10氧气转炉炼钢.pdf

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1、10 氧气转炉炼钢10 1 氧气顶吹转炉炼钢氧气顶吹转炉于 1952年和 1953年在奥地利的林茨（ Linz ）城和多纳维茨（Donawitz ）城先后建成并投入生产， 故又称为 LD 法。由于它具有原材料适应性强、生产率高、成本低、可炼品种多、钢质量好、投资省、建厂速度快等一系列优点 ，因而在世界范围内得到迅速发展，一跃成为现代主要炼钢方法之一。1011 氧气顶吹转炉炼钢车间的特点现代钢铁生产，从铁矿石冶炼到加工成钢材，一般是组成钢铁联合企业集中进行的。炼钢在钢铁联合企业内是一个中间环节，它联系着前面的炼铁等原料供应系统和后面的轧钢等成品生产。炼钢车间的生产对整个联合企业有重大影响。由于氧

2、气顶吹转炉吹氧时间短和炉子容量的大型化，使顶吹转炉车间具有以下特点：l）吹炼周期短、生产率高，因此，每昼夜出钢炉数多，兑铁、加料、倒渣、出钢、浇注等操作频繁，原材料、钢水、炉渣等的吞吐量大。2）运输复杂，数量大。其数量相当于钢产量的35 倍，而且批量小、批次多、运输品种多。因此，各种货流不得不尽量避免交叉而设置专业化线路，并采用多层平面运输。3）温度高、烟尘大，需配置高效能的通风除尘设备。4）因吹炼速度快，要求有准确、可靠的计量通讯设备。为了保证转炉正常地进行连续生产，各种原材料的供应以及钢水、炉渣的处理必须有足够的设备， 而且工作可靠。 这些设备的布置和车间内各物料的运输流程必须合理。 同时

3、，车间内转炉座数也不宜过多，以免各种设备在操作时互相干扰。世界上大多数转炉车间， 目前均采用以下 两种布置方案 ：两座转炉经常保持一座吹炼（简称二吹一） ；三座转炉经常保持两座吹炼（简称三吹二）。炼钢生产有冶炼和浇注两个基本环节。为保证冶炼和浇注的正常进行，氧气顶吹转炉车间主要包括原料系统，加料、冶炼和浇注系统， 以及采用模铸时的钢模准备系统。因此， 顶吹转炉车间主厂房多改为三跨间：1）原料跨 ：主要组织铁水和废钢的供应，炉渣及垃圾的运出。2）转炉跨： 主要布置转炉及其倾动机构。同时，在转炉作业平台上方设多层工作平台，安装辅助材料的供应设施、 氧气系统和部分以至全部废气处理设备。3）浇注跨 ：

4、将钢水通过钢锭模车或连铸机，浇注成钢锭或钢坯。钢锭模准备（脱模、整模等）工作在车间以外的厂房或另一跨间内进行。1012 氧气顶吹转炉（1）氧气顶吹转炉的构造及主要设备。转炉的构造及设备包括炉壳、 托圈、耳轴及倾动机构，如图101 所示（见教材 P.160 ） 。1）炉壳 ：由锥形炉帽、圆筒形炉身及球形炉底三部分组成。各部分用钢板成型后再焊接成整体。 钢板厚度主要取决于炉子容量， 炉壳的损坏主要是产生裂纹和变形。 因此，要求炉壳材质有良好的焊接性能和抗蠕变性能。为防止炉帽变形，近年来广泛采用水冷炉口。2）托圈： 其主要作用是支撑炉体，传递倾动力矩。大、中型转炉托圈，一般用钢板焊成箱式结构， 可通

5、水冷却。 托圈与耳轴连成整体， 转炉则坐落在托圈上。转炉与托圈之间用若干组斜块和卡板槽连接，二者之间可相对滑动。 托圈与炉壳之间留有一定间隙，使二者受热膨胀不受限制。3）耳轴： 转炉工艺要求炉体应能正反旋转360度，在不同操作期间，炉子要处于不同的倾动角度。 为此，转炉有两根旋转耳轴， 一侧耳轴与倾动机构相连而带动炉子旋转。为通水冷却托圈、炉帽及耳轴本身，将耳轴制成空心的，耳轴和托圈用法兰盘、螺栓或焊接等方式连接成整体。耳轴位置是通过重心计算确定的， 能保证在倾动机构失灵时， 转炉能靠本身的重量自动回到垂直位置。4）倾动机构： 其作用是倾动炉体，以满足兑铁水、加废钢、取样、出钢和倒渣等操作的要

6、求。 该机构应能使转炉炉体正反旋转360度，在启动、旋转和制动时，能保持平稳，并能准确的停在要求的位置上，安全可靠。倾动机构由电动机和减速装置组成。大、中型转炉用多级转速，其范围为0113 转分。小型转炉多采用固定转速，约0608 转分。（2）转炉炉衬 。金属炉壳内砌筑的耐火材料即为炉衬。转炉炉衬由工作层、填充层和永久层组成。工作层 直接与钢水、炉渣和炉气接触，不断受到物理的、机械的和化学的冲刷、撞击与浸蚀作用，其质量直接关系着炉龄的高低。国内中小型转炉，普遍采用焦油白云石质或焦油镁砂质大砖砌筑炉衬。为提高炉衬寿命，目前已广泛使用镁质白云石为原料的烧成油浸砖。另外，为使炉衬各部位破损均衡发展，

7、不致因局部严重破损而停炉，以达到延长炉衬寿命的目的，而采用均衡炉衬的砌筑方法。即根据炉子各部位的工作条件和破损性质的不同，采用不同材质和厚度的砖组合砌筑。对浸蚀最严重的部位，如装料侧、渣线区、炉底等部位，使用具有耐火度高、高温强度大、抗炉渣浸蚀能力强等性能的优质耐火材料，我国大、中型转炉采用镁碳砖 。对浸蚀较小的部位，如出钢侧、炉帽等部位，则尽量减薄衬砖厚度，并使用普通镁质白云石砖。图 10-2（见教材 P.161上）为某厂 150 吨转炉综合砌砖示意图。填充层 介于工作层与永久层之间，一般用焦油镁砂或焦油白云石料捣打而成。此层的作用是减轻 炉衬膨胀时对炉壳的挤压，而且也便于拆除工作层残砖，避

8、免损坏永久层。永久层紧贴着炉壳，其作用是保护炉壳。修炉时一般不拆换永久层，可用烧成镁砖、焦油结合镁砖等砌筑。转炉从开新炉到工作层损坏不能继续使用而停炉，称为一个炉役。在整个炉役期间炼钢的总炉数， 称为炉衬寿命， 或简称炉龄， 是炼钢生产的一项重要技术经济指标。炉龄，在很大程度上反映出炼钢车间的管理水平和技术水平。（3）氧气顶吹转炉炉型 。转炉炉型系指转炉炉膛的几何形状，即由耐火材料砌成的炉衬内形。 合理的炉型应能适应吹炼过程中炉内金属、炉渣、炉气和氧气射流的运动规律 ，以利于加速炉内物理化学反应，减少喷溅和延长炉衬寿命。顶吹转炉的炉型，按其金属熔池形状不同，大体可分为筒球形、锥球形和截锥形三种

9、 ，如图 10-3（见教材 P.161下）所示。筒球形炉型， 炉身为圆柱体，炉底为球缺体。形状较简单，炉壳制造容易，炉衬砌筑简便， 且其形状接近于金属液循环的轨迹，故炉衬浸蚀比较均匀， 国内外大、中型转炉普遍采用筒球形。我国中型转炉则多采用锥球形。转炉炉型各部尺寸的确定，由于影响因素复杂，至今尚无成熟可靠的理论计算方法，主要是通过总结现有转炉的生产情况，结合一些经验公式并进行一些可行的模型试验来确定新炉的炉型和尺寸。转炉炉型各部名称见图10-4 （见教材P.162 ） 。图 10-4 转炉主要尺寸示意图a锥球形炉型； b筒球形炉型； H 一熔池深度； H身一炉身高度；H帽一炉帽高度； H总一转

10、炉总高度； H内一转炉有效高度； D熔一熔池直径； D壳一炉壳直径； d口一炉口直径； d出一出钢口直径； 一炉帽倾角。图 10-4 中熔池直径口系指转炉熔池在平静状态时，金属液面的直径；熔池深度 H 为熔池平静状态时，金属液面至炉底的深度。转炉容积除满足装入量要求外，还应使熔池具有较大的反应空间，以加速反应的进行。 从熔池面到炉口， 还需保持足够的高度， 以防止和减少由于高压氧气射流冲击熔池表面造成的金属喷溅。因此，要求转炉应有合适的炉容比，所谓炉容比，系指转炉工作容积（指新炉炉膛容积）V 与转炉公称容量“ T”之比（VT） 。即转炉每吨公称容量占有的有效容积的大小（m3t） 。转炉公称容量

11、，一般以炉子平均出钢量表示。也可用平均金属装入量表示。炉容比是转炉炉型设计的重要参数。炉容比过小，会使喷溅及对炉衬的冲刷加剧，并使提高供氧强度受到限制，不利于提高生产率；而炉容比过大，则使设备和厂房投资增加。为使转炉结构轻便、耐用，运转平稳，并使所需倾动力矩较小，要求转炉应有合适的高宽比。 高宽比系指转炉总高H总， 与炉壳直径口壳之比 （H总D壳） ，是决定炉子形状的另一个重要参数。在转炉大型化的过程中，高宽比趋于减小，即炉型趋于矮胖。 这种炉型有利于减少倾动力矩和厂房高度。但高宽比过小易造成喷溅。表 10-1、10-2 分别为我国设计部门推荐的转炉炉容比和高宽比值。表 10-1 转炉炉容比推

12、荐值炉容量t 小型转炉30t 中型转炉30100t 大型转炉100200t 200t 炉容比m3/t 100105 095100 090100 090095 适用条件为： 用 9095% 的铁水；废钢、矿石冷却；供氧强度为335m3/t min。表 10-2 转炉高宽比推荐值炉容量，t 612305080120150150高宽比壳总DH/1617151614151314131013 供氧设备供氧设备包括供氧系统和氧枪（1）供氧系统。氧气由制氧车间经管道送入中间储气罐，然后经减压阀、调节阀、快速切断阀送到氧枪。如图10-5 所示（见教材 P.163 ） 。制氧机生产的氧气，经加压后送至中间储气罐

13、， 其压力一般为 2530105Pa左右，经减压阀可调节到需要的压力（610515105Pa） 。减压阀的作用是使调节阀进口得到较低和较稳定的氧气压力，以利于调节阀的工作。 吹炼时所需的工作氧压是通过调节阀得到的。 快速切断阀的开闭与氧枪联锁， 当氧枪进入炉口一定距离时（即到达开氧点时） ，切断阀自动打开；反之，则自动切断。（2）氧枪 。氧枪又名喷枪或吹氧管，担负着向熔池吹氧的任务。因其在高温条件下工作， 故氧枪是采用循环水冷却的套管结构，由喷头、 枪身及尾部结构所组成，如图 10-6 所示（见教材 P.164 ） 。1）喷头：通常采用导热性良好的紫铜经锻造和切削加工制成，也有用压力浇铸成型的

14、。 喷头与枪身外层管焊接， 与中心管用螺纹或焊接方式联接；喷头内通高压水强制冷却。 为使喷头在远离熔池面工作也能获得应有的搅拌作用，以提高枪龄及炉龄，所用喷头均为超音速喷头。喷头的类型很多。按结构形状，可分为拉瓦尔型、直筒型、螺旋型等；按喷孔数目 ，可分为 单孔、三孔和多孔喷头 ，如图 10-7 所示(见教材 P.165) ；按吹入的物质 又可分为 氧气喷头、氧一燃气喷头和喷粉料的喷头。拉瓦尔型喷头能有效地把氧气的压力能转变为动能，获得较稳定的超音速射流，在相同穿透深度下，其枪位较高，大大改善了氧枪的工作条件，因此得到广泛应用。直筒型喷头在高压下获得的超音速流股是不稳定的，而且超音速段较短，主

15、要用于喷石灰粉法。螺旋型喷头能加强熔池面的搅拌，但结构复杂，寿命短，故应用不普遍。 氧一燃气喷头则主要用于帮助熔化废钢，以提高转炉废钢用量。拉瓦尔喷头是收缩 -扩张型喷头 ，如图 10-8 所示（见教材 P.165 ） 。其截面最小处为喉口，其直径称为临界直径或喉口直径。拉瓦尔喷头的工作原理是：高压低速的气流经收缩段时，气流的压力能转化为动能，使气流获得加速度，当气流到达喉口截面时，气流速度达到音速。在扩张段内，气流的压力能除部分消耗在气体的膨胀上外，其余部分继续转化为动能，使气流速度继续增加。在喷头出口处，当气流压力降到与外界压力相等时，即获得了远大于音速的气流速度。喷头出口处的气流速度（v

16、）与相同条件下的音速（ c）之比，称为马赫数M，即cvM。它是喷头设计的重要参数，目前国内外喷头出口马赫数大多在1822 之间。氧气转炉发展初期，采用的是单孔喷头。随着炉容量的大型化和供氧强度的不断提高， 单孔喷头由于其流股与熔他的接触面积小，存在易引起严重喷溅等缺点，而不能适应生产要求。 所以逐渐发展为多扎喷头。 其中最常用的是三孔拉瓦尔喷头2）枪身 ：枪身由三层同心套管构成，中心管通氧经喷头喷入熔池，冷却水由中心管与中层管间的间隙进入，经由中层管与外层管间的间隙上升而排出。枪身的三层套管一般均用无缝钢管。 枪身上端与尾部结构联接， 下端与喷头联接。3）尾部结构 ：指氧气及冷却水的连接管头（

17、法兰、高压软管等）以及把持氧枪的装置、吊环等。（3）氧枪升降装置 。氧枪在吹炼过程中需频繁升降，因此，要求升降机构应有合适的升降速度， 并可变速上升降平稳、 位置准确安全可靠。 除与氧气切断阀有联锁装置外，还应有安全联锁装置，当出现异常情况时（如氧压过低、水压低等），应能自动提升氧枪。此外，还设有换枪装置，以保证快速换枪。1014 供料设备顶吹转炉车间，设置有包括铁水、废钢、铁合金和散状材料等供应在内的供料设备。（1）铁水供应设备氧气转炉铁水 供应方应方式，主要有三种：1）高炉 铁水罐车 混铁炉 铁水罐 称量 转炉。2）高炉 混铁车 铁水罐 称量 转炉。3）高炉 铁水罐车 铁水罐 称量 转炉。

18、此外，小型车间也有用化铁炉直接供应铁水的。混铁炉 是铁水的中间贮存设备，以协调高炉与转炉之间铁水供求的不一致性，保证供应及时。同时可混匀不同高炉和不同时间的铁水，减少铁水成分和温度的波动，对稳定转炉工艺操作、实现自动控制和改善炼钢的技术经济指标，都有一定好处 。我国大、中型转炉炼钢车间均采用混铁炉。混铁炉容量取决于转炉容量和转炉定期停炉期间的受铁量。我国标准混铁炉容量系列为 300、600、900、1300 吨。世界上最大容量的混铁炉达2500 吨。混铁车则兼有运送和贮存铁水两种作用，实质上是列车式的小型混铁炉。随着高炉大型化和采用精料等，混铁炉使铁水成分波动小的混合作用已不明显。故近年来，大

19、型转炉车间多采用混铁车，可减少投资。采用铁水罐车供应铁水，其设备简单、投资省。但在运送铁水和待装过程中，将大量散热降温。同时，一罐铁水炼几炉钢，前后炉次铁水温度波动较大，往往发生沾罐现象；转炉临时发生故障，铁水也不好处理。这种供铁水方式，在我国只有一些小型转炉车间有采用。（2）金属料的装入设备。目前， 转炉装入废钢的方式有两种：1）用桥式吊车吊挂废钢槽向转炉倒入：此法设备简单， 但需占用炉前吊车，干扰大。2）用落地式加料机 ：此法速度快，可避免干扰，料槽能伸入炉口，可减轻废钢对炉衬的冲击， 但转炉操作平台结构复杂。 废钢加入量大时， 可考虑采用此法。转炉车间的铁合金供应，一般在车间的一端设有铁

20、合金料仓和自动称量漏斗，铁合金由叉式运输机送至炉旁，经溜槽加入盛钢桶内。此外，也可采用高位料仓式系统，将铁合金加入炉内或盛钢桶内。（3）散状材料供应设备。散状材料，主要是指炼钢过程中加入的造渣材料和冷却剂等，如石灰、白云石、氧化铁皮、萤石、铁矿石等。散状料的品种多、用量大，又要在吹炼过程中分批加入，而吹炼周期很短。因此，必须加入及时，称量准确，且操作灵便可靠。散状料由火车或汽车运到转炉车间，分类卸入主厂房外面散状料间的低位贮料仓内。 每隔一定时间， 用胶带运输机将各种散状料，分别从低位料仓运送到转炉上方相应的高位料仓内。图10-9（见教材 p166）为振动管式上料示意图，将需加入炉内的散状料，

21、 分别通过每个高位料仓下面的称量漏斗和振动给料器送到汇集料斗，然后沿着溜槽加入到转炉内。1015 废气处理及回收设备在氧气顶吹转炉炼钢过程中，向熔池吹氧，使金属料中的一系列元素氧化，同时放出大量热量。碳 -氧反应则产生大量CO 和 CO2气体，这正是氧气顶吹转炉内高温炉气的基本来源。 炉气中除 CO 和 CO2主要成分外，还含有大量的铁和其它氧化物粉尘。 这股高温含尘气流冲出炉口， 进入烟罩与净化系统。 在气流出口而进入烟罩的同时， 或多或少地吸入部分空气使CO 燃烧，炉气成分等均发生变化。通常将炉内原生的气体称为炉气，炉气出炉口后则称为烟气。（1）氧气顶吹转炉烟气的特点。鉴于氧气转炉冶炼的复

22、杂性，其烟气具有以下特点：1）成分和数量是变化的：转炉烟气主要来自碳-氧反应生成的大量CO 和 CO2气体，而在吹炼过程中， 碳的氧化反应不是均匀地进行的。在吹炼一炉钢的不同时刻， 随着脱碳速度的变化， 熔池排出的炉气量和炉气成分也不断变化。脱碳速度的变化规律是吹炼前、后期脱碳速度小，吹炼中期脱碳速度达最大值。因此，炉气变化规律 也如此，吹炼中期炉气量达最大值，且炉气中CO 成分所占百分比也达最高值（8590） 。而在停吹时，炉气量则降为零，这种剧烈的变化，使转炉的烟气净化和回收复杂化。2）温度高 ：转炉炉气从炉口喷出时的温度与炉内反应和工艺操作制度有关。其波动范围较大，一般在 1450C18

23、00之间， 平均温度约1500左右。因此，在转炉烟气净化系统中，必须有冷却设备，在净化前，需将烟气冷却到 50450（具体温度决定于除尘方法） 。同时。还应考虑回收这部分热量。3）含有大量微小的氧化铁烟尘：向金属熔池吹氧时，在氧气射流与熔池直接作用的反应区内，局部温度可达25002800，造成一定数量的铁和铁的氧化物的蒸发， 形成极细的烟尘， 这就是从炉口喷出的褐色烟气。烟尘中还包括一些被炉气机械夹带出的散状料粉尘和随喷溅带出的渣粒等。氧气转炉的 烟尘量约为金属料装入量的0813。炉气中的含尘量平均为 6080gm3，吹炼中期含尘量最高时可达120gm3（均为标准状态）。烟尘中主要是铁的氧化物

24、，含铁量高达60以上。由于转炉烟尘粒度细， 必须有高效率的除尘设备才能有效地捕集这些烟尘。这就是转炉除尘系统比较复杂的原因之一。综上所述， 氧气顶吹转炉的烟气，具有温度高、烟气量大、含尘量高且尘粒微小（其含尘量远远大于国家规定的不大于200mgm3的排放标准）、有毒性与爆炸性等特点。 若任其放散，可飘落到10 公里以外，造成严重大气污染，危害人身健康和农作物生长， 必须进行净化。 若加以回收利用， 则可收到可观的经济效益。（2）氧气顶吹转炉烟气的处理。转炉废气处理的一般过程包括三部分：首先是对含有大量CO 的高温炉气的处理；然后对出炉口后的烟气进行收集和冷却；最后将冷却后的烟气进行净化。目前，

25、对氧气顶吹转炉烟气的净化处理方式 主要分两大类 ：1）燃烧法：采用燃烧法处理高温炉气，即在炉气离开炉口进入烟罩时，使其与大量空气混合，使炉气中的CO 全部燃烧。采用较大的空气过剩系数=23，利用过剩的空气和水冷烟道对烟气冷却，然后进入文氏管湿法净化系统进一步冷却，最后排入大气。净化后的废气含尘量约130mgm3。这种方法不能回收煤气和余热。炉气的化学热和物理热全部浪费掉了，而且由于吸入空气量大， 进入净化系统的烟气量大大增加，使设备占地面积大， 投资和生产费用比未燃法高。 但因不回收煤气， 烟罩结构和净化系统的操作、控制较简单。其工艺流程见图10-10（见教材 p167）2）未燃法：采用未燃法

26、处理高温炉气，是在炉气离开炉口进入烟罩时，控制炉口压力或用氮气密封， 只使吸入少量空气与炉气混合， 仅令其中 1020%的 CO 燃烧，出口后的烟气仍含有5070的 CO，经汽化冷却后被冷却到1000左右，然后进入文氏管湿法净化系统，进一步冷却和净化。 净化后称为转炉煤气，经加压后送用户使用。转炉煤气发热值约为（6784）103kJm3，可作燃料或化工原料。每吨钢约可回收6070m3煤气。此法由于烟气中CO 含量高，需注意防爆防毒，要求整个除尘系统必须严密，其控制水平也较高。但由于其废气量小，整个冷却、除尘系统设备较小，又可回收大量煤气及部分热量，故近年来国内外多采用此法。图10-11（见教材

27、p168）为 300 吨氧气转炉 煤气回收法 （Oxygen Converter Gas Recovery，简称 OG 法）的工艺流程。经上述各类净化系统收集的氧化铁烟尘，可回收作高炉烧结或球团矿原料，也可作转炉用冷却剂。其大部分成分见表10-3。 （见教材 p168）表 10-3 氧气转炉炼钢的烟尘成分，% 除尘方法FeO Fe2O3Fe Fe SiO2MnO CaO MgO P2O5C 未燃法6716 1620 058 634 364 0 74 904 039 057 168 燃烧法2 30 920 040 665 080 1 60 160 1016 氧气顶吹转炉的供氧特性氧气顶吹转炉炼钢

28、法，是以高压氧气（610515105Pa）从熔池上方向熔池强制供氧进行的。由于经喷头而获得的高速氧气射流与金属熔他的直接作用，引起了熔池内的特殊运动，从而构成了氧气顶吹转炉炼钢具有元素氧化快、吹炼时间短、 操作不当易引起喷溅等基本特点。而由于喷头类型和孔数、 氧枪与熔池面的距离或其它供氧参数的不同，将带来不同的吹炼特点。 因此，供氧在氧气转炉炼钢过程中起主导作用，对整个吹炼过程的控制及各项技术经济指标都有重大影响 。因此，必须了解氧气射流与熔池作用的基本规律。（1）氧气射流由喷嘴喷出后的运动规律。当气体流股由喷嘴射出后，流动的气流与周围静止的气体介质相接触，由于运动气流的负压作用 （流股内的静

29、压低于外界静止气体的静压）和气体本身的粘性作用，邻近流股周围的静止气体质点逐渐被卷入流股内部，使气体流量逐渐增大，而流速却逐渐减小。距喷口越远，被卷入的气量就越多，使流股截面逐渐增大， 而各截面上的压力和速度则逐渐减小。 且边缘速度又比中心速度降低得快，使流股边界形成一锥体形，如图10-12所示（见教材 p169 上） 。以上为自由流股运动的基本规律， 而氧气流股在转炉炉膛内的运动状况却要复杂得多，但仍可用自由流股的规律来对氧气射流进行分析，作相对比较。（2）氧气流股与熔池间的作用。氧气流股从喷嘴喷出后， 以一定速度冲击熔池， 引起熔池内金属液的循环运动，起到机械搅拌的作用。 搅拌作用的强弱和

30、均匀程度，与氧气射图流对熔他的冲击状况和熔他的运动情况有关，一般以熔池产生的冲击深度和冲击面积来衡量。由自由流股的运动规律可知，距喷孔出口越远，流股的冲击力越小，而截面越大。当距离一定而改变气流压力时，也将产生类似的效果。因此，枪位（即喷孔至液面的距离）和使用氧压是影响冲击压力（冲击深度）和冲击面积的主要因素。所谓冲击深度和冲击面积，是指氧气射流冲击到熔池面上，当射流压力大于维持液面静平衡状态的炉内压力时，渣层被吹开，并把铁水挤开而形成凹玩。凹坑的上沿面积即称为冲击面积，而凹坑的最底点到熔池表面的距离，称为冲击深度。随着氧压和枪位的不同，氧流对金属熔池产生的冲击深度和冲击面积也就不同，因此金属

31、液的循环运动也有所不同，从而使吹炼效果也有差别。当枪位较低或使用较高氧压时，氧流对液面有较高的冲击压力，金属液被冲击成一深坑 ，如图 10-13a （见教材 p169 下） 。此时，氧流作用区（冲击面积）较小，一部分金属液被粉碎成液滴，从深坑中沿切线方向喷溅出来，逸入熔池上面空间被大量氧化， 然后又被卷入熔他， 使熔池受到强烈的搅拌而进行着循环运动。这种情况称为“ 硬吹” 。在“硬吹”清况下，由于金属液的强烈循环运动，加速了金属熔池的氧化，脱碳速度增加。但此时渣中氧化铁含量低，对化渣不利。当枪位较高或使用较低氧压时，氧气流股对液面的冲击力较低，金属液被冲击成一个浅坑， 如图 10-13b，而冲

32、击面积较大。被击碎的钢液的循环运动较弱，较平稳。这种情况称为“软吹” 。在“软吹”情况下，由于熔池搅拌较弱，因而金属液的氧化减慢，脱碳速度降低。但此时渣中氧化铁含量较高，有利于化渣。但必须指出，硬吹和软吹是相对而言的，并没有严格的划分界线。氧气顶吹转炉中，金属熔池的循环运动和搅拌状况，除决定于氧气流股的作用外，碳 -氧反应的作用也是极重要的。根据计算，在脱碳反应剧烈时期，每秒钟生成的 CO 气体体积超过熔池体积的2025 倍，这样大量的气体从熔池中排出，是增强熔池搅拌的更大推动力。在氧气射流冲击和CO 气泡上浮的联合作用下，引起氧气流股与金属、炉渣之间的相互破碎， 因而在熔池上部造成金属、 炉

33、渣和炉气三相的剧烈混合，部分金属液滴和气泡可悬浮于渣相中，形成泡沫或三相乳化现象。由于乳化现象，极大地增加了炉渣 -金属间的接触面积，加决了金属与炉渣间的传质，使吹炼反应加速进行。1017 氧气顶吹转炉炼钢过程及熔池内的变化（1）一炉钢的操作过程 。图 10-14（见教材 p170）为氧气顶吹转炉操作过程的示意图。l）上炉出钢倒渣后 ，迅速检查炉体，必要时进行补炉，然后堵好出钢口，及时加料。2） 装入废钢和兑入铁水后 ， 摇正炉体，下降氧枪并同时加入第一批渣料 （石灰、萤石、氧化、铁皮、矿石） ，其量约为总渣量的2/31/2。当氧枪降至规定枪位时，即调至规定氧压开始吹炼。当氧流与熔池面接触时，

34、产生C、Si、Mn 的氧化，称为点火 。点火后几分钟，初渣形成并覆盖于熔池面。随着Si、Mn、P 的氧化，熔池温度升高，火焰亮度增加，炉渣起泡，并有小铁粒从炉口喷溅出来，此时应适当降低枪位高度。3）吹炼中期脱碳反应剧烈， 渣中氧化铁降低， 使炉渣熔点增高和枯度加大，并可能出现稠渣（即 返干）现象。此时应适当提高枪位，并可分批加入铁矿石和第二批渣料，以提高渣中氧化铁含量，并调整炉渣。必要时，可加少量萤石调整炉渣流动性，防止产生严重的金属喷溅。4）吹炼末期 ，脱碳速度减弱，火焰变短而透明。最后根据火焰状况、供氧数量和吹炼时间等因素，按所炼钢种的成分和温度要求，确定吹炼终点。判定终点后，提升氧枪并停

35、止供氧，倒炉进行测温和取样。根据分析结果，决定出钢或补吹时间 。5）当钢水成分和温度均已合格，即可出钢。在出钢过程中 ，向盛钢桶内加入铁合金， 进行脱氧和合金化 。出钢完毕，将炉渣倒入渣罐。通常将相邻两炉之间的间隔时间（从装入钢铁料至倒渣完毕）称为冶炼周期，一般为 2040 分钟。其中吹入氧气的时间，称为供氧时间或纯吹炼时间 。冶炼周期与炉子吨位的大小和采用的工艺有关。（2）吹炼过程熔池内金属、炉渣成分和温度的变化。由于高速氧气流直接对金属熔他的作用以及三相乳化现象的产生，使转炉内各种物理化学反应迅速进行， 熔池内各种成分发生剧烈变化。 虽然由于原材料条件的不同， 炉子容量大小的不同， 炉内的

36、变化也将有所不同， 但其基本变化规律是相同的。氧气顶吹转炉吹炼过程中，碳的氧化过程明显的分为三个阶段：吹炼前期 ，脱碳速度缓慢， 其速度随吹炼时间的延长而几乎成直线增加；吹炼中期， 脱碳迅速，其速度达最大值，且几乎不变；吹炼后期，脱碳反应衰弱，其速度随吹炼时间而直线下降。如图10-15 所示。据此，可将整个吹炼过程分为三期来描述。第一期即吹炼前期， 由于 Si、 Mn 含量较高，熔池温度又较低（通常在 1500以下） ，故一开吹， Si、Mn 即优先于 C 而剧烈氧化，直至很低含量继续吹炼不再氧化。而碳的氧化则受到抑制， 但随 Si、Mn 含量的降低， 熔池温度迅速上升，脱碳速度逐渐增大，见图

37、10-16（见教材 p171下右） 。与此相对应，此时渣中含有较高的SiO2（可高达 30%） 、MnO 和 FeO。随着温度的升高，石灰熔化，渣中CaO不断升高， SiO2 含量相对降低，炉渣碱度迅速提高，故前期钢中的P 即可被大量氧化，含量迅速降低；而S 则变化不大。第二期即吹炼中期，此时金属中的Si、Mn 含量已很低，熔池温度也已上升到 1500以上，故脱碳反应剧烈进行。同时，由于泡沫渣和乳化液的形成，加速了传质过程， 使脱碳速度达最大值且几乎为定值、此时不仅吹入的氧全部消耗于碳的氧化，而且渣中的（FeO）也被消耗于脱碳，因而使渣中（FeO）含量降低 （见图 10-15） ， 这将引起部

38、分锰和磷自渣中返回到钢液中（即发生回锰和回磷）。另一方面，由于此时熔池温度较高，碱度增大，渣中氧化铁又较低，再加上碳的氧化反应对钢、渣的强烈搅拌作用，均有利于脱硫反应的进行，因此，钢中硫含量明显下降。在这个阶段，脱碳速度显然受供氧强度的限制。供氧强度越大，脱碳速度也就越大。第三期即吹炼后期，此时金属液的含碳量已降低到05以下，脱碳速度减小，并随吹炼时间的推移而直线下降。随着钢液中C浓度的下降，钢中的O及渣中（FeO）浓度相应增加， 使钢液中的 P、Mn 再次被氧化而含量降低。同时，由于温度高，炉渣碱度高、流动性好，故后期硫含量下降。至于金属熔池中含氮量的变化规律，也与脱碳反应有密切关系。如图1

39、0-17所示（见教材p172） ，吹炼初期，随脱碳反应的进行，钢中N含量下降，因为脱碳反应产生的CO 气泡中氮气分压近于零， 故钢中氮析出将进入CO 气泡中；随其一起被排除。因此，脱碳速度越快，终点氮含量就越低。在吹炼中期，脱碳在冲击区附近进行，该处金属液滴表面形成的氧化膜使钢中氮的扩散减慢；同时，熔池内产生的 CO 气泡少了，相应地也减少了脱氮量，故吹炼中期脱氮停滞。在吹炼末期，由于脱碳效率显著降低，废气量减少，故从炉口卷入的空气量增多，使炉气中氮分压增大，因而停吹前23 分钟时出现增氮现象。1018 氧气顶吹转炉吹炼过程的控制为了保证吹炼反应在最佳条件下进行，缩短吹炼时间，达到所要求的钢水

40、成分和温度， 确保其质量， 并提高收得率和炉龄， 必须正确地执行一系列的操作制度。（1）装入制度 。每炉装入铁水和废钢的数量称为装入量 。氧气顶吹转炉不用外来热源，是依靠铁水物理热和铁水中杂质元素氧化反应生成热来提供热量的。因此，其铁水和废钢的合理配比需根据炉子的热平衡来确定，绝大多数情况下，铁水的配比在7590之间。同时，还应有合适的装入量。装入量过大，喷溅增加，因而迫使供氧强度降低， 熔池搅拌不好， 造渣困难，炉衬寿命降低等；装入量过小，则产量减少，同时因熔他过浅，炉底可能受到氧气射流的冲击，甚至被损坏。因此，每座转炉都必须有合适的装入量 。目前，国内外氧气顶吹转炉装入制度有三种 ：l）定

41、量装入 ：在整个炉役期内，保持每炉的装入量不变。其优点 是便于稳定操作、组织生产和实现过程自动控制。 缺点是容易造成炉役前期装入量偏大而熔池偏深； 炉役后期装入量又偏小而熔池偏浅。炉容量越小， 炉役前后期的炉容积差别越大，故 此法适用于大型转炉 。2）定深装入 ：在整个炉役期内，保持每炉的金属熔池深度不变。其优点是氧枪操作稳定， 有利于提高供氧强度和减少喷溅，可充分发挥转炉的生产能力。缺点是装入量和出钢量变化频繁，采用模铸时难于配合， 而对采用连铸的车间，此法则有其优越性。3）分阶段定量装入 ：在一个炉役期内，按炉膛容积的扩大程度划分为几个阶段， 每个阶段实行定量装入。 此法大体上保持了比较适

42、当的熔池深度，也保持了装入量的相对稳定， 既满足了吹炼工艺的要求， 也便于组织生产， 为国内各厂普遍采用。（2）供氧制度 。供氧制度 是控制氧气转炉炼钢操作的关键制度。其内容包括 选择合理的喷头类型和尺寸，确定恰当的供氧强度，采用适宜的喷枪高度与工作氧压。 当喷头的类型和尺寸确定后， 吹炼过程中能够调节的供氧参数是枪位与工作氧压。供氧的主要工艺参数：1）供氧强度：指单位时间内每吨金属的供氧量，单位为m3tmin。供氧强度 =）金属装入量（）氧气流量（tmmin/3其中，氧气流量为单位时间内向熔池供氧的数量，它是根据吹炼每吨金属的耗氧量、金属装入量和供氧时间来决定的。即氧气流量 =）供氧时间（）

43、金属装入量（）每吨金属需氧量（min/3ttm每吨金属的需氧量 ，可根据铁水成分、废钢比、冶炼钢种、矿石或氧化铁皮的加入量、氧的利用率等来确定。一般每吨金属实际耗氧量为5060m3。供氧时间与炉子容量、冶炼钢种、原料条件、造渣制度等有关。国内 30 吨转炉采用三孔喷枪， 一般供氧时间为 1416分钟 。目前 国内外氧气顶吹转炉的供氧强度，一般波动在 34m3t，min 之间。2）氧压：是指喷头进口处的设计压力，其单位为Pa。当喷头尺寸及氧流量确定后，氧压也就确定了。在供氧操作中所指的氧压为使用氧压（P用） 。它是在离喷头前一定距离的测定点测得的，一般允许P用偏离设计氧压 20。氧压过高，不但喷

44、溅增加，而且炉衬上部和炉底易损坏；氧压过低，则搅拌弱，氧的利用率低， 渣中氧化铁含量过高， 也会引起喷溅。 生产中变用的氧压通常为（615）105Pa。3）喷枪高度：指氧枪喷头出口端距静止金属液面的高度，单位为 mm。吹炼过程中，由于金属液面的实际高度频繁地变化，至今仍无法准确测定。 因此，生产中喷枪高度的确定， 一般是先根据经验公式确定其变动范围，然后再根据操作效果加以校正。当喷头结构确定以后 ，在生产中可通过调节氧压和枪位来使熔池得到合适的冲击深度和冲击面积， 以满足吹炼工艺的要求。 因此，实际生产中的氧枪操作就是指调节氧压或枪位。其方式主要有三种：恒枪变压；变压变枪和恒压变枪。目前，我国

45、广泛采用的是 恒压变枪 操作。即在吹炼一炉钢的过程中， 氧压保持不变，通过调节枪位的变化来满足吹炼工艺的要求。图10-18 所示为某厂 30 吨转炉氧枪操作图，其氧压为8105Pa，流量为 4800m3h。（3）造渣制度 。炉渣是炼钢过程的必然产物，并参与冶金反应，如脱 P、脱 S主要是通过炉渣来完成的。因此，必须控制好成渣过程，使炉渣具有去除 P、S 所要求的物理、化学性质。同时，炉渣还应具备对炉衬的侵蚀最轻；尽可能不引起喷溅， 并要求保证终点钢水氧化性适当；随炉渣损失的金属最少等性质。可见，造好渣是炼好钢的基本保证。造渣制度的具体内容是加入造渣材料的种类，数量和时间，并要与相应的供氧制度和

46、温度制度相配合。1）炉渣碱度和石灰加入量的确定：炉渣碱度是炉渣去除P、S 能力大小的主要标志。其控制范围应根据铁水中P、S 含量和所炼钢种对P、S 的要求，以及最少侵蚀炉衬等因素来确定。国内氧气顶吹转炉，在原料含P、S 较高或冶炼低 P、S 钢种时，终渣碱度一般控制在3 以上。石灰加入量是根据铁水中Si、P 含量和终渣碱度确定的。当采用单渣法操作、以废钢作冷却剂时，石灰加入量可按下列公式计算：A 当铁水含磷较低时，用2%SiOCaOR表示碱度，则石灰加入量 =1000%1422RCaOSiO有效，kg/t 式中系数 214 为14228602SiSiO有效CaO%石灰中的有效CaO，石灰石灰有

47、效2%SiORCaOCaOB 当铁水含磷较高时，用522%6340%OPSiOCaOR表示碱度，则石灰加入量 =1000%634092032%142RCaOPSi有效=1000%341%142RCaOPSi有效，kg/t 式中系数 23 为3262142252POP系数 0634 为63401426051092铁水中磷的平均入渣率。当用白云石造渣时，应酌情减少一部分石灰量。而当用矿石作冷却剂时，则应补加石灰以中和脉石中的SiO2。其计算方法为：石灰加入量 =有效矿石CaOSiOR%2，kg/kg 矿2）成渣速度：炼钢过程中，用石灰造碱性渣去除P、S，石灰的熔化是成渣过程的关键。尤其是氧气顶吹转

48、炉，吹炼时间短，全部冶金反应仅在20 分钟左右完成，要求石灰应迅速熔化，形成有一定碱度、一定成分和数量、流动性良好的炉渣。所以，快速成渣是转炉造渣制度的核心问题。 成渣速度主要取决于石灰的熔化速度。影响石灰熔化速度的主要因素有以下A 炉渣成分渣中（FeO）对石灰的熔解速度有重要影响，它是石灰的基本熔剂。 因（FeO）能显著降低炉渣粘度， 改善炉渣向石灰缝隙浸透的条件，利于 FeO 在石灰中的扩散，并与CaO形成低熔点化合物，促进石灰的熔化。在实际生产中，渣中（ FeO）含量主要通过调节喷枪高度来控制。可见供氧操作对成渣速度的重要作用。 此外，渣中有一定量的 MnO、MgO 也将改善炉渣流动性，

49、利于石灰熔化。B 石灰质量石灰熔化速度还与石灰本身性质有关。要使石灰尽快地吸收 FeO，则要求石灰具有较强的反应能力。而反应能力与反应表面积成正比。所以石灰的气孔率要高，快度要小而均匀。20 世纪 60年代发展起来的 活性石灰，具有体积密度小、气孔率高、比表面积大、晶粒细小等特点， 反应能力强 ，是氧气转炉炼钢比较理想的造渣材料。采用活性石灰造渣， 是目前国内外发展的方向。C 助熔剂的作用由于 CaF2与 CaO 能形成低熔点共晶体 ，因此炼钢中用萤石作助熔剂。用萤石帮助化渣可不降低炉渣碱度，但用量过大渣子太稀，将严重侵蚀炉衬， 同时也不经济。 转炉采用矿石和氧化铁皮作冷却剂时，它们也起到了促

50、进化渣的作用。3）渣料的加入方法 ：合理地确定渣料的加入时间和批数，对化渣速度有较大影响。对单渣操作 ， 渣料一般分两批加入 。 第一批占渣料总数的 一半以上，在开氧时同时加入 ；其余作为 第二批渣料 ，一般在 Si、Mn 氧化基本结束、头批渣料己化完、 碳焰初起时加入 。4）造渣方法：常根据铁水成分和所炼钢种要求来确走造渣方法。目前，国内使用的造渣方法有 单渣、双渣和双渣留渣法三种。A 单渣法整个吹炼过程中，不倒渣、不扒渣。适用于P、S、Si 含量较低的铁水，或对P、S 含量要求不高的钢种。此法操作简单，冶炼时间短。B 双渣法在吹炼过程中需倒出或扒出部分炉渣（约1223） ，然后重新加渣料造