现代化的炼钢厂每年都在以高的生产效率生产几十万吨钢铁制品的半成品,在现有工业条件下连续化的工艺流程比间歇式出钢流程更能取得较大的经济效益,所以,自从工业化革命以来,连续炼钢流程高的经济效益就一直驱使人们去尝试新的连续炼钢方法。
从19世纪中期到现在已经出现了近80种连续炼钢流程,根据流程发展的年代和方法将这些流程分为7大类。在这些流程中有很多流程都是从以前的主要流程中演化而来的,例如第一时期的流程主要是从平炉流程演化过来的,第三和第四时期的流程从氧气转炉流程转化而来,第五和第七时期的流程从冶炼废钢的电炉流程转化而来。
“连续炼钢”这个词已经在不同的操作中使用了很多年,这个定义包含了如下一些操作:
兑加铁水和废钢、出渣半连续化,间歇性的出钢到钢包中第一个是Siemens流程(1860s),最近的流程是CRISP/Hatch(2000s)。
连续反应器概念和主要操作连续处理钢液的反应器可以归纳为两大类:理想的全搅拌罐式反应器(CSTR)和理想塞流式反应器(PFR),这两种反应器是优先条件下的真实的、可用的反应器的理论模型。
在PFR钢渣同向流动的反应器中,钢、渣的成分以及二者之间的浓度梯度沿着流动槽变化。如果在PFR反应器中钢渣和钢液的流动方向相反,那么在整个反应期内,钢渣之间的梯度会很大。在间歇式反应器(钢包炉、转炉、电炉)中,钢、渣成分与浓度梯度的变化情况与同向流动的PFR相似,但它的变化是按时间而不是位置进行的。相反,如假设进入流量和成分都不变,那么,在CSTR反应器中以及与其对等的半连续反应器中,成分和浓度梯度保持不变。通常情况下,在CSTR反应器以及与其对等的半连续反应器和间歇式反应器中,由于混合充分,校正动作会立即显示出结果。因此,对这3种反应器能进行很好的控制。而在PFR反应器中,校正动作出现迟滞,降低了对这种反应器的可控性。
在PFR和CSTR中,对化学转化(定义为各成分浓度的改变)存在限制。一般而言,PFR受制于返混,CSTR受制于反应动力学。Szekely指出,对于给定的动力学条件,要提高转化率,只有延长钢水的滞留时间,这可以用增大反应器尺寸或降低输入量实现。对PFR做这些必要的改动,要么增大了热损和投资成本,要么造成反应器复杂化,这使得它的吸引力下降。Szekely得出结论,最好的解决方案是串联使用
CSTR反应器,这样就能在所要求的生产率下对反应器进行必要的控制,整体提高化学转化水平。
连续炼钢研究的发展历史上出现的80种连续炼钢流程,根据流程的发展时间,所用原料,研究程度(原理提出、实验室试验或小规模工业试验)和流程的主要特点,下面将详细讨论流程在各时期的发展过程。
第一时期:连续的平炉炼钢流程(1860~1930s)
连续炼钢的思想起源于这个时期,研究者通过研究发现连续炼钢具有节省生产成本的潜力,并坚信可以将平炉流程(OHF)改造成为连续炼钢流程。Siemens在19世纪60年代最先提出了连续炼钢的思想,并设计了第一条连续炼钢流程。他将原有的Siemens-Martin炉改造成为直接用高品位矿石炼钢的流程,在熔池内连续进行脱碳反应产生CO继续用于还原矿石,矿石在间歇出钢时从竖炉中落下。
其它研究者继续将OHF改造成连续炼钢流程,在20世纪Talbot制作了一个比Siemens当初更大的反应器以期获得更好的钢渣分离效果,到20世纪30年代Dobrokhotov用两个OHF炉分步对钢液进行精炼。从文献上看这3种流程的生产时间有限。
第二时期:基础理论和设计的发展(1930~1950s)
连续炼钢流程基础理论和设计在这个时期快速发展。热铁水作为连续炼钢的原料在第一时期就已经出现,在这个时期Thring和Schack第一次设计了3种以废钢为连续炼钢的原料,并且其中两种设计曾经进行过商业生产,Schack的一个流程当时就生产出钢锭。此外Schack、Waldron、Elliott、Grah和Gremeaux等还设计了由一系列反应器组成的连续炼钢流程,而Rochling、Johanssen、Hudson、Thring和Schack等设计了由单个反应器组成的连续炼钢流程。出现的9种连续炼钢流程,5种是基于PFR基础上的,4种是基于CSTR基础上的,Elliott提出了第一个完全连续的炼钢流程,这个流程可以实现从高炉炼铁到浇铸的完全连续。
第三个时期:基于非平衡态CSTR上的试验研究(1950~1960s)
1952年出现了第一座转炉(LD),在氧气的吹炼下反应速度剧增大大提高了生产效率,而转炉的发展大大促进了基于热铁水作为原料的连续炼钢流程的新研究,向CSTR反应器中的钢液吹氧可以为其连续炼钢提供必须的动力学条件。
法国研究机构IRSID采用BOF中的乳化理论发展出一种连续炼钢流程,该流程中出现了乳化精炼和喷射精炼。同时英国的BISRA机构、奥地利的奥钢联和前苏联的研究者采用将氧气和溶剂喷射到熔池内的方法以大大改善反应动力学条件发展连续炼钢流程,在这个流程中,大部分的脱碳反应还是发生在熔池内,而坠落液滴的脱碳反应效率并不像预期的那样好,而且在液滴坠落的过程中会形成铁氧化物,这使得喷射精炼的理念没有成功实现。但该理念没有在CSTR反应器上实现的主要原因是反应在非平衡态进行操作的,使得操作的可控性变差,这样就产生了如下的问题:成分控制不稳定,铁的收得率低而且波动大,两相分离的时间变长,还有耐火材料问题等。在这方面的研究一直持续到20世纪的70年代和80年代,直至IRSID设计的流程和前苏联研究者设计的流程将原料改为废钢为止。
此外在卢森堡有人尝试在BOF上实现连续出渣的操作,在荷兰有人尝试在接近平衡态的条件下用一系列精炼反应器进行连续的精炼操作,前苏联也在单反应器上进行过这种尝试,但所有这些流程与BOF流程相比在生产效率、产品质量和生产成本上都不具有优势。