转炉炼钢工艺
自贝塞麦发明酸性空气底吹转炉炼钢法起，开始了转炉大量生产钢水的历史，如图3所示。上世纪50年代用氧气代替空气炼钢是炼钢史上的一次重大变革，70年代出现的氧气底吹转炉和顶吹复合转炉，是氧气转炉在发展和完善通路上取得的丰硕成果，如图4所示。 一、吹炼过程元素氧化规律 （一）炉钢吹炼过程和元素的氧化规律 1）冶炼过程概述 从装料到出钢，倒渣，转炉一炉钢的冶炼过程包括装料、吹炼、脱氧出钢、溅渣护炉和倒渣几个阶段，如图5所示。一炉钢的吹氧时间通常为12－18min，冶炼周期为30min左右。 上炉钢出完钢后，倒净炉渣，堵出钢口，兑铁水和加废钢，降枪供氧，开始吹炼。在送氧开吹的同时，加入第一批渣料，加入量相当于全炉总渣量的三分之二，开吹4－6分钟后，第一批渣料化好，再加入第二批渣料。如果炉内化渣不好，则许加入第三批萤石渣料。吹炼过程中的供氧强度： 小型转炉为2.5－4.5m3/(tmin)；120t以上的转炉一般为2.8－3.6m3/(tmin)。 ◆开吹时氧枪枪位采用高枪位，目前是为了早化渣，多去磷，保护炉衬； ◆在吹炼过程中适当降低枪位的保证炉渣不“返干”，不喷溅，快速脱碳与脱硫，熔池均匀升温为原则； ◆在吹炼末期要降枪，主要目的是熔池钢水成分和温度均匀，加强熔池搅拌，稳定火焰，便于判断终点，同时使降低渣中Fe含量，减少铁损，达到溅渣的要求。 ◆当吹炼到所炼钢种要求的终点碳范围时，即停吹，倒炉取样，测定钢水温度，取样快速分析[C]、[S]、[P]的含量，当温度和成分符合要求时，就出钢。 ◆当钢水流出总量的四分之一时，向钢包中的脱氧合金化剂，进行脱氧，合金化，由此一炉钢冶炼完毕。 （1）硅的氧化规律 在吹炼初期，铁水中的[Si]和氧的亲和力大，而且[Si]氧化反应为放热反应，低温下有利于此反应的进行，因此，[Si]在吹炼初期就大量氧化。 [Si] O2=(SiO2)(氧气直接氧化) [Si] 2[O]=(SiO2)(熔池内反应) [Si] (FeO)=(SiO2) 2[Fe](界面反应) 2(FeO) (SiO2)=(2FeOSiO2) 随着吹炼的进行石灰逐渐溶解，2FeOSiO2转变为2CaOSiO2，即SiO2与CaO牢固的结合为稳定的化合物，SiO2活度很低，在碱性渣中FeO的活度较高，这样不仅使[Si]被氧化到很低程度，而且在碳剧烈氧化时，也不会被还原，即使温度超过1530℃，[C]与[O]的亲和力也超过[Si]与[O]的亲和力，终因（CaO）与（SiO2）结合为稳定的2CaOSiO2，[C]也不能还原（SiO2）。 硅的氧化对熔池温度，熔渣碱度和其他元素的氧化产生影响： ▼[Si]氧化可使熔池温度升高； ▼[Si]氧化后生成（SiO2），降低熔渣碱度，熔渣碱度影响脱磷，脱硫； ▼熔池中[C]的氧化反应只有到[%Si]<0.15时，才能激烈进行。 影响硅氧化规律的主要因素：[Si]与[O]的亲和力，熔池温度，熔渣碱度和FeO活度。 （2）锰的氧化规律 在吹炼初期，[Mn]也迅速氧化，但不如[Si]氧化的快。其反应式可表示为： [Mn] [O]=(MnO)（熔池内反应） [Mn] [O2]=(MnO)（氧气直接氧化反应） [Mn] (FeO)=(MnO) [Fe](界面反应) (SiO2) (MnO)=MnOSiO2 余锰或残锰： 锰的氧化产物是碱性氧化物，在吹炼前期形成(MnOSiO2)。但随着吹炼的进行和渣中CaO含量的增加，会发生 （MnOSiO2) 2（CaO）=（2CaOSiO2） （MnO） （MnO）呈自由状态，吹炼后期炉温升高后，（MnO）被还原，即 （MnO） [C]=[Mn] [CO]或（MnO） [Fe]=（FeO） [Mn] 吹炼终了时，钢中的锰含量也称余锰或残锰。残锰高，可以降低钢中硫的危害，但冶炼工业纯铁，则要求残锰越低越好。 影响残锰的因素： ◆炉温高有利于（MnO）的还原，残锰量高； ◆碱度升高，可提高自由(MnO)浓度，残锰量增加； ◆降低熔渣中（FeO）含量，可提高残锰含量; ◆铁水中锰含量高，单渣cao作，钢水残锰也会高些。 （3）碳的氧化规律 影响碳氧化速度的变化规律的主要因素有：熔池温度、熔池金属成分、熔渣中(∑FeO)和炉内搅拌强度。在吹炼的前、中、后期，这些因素是在不断发生变化，从而体现出吹炼各期不同的碳氧化速度，如图6所示。 吹炼前期：熔池平均温度低于1400－1500℃，[Si]、[Mn]含量高且与[O]亲和力均大于[C]－[O]的亲和力，(∑FeO)较高，但化渣、脱碳消耗的(FeO)较少，熔池搅拌、碳的氧化速度不如中期高。 吹炼中期：熔池温度高于1500℃，[Si]、[Mn]含量降低，[P]－[O]亲和力小于[C]－[O]亲和力，碳氧化消耗较多的（FeO），熔渣中(∑FeO)有所降低，熔池搅拌强烈，反应区乳化较好，结果此期的碳氧化速度高。 吹炼后期，熔池温度很高，超过1600℃，[C]含量较低，(∑FeO)增加，熔池搅拌不如中期，碳氧化速度比中期低。 （4）磷的变化规律 磷的变化规律主要表现为吹炼过程中的脱磷速度。脱磷速度的变化规律，主要受熔池温度，熔池中金属[P]含量，熔渣中(∑FeO)，熔渣碱度，熔池的搅拌强度或脱碳速率的影响。 表1顶吹转炉吹炼各期的特点 因素时期 熔池温度 (%∑FeO) 炉渣碱度 降碳速度 前期 较低 较高 低 低于中期 中期 较高 较低 较高 高于初期 后期 高 高 高 低于中期 前期不利于脱磷的因素是炉渣碱度比较低，因此，为及早形成碱度较高的炉渣，是前期脱磷的关键。 中期不利于脱磷的因素是（∑FeO）较低，因此，如何控制渣中(∑FeO)达10%－20%，避免炉渣“返干”是中期脱磷的关键。 后期不利于脱磷的热力学因素是熔池温度高。 （5）硫的变化规律 硫的变化规律也主要表现在吹炼过程中的脱硫速度，脱硫速度变化规律的主要影响因素与脱磷的类似。不同时期，其表现是不相同。 吹炼前期，由于温度和碱度较低，（FeO）较高，渣的流动性差，因此脱硫能力较低，脱硫速度很慢； 吹炼中期，熔池温度逐渐升高，（FeO）比前期有所降低，碱度因大量石灰熔化而增大，熔池乳化比较好，是脱硫的最好时期； 吹炼后期，熔池温度已升至出钢温度，（FeO）回升，比中期高，碱度高熔池搅拌不如中期，因此，脱硫速度低于或稍低于中期。 2)炉渣成分和温度的变化规律 转炉吹炼过程中熔池内的炉渣成分和温度影响着元素的氧化和脱除规律，而元素的氧化和脱除又影响着炉渣成分和熔池温度的变化。 （1）炉渣中(FeO)的变化规律 炉渣中（FeO）的变化取决于它的来源和消耗两方面。（FeO）的来源主要与枪位、加矿量有关，（FeO）的消耗主要与脱碳速度有关。 ◆枪位：枪位低时，高压氧气流股冲击熔池，熔池搅拌剧烈，渣中金属液滴增多，形成渣、金乳浊液，脱碳速度加快，消耗渣中（FeO）降低。枪位高时，脱碳速度低，渣中（FeO）增高。 ◆矿石：渣料中加矿石多，则渣中（FeO）增高。 ◆脱碳速度：脱碳速度高，渣中（FeO）低；脱碳速度低，渣中（FeO）高。 氧气顶吹转炉通过改变枪位可达到化渣、降碳的不同目的，这是它与其他炼钢方法相比，具有cao作灵活的特点。 （2）炉渣碱度的变化规律 炉渣碱度的变化规律取决于石灰的熔解、渣中(SiO2)和熔池温度。 吹炼初期，熔池温度不高，渣料中石灰还未大量熔化。吹炼一开始，[Si]迅速氧化，渣中(SiO2)很快提高，有时可达到30%。因此，初期炉渣碱度不高，一般为1.8－2.3，平均为2.0左右。 吹炼中期，熔池的温度比初期提高，促进大量石灰熔化，熔池中[Si]已氧化完了，SiO2来源中断。中期脱磷速度，熔池搅拌均比前期强，这些因素均有利于形成高碱度炉渣。 吹炼后期,熔池的温度比中期进一步提高,接近出钢温度,有利于石灰渣料熔化,在中期炉渣碱度较高的基础上,吹炼后期,仍能得到高碱度,流动性良好发炉渣。 （3）熔池温度的变化规律 熔池温度的变化与熔池的热量来源和热量消耗有关。 吹炼初期，兑入炉内的铁水温度一般为1300℃左右，铁水温度越高，带入炉内的热量就越高，[Si]、[Mn]、[C]、[P]等元素氧化放热，但加入废钢可使兑入的铁水温度降低，加入的渣料在吹炼初期大量吸热。综合作用的结果，吹炼前期终了，熔池温度可升高至1500℃左右。 吹炼中期，熔池中[C]继续大量氧化放热，[P]也继续氧化放热，均使熔池温度提高，可达1500－1550℃以上。 吹炼后期，熔池温度接近出钢温度，可达1650－1680℃左右，具体因钢种、炉子大小而异。在整个一炉钢的吹炼过程中，熔池温度约提高350℃左右。 综上所述，顶吹氧气转炉开吹以后，熔池温度、炉渣成分、金属成分相继发生变化，它们各自的变化又彼此相互影响，形成高温下多相、多组元同时进行的极其复杂的物理化学变化。 冶炼过程概述：从装料到出钢，倒渣，转炉一炉钢的冶炼过程包括装料、吹炼、脱氧出钢、溅渣护炉和倒渣几个阶段。 炉钢的吹氧时间通常为12－18min，，如图7所示，冶炼周期为30min左右。 转炉一炉钢的基本冶炼过程。顶吹转炉冶炼一炉钢的cao作过程主要由以下六步组成： （1）上炉出钢、倒渣，检查炉衬和倾动设备等并进行必要的修补和修理； （2）倾炉，加废钢、兑铁水，摇正炉体（至垂直位置）； （3）降枪开吹，同时加入第一批渣料（起初炉内噪声较大，从炉口冒出赤色烟雾，随后喷出暗红的火焰；3～5min后硅锰氧接近结束，碳氧反应逐渐激烈，炉口的火焰变大，亮度随之提高；同时渣料熔化，噪声减弱）； （4）3～5min后加入第二批渣料继续吹炼（随吹炼进行钢中碳逐渐降低，约12min后火焰微弱，停吹）； （5）倒炉，测温、取样，并确定补吹时间或出钢； （6）出钢，同时（将计算好的合金加入钢包中）进行脱氧合金化。 上炉钢出完钢后，倒净炉渣，堵出钢口，兑铁水和加废钢，降枪供氧，开始吹炼。在送氧开吹的同时，加入第一批渣料，加入量相当于全炉总渣量的三分之二，开吹3－5分钟后，第一批渣料化好，再加入第二批渣料。如果炉内化渣不好，则许加入第三批萤石渣料。 吹炼过程中的供氧强度： 小型转炉为2.5－4.5m3/(tmin)；120t以上的转炉一般为2.8－3.6m3/(tmin)。 ◆开吹时氧枪枪位采用高枪位，目前是为了早化渣，多去磷，保护炉衬； ◆在吹炼过程中适当降低枪位的保证炉渣不“返干”，不喷溅，快速脱碳与脱硫，熔池均匀升温为原则； ◆在吹炼末期要降枪，主要目的是熔池钢水成分和温度均匀，加强熔池搅拌，稳定火焰，便于判断终点，同时使降低渣中Fe含量，减少铁损，达到溅渣的要求。 ◆当吹炼到所炼钢种要求的终点碳范围时，即停吹，倒炉取样，测定钢水温度，取样快速分析[C]、[S]、[P]的含量，当温度和成分符合要求时，就出钢。 ◆当钢水流出总量的四分之一时，向钢包中的脱氧合金化剂，进行脱氧，合金化，由此一炉钢冶炼完毕。 o转炉冶炼五大制度 装料制度 供氧制度 造渣制度 温度制度 终点控制及合金化制度 二、装料制度 （一）装料次序 ◆对使用废钢的转炉，一般先装废钢后装铁水。先加洁净的轻废钢，再加入中型和重型废钢，以保护炉衬不被大块废钢撞伤，而且过重的废钢最好在兑铁水后装入。 ◆为了防止炉衬过分急冷，装完废钢后，应立即兑入铁水。炉役末期,以及废钢装入量比较多的转炉也可以先兑铁水,后加废钢。 （二）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主要因素之一。装入量中铁水和废钢配比是根据热平衡计算确定。通常，铁水配比为70%－90%，其值取决于铁水温度和成分，炉容比、冶炼钢种、原材料质量和cao作水平等。 确定装入量时，考虑的因素： o炉容比：它是指转炉内自由空间的容积与金属装入量之比(m3/t)，通常在0.7－1.0波动，我国转炉炉容比一般0.75。 o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，以保证生产安全，炉底寿命和冶炼效果。 o炉子附属设备：应与钢包容量、浇注吊车起重能力、转炉倾动力矩大小、连铸机的cao作等相适应。 控制装入量的方法。目前国内采用三种即定量装入量、定深装入量和分阶段定量装入法。 ◆定量装入量指整个炉役期间，保证金属料装入量不变； ◆定深装入量指整个炉役期间，随着炉子容积的增大依次逐渐增大装入量，保证每炉的金属熔池深度不变； ◆分阶段定量装入法指将整个炉按炉膛的扩大程度划分为若干阶段，每个阶段实行定量装入法。分阶段定量装入法兼有两者的优点，是生产中最常见的装入制度。 表2国内一些企业顶吹转炉的炉容比 厂名 宝钢 首钢 鞍钢 本钢 攀钢 首钢 太钢 吨位/t 300 210 180 120 120 80 50 炉熔比/m3t－1 1.05 0.97 0.86 0.91 0.90 0.84 0.97 装料cao作：目前，国内的大中型转炉均采用混铁炉（转炉容量的15～20倍）供应铁水，即高炉来的铁水储存在混铁炉中，用时倒入铁水罐天车兑入（解决高炉出铁与转炉用铁不一致的矛盾，同时保证铁水的温度稳定，成分波动小）；废钢则是事先按计算值装入料斗，用时天车加入。 为减轻废钢对炉衬的冲击，装料顺序一般是先兑铁水后加废钢，炉役后期尤其如此。兑铁水时，应炉内无渣（否则加石灰）且先慢后快，以防引起剧烈的碳氧反应，将铁水溅出炉外而酿成事故。目前国内各厂普遍采用溅渣护炉技术，因而多为先加废钢后兑铁水，可避免兑铁喷溅。但补炉后的第一炉钢应采用前法，如图8所示。 简述一炉钢的冶炼过程。 三、供氧制度 供氧制度的主要内容包括确定合理的喷头结构、供氧强度、氧压和枪位控制。供氧是保证杂质去除速度、熔池升温速度、造渣制度、控制喷溅去除钢中气体与夹杂物的关键cao作，关系到终点的控制和炉衬的寿命，对一炉钢冶炼的技术经济指标产生重要影响。 1）氧枪 氧枪是转炉供氧的主要设备，它是由喷头、枪身和尾部结构组成。 喷头是用导热性良好的紫铜经锻造和切割加工而成，也有用压力浇铸而成的。喷头的形状有拉瓦尔型、直筒型和螺旋型等。目前应用最多的是多孔的拉瓦尔型喷头。拉瓦尔型喷头是收缩—扩张收缩型喷孔，当出口氧压与进口氧压之比p出/p0<0.528时形成超音速射流，如图9所示。 2）供氧制度 枪身：它由三层同心套管构成，中心管道氧气，中间管是冷却水的进水通道，外层管是出水通道。喷头与中心套管焊接在一起。 枪尾部：枪尾部接供氧管，进水管和出水管。 o在顶吹氧气转炉吹炼过程中，特别是吹炼过程剧化的开始阶段，有时炉渣会起泡并从炉口溢出，这就是吹炼过程中发生的典型的乳化和泡沫现象。 o由于氧射流对熔池的强烈冲击和CO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，如图10所示。 图10转炉内的泡沫现象示意图 1－氧枪；2－气－钢－渣乳化相；3－CO气泡；4－金属熔池；5－火点； 6－金属液滴；7－CO气流；8－飞溅出的金属液滴；9－烟尘 乳化（emulsification）是指金属液滴或气泡弥散在炉渣中，若液滴或气泡数量较少而且在炉渣中自由运动，这种现象称为渣钢乳化或渣气乳化。 若炉渣中仅有气泡，而且气泡无法自由运动，这种现象称炉渣泡沫化（slagfoaming）。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或金属滴所造成的。通过对230tLD转炉乳液取样分析，发现其中金属液滴比例很大：吹氧6－7min时占45%－80%；10－12min时占40%－70%；15－17min时占30%－60%。可见，吹炼时金属和炉渣密切相混。 研究表明，金属液滴比金属熔池的脱碳、脱磷、脱锰更有效。金属液滴尺寸愈小，脱除量愈多。而金属液滴的含硫量比金属熔池的含硫量高，金属液滴尺寸愈小，含硫量愈大。生产实践表明，冶炼中期硬吹时，由于渣内富有大量CO气泡以及渣中氧化铁被金属液滴中的碳所还原，导致炉渣的液态部分消失而“返干”。 软吹时，由于渣中（FeO）含量增加，并且氧化位（即Fe3 /Fe2 ）升高，持续时间过长就会产生大量起泡沫的乳化液，乳化的金属量非常大，生成大量气体，容易发生大喷或溢渣。因此，必须正确调整枪位和供氧量，使乳化液中是金属保持某一百分比。 ◆供氧压力： 保证射流出口速度达到超音速，并使喷头出口处氧压稍高于炉膛内炉气压力。对三孔喷头，供氧压力可由下式经验计算： ◆氧气流量：指在单位时间内向熔池供氧的数量，常用标准状态下体积量度，其单位为m3/min或m3/h。 氧气流量是根据吹炼每吨金属料所需要的氧气量、金属装入量、供氧时间等因素决定。即 ◆供氧强度：指在单位时间内每吨钢的氧耗量，它的单位是m3/(tmin)。供氧强度的大小根据转炉的公称吨位、炉容比来确定。小型转炉的供氧强度为2.5－4.5m3/(tmin)，120t以上的转炉一般为2.8－3.6m3/(tmin)。 3）供氧cao作 供氧cao作是指调节氧压或枪位，达到调节氧气流量、喷头出口气流压力及射流与熔池的相互作用程度，以控制化学反应进程的cao作。 供氧cao作分为恒压变枪、恒枪变压和分阶段恒压变枪几种方法。国内多采用第三种cao作法。 枪位及其控制： 所谓枪位，是指氧枪喷头端面距静止液面的距离，常用H表示，单位是m。目前，一炉钢吹炼中的氧枪cao作有两种类型，一种是恒压变枪cao作，一种是恒枪变压cao作。比较而言，恒压变枪cao作更为方便、准确、安全，因而国内钢厂普遍采用。 枪位的变化范围和规律： 关于枪位的确定，目前的做法是经验公式计算，实践中修正。一炉钢冶炼中枪位的变化范围可据经验公式确定： H=（37～46）P×D出 式中： P—供氧压力，MPa； D—喷头的出口直径，mm； H—枪位，mm。 具体cao作中，枪位控制通常遵循“高－低－高－低”的原则： （1）前期高枪位化渣但应防喷溅。吹炼前期，铁水中的硅迅速氧化，渣中的（SiO2）较高而熔池的温度尚低，为了加速头批渣料的熔化（尽早去P并减轻炉衬侵蚀），除加适量萤石或氧化铁皮助熔外应采用较高的枪位，保证渣中的（FeO）达到并维持在25～30%的水平；否则，石灰表面生成C2S外壳，阻碍石灰溶解。当然，枪位亦不可过高，以防发生喷溅，合适的枪位是使液面到达炉口而又不溢出。 （2）中期低枪位脱碳但应防返干。吹炼中期，主要是脱碳，枪位应低些。但此时不仅吹入的氧几乎全部用于碳的氧化，而且渣中的（FeO）也被大量消耗，易出现“返干”现象而影响S、P的去除，故不应太低，使渣中的（FeO）保持在10～15%以上。 （3）后期提枪调渣控终点。吹炼后期，C－O反应已弱，产生喷溅的可能性不大，此时的基本任务是调好炉渣的氧化性和流动性继续去除硫磷，并准确控制终点碳（较低），因此枪位应适当高些。 （4）终点前点吹破坏泡沫渣。接近终点时，降枪点吹一下，均匀钢液的成分和温度，同时降低炉渣的氧化铁含量并破坏泡沫渣，以提高金属和合金的收得率。 枪位的调节。生产条件千变万化，因此具体cao作中还应根据实际情况对枪位进行适当的调节： （1）铁水温度：若遇铁水温度偏低，应先压枪提温，而后再提枪化渣，以防渣中的（FeO）积聚引发大喷，即采用低－高－低枪位cao作。 （2）铁水成分：铁水硅、磷高时，若采用双渣cao作，可先低枪位脱硅、磷，倒掉酸性渣；若单渣cao作，由于石灰加入量大，应较高枪位化渣。铁水含锰高时，有利于化渣，枪位则可适当低些。 （3）装入量变化：炉内超装时，熔池液面高，枪位应相应提高，否则，不仅化渣困难而且易烧坏氧枪。 （4）炉内留渣：采用双渣留渣法时，由于渣中（FeO）高，有利于石灰熔化，因此吹炼前期的枪位适当低些，以防渣中（FeO）过高引发泡沫喷溅。 （5）供氧压力：高氧压与低枪位的作用相同，故氧压高时，枪位应高些。 恒压变枪cao作的几种模式，如图11所示 A高—低—高的六段式cao作： 开吹枪位较高，及早形成初期渣；二批料加入后适时降枪，吹炼中期炉渣返干时又提枪化渣；吹炼后期先提枪化渣后降枪；终点拉碳出钢。 B高—低—高的五段式cao作： 五段式cao作的前期与六段式cao作基本一致，熔渣返干时可加入适量助熔剂调整熔渣流动性，以缩短吹炼时间。 C高一低一高一低的四段式cao作： 在铁水温度较高或渣料集中在吹炼前期加入时可采用这种枪位cao作。开吹时采用高枪位化渣，使渣中含（FeO）量达25～30％，促进石灰熔化，尽快形成具有一定碱度的炉渣，增大前期脱磷和脱硫效率，同时也避免酸性渣对炉衬的侵蚀。在炉渣化好后降枪脱碳，为避免在碳氧化剧烈反应期出现返干现象，适时提高枪位，使渣中（FeO）保持在10～15％，以利磷、硫继续去除。在接近终点时再降枪加强熔池搅拌，继续脱碳和均匀熔池成分和温度，降低终渣（FeO）含量。 四、造渣制度 造渣是转炉炼钢的一项重要cao作。所谓造渣，是指通过控制入炉渣料的种类和数量，使炉渣具有某些性质，以满足熔池内有关炼钢反应需要的工艺cao作。造渣制度是确定合适的造渣方法、渣料的种类、渣料的加入数量和时间以及加速成渣的措施。由于转炉冶炼时间短，必须快速成渣，才能满足冶炼进程和强化冶炼的要求，同时造渣对避免喷溅、减少金属损失和提高炉衬寿命都有直接影响。 一、成渣过程及造渣途径 转炉冶炼各期，都要求炉渣具有一定的碱度，合适的氧化性和流动性，适度的泡沫化。 o吹炼初期，要保持炉渣具有较高的氧化性,∑(FeO)稳定在25%－30%，以促进石灰熔化，迅速提高炉渣碱度，尽量提高前期去磷去硫率和避免酸性渣侵蚀炉衬； o吹炼中期，炉渣的氧化性不得过低(∑(FeO)保持在10%－16%），以避免炉渣返干； o吹炼末期，要保证去除P、S所需的炉渣高碱度，同时控制好终渣氧化性，如冶炼[C]≥0.10%的镇静钢，终渣(FeO)应控制不大于15%－20%；冶炼沸腾钢，终渣(FeO)应不小于12%，需避免终渣氧化性过弱或过强。 炉渣粘度和泡沫化程度也应满足冶炼进程需要。前期要防止炉渣过稀，中期渣粘度要适宜，末期渣要化透作黏。泡沫性炉渣应尽早形成，并将其泡沫化程度控制在合适范围，以达到喷溅少、拉碳准、温度合适、达到磷硫去除的最佳吹炼效果。 转炉成渣过程，如图12所示： o吹炼初期，炉渣主要来自铁水中Si、Mn、Fe的氧化产物。加入炉内的石灰块由于温度低,表面形成冷凝外壳，造成熔化滞止期，对于块度为40mm左右的石灰，渣壳熔化需数十秒。由于发生Si、Mn、Fe的氧化反应，炉内温度升高，促进了石灰熔化，这样炉渣的碱度逐渐得到提高。 o吹炼中期，随着炉温的升高和石灰的进一步熔化，同时脱碳反应速度加快导致渣中(FeO)逐渐降低，使石灰融化速度有所减缓，但炉渣泡沫化程度则迅速提高。由于脱碳反应消耗了渣中大量的(FeO)，再加上没有达到渣系液相线正常的过热度，使化渣条件恶化，引起炉渣异相化，并出现返干现象。 o吹炼末期，脱碳速度下降，渣中(FeO)再次升高，石灰继续熔化并加快了熔化速度。同时，熔池中乳化和泡沫现象趋于减弱和消失。 o初期渣，主要矿物为钙镁橄榄石和玻璃体(SiO2)。钙镁橄榄石是锰橄榄石(2MnO.SiO2)、铁橄榄石(2FeO.SiO2)和硅酸二钙(2CaO.SiO2)的混合晶体。当(MnO)高时，它是以2FeO.SiO2和2MnO.SiO2为主，通常玻璃体不超过7%－8%，渣中自由氧化物相(RO)很少。 o中期渣：石灰与钙镁橄榄石和玻璃体作用，生成CaOSiO2，3CaO2SiO2，2CaOSiO2和3CaOSiO2等产物，其中最可能和最稳定的是2CaOSiO2，其熔点为2103℃。 o末期渣：RO相急剧增加，生成的3CaOSiO2分解为2CaOSiO2和CaO，并有2CaOFe2O3生成。 石灰渣化机理和影响因素: 炼钢过程中成渣速度主要指的是石灰熔化速度，所谓的快速成渣主要指的是石灰快速熔解于渣中。 o吹炼初期，各元素的氧化产物FeO、SiO2、MnO、Fe2O3等形成了熔渣。加入的石灰块就浸泡在初期渣中，初期渣中的氧化物从石灰表面向其内部渗透，并与CaO发生化学反应，生成一些低熔点的矿物，引起石灰表面的渣化。这些反应不仅在石灰块的外表面进行，而且也在石灰气孔的内表面进行。 o但是在吹炼初期，SiO2易与CaO反应生成钙的硅酸盐，沉集在石灰块表面上，如果生成物是致密的，高熔点的2CaOSiO2（熔点2130℃）和3CaOSiO2(熔点2070℃），则将阻碍石灰的进一步渣化熔解。如生成CaOSiO2（熔点1550℃）和3CaOSiO2（熔点1480℃）则不会妨碍石灰熔解。 o在吹炼中期，碳的激烈氧化消耗大量的(FeO)，熔渣的矿物组成发生了改变，由，熔点升高，石灰的渣化有所减缓。吹炼末期，渣中(FeO)有所增加，石灰的渣化加快，渣量又有增加。 影响石灰溶解速度的因素主要有： 石灰本身质量 铁水成分 炉渣成分 供氧cao作 白云石造渣。采用白云石或轻烧白云石代替部分石灰石造渣，提高渣中MgO含量，减少炉渣对炉衬的侵蚀，具有明显效果。 oMgO在低碱度渣中有较高的熔解度，采用白云石造渣，初期渣中MgO浓度提高，会抑制熔解炉衬中的MgO，减轻初期炉渣对炉衬的侵蚀。同时，前期过饱和的MgO会随着炉渣碱度的提高而逐渐析出，使后期渣变粘，可以使终渣挂在炉衬表面上，形成炉渣保护层，有利于提高炉龄。 造渣制度 o在保证渣中有足够的∑(FeO)、渣中（MgO），不超过6%的条件下，增加初期渣中MgO含量，有利于早化渣并推迟石灰石表面形成高熔点致密的2CaOSiO2壳层。 萤石的化渣作用 萤石的主要成分为CaF2，并含有SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaCO3和少量磷、硫等杂质。它的熔点约1203K。萤石加入炉内后，在高温下即爆裂或碎块并迅速熔化。它的作用体现在： oCaF2与CaO作用形成熔点为1635K的共晶体，直接促进石灰的熔化； o萤石能显著降低2CaOSiO2的熔点,使炉渣在高碱度下有较低的熔化温度； oCaF2可降低炉渣粘度。 二、造渣方法 根据铁水成分和所炼钢种来确定造渣方法。常用的造渣方法有单渣法、双渣法和双渣留渣法。 o单渣法：整个吹炼过程中只造一次渣，中途不倒渣、不扒渣，直到吹炼终点出钢。入炉铁水Si、P、S含量较低，或者钢种对P、S要求不太严格，以及冶炼低碳钢，均可以采用单渣cao作。采用单渣cao作，工艺比较简单，吹炼时间短，劳动条件好，易于实现自动控制。单渣cao作一般脱磷效率在90%左右，脱硫效率约为30%－40%。 o双渣法：整个吹炼过程中需要倒出或扒出约1/2－2/3炉渣，然后加入渣料重新造渣。根据铁水成分和所炼钢种的要求，也可以多次倒渣造新渣。在铁水含磷高且吹炼高碳钢，铁水硅含量高，为防止喷溅，或者在吹炼低锰钢种时，为防止回锰等均可采用双渣cao作。双渣cao作脱磷效率可达95%以上，脱硫效率约60%左右。双渣cao作会延长吹炼时间，增加热量损失，降低金属收得率，也不利于过程自动控制。其cao作的关键是决定合适的放渣时间。 o双渣留渣法：将双渣法cao作的高碱度、高氧化铁、高温、流动性好的终渣留一部分在炉内，然后在吹炼第一期结束时倒出，重新造渣。此法的优点是可加速下炉吹炼前期初期渣的形成，提高前期的去磷、去硫率和炉子热效率，有利于保护炉衬，节省石灰用量。采用留渣cao作时，在兑铁水前首先要加废钢稠化冷凝熔渣，当炉内无液体渣时才可兑入铁水，以避免引发喷溅。 泡沫渣： o由于炉内的乳化现象，大大发展了气—熔渣—金属液的界面，加快了炉内化学反应速度，从而达到良好的吹炼效果。当然若控制不当，严重的泡沫渣也会引发事故。 o大量的研究表明，气泡少而小，炉渣表面张力低，炉渣粘度大，温度低，泡沫容易形成并稳定地存在于渣中，生成泡沫渣。 o吹炼前期，脱碳速度小，泡沫小而无力，易停留在渣中，炉渣碱度低，∑(FeO)较高，有利于渣中铁滴生成CO气泡，并含有一定量的SiO2、P2O5等表面活性物质，因此易起泡沫。 o吹炼中期，脱碳速度大，大量的CO气泡能冲破渣层而排出，炉渣碱度高，∑(FeO)较低，SiO2、P2O5表面活性物质的活度降低，因此引起泡沫渣的条件不如吹炼初期，但如能控制得当，避免或减轻熔渣返干现象，就能得到合适的泡沫渣。 o吹炼后期，脱碳速度降低，产生的CO减少，碱度进一步提高，∑(FeO)较高，但[C]较低，产生的CO少，表面活性物质的活度比中期进一步降低，因此，泡沫稳定的因素大大减弱，泡沫渣趋向消除。 o在吹炼过程中，由于氧射流与熔池的相互作用，形成了气—熔渣—金属液密切混合的三相乳化液。分散在炉渣中的小气泡的总体积往往超过熔渣本身体积的数倍甚至数十倍。熔渣成为液膜，将气泡包住，引起熔渣发泡膨胀，形成泡沫渣。正常泡沫渣的厚度经常在1－2m，甚至3m。 影响熔渣泡沫化的因素： （1）进入熔渣的气体量。这是熔渣泡沫化的外部条件，单位时间内进入炉渣的气体越多，炉渣的泡沫化程度越高，例如吹炼中期脱碳速度快，产生气体量大，容易出现炉渣严重泡沫化现象。 （2）熔渣本身的发泡性即气体在渣中的存留时间。这是熔渣泡沫化的内部条件，它取决于熔渣的粘度和表面张力。炉渣的表面张力愈小，其表面积就愈易增大即小气泡愈易进入而使之发泡；增大炉渣的粘度，将增加气泡合并长大及从渣中逸出的阻力，渣中气泡的稳定性增加。 泡沫渣的控制： 转炉吹炼的初期和末期，因脱碳速度小而炉渣的泡末化程度较低，因而控制的重点是防止吹炼中期出现严重的泡沫化现象。通常是因枪位过高，炉内的碳氧反应被抑制，渣中聚集的(FeO)越来越多（内部条件具备），温度一旦上来便会发生激烈的碳氧反应，过量的CO气体充入炉渣（外部条件具备），使渣面上涨并从炉口溢出或喷出，形成所谓的喷溅。为此，生产中应是在满足化渣的条件下尽量低些，切忌化渣枪位过高和较高枪位下长时间化渣，以免渣中(FeO)过高。 出钢前压枪降低渣中的(FeO)，破坏泡沫渣，以减少金属损失。 渣料的用量： 加入炉内的渣料主要是石灰和白云石，还有少量的萤石或氧化铁皮等熔剂。 石灰用量的确定： 1）首先根据铁水的硅、磷含量和炉渣碱度计算： （1）铁水含磷＜0.3%时，炉渣的碱度B=（?O）/（%SiO2）=2.8～3.2，所以每吨铁水的石灰加入量按下式计算： 石灰用量（kg/t）= 式中[%Si]——炉料中硅的质量分数； 60/28——表示1kgSi氧化后可生成60/28（=2.14）kg的SiO2。 例1某厂的铁水含磷0.25%、硅0.5%，冶炼所用石灰含CaO：86%，SiO2：2.5%，若炉渣碱度按3.0控制，求每吨铁水的石灰用量。 解：石灰用量（kg/t）= （2）铁水含磷＞0.3%时，B=（?O）/（%SiO2） （%P2O5）=3.2～3.5，所以每吨铁水的石灰加入量按下式计算： 石灰用量（kg/t）= 式中的142/62表示每氧化1kg的磷可生成142/62（=2.3）kg的P2O5。 2）其次根据冷却剂用量计算应补加的石灰量 矿石含有一定数量的SiO2，每kg矿石需补加石灰的数量按下式计算： 补加石灰量（kg/kg）= 白云石用量的确定: 白云石的加入量应根据炉渣要求的饱和MgO含量来确定。通常渣中MgO含量控制在8%～10%，除了加入的白云石含有外，石灰和炉衬也会带入一部分。 理论用量W(kg/t)= 实际用量W/=W－W灰－W衬 熔剂的用量： 萤石用量：尽量少用或不用，部标要求≤4kg/t。 矿石用量：铁矿石及氧化铁皮也具有较强的化渣能力，但同时对熔池产生较大的冷却效应，其用量应视炉内温度的高低，一般为装入量的2～5%。 渣料的加入方法： 关于渣料的加入，关键是要注意渣料的分批和把握加入的时间。 1）渣料分批 目的：渣料应分批加入以加速石灰的熔化（否则，会造成熔池温度下降过多，导致渣料结团且石灰块表面形成一层金属凝壳而推迟成渣）。 批次：单渣cao作时，渣料通常分成两批：1/2～2/3及白云石全部（冶炼初期炉衬侵蚀最严重）；1/2～1/3。 2）加料时间 （1）第一批渣料在开吹的同时加入。 （2）第二批渣料，一般是在硅及锰的氧化基本结束、头批渣料已经化好、碳焰初起的时候（30吨的转炉开吹6min左右）加入（如果加入过早，炉内温度还低且头批渣料尚未化好又加冷料，势必造成渣料结团难化；反之，如果加入过晚，正值碳的激烈氧化时期，渣中的（∑FeO）较低渣料亦难化。问题的关键是正确判断炉况，头批渣料化好的标志是：火焰软且稳定，炉内发出柔和的嗡嗡声，喷出物为片状，落在炉壳上不粘贴；未化好的情况是：炉口的火焰发散且不稳定，炉内发出尖锐的吱吱声，喷出物是金属火花和石灰粒）。 有的厂二批料分小批多次加入以利熔化，但最后一小批料必须在终点前3～4分钟加入。 加速渣料的熔化。加速石灰溶解的措施： 1）适宜的炉渣成分 渣中的（FeO）是石灰溶解的基本熔剂，原因在于： （1）（FeO）可与CaO及2CaOSiO2作用生成低熔点的盐，能有效地降低炉渣的粘度，改善石灰溶解的外部传质条件； （2）（FeO）是碱性氧化渣的表面活性物质，可以改善炉渣对石灰的润湿性，有利于熔渣向石灰表面的孔中渗透，增大二者之间的接触面积； （3）Fe2 及O2－的半径是同类中最小的，扩散能力最强； （4）有足够的（FeO）存在时，可以避免石灰表面生成C2S而有利于石灰的溶解。 因此，吹炼cao作中应合理地控制枪位，始终保持较高的（FeO）含量。(MnO)对石灰溶解的影响与（FeO）类似，生产中可在渣料中配加适量锰矿。 2）较高的温度 熔池温度高时，石灰入炉初形成的固态渣壳较薄；而且熔渣的粘度低溶解石灰的能力强。为此，入炉铁水的温度要尽量高，若铁水温度偏低应先低枪位提温。 3）强化熔池的搅拌 加强对熔池的搅拌，可以改善石灰溶解的外部传质过程，从而可加速石灰的溶解。复吹转炉的石灰溶解速度要比顶吹转炉的快，原因就在于复吹冶炼有底吹气体搅拌。 4）改善石灰质量 （1）提高石灰的活性度：增加石灰的气孔率，增大比表面积，有利于炉渣的渗透，可加快石灰溶解速度，同时，即使石灰表面生成2CaOSiO2外壳也不致密，易碎。 （2）减小石灰的块度并进行预热：石灰入炉初形成的固态渣壳薄甚至消失。 五、石灰溶解机理 六、造渣方法 七、温度制度 o在吹炼一炉钢的过程中，需要正确控制温度。温度制度主要是指炼钢过程温度控制和终点温度控制。 o转炉吹炼过程的温度控制相对比较复杂，如何通过加冷却剂和调和剂枪位，使钢水的升温和成分变化协调起来，同时达到吹炼终点的要求，是温度控制的关键。 o热量来源：铁水的物理热和化学热，它们约各点热量来源的一半。 o热量消耗：习惯上转炉的热量消耗可分为两部分，一部分直接用于炼钢的热量，即用于加热钢水和炉渣的热量；一部分未直接用于炼钢的热量，即废气、烟尘带走的热量，炉口炉壳的散热损失和冷却剂的吸热等。 热量的消耗： o钢水的物理热约占70%； o炉渣带走的热量大约占10%； o炉气物理热也约占10%； o金属铁珠及喷溅带走热，炉衬及冷缺水带走热，烟尘物理热，生白云石及矿石分解及其他热损失共占约10%。 o转炉热效率：是指加热钢水的物理热和炉渣的物理热占总热量的百分比。LD转炉热效率比较高，一般在75%以上。原因是LD转了上的热量利用集中，吹炼时间短，冷却水、炉气热损失低。 o出钢温度首先取决于炼钢中的凝固温度，凝固温度则根据钢种的化学成分而定，钢液的凝固温度计算有多种经验公式： o出钢温度需考虑从出钢到浇注各阶段的温降。 ΔT为钢液的过热度，它与钢种、坯型有关，板坯取15－20℃，低合金方坯取20－25℃； ΔT1为出钢过程温降； ΔT2为出钢完毕至精炼之前的温降； ΔT3为钢水精炼过程温降； ΔT4为钢水精炼完毕至开浇之前的温降； ΔT5为钢水从钢包至中间包温降。 o转炉获得的热量除用于各项必要的支出外，通常上有大量富余热量，需加入一定数量的冷却剂。冷却剂的冶金特点包括他自身的冷却效应以及对化渣、喷溅、氧耗、钢铁料消耗和冷却剂加入方法的影响。要准确控制熔池温度，用废钢作冷却剂的效果最好，但为了促进化渣，也可以搭配一部分铁矿石或氧化铁皮。 o在吹炼前期结束时，温度应为1450－1550℃，大炉子、低碳钢取下限，小炉子、高碳钢取上限；中期的温度为1550－1600℃，中、高碳钢取上限，因后期挽回温度时间少；后期的温度为1600－1680℃，取决于所炼钢种。 o当吹炼后期出现温度过低时，可加适量的Fe－Si或Fe－Al提温。加Fe－Si提温，需配加一定量的石灰，防止钢水回磷。当吹炼后期出现温度过高时，可加适量的铁皮或矿石降温。如铁水温度低，碳量也低，可兑适量铁水再吹炼，在兑铁水前倒渣，并加Fe－Si防止产生喷溅。 o终点控制是转炉吹炼末期的重要cao作。终点控制主要是指终点温度和成分的控制。由于脱磷、脱硫比脱碳cao作复杂，总是尽可能提前让磷、硫达到终点所需的范围，因此，终点的控制实质就是脱碳和温度的控制，把停止吹氧又俗称为“拉碳”。 确定冷却剂用量 1）冷却剂及其特点 转炉炼钢的冷却剂主要是废钢和矿石。比较而言，废钢的冷却效应稳定，而且硅磷含量也低，渣料消耗少，可降低生产成本；但是，矿石可在不停吹的条件下加入，而且具有化渣和氧化的能力。因此，目前一般是矿石、废钢配合冷却，而且是以废钢为主，且装料时加入；矿石在冶炼中视炉温的高低随石灰适量加入。 另外，冶炼终点钢液温度偏高时，通常加适量石灰或白云石降温（前两种均不能用）。 2）各冷却剂的冷却效应 冷却效应是指每kg冷却剂加入转炉后所消耗的热量，常用q表示，单位是kJ/kg。 （1）矿石的冷却效应：矿石冷却主要靠Fe2O3的分解吸热，因此其冷却效应随铁矿的成分不同而变化，含Fe2O370%、FeO10%时铁矿石的冷却效应为： q矿=1×C矿×△t λ矿 1×（Fe2O3%×112/160×6456 FeO%×56/72×4247） =1×1.02×（1650－25） 209 1×（0.7×112/160×6456 0.1×56/72×4247） =5360kJ/kg （2）废钢的冷却效应：废钢主要依靠升温吸热来冷却熔池，由于不知准确成分，其熔点通常按低碳钢的1500℃考虑，入炉温度按25℃计算，于是废钢的冷却效应为： q废=1×[C固（t熔－25） λ废 C液（t出－t熔）] =1×[0.7×（1500－25） 272 0.837（1650－1500）] =1430kJ/kg （3）氧化铁皮的冷却效应：计算方法同矿石，对于50?O、40?2O3的氧化铁皮，其冷却热效应为： q皮=5311kJ/kg 以废钢的冷却效应为标准1，则各种冷却剂的相对冷却能力见课本. 3）冷却剂用量的确定： 关于冷却剂加入量的确定，有两种方案。一种是定废钢，调矿石；另一种是定矿石，调废钢。现以第一种方案为例说明冷却剂用量的确定：国内目前的平均水平是，废钢的加入量为铁水量的8～12%，取10%。则矿石用量为： （Q余－10×q废）/q矿=（30000－10×1430）/5360=2.93kg 即每100kg铁水加入10kg废钢和2.93矿石。 4）冷却剂用量的调整 通常各厂先依据自己的一般生产条件，按照上述过程计算出冷却剂的标准用量，生产中某炉钢冷却剂的具体用量则根据实际情况调整铁矿的用量，调整量过大时可增减废钢的用量。 实际生产过程温度的控制：按照上述的计算结果加入冷却剂，即可保证终点温度。但是，吹炼过程中还应根据炉内各个时期冶金反应的需要及炉温的实际情况调整熔池温度，保证冶炼的顺利进行。 （1）吹炼初期 如果碳火焰上来的早（之前是硅、锰氧化的火焰，发红），表明炉内温度已较高，头批渣料也已化好，可适当提前加入二批渣料；反之，若碳火焰迟迟上不来，说明开吹以来温度一直偏低，则应适当压枪，加强各元素的氧化，提高熔池温度，而后再加二批渣料。 （2）吹炼中期 可据炉口火焰的亮度及冷却水（氧枪进出水）的温差来判断炉内温度的高低，若熔池温度偏高，可加少量矿石；反之，压枪提温，一般可挽回10～20℃。 （3）吹炼末期 接近终点（据耗氧量及吹氧时间判断）时，停吹测温，并进行相应调整：若温高，加石灰降之：高出度数×136/石灰的冷却效应。若温低，加Fe－Si并点吹提之：1kgSi75氧化放热1×0.75×17807=13352kJ，例如，30吨钢液提温10℃需加Si75：300×10×136/13352≈30kg。