底吹, 联合吹风, 转炉, 热量, LD转炉, LD煤气, 分层燃烧, 炼钢, 顶吹

基础氧气炼钢的历史

 基础氧气炼钢(BOS)是通过将纯氧(O2)吹入包含在一个容器中的液态金属槽来炼钢的过程，该容器被称为基础氧气炉(BOF)、LD转炉或简单的转炉。

炼钢的历史始于19世纪，1772年法国的Reaumur、1850年美国的Kelly和1856年英国的Bessemer发现如何通过控制铁合金的碳含量来改进生铁，从而真正成为钢。作为化学家的Reaumur是受科学好奇心的驱使，而作为工程师的Kerry和Bessemer则是为了满足工业革命，包括织布机、蒸汽机、机器和铁路，对更大数量和更好质量的钢的需求。这开始了科学和技术之间的辩证关系，当时发明了通过在液态浴中氧化碳（C）来提炼热金属（生铁）的基本概念。

这与竖炉中的气固反应（高炉的前身，用木炭还原铁矿石），或与铁水坑（在固体状态下进行的锻造和精炼技术）相比，是一个根本性的变化，而这种变化在当今时代是没有的。19世纪下半叶的创新力度令人印象深刻，它带来了一种模式的转变。贝塞麦转炉炼钢于1856年出现，明炉除了精炼热金属外，还可以熔化废料，在贝塞麦转炉9年后的1865年才被发现，而基本的托马斯转炉则在12年后的1877年被发现。 托马斯转炉是利用空气来精炼液态金属的。

贝塞麦在1856年发明的气吹式转炉被认为是第一个现代炼钢工艺。1877年，托马斯工艺，一种改良的贝塞麦工艺，被开发出来，允许处理高磷的液体铁。在托马斯工艺中，磷（P）在大部分C被从熔池中去除后，在所谓的 "后吹 "中被氧化。明炉工艺，也被称为西门子-马丁（SM）工艺，几乎与托马斯工艺同时开发。明炉工艺利用再生传热来预热燃烧器中使用的空气，它能够产生足够的热量来熔化和精炼固体废钢和混响炉中的热金属。大约在20世纪50年代，也就是基本的氧气炼钢出现在地平线上的时候，炼钢主要是基于明炉工艺技术。热金属和废钢被装入大型水平炉，燃烧器为废钢熔化提供能量。氧气（O2）喷枪被用来提高燃烧器的效率，并从热金属中去除碳和硅（Si）。明炉工艺是一个全热过程，因此必须向炉子提供外部能源。对于200吨至250吨的液态钢的热量，典型的点对点时间为8小时。

紧随电力发明之后，炼钢业的下一个重大创新是电弧炉（EAF）炼钢工艺。电弧炉是由Heroult在1900年左右在靠近新能源源头的阿尔卑斯山谷地引进的，因为在当时，远距离输电还不可行。EAF技术的基础是开发一种可以替代煤炭的能源，并且比露天炉灶更大量地熔化废钢。EAF炼钢工艺被认为是启动了循环经济。

BOS的概念可以追溯到1856年，当时Henry Bessemer为一种涉及吹氧的炼钢工艺申请了专利，以使铁水脱碳（英国专利号2207）。当时，没有任何方法可以提供该工艺所需的O2数量。商业数量的氧气根本无法获得或过于昂贵，因此贝塞麦的发明只停留在纸面上，一直没有使用。1928年，当林德公司成功开发出大量供应纯氧的方法（林德-弗兰克尔工艺）时，通过吹制纯氧炼钢变得切实可行。由于Lind-Fr?nkl工艺的成功，氧气也变得非常便宜，因此引入BOS工艺的两个先决条件（大量供应以及廉价氧气的供应）都得到了满足。

在欧洲和美国，用O2进行的实验被反复进行。在那些使用高纯度氧气的人中，有一个是Otto Lellep，但是他的 "将氧气垂直吹到液态铁槽上 "的概念被证明是不成功的。根据Hubert Hauttmann的说法，他在1936年至1939年期间参加了Lellep在Gutehoffnungshütte的实验，当时他受雇于该公司，其目的是通过转炉底部的喷嘴吹入纯氧来转换铁水。以这种方式生产的钢的质量很差。

在第二次世界大战期间，德国的C.V.施瓦茨、比利时的约翰-迈尔斯、德国的杜勒瑞士和海因里希-海尔布吕格等工程师提出了他们的氧气吹炼版本，但只有杜勒和海尔布吕格将它带到了大规模生产的水平。

卡尔-瓦莱里安-施瓦茨（Carl Valerian Schwarz）在1939年提交了一份专利申请，要求以超音速将氧气吹入熔池。但是这种方法也 "还不能生产出可用的钢"。尽管后来的林茨-多纳维茨（LD）工艺与施瓦茨的专利有相似之处，但其典型特征是不同的（例如 "中央垂直吹制"）。肯定是由于第二次世界大战的爆发，施瓦茨专利中描述的技术最初没有导致任何实际应用。也是在20世纪30年代末，瑞士的罗伯特-杜勒开始了自己的实验。

战后，Heinrich Hellbrügge和Robert Durrer（Roll'schen Eisenwerke的技术总监）在瑞士Gerlafingen镇的Roll'schen Eisenwerke开始进一步的实验。在Gerlafingen的第一个顶吹式氧气转换器的照片显示在图1。

图1 格拉芬根的第一个顶吹式氧气转换器的照片

在Gerlafingen和V?EST建立了工业规模的技术合作关系后，是Durrer奠定了基本的理论原则，并建议V?EST在一个单独的容器中从上面吹氧。 1949年6月3日，在V?EST的场地上开始了一系列使用2吨实验性转换器的实验。 在林茨的团队经历了最初的几次挫折后，早在1949年6月25日就取得了突破，当时降低了O2的压力，并将吹气枪的枪头移到离熔池更远的地方，这样O2的喷射就不能穿透那么远。通过这一突破，生产出的钢材可以顺利地轧制成板材。V?EST的实验部门检查了这种钢，并对其观察结果表示非常肯定。这就是LD转炉炼钢工艺诞生的时刻。实验一直持续到几百次2吨的加热，之后他们被转移到一个特别建造的15吨实验转炉，该转炉竖立在露天。第一批产品于1949年10月2日生产。这种新等级的钢材经过了持续的冶金和其他测试。

这一创新的关键因素是液体浴的移动。在此之前，人们认为如果不把O2吹到更深的地方，就不可能获得足够的浴液运动。但这种运动是通过形成CO（一氧化碳）以非常令人满意的方式实现的。软吹 "的原则也促进了氧化铁的形成，而氧化铁又吸收了氧化的杂质，形成了熔渣。 这有助于生产出优秀的新钢种。

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月表示对O2吹炼工艺或至少是一般的O2冶金工艺感兴趣。在林茨的实验中，在对该工艺进行演示后，1949年6月17日达成了精确的分工。V?EST将在一个更大的精炼容器中继续处理来自林茨的粗钢，而Mannesmann将对托马斯钢进行吹氧实验，Roll'schen Eisenwerke将研究在EAF中使用O2，?AMG将在一个低轴生铁炉中进行O2测试。该协议要求所有与O2冶金有关的人 "不发表任何声明，也不向自己公司以外的人传递任何有关他们注意到的O2精炼的细节或他们在1949年6月17日林茨讨论期间可能得出的结论的信息。

在协议的基础上，很快就从多纳维茨的实验中发现，在竖炉中使用氧气是没有价值的，因此，公司开始探索不同的方法。在多纳维茨开发的通过吹氧回收高锰含量矿渣的工艺，使人们认识到在多纳维茨的钢铁生产扩展和合理化计划中，只应考虑使用纯氧的吹氧工艺。在对5吨或10吨的实验装置进行了广泛的调查和成功的开发工作后，在第一次测试中，氧气由串联的钢瓶供应，公司管理层决定建立一个新的钢厂，两年后就可以投入使用。多纳维茨的工程师们最初将他们的工艺命名为 "SK"，是 "氧气转换器 "的德语首字母。这个术语在一定程度上帮助区分了??EST和?AMG的活动。

1949年12月9日，当时的VOEST总经理Heinrich Richter-Brohm做出了一个决定，即建造第一个LD钢厂，这并非没有风险。此后不久，在澄清了有关较硬钢种的生产方法的问题后，决定在多纳维茨也建立一个LD工厂。 1950年，该工艺的第一个专利被申请。

在1951年的年度研究和质量保证报告中指出，"在审查年度，大量的研究工作致力于LD钢种，并发表了一份出版物。预计这种类型的钢在质量方面具有巨大的潜力，特别是将允许生产出具有高质量表面和良好冷成型能力的钢。这对金属薄板的生产特别重要，到目前为止，只有在接受某些表面缺陷的情况下，才有可能实现良好的冷成型性（被杀死的钢级）。但是，通过氧气精炼工艺，也可以生产出具有较高屈服强度的钢，这一点非常有利。

到1951年，在林茨，在炼钢过程中用纯氧精炼热金属已经成为一种创新的、操作上可靠的工艺，用于在林茨生产大宗质量的钢。1951年12月，在莱奥本举行的奥地利冶金学会 "用纯氧炼钢 "会议上，首次公布了这一新工艺。在这次会议上，罗伯特-杜勒表示，两家冶金厂（林茨和多纳维茨）已经将向国内热金属吹制高纯度氧气的概念发展成为一个可行的工业流程，并祝贺他们取得了这一巨大成功。随着这一宣布，奥地利成为第一个通过吹制纯氧在工业规模上用热金属生产钢铁的国家。图2显示了在液态金属浴中吹氧前和吹氧过程中的LD转炉截面。

图2 LD转炉在液态金属浴中吹氧前和吹氧时的横截面图

1952年11月27日，第一座转炉在林茨的LD炼钢厂（图3）投入使用，这是利用吹氧原理进行钢铁生产的一个里程碑。1953年1月5日，这个世界上第一个LD钢厂正式开业。到1953年6月17日，林茨的LD第一炼钢厂已经生产了10万吨LD钢，到1953年12月初，已经生产了25万吨钢。 第二家LD钢厂于1953年5月22日在多纳维茨的?sterreichisch-Alpine Montangesellschaft（?AMG）投入运营。该工艺现在已经发展到完全成熟的操作，在它生产的钢的质量和经济可行性方面都超过了所有的预期。

图3 V?EST的LD钢厂1号转炉的剖面图

该工艺中特别有利的冶金条件产生了不含O2的粗钢，因此不需要脱氧。该钢是一种低气体、低氮（N2）钢，不含磷（P）、硫（S）和不需要的伴随元素。在技术性能方面，特别是冷成形性方面，LD转炉生产的钢明显优于明炉工艺生产的钢。LD工艺也能够提供质量优异的结构钢等级。在LD转炉中生产的钢在承受非常严重的负载的焊接结构中取得了优异的成绩。在LD转炉中生产的宽钢带卷正在大量供应给德国和国外的冷轧厂。

今天通常使用的Linz-Donawitz的缩写LD是在1958年正式采用的。选择LD这个名字是因为林茨的V?EST和多纳维茨的?AMG已经将其发展到工业规模的成熟度。

1954年8月，加拿大的Dominion Foundries & Steel, Ltd.成为德国以外第一个运营LD钢厂的公司。它有两个60吨的转炉。同年，美国的麦克劳斯钢铁公司紧随其后，在福斯特厂长Rudolf Rinesch的帮助下，开始了其LD钢厂。1956年9月，德国以外的第三家开始运行LD的公司是法国的Société des Aciéries de Pompey，它有一个15吨转炉。1957年，在西德、日本、巴西和美国有五家LD钢厂投产，1958年又增加了五家，1959年在印度Rourkela有两家，1960年有八家。1960年，在美国、日本、西班牙、葡萄牙、意大利（现有工厂的扩建）、西德、巴西、英格兰、苏格兰、挪威、阿根廷、澳大利亚（1961年）和法国，有更多的LD钢铁厂正在建设中，这些工厂在此之前已经建成。

上游制造工艺的技术创新，特别是精炼和铸造工艺的技术创新，对于实现不断提高各种应用所需钢材的质量水平至关重要。 因此，自从林茨的第一个LD转炉投入使用以来，BOS工艺也在不断升级。

最初的LD工艺包括通过垂直喷枪的水冷喷嘴在铁液的顶部吹氧。在20世纪60年代，钢铁制造商开始研究底吹转炉，并引入惰性气体吹气，以搅拌转炉中的液体金属并去除P杂质。

20世纪70年代初，在BOS炼钢方面有了进一步的发展，通过使用碳氢化合物气体或燃料油保护的壶嘴进行底吹O2。在有了这两种转炉的经验后，又开发了上下混合吹气容器。在20世纪70年代末，混合吹气被引入到BOS工艺的转炉中。现在世界上使用的大多数转炉都是组合型的。

在顶吹转炉中，由于缺乏金属浴中的混合，在O2吹制过程中，熔体中会产生化学成分和温度的均匀性。在转炉的喷射空腔的正下方有一个相对死区。改善顶吹转炉炼钢工艺的必要性导致了联合吹炼工艺的发展。第一个被商业化接受的联合吹炼实践是由ARBE-IRSID开发的LBE（Lance Bubbling Equilibrium）工艺。这种工艺与BOF工艺的关系更为密切，因为所有的氧气都是由顶部的喷枪提供的。组合吹气方面是通过安装在转炉底部的一组多孔元件实现的，氩气或氮气通过这些元件被吹出。在LBE工艺中，氮气通常在3-11N Cum/min的范围内几乎完全用于吹气的大部分过程。然而，在吹气的后期，当氮气吸收会产生问题时，氩气被用于搅拌。此外，氩气几乎完全被用作吹炼后搅拌的惰性气体，这时的速率增加到10-17N Cum/min。

在LD转炉工艺的早期，顶部气体在转炉口通过开放的罩子完全燃烧，然后在烟囱中用水间接冷却或通过蒸发冷却系统冷却。 当时，每吨粗钢产生约300公斤的蒸汽和250立方米的废气。

在20世纪50年代工业化实施时，环境问题是转炉工艺的一个严重挑战。转炉废气中粉尘的细度迫使该工艺的供应商开发新的除尘系统。1克转炉粉尘的可见表面积在300至500平方米之间。为了普遍避免 "棕色烟雾 "的光学影响，要将粉尘从系统中清除到每立方米100毫克以下的水平。为此，湿式和干式除尘系统都被使用。随着环境问题的增加，这一挑战越来越成为转炉工艺的一个机会。这个机会有助于开发抑制燃烧的转炉气体回收系统。 今天，经济和环境要求转炉煤气和含铁粉尘中的能量被收集并有效回收。

在60年代初，开发了回收转炉顶部高热值气体的工艺，以便将其作为工厂内部的气体燃料。这是通过压制燃烧实现的。安装在转炉口上方的工艺设备具有冷却、清理的功能，并在压制燃烧的帮助下回收转炉气体。通过对转炉顶部煤气的压制燃烧，每吨粗钢可回收70-100立方米转炉煤气，热值范围为1600-2000千卡/N立方米。除了80公斤/吨的粗钢蒸汽外，如果顶层煤气的蒸发冷却系统被采用的话，还可以制造出蒸汽。

在转炉炼钢的早期，从烟囱里冒出的褐色烟雾表明转炉正在工作。今天，由于转炉气体回收和清洁系统的存在，转炉的运行只能从火炬烟囱中检测出来。

自1977年以来，在转炉容器本身的设计、耐火材料和耐火材料应用实践以及氧枪和炉底喷嘴的设计方面进行了一些改进，极大地促进了炼钢效率的提高，降低了原材料和耐火材料的单耗，所有这些都有助于延长炉子的寿命，使其达到几千次加热。

如今，转炉的规模已经扩大，可容纳350公吨铁水的大型转炉已经出现。2014年，在全球1.69亿吨的粗钢总产量中，BOS工艺的粗钢产量为1.29亿吨，即占全球钢总产量的73.7%。