转炉炼钢相关知识 Microsoft Word 文档.doc

第 156 页 共 156 页1 转炉留渣操作的可行性分析济钢第二炼钢厂铁水成分见表1。冶炼终渣成分：CaO为51.9；MgO为9.6；SiO2为13.0%；FeO为14.2%。表1 铁水成分成 分波动范围平均值C3.94.24.2Si0.40.80.6Mn0.250.400.30P0.090.110.105S0.0250.0600.035 兑铁水时产生喷溅的原因是在兑铁的瞬间，铁水中的碳与钢渣中的FeO发生激烈的脱碳反应，生成的CO气泡在近似自由空间迅速膨胀，把铁水和钢渣推出炉口所致。只有解决兑铁时的碳氧激烈反应，才能避免喷溅。当铁水兑入留有上一炉终渣的转炉时，金属与炉渣发生下列反应： Si2O(SiO2) G13930053.55T (1)COCOG410010.165T (2) 由(2)2(1)得出式(3)： 2C(SiO2)Si2CO G113110073.87T (3) 此反应式的自由能变化为： GG1RTln(PCO2fSiSi/a(SiO2)fC2C2) =13110073.87T4.575T2lgPCOlgfSi lgSilga(SiO2)2lgfc2lgC (4)式中 fi溶质组元的活度系数。 取PCO1.01104Pa，则： lgfSieSiSiSieSiCCeSiMnMneSiPPeSiSS0.801 lgfCeCCCeCSiSieCMnMneCPPeCSS0.660式中 eij指钢液中溶质i对j 的相互作用系数，即当元素i在钢液内百分浓度不变时，每加入1%元素j引起元素i活度系数改变的对数值。 根据济钢第二炼钢厂转炉冶炼终渣成分，R 为3.0、FeO含量为15%，查表得aSiO2为0.0001，故：G13110073.618T (5)要限制铁水中碳元素的氧化，必须使G0，即满足：13110073.618T0T 131100/77.6181780(K)即温度低于1507时，铁水和上一炉的炉渣接触，首先是硅的氧化(但也不排除有碳的氧化，因为铁水中含碳量较高)，也就限制了碳的激烈氧化。另外，也可根据不同温度下各种纯氧化物的分解压力找出碳和硅优先氧化的温度。由氧化物标准生成自由焓的变化与温度的关系可知:SiO2分解压力曲线与CO分解压力曲线相交的对应温度为1530。当t小于1530时，Si先于C被氧化；当t大于1530时则C先与Si被氧化。既便是在热力学满足(3)式的情况下，反应也不一定进行或进行的很缓慢而不会造成喷溅，这是由复杂的动力学因素决定的。从动力学的观点分析，化学反应速度常数与绝对温度之间符合Arrhenius关系式： kk0e (6)式中 k 化学反应速度常数； e 化学反应的活化能； k0 频率因子。上式表明，化学反应速度随温度升高而加快，也就是说温度越高发生喷溅的概率越大。反之，化学反应速度降低，发生喷溅的概率越小。特别在当前转炉大部分实现了溅渣护炉，溅渣后炉渣温度均低于1500。可以说留渣操作的条件已经具备。2 转炉留渣对冶炼的影响2.1 有利于初期渣的形成成渣速度主要取决于石灰块的溶解速度，而石灰块的溶解速度与初期渣的液相组成有关，特别是和渣中的(FeO)含量有关。因为初期渣中有一定数量的(FeO)存在，不仅溶解石灰速度加快，而且所组成的二元系铁酸氧化物的熔点，均比二元系硅酸氧化物的熔点低。从炉渣中的FeO-CaO-SiO2三元渣系性质可知，要想得到高的石灰溶解速度，必须提高FeO/SiO2比例才有效。由FeO-CaO-SiO2三元渣系性质相图：1600等温曲线表明石灰在1600下具有最大溶解度，因此加入过量石灰是不会得到效果的。FeO是转炉炉渣的重要组分，它的含量对石灰的溶解速度、炉渣粘度等影响很大。在炉子开吹时，液态炉渣主要来自铁水中硅、锰和铁的氧化。渣量少，渣中的SiO2含量高时加入大量的石灰，使最初的液态炉渣冷却，在石灰块的表面层开始与液态炉渣反应。由于钙镁橄榄石中的FeO和MnO的亲和力比CaO小，故被CaO置换，生成硅酸二钙(2CaO.SiO2)和RO相(二价金属Mn、Mg、Ca等氧化物固溶体)，生成的2CaO.SiO2熔点高达2130，结构致密 ，它妨碍液态炉渣中的FeO向石灰内部渗透，严重阻碍石灰块的继续溶解。这时渣中如有大量FeO(25%30%)存在，则能加速石灰的溶解。其原因是：(1)FeO能显著降低炉渣的粘度，加速石灰的外部传质；(2)FeO能改善炉渣对石灰的润湿和炉渣向石灰孔隙中的渗透；(3)FeO离解生成的离子(Fe2+、Fe3+、O2-)半径不大,与CaO同是立方晶系，有利于FeO向CaO晶格中迁移和扩散而生成低熔点的溶液，渣中FeO高能减少2CaO.SiO2生成，并且生成的2CaO.SiO2疏松，有利于其溶解。 下面是石灰的溶解速度与炉渣成分之间的统计关系式：JCaOK1(CaO1.35MgO1.09SiO22.75FeO1.9MnO39.1) (7)式中 JCaO石灰在炉渣中的溶解度；CaO、MgO、SiO2、FeO、MnO渣中氧化物的质量分数，%；K1石灰活性系数。从上式可以看出：FeO含量的高低，对石灰溶解速度有决定性的影响，它是石灰溶解的基本溶剂。这已被大量的生产实践所证明。留渣操作，由于初期渣中的MnO、MgO特别是FeO的存在，使石灰的溶解速度加快。另外，留渣带入了大量的物理热，在吹炼初期迅速升温，也有利于石灰的溶解促进成渣。2.2 有利于去磷在碱性炼钢法中，磷的氧化是在炉渣金属界面进行的，其反应式为:2P5FeO（P2O5）5FeQ (8)(P2O5)3FeO3FeO.P2O5Q (9)生成的磷酸铁在高温下很不稳定，它可以重新分解出P2O5，而从氧化物分解压曲线图可知，P2O5分解压较大，是不稳定氧化物。因此，仅靠生成P2O5不能去除磷。但P2O5是酸性氧化物，若用碱性氧化物与其接合成稳定的化合物则可去除。一般认为在碱性渣中P2O5与CaO形成稳定的(CaO)x(P2O5)型化合物，其中x为3或4。因此操作中需加入石灰使其形成稳定的化合物3CaO.P2O5或4CaO.P2O5存在于渣中，才能有效脱磷，反应为： (3FeO.P2O5)3CaO(3CaO.P2O5)3(FeO)Q (10)(3FeO.P2O5)4CaO(4CaO.P2O5)3(FeO)Q (11)将(8)、(9)、(10)相加，得到脱磷的总反应式： 2P5(FeO)3CaO3CaO.P2O55FeQ (12)从(12)式中可以定性地看出脱磷条件： (1)提高CaO含量，即提高炉渣碱度。 (2)提高炉渣氧化性，即提高渣中FeO含量。 (3)因脱磷反应是放热反应，所以低温对脱磷有利。这可以通过离子理论的脱磷反应式加以说明，磷在溶渣中以磷氧复合阴离子PO43-存在，而PO43-是通过P5+在溶渣钢液界面上不断吸收O2-而形成的。脱磷反应的总离子式为：2P5(Fe2+)8(O2-)2(PO43-)5FeK(a(PO43-)2)2/aP2a(Fe2+)5a(O2-)8(13) 磷在钢液和熔渣中的分配系数可由下式计算：lgLPlg(P)/P22350/T7lg(CaO)2.5lg(FeO)24.0 (14)式中 FeO熔渣中的全铁含量。 从上述分析可以说明留渣操作对脱磷是有利的。因为：(1)冶炼初期温度较低，碱度在1.82.0左右，且渣中含有一定的FeO，满足了脱磷的热力学条件。(2)留渣操作使初期成 渣速度加快，流动性好，满足了脱磷的动力学条件。 需要说明的是：炉渣中CaO、FeO以及SiO2含量存在一定的内在联系，渣中这些氧化物含量在一定的比例条件下，才能出现最佳的脱磷条件。如图1、2所示。图1 渣中(FeO)对LP的影响图2 渣中(CaO)/(FeO)对LP的影响图1表明：LP(磷在钢渣中的分配比)随碱度及FeO含量的增加而提高。但FeO有一最佳值(12%18%），这是由FeO在炉渣中的双重作用决定的。图2表明：为保证脱磷效果，在一定的碱度下，CaO与FeO的比值适宜推荐值为2.53.0。CaO/FeO比值很大时，aFeO会降低，不仅磷氧化困难，而且石灰难以溶解;但比值过小时，aFeO又降低了，不利于形成稳定的磷酸盐。这在实际操作中要特别注意。2.3 增加钢水收得率一般转炉终渣FeO含量在15左右，渣中游离铁珠以8计算，按每炉留渣1000kg计，每炉可回收金属196kg，每年可增加经济效益400多万元。3 结 论3.1 转炉留渣操作，只要控制好炉渣温度(小于1508)，可以解决兑铁水时的喷溅问题，实际操作是可行的。3.2 转炉留渣操作有利于初期化渣和脱磷，并可以回收大量金属，经济效益非常可观。本发明公开了一种转炉炼钢实施留渣作业的方法，它主要是在转炉出钢前或出钢过程中向炉内渣液表面添加含炭还原剂煤粉或焦炭或石墨等，以还原渣液中（），提高炉渣粘度，保证留渣操作的安全性。该方法简单易行，成本低廉，显著降低转炉炼钢成本。、一种转炉安全留渣作业方法，其特征在于：转炉炼钢停吹后，在出钢前或者出钢过程中用喷射机向炉内渣液表面喷射含碳还原剂，预还原炉渣后出钢；之后向炉内添加部分石灰，实施留渣作业。 转炉炼钢工艺：脱氧与合金化1影响钢水氧含量的因素有哪些? 吹炼终点钢水氧含量也称为钢水的氧化性。钢水氧化性对钢的质量、合金吸收率以及对沸腾钢的脱氧，都有重要的影响。 影响钢水氧含量的因素主要有： (1)钢中氧含量主要受碳含量控制。碳含量高，氧含量就低；碳含量低时，氧含量相应就高；它们服从碳-氧平衡规律。 (2)钢水中的余锰含量也影响钢中氧含量。在wc0.1时，锰对氧化性的影响比较明显，余锰含量高，钢中氧含量会降低。 (3)钢水温度高，增加钢水的氧含量。 (4)操作工艺对钢水的氧含量也有影响。例如高枪位，或低氧压，熔池搅拌减弱，将增加钢水的氧含量，当wc30)。 控制夹杂物成分在低熔点范围，为此钢中wAl0006，钢中O溶可达0.0020(20ppm)而无A1203沉淀，钢水可浇性好，不堵水口，铸坯不会产生皮下气孔。 (3)用过量铝脱氧。对于低碳铝镇静钢，钢中酸溶铝Als含量为0.020.04，则脱氧产物全部为A1203。A1203熔点高达2050，在钢水中呈固态；若A1203含量多钢水的可浇性变差，易堵水口。另外，A1203为不变形夹杂物，影响钢材性能。 通过吹氩搅拌加速A1203上浮排出，或者喂入SiCa线、Ca线的钙处理，改变A1203性态。 Als含量较低，钙处理生成低熔点2CaOA1203Si02； Als较高，钙处理应保持合适的w(Ca)/w(Al)比，以形成12CaO7A1203。 对于低碳铝镇静钢，通过钙处理，产物易于上浮排除纯净了钢水，改善了可浇性。 4什么是合金元素的吸收率，影响合金元素吸收率的因素有哪些? 合金元素的吸收率又称收得率或回收率()，是指进入钢中合金元素的质量占合金元素加入总量的百分比。所炼钢种、合金加入种类、数量和顺序、终点碳以及操作因素等，均影响合金元素吸收率。 吸收率=(合金元素进入钢中质量/合金元素加入总量)100(4-18) 不同合金元素吸收率不同；同一种合金元素，钢种不同，吸收率也有差异。影响合金元素吸收率的因素主要有： (1)钢水的氧化性。钢水氧化性越强，吸收率越低，反之则高。钢水氧化性主要取决于终点钢水碳含量，所以，终点碳的高低是影响元素吸收率的主要因素。 (2)终渣TFe含量。终渣的TFe含量高，钢中氧含量也高，吸收率低，反之则高。 (3)终点钢水的余锰含量。钢水余锰含量高，钢水氧含量会降低，吸收率有提高。 (4)脱氧元素脱氧能力。脱氧能力强的合金吸收率低，脱氧能力弱的合金吸收率高。 (5)合金加人量。在钢水氧化性相同的条件下，加入某种元素合金的总量越多，则该元素的吸收率也高。 (6)合金加入的顺序。钢水加入多种合金时，加入次序不同，吸收率也不同。对于同样的钢种，先加的合金元素吸收率就低，后加的则高。倘若先加入部分金属铝预脱氧，后继加入其他合金元素，吸收率就高。 (7)出钢情况。出钢钢流细小且发散，增加了钢水的二次氧化，或者是出钢时下渣过多，这些都降低合金元素的吸收率。 (8)合金的状态。合金块度应合适，否则吸收率不稳定。块度过大，虽能沉人钢水中，但不易熔化，会导致成分不均匀。但块度过小，甚至粉末过多，加入钢包后，易被裹入渣中，合金损失较多，降低吸收率。 5对终点钢水余锰含量应如何考虑? 终点钢水余锰含量是确定含锰合金加入量的重要数据。终点余锰与铁水锰含量、终点碳、炉渣氧化性及终点温度有关。铁水锰含量高，终点温度高，终点碳含量高，钢中余锰含量高；后吹次数多、喷溅大钢中余锰含量低。此外，凡影响终渣TFe增高的因素，钢中余锰含量都会降低，相反余锰含量会增高。目前转炉用铁水均为低锰铁水，终点钢中余锰很低。表4-17是余锰含量占铁水锰含量的百分比，根据钢水终点碳含量确定，可供参考。 终点wC/%钢中余锰占铁水锰含量的比 0.21-0.28%400.14-0.20350.11-0.1325-300.08-0.1020 0.05-0.0710-200.02-0.04 6合金加入的顺序和原则是怎样的? 在常压下脱氧剂加入的顺序有两种。 (1)先加脱氧能力弱的，后加脱氧能力强的脱氧剂。这样既能保证钢水的脱氧程度达到钢种的要求，又利于脱氧产物上浮，质量合乎钢种的要求。因此，冶炼一般钢种时，脱氧剂加入的顺序是：Fe-MnFe-SiAl。 (2)对拉低碳工艺，脱氧剂的加入顺序是：先强后弱，即AlFe-SiFe-Mn。实践证明，利于Al203上浮，减少钢中夹杂物，同时可以大大提高并稳定Si和Mn元素的吸收率，相应减少合金用量：但必须采用相应精炼措施。 一般合金加入顺序应考虑以下原则： (1)以脱氧为目的的元素先加，合金化元素后加。 (2)易氧化的贵重合金应在脱氧良好的情况下加入。如Fe-V、Nb-Fe、Fe-B等合金应在Fe-Mn、Fe-Si、铝等脱氧剂全部加完以后再加，以减少其烧损。为了成分均匀，加入的时间也不能过晚。微量元素还可以在精炼过程中加入。 (3)难熔的、不易氧化的合金，如Fe-Cr、Fe-W，Fe-Mo，Fe-Ni等可加在精炼炉或转炉内。其他合金均加在钢包内。 7合金加入时间应如何掌握? 大多数钢种均在钢包内完成脱氧合金化。这种方法简便，大大缩短冶炼周期，而且能提高合金元素的吸收率。合金加入时间，一般在钢水流出总量的1/4时开始加入，流出3/4时加完。为保证合金熔化和搅拌均匀，合金应加在钢流冲击的部位或同时吹氩搅拌。优化转炉炼钢工艺转炉炼钢工艺各项指标取决于铁水的化学成分，而对铁水的主要要求是含硫量低(低于003)，相应要求较高含硅(07-09)及具有优化造渣所需的锰量(08-10)。炼铁炼钢各阶段脱硫过程理化规律及动力特性分析表明，在动力方面，在铁水中比在钢水中更容易保证脱硫反应，因为在含碳量较高及氧化度较低条件下硫具有更高的活性。然而在高炉炼铁当中很难脱硫，因为在高炉一系列复杂的氧化还原反应中，深脱硫的各种热动力条件的能量不可避免地会增高硅含量并因此导致石灰及焦炭消耗的增加及产量的下降。因此，生产低硫铁需周密策划工艺，采用含硫最少的炉料及制备高碱度混成渣。在转炉吹炼中脱硫也无效果，因为钢渣系中达不到平衡状态，渣与钢间的硫分配系数因熔池氧化度高及碳含量低，仅为2-7。如此低的硫分配系数使得难以在转炉冶炼中实现深脱硫，并导致炼钢生产在技术及经济上的巨大消耗。无论是在高炉炼铁，还是在转炉炼钢当中都保证不了金属有效脱硫所需的热动力条件，因此进行高炉炼铁及转炉炼钢过程中的深脱硫研究，在技术及经济上都是不可取的。而合理的作法是将脱硫过程从高炉及转炉中分离出来。这就可简化烧结高炉转炉生产流程降低生产成本。将脱硫从高炉及转炉中分离出来，使高炉炉外脱硫成为设计大型联合钢厂和重要工艺环节，在冶炼低硅铁的同时不必再为保证转炉中的精炼进行代价很高的高炉炉外脱硅。铁水原始硅含量低还可降低锰含量。在氧气转炉炼钢中锰的作用非常重要，它决定着及早造渣所需的条件并对出钢前终点钢水氧化度起调节作用，长期实践证明，需设法使铁水中锰保持08-10的水平，因而在烧结混合料中必需补充锰，而这就提高了成本。烧结高炉转炉各流程锰平衡分析表明，上述锰在高炉里还原、然后在转炉里氧化导致锰原料及锰本身不可弥补的巨大损失，而且还给各生产流程操作增加很多麻烦。在碳含量很低(005-0.07%)条件下停止吹炼时，氧化度的影响如此之大，以致会把锰的最终含量定在极窄范围内，实际上已很少再与铁水原始锰含量相关。在这种条件下，尽管铁水原始锰含量达05-12，但钢的最终锰含量实际上都一样(007-011)。因此在当代转炉炼钢工艺条件下(各炉次都有过吹操作)，没必要在烧结混合料中使用含锰原料来提高铁水原始锰含量，更合理的作法是冶炼低锰铁。同时为节约低锰铁在转炉炼钢中脱氧的用量，研究直接采用锰矿石的效果具有重要意义。对众多炉次进行工业平衡计算所得工艺指标的对比表明，冶炼铁水不添加锰矿石，而在转炉炼钢中添加锰矿石，与用含锰113的铁水炼钢，这两种炼钢法相比，前者每吨生铁可节省锰矿石153kg.此外，还可减少锰铁13kgt钢、石灰5kgt，氧气217m3t的耗量，并可大大缩短吹炼时间。铁水中硅、锰含量低及无需脱硫，这些条件会改变造渣机理及动力特性，因为这时石灰消耗下降，渣量减少，渣碱度及氧化度增高。在这样的条件下，渣的精炼功能只限于铁水脱磷。这样就能在转炉冶炼本身中多次利用渣，使渣具有很高的精炼能力。根据这一原则开发出转炉炼钢新工艺，即在转炉炼钢本身中多次(3-5次)利用后期渣(循环造渣)。采用这样的工艺可降低石灰消耗及渣中铁损。及早造就高碱度氧化渣，及使硅、锰含量低可提供钢水深脱磷所需的强劲动力。降低铁水硅含量可使转炉渣中Si02含量下降，为了顺利脱磷(在钢水中低于0005)，铁水中的硅含量不得超过010 015。锰含量低使渣中氧化铁补偿作用提高，因而也为深脱磷创造有利条件。因此，在用低硅、低锰铁水炼钢时，由于渣氧化度及碱度较高及铁水中Si02和Mn含量低，可提供转炉炼钢深脱磷(0001-0005P)的有利条件。为配合炉外处理还开发出一种在转炉里预炼钢水的方法，即用氩气对熔池进行脉动吹洗，这样可明显提高精炼效果。为提高钢水炉外处理的经济性，提出对具体钢种采用一些针对性的炉外处理工艺。这项工艺的内容是：在转炉里进行以稳定为目的的处理，炼出洁净的标准中间产品，然后进行炉外处理，最终炼出任意复杂成分的优质洁净钢。但这种高产、经济、灵活的转炉炼钢法有一个极严重的缺陷，即它能处理的废钢比例有限(2527)，而且其效果要取决于此工艺自身及补加载能体的热利用率。从理论上说，把排出的C0100地燃烧成C02可使炉料中废钢用量达到53的最高水平。为将废钢比例加大到30-32，曾通过往熔池吹惰性气体加强搅拌及在炉内燃尽所排烟气，来强化此项工艺。同时为将炉料中的废钢比例提高到45-50及100，还试验往熔池里加无烟煤和吹入天然气以及从外部另行输送氧气的冶炼方案。增加金属炉料中的废钢用量摘要：通过测氧仪在转炉炼钢厂转炉冶炼过程的试用，摸索出终点钢水中C、ao、T的对应关系， 脱氧合金化是炼钢过程中关键过程控制点。脱氧不足，铸坯易产生气泡，严重时会产生大量的皮下气泡，影响铸坯质量。在浇注过程中，加剧了对塞棒、水口的侵蚀。脱氧过度，不仅浪费资源，还会污染钢水导致连铸产生结瘤等事故，直接影响连铸坯的质量和生产顺行。因此，准确掌握钢水中氧含量是科学指导脱氧合金化操作的前提，而测氧仪可以精确测定钢水中的氧含量，为转炉脱氧合金化及连铸浇注操作、提高铸坯质量有着重要指导意义。2. 测氧仪原理氧活度的测定原理是基于一种氧化锆电化学电池应用（氧化物固体电解质的离子导电）。当固体电解质两边的氧活度不同时，按能斯特定律，电池产生电动势（EMF）如下：EMF=(RT/nF)Ln(Po2/Po1) 式中：E 电动势（mv）T 绝对温度（K）R 理想气体常数（8.314j.mol-1K-1）F 法拉第常数（96500C.mol-1）Po2 被测钢液的氧分压Po1 参比极的氧分压3. 测氧仪的操作工艺要点转炉炼钢厂使用的是Multi-Celox测氧仪，它是一个工业化的、可编程微机化仪器，在测量时要获得精确结果必须注意以下几点：测氧探头必须保持干燥，在使用前及使用时避免摔跌及撞击；探枪和补偿导线须保持干燥及良好连接，各极之间保证绝缘良好；测氧探头必须可*地连接在探枪上并在钢液较为稳定时快速平稳地进入液态金属中3050cm，避免炉衬及炉渣的影响；考虑到炼钢厂现场电磁干扰的复杂性，从探枪到二次仪表的连接电缆必须严格屏蔽，二次仪表应接地良好。因为在转炉冶炼终点操作中，炉内钢液中C、ao、T存在一定的统计关系，为此根据上述C、ao、T测试数据，进行回归分析，拟合公式如下：lgc%=2.236+(-1303)/T+(-1)*lgao 【本章学习要点】本章学习转炉炼钢的装入制度、供氧制度、造渣制度、温度制度及其操作，终点控制及出钢，脱氧及合金化，转炉吹损与喷溅，顶底复合吹炼，转炉操作事故及处理。第一节 转炉冶炼过程概述氧气顶吹转炉炼钢过程，主要是降碳、升温、脱磷、脱硫以及脱氧和合金化等高温物理化学反应的过程，其工艺操作则是控制装料、供氧、造渣、温度及加入合金材料等，以获得所要求的钢液，并浇成合格钢锭或铸坯。从装料起到出完钢、倒完渣为止，转炉一炉钢的冶炼过程包括装料、吹炼、脱氧出钢、溅渣护炉、倒渣等几个阶段。一炉钢的吹氧时间通常为l218min ，冶炼周期(相邻两炉之间的间隔时间，即从装料开始到装料开始或者从出钢毕到出钢毕)通常为3040min。表101为氧气顶吹转炉生产一炉钢的操作过程，图101为转炉吹炼一炉钢过程中金属和炉渣成分的变化。吹炼的前l314时间，硅、锰迅速氧化到很低的含量。在碱性操作时，硅氧化较彻底，锰在吹炼后期有回升现象；当硅、锰氧化的同时，碳也被氧化。当硅、锰氧化基本结束后，随着熔池温度升高，碳的氧化速度迅速提高。碳含量0.15以后，脱碳速度又趋下降。在开吹后不久，随着硅的降低，磷被大量氧化，但在吹炼中后期磷下降速度趋缓慢，甚至有回升现象。硫在开吹后下降不明显，吹炼后期去除速度加快。熔渣成分与钢中元素氧化、成渣情况有关。渣中CaO含量、碱度随冶炼时间延长逐渐提高，中期提高速度稍慢些；渣中氧化铁含量前后期较高，中期随脱碳速度提高而降低；渣中Si02，Mn0，P205含量取决于钢中Si，Mn，P氧化的数量和熔渣中其他组分含量的变化。在吹炼过程中金属熔池升温大致分三阶段：第一阶段升温速度很快，第二阶段升温速度趋缓慢，第三阶段升温速度又加快。熔池中熔渣温度比金属温度约高20-1000C。根据熔体成分和温度的变化，吹炼可分为三期：硅锰氧化期(吹炼前期)、碳氧化期(吹炼中期)、碳氧化末期(吹炼末期)。表101氧气顶吹转炉一炉钢的操作工艺操作出钢、倒渣完毕加废钢，兑铁水下氧枪，点火吹炼从高位料仓加熔剂 (造渣料)吹炼过程加熔剂、调整枪位控制炉渣副枪测量或倒炉取样测温动态控制氧枪停止供氧(拉碳终点副枪测量或倒炉测温取样出钢加合金(出尽钢水)溅渣倒渣供氧时间13207080l00l00 图101 转炉吹炼一炉钢过程中金属和炉渣成分的变化第二节 装入制度与装入操作一、装入量装入量指炼一炉钢时铁水和废钢的装入数量，它是决定转炉产量、炉龄及其他技术经济指标的重要因素之一。在转炉炉役期的不同时期，有不同的合理装入量。对于公称容量一定的转炉，金属装入量在一定范围内变化。转炉公称容量有三种表示方法：平均炉金属料(铁水和废钢)装入量，平均炉产良锭(坯)量，平均炉产钢水量。这三种表示方法因出发点不同而各有特点，均被采用，其中以炉产钢水量使用较多。用铁水和废钢的平均炉装入量表示公称容量，便于做物料平衡与热平衡计算。装入量中铁水和废钢配比是根据热平衡计算确定的。通常，铁水配比为7090，其值取决于铁水温度和成分、炉容量、冶炼钢种、原材料质量和操作水平等。在确定装入量时，必须考虑以下因素：1要保证合适的炉容比。炉容比是指转炉内自由空间的容积(V)与金属装入量(t)之比(Vt，m3t)。它通常波动在0.71.0。我国转炉炉容比一般不小于0.5。合适的炉容比是从实践中总结出来的，它与铁水成分、冷却剂类型、氧枪喷头结构和供氧强度等因素有关，应视具体条件加以确定。表102列出了我国一些钢厂转炉的炉容比。表10-2 一些钢厂转炉的炉容比厂名宝钢一炼钢武钢三炼钢鞍钢三炼钢攀钢武钢二炼钢太钢二炼钢天钢二炼钢吨位300250150120805020炉容比m3t0.880.870.860.900.710.970.852要有合适的熔池深度。合适的熔池深度应大于顶枪氧气射流对熔池的最大穿透深度的一定尺寸，以保证生产安全、炉底寿命和冶炼效果。表103为一些大、中型氧气顶吹转炉的熔池深度。表103 一些大、中型转炉的熔池深度装入量(t)5080100200300熔池深度(mm)105011901250165019003应与钢包容量、浇铸吊车起重能力、转炉倾动力矩大小、铸机拉速及模铸锭重等相适应。二、装入制度装入制度是指一个炉役期中装入量的安排。装入制度有三种：定量装入、定深装入和分阶段定量装入法。1定量装入 定量装入是指在整个炉役期间，保持每炉的金属装入量不变。优点是生产组织简便，操作稳定，有利于实现过程自动控制，多为大型钢厂采用。缺点是容易造成炉役前期装入量偏大而熔池偏深，炉役后期装入量偏小而熔池偏浅。2定深装入 定深装入是：指在整个炉役期间，保持每炉的金属熔池深度不变。优点是氧枪操作稳定，有利于提高供氧强度和减少喷溅，不必当心氧气射流冲击炉底，可以充分发挥转炉的生产能力。但它使装人量和出钢量变化较频繁，给组织生产带来困难。3分阶段定量装入 分阶段定量装入是指在一个炉役期中，按炉膛扩大的程度划分为若干阶段，每个阶段实行定量装入。它兼有前两者的优点，是生产中最常见的装入制度。三、装入操作上炉出钢完毕，溅渣护炉后，炼钢工检查炉衬情况，若各部位完好，便可以组织装料，继续炼钢。装料的程序一般是先加废钢，后兑铁水。1加废钢由于顶吹转炉主要靠铁水的物理热和化学热来炼钢，为了合适地掌握冶炼过程和终点温度，根据铁水条件需配加一定数量的废钢作为冷却剂。加废钢一般由炉前摇炉工指挥，转炉向前倾30至45指挥天车对正转炉，将废钢料槽的前沿落在转炉的炉口上。然后指挥天车起付钩将废钢倒入转炉。2兑铁水混铁炉工将本炉所要铁水跟随天车送至炉前，为了节约时间，应在上一炉出钢前就把铁水准备好。炉前工指挥天车的位置应转炉的侧面，在天车工和摇炉工都能看见的地方，哨音和手势要清楚。向转炉兑铁前应指挥天车对正转炉。转炉应向前倾+30左右，指挥天车高度适宜后，缓慢向炉内兑铁水。随着天车小钩的上升，缓慢向下摇炉至+60左右结束。在兑铁水时要防止洒铁。3废钢比废钢装入量和总装入量之比称为废钢比。增加废钢比可以降低铁水消耗，降低转炉生产成本，还可以降低散状料的加入量，减少渣量，从而降低炉渣对炉衬的机械冲刷。转炉炼钢厂根据各自的铁水条件和冶炼品种来确定废钢比，一般在10%-15%。第三节 供氧制度与供氧操作氧气顶吹转炉在一炉钢的吹炼过程中，元素的氧化，造渣去除磷硫，熔池升温等主要任务都是通过氧气流股与金属熔池的作用供氧来完成的。通过供氧制度可以控制熔池元素氧化速度，控制造渣和炉渣的氧化性，所以供氧制度对造渣去除硫磷，喷溅量、以及炉衬寿命等均有直接影响。供氧制度的主要内容包括合理确定喷头结构、供氧压力、供氧强度、喷枪高度以及在吹炼中如何调节枪位。一、氧射流及其与熔池的相互作用1氧气射流无论对哪一种转炉，顶部氧流都是最重要的供氧渠道。顶氧射流是从出口马赫数远大于l的喷头中喷出的超音速射流。它由超音速段、音速段和亚音速段组成，其射程随出口气流马赫数增大而延长。除超音速段外，射流断面不断扩大。与自由射流相比，喷入炉膛的氧射流与炉内介质存在温度差、浓度差和密度差，此外还存在反向流动介质和化学反应。炉膛内的氧射流实质上是一种复杂的扩张流，是具有化学反应的逆向流中的非等温超音速湍流射流。氧射流的能量主要用于搅动熔池，克服阻力及能量损失。研究表明，用于搅动熔池的能量约占射流初始能量的20,克服浮力的能量约占5l0，非弹性碰撞的能量损失约占7080。多孔喷头的设计是基于分散氧流，增加它与熔池的接触面积，使吹炼更趋平稳；它对熔池搅拌力减小，但使成渣速度加快。2氧射流与熔池的相互作用。氧射流与熔池接触时在液面上形成冲击区凹坑，凹坑实际上是高温反应区。热模拟实验表明，高温反应区呈火焰状，亦称火点。它由光亮较强的中心(一次反应区)和光亮软弱的狭窄的外围(二次反应区)所构成。据测定，反应区的温度在2000 27000C之间。通常，一次反应区直接氧化反应优先得到发展，二次反应区间接氧化反应得到发展。穿透深度和冲击面积是凹坑特征的主要标志，弗林等人在0.0590t转炉上得出了确定穿透深度的公式。实验条件下发现，驱动压力对冲击面积的影响不明显。当冲击速度增加到一定值后，冲击面积随驱动压力的升高而增加，但在高于设计压力的附近变化平缓；无论是多孔喷头还是单孔喷头，枪位对冲击面积的影响规律相同。冲击面积随枪位的变化，对应于不同的冲击速度存在一个最佳位置，对应于最大冲击面积下的枪位可由公式来确定。熔池的搅拌程度与氧射流的冲击强度密切相关。氧射流冲击力大(硬吹)，则射流的穿透深度大，冲击面积小，对熔池的搅拌强烈；反之(软吹)，则射流的穿透深度小，冲击面积大，对熔池搅拌弱。在氧射流的作用下，熔池将受到搅拌，产生环流、喷溅、振荡等复杂运动在不同的吹炼方式下，熔池的化学反应形式也不同。硬吹时，载氧射流大量进入钢中，碳的氧化反应激烈，而熔渣氧化性弱；反之，则进入钢中氧少，熔渣氧化性提高。定性得到证实的元素氧化机理为：第一，当C，Mn，Si，P等元素含量大于0.10.3时，它们优先在金属气体界面上氧化，此时氧由气相内部向金属表面的传质是反应过程的限制环节。第二，在上述条件下可以进行下述一系列反应：铁的氧化反应的发展程度取决于C，Mn，Si 的浓度。第三，当这些元素的含量高时，其氧化速度很少与温度有关。碳和锰的反应主要受氧的传质控制，其活化能为16.818.9kJmol。硅的氧化则可能不仅如此，它的活化能为25.033.5kJmol，这说明硅的氧化不是在纯外部扩散状态下进行，而是在外部和内部扩散之间的某种过渡状态下进行。这是由于在金属表面上形成的硅质炉渣、对氧向液体金属界面的扩散造成附加阻力所致。第四,元素的氧化次序取决于化学反应自由能变化的比值，还与该元素在钢中的浓度及其氧化物在渣中或气相中浓度有关，而与元素的表面活性关系不大。研究表明，氧射流能量如果全部用于搅拌熔池，仅仅是C0搅拌能量的1020。因此，顶吹转炉的缺点之一就是吹炼前、末期搅拌不足，因为此时产生C0气泡数量有限。3乳化和泡沫现象 。由于氧射流对熔池的强烈冲击和C0气泡的沸腾作用，使熔池上部金属、熔渣和气体三相剧烈混合，形成了转炉内发达的乳化和泡沫状态。冶金中准确的乳化概念是金属液滴或气泡弥散在炉渣中，若液滴或气泡量较小而且在炉渣中可以自由运动，则该现象叫渣钢或渣气乳化；若炉渣中仅有气泡，而且数量多或气泡大，气泡无法自由运动，则该现象叫炉渣泡沫化。可见，炉渣泡沫化是渣气乳化体系的一种特例。由于渣滴或气泡也能进入到金属熔体中，因此转炉中还存在金属熔体中的乳化体系。渣钢乳化是冲击坑上沿流动的钢液被射流撕裂成金属滴所造成的。如图102所示，液滴形成由下述关系所决定：图102 液滴生成示意图第一，如果在相界面上液滴的惯性力大于表面力和浮力的总和时，在金属液层上缘形成滴。第二，形成液滴所需要的力是由流动钢液的动能转化而来。吹炼时金属和炉渣紧密相混，仅把冲击坑表面看成氧气金属接触面是不适宜的。通过估算，lOOt转炉吹炼时的凹坑体积约10L，表面积约为0.1m2，而反应区内液滴的总表面积却超过lm2，至少比凹坑表面积大一个数量级。巴普基兹曼斯基曾用不同方法对金属与炉渣的总接触面积进行估算，有意义的是估算结果相差不大，即金属和炉渣的接触面积约为3060m2t金属。显然，它为熔池内各界面反应的快速进行创造了有利条件。二、氧枪和喷头特点1氧枪结构氧枪又称吹氧管或喷枪，它是氧气顶吹转炉炼钢过程中向熔池供氧的主要设备。氧枪是由喷头，枪身和枪尾三部分组成。枪身由直径不同的三根无缝的钢管同心套装在一起，内层管又叫中心氧管，是氧气的通道,中层管和外层管分别叫中层套管和外层套管，中心氧管和中套管之间形成的环缝为冷却水通道，中层套管和外层套管之间形成的环缝为冷却水的回水通道、喷头用紫铜锻造后切削加工而成或铸造成型。枪尾结构由包括氧气及冷却水的进出水管接头、吊环、法兰盘和高压软管组成。喷枪结构如图103所示。2喷头类型及特点喷头又称枪头或喷嘴。高压氧气在输氧管道中的流动速度较低，一般在60ms下。氧气流通过喷头后，形成超音速的氧射流，流速为500600ms，为音速二倍左右。喷头能最大限度地将氧气的压力能转化为动能获得超音速流股，借此向熔池供氧并搅动金属熔池以达到吹炼目的，采用合理的喷头结构是氧气顶吹转炉炼钢的关键问题之一。图103 直型氧枪示意图目前国内外氧气顶吹转炉所采用的喷头类型是多种多样的。按喷头形状和特点可分为拉瓦尔型、直简型、及螺芯型等。按喷头孔数可分为单孔及多孔喷头；按吹入物质可分为氧气喷头、氧燃喷头及喷粉料的喷头。各种喷头结构如图104、105、106、107、108、109、1010所示。拉瓦尔型喷头由收缩段，喉口和扩张段三部分组成，如图105所示。喉口位于收缩段和扩张段的交界处。喉口截面积最小，通常称为临界截面，而喉口直径又称临界直径。一般喉口长度为直径的1213。图104 拉瓦尔喷头结构图105三孔拉瓦尔型喷头示意图图106 单三式喷头结构示意图 图107 三喉式喷头结构示单孔拉瓦尔型喷头是氧气顶吹转炉早期使用的一种喷头，现在小炉子仍然使用。大中型氧气顶吹转炉一般采用多孔喷头。氧、油、燃喷头适用于废钢比大的转炉。 图108 三孔直筒型喷头示意图 图109 长喉氧石灰喷头 图1010 氧、油、燃喷头示意图三、枪位对吹炼过程的影响生产中通过变化氧枪高度，即改变喷头与熔池液面间的距离，或者调节供氧压力大小的方式来改变氧气、炉渣、金属液三者的相对运动状态，以达到控制炉内反应的目的。1枪位与熔池搅拌的关系从氧气流股与金属熔池的相互作用可知，在氧气顶吹转炉中熔池搅拌的推动力来自于两个方面，一是氧枪吹入的氧气流股穿入金属溶池内，使炉渣、金属液被击碎并搅动熔池，另一个是由于炉内碳的氧化所产生的C0气泡，在上浮过程中对熔池的搅拌成为熔池搅动的巨大推动力，这些气泡大大地强化了熔池的搅拌作用，促使熔池内金属液进行强烈的循环运动。当采用“硬吹”时，即枪位较低或供氧压力较高时，氧气流股对熔池的冲击力量较大，形成了较深的冲击深度，同样产生的小液滴和小气泡的数量也多，炉内的化学反应速度快，特别是脱碳速度的加快，大量的C0气体排出，使熔池得到充分搅动，也就是说，枪位越低，熔池搅拌得越充分。应当注意，这里所述枪位越低的波动范围，是在所选用的枪位下限不足以损坏炉底的前提下调节的。当采用“软吹”时，即枪位较高或供氧压力较低时，氧气流股对熔池的冲击力量减小，反射流股的数量增加，冲击面积加大，对熔池液面的搅动有所增强，对熔池内部的搅动相应减弱了。如果枪位过高，或氧压很低时，氧气流股的动能低到根本不能吹开熔池液面，只是从表面掠过，这时反射气流也起不到搅动熔池液面的作用。如果长时间采用过高枪位吹炼容易产生爆发性喷溅，具有很大危害，所以应该加以避免。综上所述，枪位在适当的范围内变化，有利于调节熔池表面和内部的搅动作用。如果短时间内采用高低枪位交替操作有利于消除炉内出现的“死角”，有利于化渣。2枪位与(FeO)的关系渣中(FeO)含量与吹炼的关系极为密切，它不仅关系着成渣速度，而且是转炉的各元素氧化反应的参加者，如脱磷、脱碳都与(FeO)有直接关系。另外，渣中(FeO)的含量对炉龄、喷溅铁损失等都有重要的影响。在某种程度上氧气顶吹转炉炼钢的氧枪操作主要是通过枪位的变化来调节和控制炉渣中有合适的(FeO)含量，以满足吹炼过程各期的需要。如果(FeO)控制不当，会给吹炼带来困难，如化渣太晚，严重“返干”，或化渣太早，喷溅厉害。氧气流股与熔池接触后，除反射气流外，被金属液直接溶解氧的数量是很有限的。绝大多数氧都与铁、硅、锰、磷等元素发生反应，生成许多氧化物进入炉渣。Fe0是比较特殊的氧化物，它不全部进入炉渣，当与金属液接触时，还能氧化其它元素(如硅、锰、磷、碳)，使其本身还原，在转炉吹炼过程中，不断向炉内供氧，Fe0不断的生成，并在熔池内上浮过程中不断的消耗，只有来不及消耗的Fe0才能进入渣中，因而Fe0成了氧的“传递者”。枪位不仅影响着FeO的生成速度，同时地关系着Fe0的消耗速度，在低枪位操作时，直接传氧的方式占了主导地位，炉内各元素的氧化反应激烈的进行着，如果低枪位操作一段时间后，Fe0消耗速度大大增加。当枪位低到一定程度，或长时间使用某一低枪位吹炼，这时FeO 消耗速度可以超过Fe0生成速度，因此，炉渣中的(FeO)数量不仅不会增加，甚至会减少。当高枪位操作时，由于氧气流股的动能减少，熔池内的化学反应速度缓慢了，(FeO)的消耗速度减少得比较明显，这时才有可能使FeO在渣中积聚起来，起到提高渣中Fe0含量的作用因此，在吹炼中为了提高渣中（FeO）含量，往往适当地提高氧枪高度、为了降低渣中(FeO)含量，则采用低枪位操作。由于枪位不同则吹氧时间不同，同时吹炼各期渣中含量不同。在同一枪位下，整个过程渣中含量的变化趋势取决于熔池中各元素的氧化速度，且主要取决于碳的氧化速度。3枪位与熔池温度的关系氧气顶吹