平爐煉鋼法

德裔英國發明家西門子(Charles Wilhelm Sie-mens， 1823—1883)和法國煉鋼專家馬丁 (Pierre Emile Martin，1824—1915)所發明的煉鋼法，為重要的煉鋼方法之一。發展於19世紀50年代，至今仍採用，雖然*電弧爐(electric-arc furnaces)日益被採用，特別是用於生產高等級鋼。平爐煉鋼法使用氣態燃料，它通過平爐中的排氣來預熱。熔融的金屬處於平爐底部或爐床的淺槽中。

基本介紹

• 中文名：平爐煉鋼法
• 外文名：open-hearth process
• 學科：冶金工程
• 發明人：西門子，馬丁
• 出現時間：19世紀60年代
• 別稱：西門子—馬丁爐

介紹

1861年，西門子發明煤氣發生爐，用煤氣代替焦炭作燃料。1864年，在西門子指導下，馬丁改造了爐體，用廢氣預熱的蓄熱爐將空氣和燃料進行預熱以提高爐溫，將生鐵和廢鋼煉成了優質鋼。1868年，西門子進一步用此法將生鐵和鐵礦石煉成了鋼。此外，若在用此法冶煉的同時加入少量鹼性物質，還可解決脫磷問題，適合在歐洲推廣。由於其爐體形狀低平，又有一個比較平展的熔池，故常被稱為“平爐”，亦稱“西門子—馬丁爐”或“馬丁爐”。此法冶煉時間較長，每爐約需24小時，但因熔池大，每爐可產上百噸鋼水，故產量高。此外，它所用原料既可用生鐵、鐵水，也可用廢鋼、鐵屑、熟鐵和礦石，便於廢鋼鐵的回收，加之煉出的鋼均勻，質量穩定，可生產優質鋼，所以，以平爐為主，轉爐為輔的煉鋼體系在世界各地迅速得到發展，並且沿用至今

煉鋼工藝

平爐煉鋼法熔煉過程分為：補爐、裝料(包括加熱和兌鐵水)、熔化、精煉、脫氧和出鋼。在實際操作中，各期往往交錯進行，不能截然分開。

1、補爐期
通常從上爐出完鋼至下爐加入第一槽料的一段時間，稱為補爐期。補爐期主要對渣線以下、出鋼口、爐坡等處進行修補。補爐操作必須做到高溫、正壓、快速、準確，以保證爐料燒結好。爐子的其它部分穿插在熔化末期和精煉、出鋼過程中修補。常用的補爐料有鎂砂、鎂砂粉、熟白雲石、氧化鐵皮等。

2、裝料期
從裝入冷料到兌完鐵水，這段時間稱為裝料期。裝料之前必須進行配料計算，確定礦石和石灰加入量，以保證得到合適的熔畢碳和熔畢爐渣鹼度。熔畢碳是指爐料完全熔化後金屬的含碳量。它通常應比所煉鋼種平均含碳量高出0.25～0.80%，以保證精煉期能順利進行各項操作。平爐裝料期約占總熔煉時間的20～30%。
爐料包括散狀料(礦石、石灰到 、石灰石等)和金屬料(輕、重廢鋼及鐵水或生鐵塊等)。爐料應按一定次序依次從幾個爐門裝入爐內，非金屬。料導熱性差，必須高溫快裝，鋪平散開，分層燒透；金屬料導熱性好，要高溫快裝不必分層加熱；若冷裝生鐵塊則加在最上層；若熱裝鐵水，則需待冷料裝完並加熱到表面開始熔化時，再將鐵水兌入。

3、熔化期
從兌完鐵水到爐料全部熔化完畢，這段時間稱為熔化期，約占總熔煉時間的30～50%。為縮短熔化期，應向平爐供給最大熱量，並採用吹氧強化措施。
熔化期的重要操作是及時放出初期渣和提前造渣，以達到去除磷、硫並獲得合適熔畢碳的目的，同時為精煉操作創造良好條件。當爐料全部熔清後，取樣分析C、P、S等含量，以確定精煉期操作。當溫度和爐渣均達到規定要求時，熔化期結束進入精煉期。

4、精煉期
自熔畢到脫氧(爐內脫氧)或出鋼(爐外脫氧)，這段時間稱為精煉期。精煉期主要任務是：調整鋼液成分，使C、P、S含量達到脫氧前要求；充分去除鋼中氣體和非金屬夾雜物；將鋼液加熱到出鋼要求的溫度。精煉期是煉好一爐鋼的關鍵階段，通常又將其分為礦石沸騰期和純沸騰期。
爐料熔畢後，當熔池加熱至規定溫度即可加礦進行精煉，同時提高爐渣鹼度。利用碳-氧反應產生的沸騰作用，促進P、S的去除，排除鋼中氣體並均勻鋼液溫度和成分。這階段稱為礦石沸騰。
最後一批礦石或渣料加完至脫氧前，保持熔池均勻沸騰一段時間，以進一步去除氣體和非金屬夾雜物，並加熱熔池使其達到規定的出鋼溫度。這階段稱為純沸騰。

5、脫氧和出鋼
純沸騰結束，鋼水溫度和成分符合鋼種規格要求時，即可進行脫氧和出鋼。脫氧可在爐內或鋼包內進行。

平爐構造

1、熔池

熔池由爐門坎水平面以下的爐坡和爐底所組成，為淺碟形。熔池底部中央至後牆設有出鋼口，與後牆外的出鋼槽相連。

2、爐頭及上升道

平爐熔煉室兩端各連有一個爐頭。爐頭與熔煉室以火焰噴出口為界，並包括一部分上升道，是平爐構造中最重要的一部分。

3、沉渣室

沉渣室在上升道下面與蓄熱室相連。其作用是排氣時沉積廢氣中的渣塵，以免堵塞格子磚，影響熱交換。廢氣自上升道進入沉渣室時，由於氣流方向改變，體積擴大，使流速下降，因而使其夾帶的大部分粗粒渣塵沉積下來。

4、蓄熱室

高溫廢氣通過蓄熱室時，將其大部分熱量傳給格子磚，使其加熱；換向後，格子磚又將熱量傳給通入的冷空氣或煤氣，使其升溫。這樣不斷循環地工作。

5、換向裝置

平爐是利用蓄熱原理進行工作的，必須定時更換火焰方向，故需有換向設備。

6、煙道

煤氣、空氣分別引入各自的蓄熱室，並將廢氣送入總煙道，再由煙囪排空。煙囪靠自然抽力排煙，故平爐煙囪較高。

平爐構造如下圖所示：

平爐的改造

平爐用氧強化

(1)用氧強化燃料燃燒。如火焰富氧，使用爐頂氧-燃噴槍等。此類方法提高了火焰溫度，強化了爐內熱交換，但冶煉過程並沒有發生實質性變化。

(2)直接向熔池吹氧。一般有三種方法：爐門吹氧(從爐門插入吹氧管)、頂吹氧和埋入式深吹氧(氧槍埋入熔池下的後牆面)，目前最常用的是頂吹氧法。向熔池直接吹氧後，氧氣代替了大量礦石，使碳-氧反應的熱效應從原來的吸熱變為放熱反應：
加冷時： △H=+4.4×105KJ
吹氧脫碳：O₂十2C=2CO △H =－2.2×10⁷kJ

因此，吹氧後加速了爐料的熔化和雜質的氧化；脫碳速度成倍增加；熔池升溫迅速，升溫速度可達2-2.5℃/min；同時，顯著地改善了熔池反應的動力學條件，利於磷、硫的去除，縮短了冶煉時間。特別是頂吹氧法，採用水冷噴槍，提供了大幅度提高供氧強度的可能性，已成為平爐用氧強化的主要方法。我國從1979年全面推廣平爐頂吹氧工藝，取得了增產節能的明顯效果。

雙床平爐

雙床平爐於1964年起先後在加拿大、原捷克斯洛伐克、南非、原蘇聯、波蘭等園投入生產。我國鞍鋼也曾於1966年將一座平爐改建為雙床平爐，熔煉時間平均為2時26分，小時產鋼量超過100噸。

雙床平爐有兩個爐床，兩床之間在熔池上部有通道連線，氣流可經通道流通，每床各有一出鋼口，可從爐前放渣。兩個爐床的爐頂各設氧槍、氧-燃噴槍、噴吹固體微粒的噴槍。當A爐床吹氧精煉時，B床則利用精煉床排出的高溫廢氣進行裝料和加熱，並可用氧-燃噴槍補充供給燃料。A床出鋼補爐時，B床兌鐵水，然後廢氣改由B床流向A床，加熱A床爐料，如此交替進行。

雙床平爐與一般平爐相比，生產率高；省去了蓄熱室，並將沉渣室改為活動渣車，使平爐結構大大簡化；爐齡長，耐火材料消耗低；燃料消耗低、熱效率高；基建費用低。但生產組織複雜，氧耗大，鐵損高，開、堵出鋼口頻繁。