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第四章 氧气转炉炼钢
炼钢的基本任务 炼钢方法的变迁 炼钢生产流程的变迁
1
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第四章 氧气转炉炼钢
本章目的:
2
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第四章、氧气转炉炼钢 顶吹转炉: 炉渣 FetO 含量高; 吹炼前期、中期能够较好
地脱磷; 搅拌差,反应距平衡远。
底吹转炉; 搅拌强、脱碳快、喷溅少; 渣中 FetO 低,吹炼前期
基本不能脱磷。顶底复吹转炉:
成渣较底吹转炉好; 搅拌较顶吹转炉强; 反应平衡程度高; 大多数大中型转炉采用了
复吹转炉炼钢。
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底吹搅拌强度
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[C] - [O] 关系
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底吹气体、透气元件
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底吹元件示意图
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一、主要设备
氧枪系统
渣料系统
倾动系统
烟气净化系统
主原料装入系统
出钢、出渣系统
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炉衬
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出钢挡渣装置
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底吹元件布置
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转炉炉体
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转炉炉体
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倾动机构
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氧枪
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氧气喷头
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烟气冷却、除尘、煤气回收系统
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干法 ( 静电 ) 除尘系统
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干法 ( 静电 ) 除尘系统
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干法除尘
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二、转炉吹炼工艺
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工艺操作
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投入与产出
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Input
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Input
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Input
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Input
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Output
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Output
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Output
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吹炼操作
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金属、炉渣成分变化
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1 、原材料
1. 铁水: 比率: 80~ 97 %; 温度: 1230~ 1400℃ ; 化学成分:
[C]: 4.0~ 4.8 %; [Si]: 0.18~ 0.7 %; [P]: 0.08~ 0.12 %; [S]: 0.004~ 0.025
%。
2. 废钢: 比率: 3 ~ 20% ; 分类(重量、形状、成分
等)。
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造渣材料与冷却剂
1. 石灰: 加入量: 15~ 55kg/t ; 品质要求:
CaO 含量高; SiO2 含量低; 活性度高 ( 活性石灰 ) ; 生、过烧率低。
2. 熔剂: 白云石、萤石等;
3. 冷却剂: 铁矿石、氧化铁皮。
10 分钟内, 50 克石灰溶于 40 摄氏度恒温水中所消耗的 4mol / L 盐酸的毫升数表示,一般石灰活性度平均值超过300ml 。
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铁矿石与氧化铁皮
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2 、氧枪操作和氧气喷头设计
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氧枪操作1. 提高射流对熔池的冲击能:
降低枪位; 提高使用氧压; 采用高 M 数喷头; 有利于脱碳,对成渣和脱磷等有影响。
2. 减少射流对熔池的冲击能: 提高枪位; 降低使用氧压; 采用低 M 数喷头; 有利于成渣和脱磷等。
3. 氧枪操作: “恒枪变压” “恒压变枪”。
Hard Blow
Soft Blow
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氧气喷头设计
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氧气喷头设计与计算
供氧量计算; 供氧强度选择(吹炼时间); 喷头出口气体速度(马赫数)选择; 氧气压力选择; 喷头喉口直径计算; 喷头出口直径计算等。
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供氧量计算 金属装入量(铁水 90 %,废钢 10 %); 脱碳反应:
90 %产物为 CO ; 10 %产物为 CO2 。
脱硅反应; 脱磷反应; 脱锰反应; Fe 氧化反应:
渣量为金属装入量 10 %; 炉渣 FetO : 20 %。
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供氧量计算
项目 C Si Mn P [O] 炉渣 FetO 总计
铁水成分 4. 30% 0. 40% 0. 45% 0. 10%
废钢成分 0. 10% 0. 13% 0. 25% 0. 02%
吹炼终点钢水成分 0. 05% 0. 12% 0. 0080 0. 08%
元素氧化量(kg) 38. 3 3. 7 3. 1 0. 84 0. 72 20
耗氧(Nm3) 39. 289 2. 951 0. 633 0. 759 0. 504 3. 118 47. 253
钢水量 / 金属装入量≈ 1000/1080= 0.92
吨钢氧气耗量= 47.253/0.92= 51.4Nm3/t
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供氧强度
供氧强度( Nm3/min/t ); 范围: 3.2~ 3.8 Nm3/min/t ; 供氧强度选择:
氧气供应条件; 原材料条件; 造渣; 操作水平(防止喷溅、粘枪等)。
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氧气喷头设计( 250t 转炉)
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(1) 确定氧气流量
1. 氧气总用量 (Q) :吨钢耗氧量 ×平均出钢量51.4×250 = 12850Nm3
2. 吹炼时间 (T : 14 ~ 17min)
取:吹炼时间为 15min
3. 氧气流量:W = Q/T = 12850/15 = 857Nm3/min
=51400Nm3/h
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(2) 确定马赫数 M
马赫数选取范围: 1.4~ 2.2
M 数大: 熔池搅拌强烈; 有利于脱碳反应; 对化渣有影响(脱磷、脱硫); 提高枪位 ( 喷枪寿命 ) 。
选取: M = 2.0
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50
(3) 确定氧压
P0 : 0.75MPa
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0
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等熵流函数表(完全气体, k = 1.4 )
P0 : 0.78MPa
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出口氧气射流速度
Ve : 490m/s
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0
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(4) 喉口直径计算
选择喷头孔数: 6 孔; 每孔氧气流量:
Q = W/6=857/6≈143Nm3/min
喉口直径计算:
取: CD = 0.98 , T0 = 293K ,可计算出:
0
0D
T
P*AC7824.1Q
A* = 1797mm2
d* = 47.8mm
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(5) 出口直径计算
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55
出口直径计算
出
出出
)+=
M
M167.0833.0(*AA
32
232
mm30380.2
0.2167.0833.0(1797
)+=
d 出= 62.2mm
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56
等熵流函数表(完全气体, k = 1.4 )
A 出:3032.4mm2
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(6) 确定扩张段长度 扩张段长度取决于扩张角大小; 扩张段愈长,阻损愈大; 扩张段过短,氧流来不及膨胀,射流不稳定。
扩张段长度= 1.4×62.2 = 87.08mm
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3 、造渣工艺1. 炉渣功能:
脱除磷、硫; 保护炉衬; 防止金属喷溅、粘枪等。
2. 炉渣控制要点: 碱度 (CaO/SiO2) ; 氧化性 (FetO) ; 流动性; 尽快成渣。
3. 渣料(熔剂 ) : 石灰、白云石、铝钒土、萤石; 铁矿石、氧化铁皮等。
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成渣过程
终渣组成: CaO : 42~ 50 %; MgO : 5 ~ 9 %; SiO2 : 10~ 25 %; Al2O3 :1 ~ 2 %; FetO :15~ 30 %; P2O5 : 1 ~ 2 %; S : 0.1~ 0.3
%。
加入渣料; 调节供氧。
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吹炼过程炉渣成分变化
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石灰加入量计算 ( 吨装入金属 )
铁水 [Si] : 0.45% 废钢 [Si] : 0.15 % 目标炉渣碱度 (CaO/SiO2) : 3.5
石灰 CaO 含量: 91%
石灰 SiO2 含量: 2 % 石灰加入量:
100/)5.3291(
5.309.28/09.60)100/15.0100100/45.0900(W
石灰
t/kg4.37
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62
防止 ( 金属、泡沫渣 ) 喷溅 原因:
CO 反应不均匀; 炉渣过度泡沫化; 装入量过大。
防止喷溅措施: 喷头合理设计 ( 供氧强
度、 M 数 ) ; 正确氧枪枪位和供氧操作; 防止炉渣“返干”; 避免炉渣过度泡沫化:
流动性; FetO 、 MnO 等控制。
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63
4 、冷却剂加入量计算项目 C Si Mn P 炉渣 FetO 温度
铁水 4. 30% 0. 40% 0. 45% 0. 10% 1300℃
废钢 0. 10% 0. 13% 0. 25% 0. 02% 25℃
吹炼终点钢水 0. 05% 0. 12% 0. 0080 1660℃
元素氧化量(kg) 38. 3 3. 7 3. 1 0. 84 20
反应 反应热(KJ / kg)
[C}+1/ 2O2=CO 10123
[C}+O2=CO2 31391
[Si ]+O2=Si O2 29747
2[P]+5/ 2O2=P2O5 33401
[Mn]+1/ 2O2=MnO 6950
Fe+1/ 2O2=FeO 4098
Fe+3/ 2O2=Fe2O3 5612
取反应温度为1450℃
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反应热量组元 氧化量(kg) 氧化产物量(kg) 氧化产物量 反应热(KJ )
CO 80. 39 348940 C 38. 3
CO2 14. 03 120227
Si 3. 7 Si O2 7. 92 110064
Mn 3. 1 MnO 4. 00 21545
P 0. 84 P2O5 1. 92 28057
FeO 23. 16 73764 Fe 20
Fe2O3 2. 86 11224
总计 713821
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炉渣和炉气量
渣量计算: 氧化产物量: 39.86kg 加入石灰量: 37.4kg 加入萤石量: 3kg 渣量: (39.86+37.4+3)/0.8 = 100.3Kg
炉气量计算: 生成 CO 和 CO2 量: 94.42kg
炉气量: 94.32/0.9 = 104.8kg
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相关组元的比热、熔化潜热等 比热:
钢水: 0.837KJ/kg/℃ 废钢 (s) : 0.699KJ/kg/℃ 炉渣: 1.247KJ/kg/℃ 炉气: 1.136KJ/kg/℃ 渣料: 0.941KJ/kg/℃ 铁矿石: 0.66KJ/kg/℃
废钢熔化潜热: 271.96KJ/kg 生烧石灰分解热: 3790KJ/kg 铁矿石分解热: 5066KJ/kg
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耗热量计算1. 铁水升温( 1300 ℃ 1660℃ ):
0.837×1080×0.9×(1450- 1300)= 122034KJ 0.837×1080×0.9×0.93×(1660-1450)= 158890KJ
2. 废钢升温、熔化( 25 ℃ 1660℃ ): 0.699×1080×0.1×(1450- 1300)= 11324KJ 271.96×1080×0.1= 29371KJ 0.837×1080×0.1×(1660-1450)= 18983KJ
3. 石灰、萤石升温( 25 ℃ 1450℃ ):1. 0.941×(37.4+3)×(1450- 25)= 54173KJ
4. 炉渣升温( 1450 ℃ 1660℃ ):1. 1.247×100.3×(1660- 1450)=26266KJ
5. 炉气升温( 1450 ℃ 1660℃ ):1. 1.136×104.8×(1660-1450)= 25001KJ
总计: 446042KJ
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加入冷却剂
1. 富余热量: 713821 - 446042 = 267779KJ
2. 铁矿石冷却热量( 6105KJ/kg ): 升温: 0.66×(1450-25)= 940.5KJ/kg 分解: 5066KJ/kg 钢水升温 ( 含铁: 56 %): 0.837×0.56×(1660-1450)= 98.4KJ/kg
3. 加入铁矿石量: 267779/6105= 43.9kg/t
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5 、吹炼终点控制1. 静态控制(供氧量计算,冷却剂计算):
全量模型(热平衡和物料平衡理论计算,统计分析经验公式);
增量模型(与参考炉次进行比较,对改变量的影响进行计算)。
2. 动态控制(吹炼过程进行测定、干预): 脱碳速率变化; 温度变化; 副枪; 副枪+炉气分析。
3. 快速出钢、直接出钢。
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吹炼终点自动控制
静态模型计算 副枪测定(T 、 S 、 C)
副枪测定(T 、 S 、 C 、 O)
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静态控制
1. 原材料条件和冶炼目标输入: 铁水成分、铁水重量、废钢重量、废钢类型、熔剂成分、
铁矿石成分等; 吹炼终点目标(温度、 [C] 、 [P] 、炉渣碱度等)。
2. 计算渣料加入量: 石灰、白云石、萤石等。
3. 供氧量计算: 全量模型; 增量模型。
4. 冷却剂加入量计算: 全量模型; 增量模型。
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全量模型与增量模型
++++++++= 热损失萤石白云石石灰冷却剂 WiWhWgWf]P[d]Mn[c]Si[b]C[aW
++)+(%++++= 氧气冷却剂氧气 iWFFetOE]P[D]Mn[C]Si[B]C[AW
+++++++++= 热损失萤石白云石石灰冷却剂冷却剂 WiWhWgWf]P[d]Mn[c]Si[b]C[aWW 0
全量模型:
增量模型:
++)+(%+++++= 氧气冷却剂氧气氧气 iWFFetOE]P[D]Mn[C]Si[B]C[AWW 0
系数 a 、 A 等可由热力学相关数据确定,也可由统计关系得出。
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动态控制1. 静态控制+副枪测定+动态调整:
由静态控制模型计算渣料量、氧气量和冷却剂量; 距终点 3min左右时,用副枪测定熔池温度、 [C] 含量
等; 根据副枪测定结果进行吹氧、冷却剂、吹炼时间等调整。
2. 静态控制+副枪测定+炉气分析: 吹炼全程对炉气成分( CO 、 CO2 )、炉气量进行测定; 根据模型由炉气对熔池碳含量、温度进行推定,并进行相
应调整; 距终点 3min左右时,用副枪测定熔池温度、 [C] 含量
等; 根据副枪测定结果进行吹氧、冷却剂、吹炼时间等调整。
![Page 74: 第四章 氧气转炉炼钢](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022081416/5681311a550346895d9782b6/html5/thumbnails/74.jpg)
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副枪
![Page 76: 第四章 氧气转炉炼钢](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022081416/5681311a550346895d9782b6/html5/thumbnails/76.jpg)
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炉气分析
![Page 77: 第四章 氧气转炉炼钢](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022081416/5681311a550346895d9782b6/html5/thumbnails/77.jpg)
77
炉气分析
![Page 78: 第四章 氧气转炉炼钢](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022081416/5681311a550346895d9782b6/html5/thumbnails/78.jpg)
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由炉气推算熔池碳含量和温度
![Page 79: 第四章 氧气转炉炼钢](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022081416/5681311a550346895d9782b6/html5/thumbnails/79.jpg)
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静态模型计算
传统:副枪测定 (T,S, C) 先进钢厂:副枪测定 (T)
传统:副枪测定 (T,S, C,O) ;
先进钢厂:直接出钢。
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6 、出钢挡渣 高品质钢生产的关键技术; 冶金效果:
减少非金属夹杂物生成量; 减少精炼、连铸过程钢水
二次氧化; 提高炉外精炼脱硫效率; 减少钢水“回磷”。
主要挡渣方法: 挡渣球; 挡渣锥; 气动挡渣。
![Page 81: 第四章 氧气转炉炼钢](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022081416/5681311a550346895d9782b6/html5/thumbnails/81.jpg)
81
转炉出钢挡渣
森田幸代,材料とプロセス, 15 ( 2002 ), p141
![Page 82: 第四章 氧气转炉炼钢](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022081416/5681311a550346895d9782b6/html5/thumbnails/82.jpg)
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7 、脱氧、合金化 脱氧: 铝、铝铁、铝锰铁等; 硅铁、硅锰合金等。
合金化: 硅、锰; Nb 、 V 、 Ti ; Cr 、 Mo 、 Ni 等。
W 加入量= 1000×{[W%] 目标- [W%] 钢液 }/(W%) 合金 /W
元素收得率
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8 、脱磷预处理铁水的脱碳转炉吹炼工艺要点
渣量: 20kg/t左右; 烟尘量增大 5kg/t左右: 容易粘枪、炉口结钢等; 影响终点控制精度; Mn 矿还原。
![Page 84: 第四章 氧气转炉炼钢](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022081416/5681311a550346895d9782b6/html5/thumbnails/84.jpg)
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日新製鋼脱磷铁水吹炼 Fe 的损失
安井潔,鉄と鋼, 76(1990) , 1908
![Page 85: 第四章 氧气转炉炼钢](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022081416/5681311a550346895d9782b6/html5/thumbnails/85.jpg)
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和歌山制铁所采用的氧气喷头
![Page 86: 第四章 氧气转炉炼钢](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022081416/5681311a550346895d9782b6/html5/thumbnails/86.jpg)
86
脱碳转炉成分变化
稻葉東寶,鉄と鋼, 1987 , s1012
![Page 87: 第四章 氧气转炉炼钢](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022081416/5681311a550346895d9782b6/html5/thumbnails/87.jpg)
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8 、生态、环境保护
![Page 88: 第四章 氧气转炉炼钢](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022081416/5681311a550346895d9782b6/html5/thumbnails/88.jpg)
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煤气:1. 发电;2. 轧钢加热炉。
蒸汽:1. 发电;
炉渣:1. 部分返回炼钢利用;2. 老化处理后用于铺路或制做水泥。
烟尘和污泥:1. 烧结固化还原后送烧结厂。
![Page 89: 第四章 氧气转炉炼钢](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022081416/5681311a550346895d9782b6/html5/thumbnails/89.jpg)
89
转炉低温蒸汽发电 转炉低温蒸汽用于发电困难; 以往采用弗里昂轮机发电; 现改用以氨水做媒体的
Kalina循还发电装置。
![Page 90: 第四章 氧气转炉炼钢](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022081416/5681311a550346895d9782b6/html5/thumbnails/90.jpg)
90
转炉炉渣老化处理 转炉高碱度炉渣与水反应,膨涨;
用蒸汽对转炉炉渣进行“老化”处理;
用于铺路材料。
![Page 91: 第四章 氧气转炉炼钢](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022081416/5681311a550346895d9782b6/html5/thumbnails/91.jpg)
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烟尘和污泥处理 烟尘污泥脱水; 烧结固化; 还原; 返回烧结利用。
![Page 92: 第四章 氧气转炉炼钢](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022081416/5681311a550346895d9782b6/html5/thumbnails/92.jpg)
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新日铁君津厂节能示意图