CN106086289B - 一种采用顶吹氧枪喷粉冶炼不锈钢母液的炼钢方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种采用顶吹氧枪喷粉冶炼不锈钢母液的炼钢方法及装置，所述方法使用一支特制的顶吹氧枪，吹炼过程采取分阶段控制方式，利用输粉管以CO2或N2为载气将冶炼不锈钢母液所需要的粉剂高速喷入熔池内部，利用第一氧流道喷孔和第二氧流道喷孔分别向炉内喷吹O2，其中第一氧流道喷孔喷吹的O2用于煤粉的燃烧，氧气和煤粉在粉剂出口处燃烧形成高温火焰，粉剂受到急剧加热而产生热破碎，促进粉剂在炉渣中溶解和还原，第二氧流道喷孔喷吹的O2用于炉气的二次燃烧，有益效果在于，与传统铬矿熔融还原工艺相比，适用范围更广、反应效率更高，适用于50~350的不锈钢初炼炉，冶炼时间缩短3min以上，铬矿收得率提高1.0%以上，造渣材料消耗降低10%以上，吨钢成本降低10元以上。

Description

一种采用顶吹氧枪喷粉冶炼不锈钢母液的炼钢方法及装置
技术领域
本发明属于不锈钢冶炼技术领域，特别涉及一种采用顶吹氧枪喷粉冶炼不锈钢母液的炼钢方法及装置。
背景技术
随着转炉顶底复合吹炼技术的开发，以高炉炼铁为基础的钢铁联合企业也开始了不锈钢的生产。冶炼不锈钢时，废钢及铬、镍合金等的费用占整个不锈钢冶炼成本的70%，所以如果能开发出廉价的铬、镍资源以代替目前使用的昂贵铬、镍合金，对降低成本具有重要意义。
铬矿熔融还原工艺是在不锈钢精炼之前把铬矿装入专用的初炼炉中，利用焦炭或煤和氧气的反应热以及碳的强还原能力将铬矿熔融并将铬还原进入钢液来生产不锈钢初炼金属液的工艺。
但是铬矿还原是个复杂过程，由于铬矿本身熔点高，用焦炭或煤做还原剂时，还原反应为固-固相间反应，很难得到较高的还原速度；为了解决这个问题，必须使铬矿先溶解在炉渣中，然后渣中的铬氧化物被炉渣或金属液中的碳还原。
传统的向炉内添加块状铬矿和焦炭的方法，物料的比表面积小，溶解和还原速度均较慢，难以满足冶炼节奏的需要；日本川崎制铁使用特制的水冷喷枪，向炉内喷吹铬矿砂，加快了铬矿的溶解和还原速率，但是炉口需同时***喷粉枪和氧枪，不适用于小吨位初炼炉，而且焦炭和石灰仍以块状形式由炉口加入，限制了造渣和还原速率，该工艺仍存在一定的局限性。
本发明提出一种采用顶吹氧枪喷粉冶炼不锈钢母液的炼钢方法及所使用的顶吹氧枪，一支顶吹氧枪同时喷吹铬矿粉、煤粉、石灰粉和氧气，适用于50~350吨的不锈钢初炼炉，满足铬矿高效溶解和还原的要求。
发明内容
本发明的目的是通过一支顶吹氧枪向炉内同时喷吹铬矿粉、煤粉、石灰粉和氧气，所需粉剂以高速粉气流状态喷入熔池内部，使粉剂与熔池充分接触，实现铬矿粉、煤粉和石灰粉在炉渣中的快速溶解，溶解后的Cr2O3与炉渣或金属液中的碳接触并被还原，为铬矿熔融还原创造良好的热力学和动力学条件，加快反应速率，提高铬矿的收得率。
为了上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种采用顶吹氧枪喷粉冶炼不锈钢母液的炼钢方法，所述方法使用一支特制的顶吹氧枪，吹炼过程采取分阶段控制方式，利用输粉管以CO2或N2为载气将冶炼不锈钢母液所需要的粉剂高速喷入熔池内部，利用第一氧流道喷孔和第二氧流道喷孔分别向炉内喷吹O2，其中第一氧流道喷孔喷吹的O2用于煤粉的燃烧，氧气和煤粉在粉剂出口处燃烧形成高温火焰，粉剂受到急剧加热而产生热破碎，促进粉剂在炉渣中溶解和还原，第二氧流道喷孔喷吹的O2用于炉气的二次燃烧，主要为熔池升温和炉内物理化学反应提供热量，降低煤粉和氧气的消耗。
进一步的，由所述顶吹氧枪喷入炉内的粉剂为铬矿粉、煤粉和石灰粉的混合粉料，粉料粒度范围为80~300目，其中铬矿粉提供冶炼不锈钢母液所需要的铬元素，煤粉作为燃料和还原剂，石灰粉用于造渣和维持炉渣碱度，粉剂的混合可以选择预混方式或者非预混方式。
进一步的，所述炼钢方法采用底部供氧或者侧部供氧的强搅拌方式，底吹/侧吹的供氧强度为0.5~1.5Nm3/t/min，强化熔池搅拌，加快冶金反应速率，促进渣钢平衡，提高铬矿的收得率。
进一步的，所述方法步骤如下：
步骤一：原料熔化和升温，将铁水和废钢等物料装入炉内，吹炼过程中以N2或CO2为载气喷吹石灰粉和煤粉，石灰粉的喷吹流量为100~600kg/min，煤粉的喷吹流量为80~600kg/min，控制炉渣碱度为2.3~3.0，维持熔池[C]含量基本不变，顶吹氧枪采用高枪位操作，提高二次燃烧率、快速升温，顶吹供氧强度为2.0~2.5Nm3/t/min，底吹/侧吹供氧强度为0.5~1.0Nm3/t/min，将熔池温度提高至1540~1600℃；
步骤二：铬矿熔融还原，吹炼过程中以N2或CO2为载气大流量喷吹铬矿粉和煤粉，铬矿粉的喷吹流量为300~1500kg/min，煤粉的喷吹流量为100~800kg/min，根据造渣需要适当喷吹石灰粉，石灰粉的喷吹流量为30~300kg/min，顶吹供氧强度为2.5~3.0Nm3/t/min，通过煤粉和炉气的燃烧放热维持熔池温度，为了加快铬矿粉的溶解和还原速率，底吹/侧吹供氧强度为0.8~1.5Nm3/t/min，强化熔池搅拌；
步骤三：最终还原，停止顶吹供氧和喷粉，底吹/侧吹惰性气体和氧气的混合气，惰性气体的混入比例为0~50%，降低CO分压，增大底吹/侧吹强度至1.0~1.5Nm3/t/min，增强熔池搅拌，促进渣中Cr2O3的最终还原，提高Cr2O3的收得率。
一种采用顶吹氧枪喷粉冶炼不锈钢母液的装置，包括一顶吹氧枪，所述顶吹氧枪包括第二输粉管、输氧管、进水管、回水管和氧枪喷头，所述第二输粉管设置于所述顶吹氧枪中心，所述第二输粉管一端与所述氧枪喷头连接，所述第二输粉管***一周为输氧管，所述输氧管外设置进水管和回水管，所述氧枪喷头中心设置有喷粉孔，所述喷粉孔与所述第二输粉管连接，所述氧枪喷头上还设有多个与输氧管连通的第一氧流道喷孔和第二氧流道喷孔，所述第一氧流道喷孔和所述第二氧流道喷孔以氧枪喷头的轴线为中心环形设置，所述第一氧流道喷孔与所述氧枪喷头的轴线平行，所述第二氧流道喷孔与所述氧枪喷头的轴线呈18-25°夹角。
进一步的，所述装置还包括：初炼炉、第一输粉管、煤粉储罐、石灰粉储罐、铬矿粉储罐，所述第一输粉管与所述第二输粉管另一端连接，所述煤粉储罐、石灰粉储罐、铬矿粉储罐均与所述第一输粉管连接。
进一步的，所述煤粉储罐、石灰粉储罐、铬矿粉储罐均与一预混物料喷射罐一端连接，所述预混物料喷射罐另一端连接所述第一输粉管。
本发明的有益效果在于，与传统铬矿熔融还原工艺相比，适用范围更广、反应效率更高，适用于50~350的不锈钢初炼炉，冶炼时间缩短3min以上，铬矿收得率提高1.0%以上，造渣材料消耗降低10%以上，吨钢成本降低10元以上。
附图说明
图1为本发明实施例三冶炼不锈钢母液的装置结构示意图；
图2为本发明冶炼不锈钢母液过程采用的顶吹氧枪示意图；
图3为本发明实施例四冶炼不锈钢母液的装置结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
一种采用顶吹氧枪喷粉冶炼不锈钢母液的炼钢方法，所述炼钢方法适用于50~350吨的不锈钢初炼炉，所述方法使用一支特制的顶吹氧枪，所述顶吹氧枪的氧枪喷头上设有多个第一氧流道喷孔和第二氧流道喷孔，所述第一氧流道喷孔和所述第二氧流道喷孔以氧枪喷头的轴线为中心环形设置，所述第一氧流道喷孔与所述氧枪喷头的轴线平行，所述第二氧流道喷孔与所述氧枪喷头的轴线呈18-25°夹角。利用第一、第二输粉管以CO2和N2为载气将冶炼不锈钢母液所需要的粉剂高速喷入熔池内部，利用第一氧流道喷孔和第二氧流道喷孔分别将O2喷入炉内，其中第一氧流道喷孔用于煤粉的燃烧，氧气和煤粉在粉剂出口处燃烧形成高温、还原性火焰，粉剂受到急剧加热而产生热破碎，促进粉剂在炉渣中溶解和还原，第二氧流道喷孔用于炉气的二次燃烧，主要为熔池升温和炉内物理化学反应提供热量，降低煤粉和氧气的消耗，所述方法步骤如下：
步骤一：原料熔化和升温，将铁水和废钢等物料装入炉内，吹炼过程中以N2或CO2为载气喷吹石灰粉和煤粉，石灰粉的喷吹流量为100~600kg/min，煤粉的喷吹流量为80~600kg/min，控制炉渣碱度为2.3~3.0，维持熔池[C]含量基本不变，顶吹氧枪采用高枪位操作，提高二次燃烧率、快速升温，顶吹供氧强度为2.0~2.5Nm3/t/min，底吹/侧吹供氧强度为0.5~1.0Nm3/t/min，将熔池温度提高至1540~1600℃。
步骤二：铬矿熔融还原，吹炼过程中以N2或CO2为载气大流量喷吹铬矿粉和煤粉，铬矿粉的喷吹流量为300~1500kg/min，煤粉的喷吹流量为100~800kg/min，根据造渣需要适当喷吹石灰粉，石灰粉的喷吹流量为30~300kg/min，顶吹供氧强度为2.5~3.0Nm3/t/min，通过煤粉和炉气的燃烧放热维持熔池温度，为了加快铬矿粉的溶解和还原速率，底吹/侧吹供氧强度为0.8~1.5Nm3/t/min，强化熔池搅拌。
步骤三：最终还原，停止顶吹供氧和喷粉，底吹/侧吹惰性气体和氧气的混合气，惰性气体的混入比例为0~50%，降低CO分压，增大底吹/侧吹强度至1.0~1.5Nm3/t/min，增强熔池搅拌，促进渣中Cr2O3的最终还原，提高Cr2O3的收得率。
【实施例一】
本发明用于60吨常规冶炼不锈钢的GOR转炉，粉剂的混合采用非预混方式，输粉管路依次经过煤粉喷射罐、石灰粉喷射罐和铬矿粉喷射罐，铬矿粉的品味为48~50%，粉剂的粒度范围为80~200目，采用耐磨陶瓷软管将喷粉设备出粉口与氧枪枪体上的进粉口连接，氧枪的中心输粉管采用的陶瓷复合钢管，氧枪喷头的喷粉孔为内镶陶瓷的渐缩型喷孔。氧枪喷头的喷粉孔***包裹有6个第一氧流道喷孔和8个第二氧流道喷孔，第一氧流道喷孔与氧枪轴线平行，第二氧流道喷孔与氧枪轴线呈18°夹角。
具体冶炼分段控制过程为：
熔化和升温步骤，将铁水和废钢等物料装入炉内开始吹炼，吹炼过程中根据造渣需要喷吹石灰粉，石灰粉的喷吹流量为120~150kg/min，（轻烧）白云石由炉口加入，炉渣碱度控制在2.3~3.0；顶吹供氧强度为2.0~2.5Nm3/t/min，以N2为载气喷吹煤粉，煤粉的喷吹流量为100~150kg/min，该步骤不喷吹铬矿粉；为了加快化渣，底吹供氧强度为0.6~0.8Nm3/t/min；该步骤的目标是将熔池温度提高至1540~1580℃。
铬矿熔融还原步骤，为了维持炉渣碱度，少量喷吹石灰粉；顶吹供氧强度为2.5~3.0Nm3/t/min，以CO2为载气喷吹铬矿粉和煤粉，其中铬矿粉的喷吹流量为350~400kg/min，煤粉的喷吹流量为150~200kg/min，采用高枪位操作，提高二次燃烧率，维持熔池温度；为了强化熔池搅拌，加快铬矿粉溶解和还原，底吹供氧强度为0.8~1.0Nm3/t/min。
最终还原步骤，停止顶吹供氧和喷粉，底吹N2和氧气的混合气，N2的混入比例为30~50%，增大底吹强度至1.0~1.3Nm3/t/min，增强熔池搅拌，促进渣中（Cr2O3）的最终还原，提高（Cr2O3）的收得率。
实施结果表明：60吨GOR转炉采用顶吹氧枪喷粉冶炼不锈钢母液的工艺后，较传统的添加铬铁合金和不锈废钢的工艺，石灰消耗降低15%，吨钢成本降低30元。
【实施例二】
本发明用于180吨铬矿熔融还原转炉，粉剂的混合采用预混方式，煤粉储罐、石灰粉储罐和铬矿粉储罐按照工艺要求的混合比例下料至喷射罐，输粉载气经过喷射罐输送预混粉剂，铬矿粉的品味为48~50%，粉剂的粒度范围为80~300目，采用耐磨陶瓷软管将喷粉设备出粉口与氧枪枪体上的进粉口连接，氧枪的中心输粉管采用的耐磨合金钢管，氧枪喷头的喷粉孔为内镶陶瓷的渐缩型喷孔。氧枪喷头的喷粉孔***包裹有8个第一氧流道喷孔和12个第二氧流道喷孔，第一氧流道喷孔与氧枪轴线平行，第二氧流道喷孔与氧枪轴线呈20°夹角。
具体冶炼分段控制过程为：
熔化和升温步骤，将铁水和废钢等物料装入炉内开始吹炼，吹炼过程中根据造渣需要喷吹石灰粉，石灰粉的喷吹流量为350~500kg/min，（轻烧）白云石由炉口加入，炉渣碱度控制在2.3~3.0；顶吹供氧强度为2.0~2.5Nm3/t/min，以N2为载气喷吹煤粉，煤粉的喷吹流量为300~500kg/min，该步骤不喷吹铬矿粉；为了加快化渣，底吹供氧强度为0.8~1.0Nm3/t/min；该步骤的目标是将熔池温度提高至1560~1600℃。
铬矿熔融还原步骤，为了维持炉渣碱度，少量喷吹石灰粉；顶吹供氧强度为2.5~3.0Nm3/t/min，以CO2为载气喷吹铬矿粉和煤粉，其中铬矿粉的喷吹流量为1000~1200kg/min，煤粉的喷吹流量为500~600kg/min，采用高枪位操作，提高二次燃烧率，维持熔池温度；为了强化熔池搅拌，加快铬矿粉溶解和还原，底吹供氧强度为1.0~1.2Nm3/t/min。
最终还原步骤，停止顶吹供氧和喷粉，底吹CO2和氧气的混合气，CO2的混入比例为20~30%，增大底吹强度至1.2~1.5Nm3/t/min，增强熔池搅拌，促进渣中（Cr2O3）的最终还原，提高（Cr2O3）的收得率。
实施结果表明：180吨铬矿熔融还原转炉采用顶吹氧枪喷粉冶炼不锈钢母液的工艺后，冶炼时间缩短4min，铬矿粉的收得率提高1%，造渣料消耗降低18%，吨钢成本降低13元。
【实施例三】如图1-2所示，一种采用顶吹氧枪喷粉冶炼不锈钢母液的装置，包括：顶吹氧枪1、初炼炉2、第一输粉管3、煤粉储罐4、石灰粉储罐5、铬矿粉储罐6，所述顶吹氧枪1末端设置于所述初炼炉2内，所述第一输粉管3与所述顶吹氧枪1连接，所述煤粉储罐4、石灰粉储罐5、铬矿粉储罐6均与所述第一输粉管3连接，所述顶吹氧枪1包括：第二输粉管11、输氧管12、进水管13、回水管14和氧枪喷头15，所述第二输粉管11设置于所述顶吹氧枪1中心，所述第二输粉管11一端与所述氧枪喷头15连接，所述第二输粉管11另一端与所述第一输粉管3连接，所述第二输粉管11***一周为输氧管12，所述输氧管12外设置进水管13和回水管14，所述进水管13和回水管14用于冷却顶吹氧枪1，所述氧枪喷头15中心设置有喷粉孔151，所述喷粉孔151与所述第二输粉管11连接，所述氧枪喷头15上还设有多个与输氧管12连通的第一氧流道喷孔152和第二氧流道喷孔153，所述第一氧流道喷孔152和所述第二氧流道喷孔153以氧枪喷头15的轴线为中心环形设置，所述第一氧流道喷孔152与所述氧枪喷头15的轴线平行，所述第二氧流道喷孔153与所述氧枪喷头15的轴线呈18-25°夹角。
喷粉孔为渐缩型喷孔，以提高粉剂的喷出速度，第一氧流道喷孔的轴线与喷粉孔轴线平行，粉气流8和助燃氧流9如图1所示，利于氧气和煤粉的混合燃烧，第二氧流道喷孔采用大张角设计，二次燃烧氧流10如图1所示，以满足炉气二次燃烧的需要。所述顶吹氧枪的第二输粉管选用陶瓷复合钢管或耐磨合金钢管，氧枪喷头的喷粉孔采用内镶陶瓷或内镀陶瓷的处理方式。
所述由顶吹氧枪喷入炉内的粉剂为铬矿粉、煤粉和石灰粉的混合粉料，其中铬矿粉提供冶炼不锈钢母液所需要的铬元素，煤粉作为燃料和还原剂，石灰粉用于造渣和维持炉渣碱度，粉剂的混合可以选择预混方式或者非预混方式。
【实施例四】本实施例与上述实施例基本相同，唯一不同之处在于，所述煤粉储罐4、石灰粉储罐5、铬矿粉储罐6均与一预混物料喷射罐7一端连接，所述预混物料喷射罐7另一端连接所述第一输粉管3。
本发明的有益效果在于，与传统铬矿熔融还原工艺相比，适用范围更广、反应效率更高，适用于50~350的不锈钢初炼炉，冶炼时间缩短3min以上，铬矿收得率提高1.0%以上，造渣材料消耗降低10%以上，吨钢成本降低10元以上。

Claims (4)

1.一种采用顶吹氧枪喷粉冶炼不锈钢母液的炼钢方法，其特征在于，所述方法使用一支顶吹氧枪，吹炼过程采取分阶段控制方式，利用输粉管以CO2或N2为载气将冶炼不锈钢母液所需要的粉剂高速喷入熔池内部，利用第一氧流道喷孔和第二氧流道喷孔分别向炉内喷吹O2，其中第一氧流道喷孔喷吹的O2用于煤粉的燃烧，氧气和煤粉在粉剂出口处燃烧形成高温火焰，粉剂受到急剧加热而产生热破碎，促进粉剂在炉渣中溶解和还原，第二氧流道喷孔喷吹的O2用于炉气的二次燃烧，主要为熔池升温和炉内物理化学反应提供热量，降低煤粉和氧气的消耗；
具体步骤为：
步骤一：原料熔化和升温，将铁水和废钢物料装入炉内，吹炼过程中以N2或CO2为载气喷吹石灰粉和煤粉，石灰粉的喷吹流量为100~600kg/min，煤粉的喷吹流量为80~600kg/min，控制炉渣碱度为2.3~3.0，维持熔池[C]含量基本不变，顶吹氧枪采用高枪位操作，提高二次燃烧率、快速升温，顶吹供氧强度为2.0~2.5Nm3/t/min，底吹/侧吹供氧强度为0.5~1.0Nm3/t/min，将熔池温度提高至1540~1600℃；
步骤二：铬矿熔融还原，吹炼过程中以N2或CO2为载气大流量喷吹铬矿粉和煤粉，铬矿粉的喷吹流量为300~1500kg/min，煤粉的喷吹流量为100~800kg/min，根据造渣需要适当喷吹石灰粉，石灰粉的喷吹流量为30~300kg/min，顶吹供氧强度为2.5~3.0Nm3/t/min，通过煤粉和炉气的燃烧放热维持熔池温度，为了加快铬矿粉的溶解和还原速率，底吹/侧吹供氧强度为0.8~1.5Nm3/t/min，强化熔池搅拌；
步骤三：最终还原，停止顶吹供氧和喷粉，底吹/侧吹惰性气体和氧气的混合气，惰性气体的混入比例为0~50%，降低CO分压，增大底吹/侧吹强度至1.0~1.5Nm3/t/min，增强熔池搅拌，促进渣中Cr2O3的最终还原，提高Cr2O3的收得率。
2.根据权利要求1所述的采用顶吹氧枪喷粉冶炼不锈钢母液的炼钢方法，其特征在于，所述炼钢方法所用装置包括一顶吹氧枪（1），所述顶吹氧枪（1）包括第二输粉管（11）、输氧管（12）、进水管（13）、回水管（14）和氧枪喷头（15），所述第二输粉管（11）设置于所述顶吹氧枪（1）中心，所述第二输粉管（11）一端与所述氧枪喷头（15）连接，所述第二输粉管（11）***一周为输氧管（12），所述输氧管（12）外设置进水管（13）和回水管（14），所述氧枪喷头（15）中心设置有喷粉孔（151），所述喷粉孔（151）与所述第二输粉管（11）连接，所述氧枪喷头（15）上还设有多个与输氧管（12）连通的第一氧流道喷孔（152）和第二氧流道喷孔（153），所述第一氧流道喷孔（152）和所述第二氧流道喷孔（153）以氧枪喷头（15）的轴线为中心环形设置，所述第一氧流道喷孔（152）与所述氧枪喷头（15）的轴线平行，所述第二氧流道喷孔（153）与所述氧枪喷头（15）的轴线呈18-25°夹角；
所述顶吹氧枪（1）吹炼的控制采用如权利要求1所述炼钢方法。
3.根据权利要求2所述的采用顶吹氧枪喷粉冶炼不锈钢母液的炼钢方法，其特征在于，所述装置还包括：初炼炉（2）、第一输粉管（3）、煤粉储罐（4）、石灰粉储罐（5）、铬矿粉储罐（6），所述第一输粉管（3）与所述第二输粉管（11）另一端连接，所述煤粉储罐（4）、石灰粉储罐（5）、铬矿粉储罐（6）均与所述第一输粉管（3）连接。
4.根据权利要求3所述的采用顶吹氧枪喷粉冶炼不锈钢母液的炼钢方法，其特征在于，所述煤粉储罐（4）、石灰粉储罐（5）、铬矿粉储罐（6）均与一预混物料喷射罐（7）一端连接，所述预混物料喷射罐（7）另一端连接所述第一输粉管（3）。
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