转炉炼钢工艺流程

这种炼钢法使用的氧化剂是氧气。把空气鼓入熔融的生铁里，使杂质硅、锰等氧化。在氧化的过程中放出大量的热量 （含1%的硅可使生铁的温度升高200摄氏度），可使炉内达到足够高的温度。因此转炉炼钢不需要另外使用燃料。

转炉炼钢是在转炉里进行。转炉的外形就像个梨，内壁有耐火砖，炉侧有许多小孔（风口），压缩空气从这些小孔里吹炉内，又叫做侧吹转炉。开始时，转炉处于水平，向内注入1300摄氏度的液态生铁，并加入一定量的生石灰，然后鼓入空气并转动转炉使它直立起来。这时液态生铁表面剧烈的反应，使铁、硅、锰氧化 (FeO,SiO2 , MnO,) 生成炉渣，利用熔化的钢铁和炉渣的对流作用，使反应遍及整个炉内。几分钟后，当钢液中只剩下少量的硅与锰时，碳开始氧化，生成一氧化碳（放热）使钢液剧烈沸腾。炉口由于溢出的一氧化炭的燃烧而出现巨大的火焰。最后，磷也发生氧化并进一步生成磷酸亚铁。磷酸亚铁再跟生石灰反应生成稳定的磷酸钙和硫化钙，一起成为炉渣。



当磷与硫逐渐减少，火焰退落，炉口出现四氧化三铁的褐色蒸汽时，表明钢已炼成。这时应立即停止鼓风，并把转炉转到水平位置，把钢水倾至钢水包里，再加脱氧剂进行脱氧。整个过程只需15分钟左右。如果空气是从炉低吹入，那就是低吹转炉。





随着制氧技术的发展，现在已普遍使用氧气顶吹转炉 （也有侧吹转炉）。这种转炉吹如的是高压工业纯氧，反应更为剧烈，能进一步提高生产效率和钢的质量。

















转炉一炉钢的基本冶炼过程。顶吹转炉冶炼一炉钢的操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/(t·min)；120t以上的转炉一般为2.8-3.6m3/(t·min)。



◆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。

炼钢学概述

基本要求：理解炼钢的任务；了解对原材料的要求；了解耐火材料的分类和各自用途。



重点与难点：炼钢的任务；原材料主要质量指标；炼钢用耐火材料。



第一节          概 述



一、钢与生铁的区别及发展历程：



首先是碳的含量，理论上一般把碳含量小于2.11%称之钢，它的熔点在1450-1500℃，而生铁的熔点在1100-1200℃。



在钢中碳元素和铁元素形成Fe3C固熔体，随着碳含量的增加，其强度、硬度增加，而塑性和冲击韧性降低。



钢的应用前景：钢具有很好的物理、化学性能与力学性能，可进行拉、压、轧、冲、拔等深加工，其用途十分广泛。



用途不同对钢的性能要求也不同，从而对钢的生产也提出了不同的要求。石油、化工、航天航空、交通运输、农业、国防等许多重要的领域均需要各种类型的大量钢材，我们的日常生活更离不开钢。总之，钢材仍将是21世纪用途最广的结构材料和最主要功能材料。



炼钢方法（1）



最早出现的炼钢方法是1740年出现的坩埚法，它是将生铁和废铁装入由石墨和粘土制成的坩埚内，用火焰加热熔化炉料，之后将熔化的炉料浇成钢锭。此法几乎无杂质元素的氧化反应。



炼钢方法（2）



1856年英国人亨利·贝塞麦发明了酸性空气底吹转炉炼钢法，也称为贝塞麦法，第一次解决了用铁水直接冶炼钢水的难题，从而使炼钢的质量得到提高，但此法要求铁水的硅含量大于0.8%，而且不能脱硫。目前已淘汰。



炼钢方法（3）



1865年德国人马丁利用蓄热室原理发明了以铁水、废钢为原料的酸性平炉炼钢法，即马丁炉法。1880年出现了第一座碱性平炉。由于其成本低、炉容大，钢水质量优于转炉，同时原料的适应性强，平炉炼钢法一时成为主要的炼钢法。



炼钢方法（4）



1878年英国人托马斯发明了碱性炉衬的底吹转炉炼钢法，即托马斯法。他是在吹炼过程中加石灰造碱性渣，从而解决了高磷铁水的脱磷问题。当时，对西欧的一些国家特别适用，因为西欧的矿石普遍磷含量高。但托马斯法的缺点是炉子寿命底，钢水中氮的含量高。



炼钢方法（5）



1899年出现了完全依靠废钢为原料的电弧炉炼钢法(EAF)，解决了充分利用废钢炼钢的问题，此炼钢法自问世以来，一直在不断发展，是当前主要的炼钢法之一，由电炉冶炼的钢目前占世界总的钢的产量的30-40%。



炼钢方法（6）



瑞典人罗伯特·杜勒首先进行了氧气顶吹转炉炼钢的试验，并获得了成功。1952年奥地利的林茨城(Linz)和多纳维兹城(Donawitz)先后建成了30吨的氧气顶吹转炉车间并投入生产，所以此法也称为LD法。美国称为BOF法（Basic Oxygen Furnace）或BOP法，如图1所示。









图1  BOF法



炼钢方法（7）



1965年加拿大液化气公司研制成双层管氧气喷嘴，1967年西德马克西米利安钢铁公司引进此技术并成功开发了底吹氧转炉炼钢法，即OBM法(Oxygen Bottom Maxhuette) 。1971年美国钢铁公司引进OBM法，1972年建设了3座200吨底吹转炉，命名为Q-BOP (Quiet BOP) ，如图2所示。









图2  Q-BOP法



炼钢方法（8）



在顶吹氧气转炉炼钢发展的同时，1978-1979年成功开发了转炉顶底复合吹炼工艺，即从转炉上方供给氧气（顶吹氧），从转炉底部供给惰性气体或氧气，它不仅提高钢的质量，而且降低了炼钢消耗和吨钢成本，更适合供给连铸优质钢水，如图3所示。









图3  转炉顶底复合吹炼法



炼钢方法（9）



我国首先在1972-1973年在沈阳第一炼钢厂成功开发了全氧侧吹转炉炼钢工艺。并在唐钢等企业推广应用，如图4所示。









图4  全氧侧吹转炉炼钢法



总之，炼钢技术经过200多年的发展，技术水平、自动化程度得到了很大的提高，21世纪炼钢技术会面临更大的挑战，相信会有不断的新技术涌现。



二、我国钢铁工业的状况



我国很早就掌握了炼铁的冶炼技术，东汉时就出现了冶炼和锻造技术，南北朝时期就掌握了灌钢法，曾在世界范围内处于领先地位。但旧中国钢铁工业非常落后，产量很低，从1890年建设的汉阳钢铁厂至1948年的半个世纪中，钢产量累计到200万吨，1949年只有15.8万吨。



新中国成立后，特别是改革开放以来，我国的钢铁事业得到迅速发展，1980年钢产量达到3712万吨，1990年达到6500万吨，1996年首次突破1亿吨大关，成为世界第一产钢大国，2005年产量达到3.4亿吨，占世界产量的1/3。



可以这样讲，我国的钢铁工业对世界产生了重要影响，我国不仅是产钢大国，而且已经开始迈入钢铁强国的行列，如图5所示。









图5  我国粗钢产量的变化情况



第二节 炼钢的任务及钢的分类



一、炼钢的任务



炼钢的基本任务是脱碳、脱磷、脱硫、脱氧，去除有害气体和非金属夹杂物，提高温度和调整成分。归纳为：“四脱”（碳、氧、磷和硫），“二去”（去气和去夹杂），“二调整”（成分和温度）。采用的主要技术手段为：供氧，造渣，升温，加脱氧剂和合金化操作。



（一）钢中的磷



对于绝大多数钢种来说磷是有害元素。钢中磷的含量高会引起钢的 “冷脆”，即从高温降到0℃以下，钢的塑性和冲击韧性降低，并使钢的焊接性能与冷弯性能变差。



磷是降低钢的表面张力的元素，随着磷含量的增加，钢液的表面张力降低显著，从而降低了钢的抗裂性能。



磷是仅次于硫在钢的连铸坯中偏析度高的元素，而且在铁固熔体中扩散速率很小，因而磷的偏析很难消除，从而严重影响钢的性能，所以脱磷是炼钢过程的重要任务之一。磷在钢中是以[Fe3P]或[Fe2P]形式存在，但通常是以[P]来表达。炼钢过程的脱磷反应是在金属液与熔渣界面进行的。



不同用途的钢对磷的含量有严格要求：



非合金钢中普通质量级钢 [P]≤0.045%； 



优质级钢                                [P]≤0.035%；



特殊质量级钢                        [P]≤0.025%；



有的甚至要求                        [P]≤0.010%。



但对于某些钢种，如炮弹钢，耐腐蚀钢则需添加一定的P元素。



（二）钢中的硫



硫对钢的性能会造成不良影响，钢中硫含量高，会使钢的热加工性能变坏，即造成钢的“热脆”性。           



硫在钢中以FeS的形式存在，FeS的熔点为1193℃，Fe与FeS组成的共晶体的熔点只有985℃。液态Fe与FeS虽可以无限互溶，但在固熔体中的溶解度很小，仅为0.015%-0.020%。



当钢中的[S]＞0.020%时，由于凝固偏析，Fe-FeS共晶体分布于晶界处，在1150-1200℃的热加工过程中，晶界处的共晶体熔化，钢受压时造成晶界破裂，即发生“热脆”现象。



如果钢中的氧含量较高，FeS与FeO形成的共晶体熔点更低（940℃），更加剧了钢的“热脆”现象的发生。



锰可在钢凝固范围内生成MnS和少量的FeS，纯MnS的熔点为1610℃，共晶体FeS-MnS（占93.5%）的熔点为1164℃，它们能有效地防止钢热加工过程的“热脆”。



冶炼一般钢种时要求将[Mn]控制在0.4%-0.8%。在实际生产中还将[Mn]/[S]比作为一个指标进行控制，[Mn]/[S]对钢的热塑性影响很大。从低碳钢高温下的拉伸实验发现提高[Mn]/[S]比可以提高钢的热延展性。一般[Mn]/[S]≥7时不产生热脆，如图6所示。









图6  [Mn]/[S]比对低碳钢热延展性的影响



硫还会明显降低钢的焊接性能，引起高温龟裂，并在焊缝中产生气孔和疏松，从而降低焊缝的强度。硫含量超过0.06%时，会显著恶化钢的耐蚀性。硫还是连铸坯中偏析最为严重的元素。



不同钢种对硫含量有严格的规定：



非合金钢中普通质量级钢  [S]≤0.045%



优质级钢                                [S]≤0.035%，



特殊质量级钢                      [S]≤0.025%



有的钢种要求如管线钢      [S]≤0.005%，甚至更低。



对于某些钢种，如易切削钢，硫则作为合金元素加入，要求[S]=0.08%-0.20%。



（三）钢中的氧



在吹炼过程中，向熔池供入了大量的氧气，到吹炼终点时，钢水中含有过量的氧，即钢中实际氧含量高于平均值。



若不脱氧，在出钢、浇铸中，温度降低，氧溶解度降低，促使碳氧反应，钢液剧烈沸腾，使浇铸困难，得不到正确凝固组织结构的连铸坯。



钢中氧含量高，还会产生皮下气泡，疏松等缺陷，并加剧硫的热脆作用。在钢的凝固过程中，氧将会以氧化物的形式大量析出，会降低钢的塑性，冲击韧性等加工性能。



一般测定的是钢中的全氧，即氧化物中的氧和溶解的氧之和，在使用浓差法定氧时才是测定钢液中溶解的氧，在铸坯或钢材中取样时是全氧样。



脱氧的任务：



根据具体的钢种，将钢中的氧含量降低到所需的水平，以保证钢水在凝固时得到合理的凝固组织结构；



使成品钢中非金属夹杂物含量最少，分布合适，形态适宜，以保证钢的各项性能指标，得到细晶结构组织。



常用的脱氧剂有Fe-Mn，Fe-Si，Mn-Si，Ca-Si等合金。



（四）钢中的气体



钢液中的气体会显著降低钢的性能，而且容易造成钢的许多缺陷。钢中气体主要是指氢与氮，它们可以溶解于液态和固态纯铁和钢中。



氢在固态钢中溶解度很小，在钢水凝固和冷却过程中，氢会和CO、N2等气体一起析出，形成皮下气泡中心缩孔、疏松、造成白点和发纹。



钢热加工过程中，钢中含有氢气的气孔会沿加工方向被拉长形成微裂纹，进而引起钢材的强度、塑性、冲击韧性的降低，即发生“氢脆”现象。



在钢材的纵向断面上，呈现出圆形或椭圆形的银白色斑点称之为“白点”，实为交错的细小裂纹。主要原因是钢中的氢在小孔隙中析出的压力和钢相变时产生的组织应力的综合力超过了钢的强度，产生了“白点”。一般白点产生的温度低于2000℃。



钢中的氮是以氮化物的形式存在，它对钢质量的影响体现出双重性。氮含量高的钢种长时间放置，将会变脆，这一现象称为“老化”或“时效”。原因是钢中氮化物的析出速度很慢，逐渐改变着钢的性能。低碳钢产生的脆性比磷还严重。



钢中氮含量高时，在250-4500℃温度范围，其表面发蓝，钢的强度升高，冲击韧性降低，称之为“蓝脆”。氮含量增加，钢的焊接性能变坏。



钢中加入适量的铝，可生成稳定的AlN，能够压抑Fe4N生成和析出，不仅改善钢的时效性，还可以阻止奥氏体晶粒的长大。氮可以作为合金元素起到细化晶粒的作用。在冶炼铬钢，镍铬系钢或铬锰系等高合金钢时，加入适量的氮，能够改善塑性和高温加工性能。



（五）钢中的夹杂



钢中非金属夹杂按来源分可以分成外来夹杂和内生夹杂。



外来夹杂是指冶炼和浇铸过程中，带入钢液中的炉渣和耐火材料以及钢液被大气氧化所形成的氧化物。内生夹杂包括：脱氧时的脱氧产物；钢液温度下降时，硫、氧、氮等杂质元素溶解度下降而以非金属夹杂形式出现的生成物；凝固过程中因溶解度降低、偏析而发生反应的产物；固态钢相变溶解度变化生成的产物。



钢中大部分内生夹杂是在脱氧和凝固过程中产生的。根据成分不同，夹杂物可分为：



氧化物夹杂，即 FeO、MnO、SiO2、Al2O3、Cr2O3等简单的氧化物；



FeO-Fe2O3、FeO-Al2O3、MgO-Al2O3等尖晶石类和各种钙铝的复杂氧化物；



2FeO-SiO2、2MnO-SiO2、3MnO-Al2O3-2SiO2等硅酸盐；



硫化物夹杂，如FeS、MnS、CaS等；



氮化物夹杂，如AlN、TiN、ZrN、VN、BN等。



按加工性能，夹杂物可分为：塑性夹杂，它是在热加工时，沿加工方向延伸成条带状；脆性夹杂，它是完全不具有塑性的夹杂物，如尖晶石类型夹杂物，熔点高的氮化物；点状不变性夹杂，如SiO2超过70%的硅酸盐，CaS、钙的铝硅酸盐等。



由于非金属夹杂对钢的性能产生严重的影响，因此在炼钢、精炼和连铸过程应最大限度地降低钢液中夹杂物的含量，控制其形状、尺寸。



（六）钢中的合金成分



碳（C）



炼钢的重要任务之一就是要把熔池中的碳氧化脱除至所炼钢钟的要求。从钢的性质可看出碳也是重要的合金元素，它可以增加钢的强度和硬度，但对韧性产生不利影响。



钢中的碳决定了冶炼、轧制和热处理的温度制度。



碳能显著改变钢的液态和凝固性质，在1600℃，[C]≤0.8%时，每增0.1%的碳



    ◆钢的熔点降低6.50℃



    ◆密度减少4kg/m3



    ◆黏度降低0.7%



    ◆[N]的溶解度降低0.001%



    ◆[H]的溶解度降低0.4 cm3/100g



    ◆增大凝固区间17.79℃ 。



锰(Mn)



锰的作用是消除钢中硫的热脆倾向，改变硫化物的形态和分布以提高钢质；



锰是一种非常弱的脱氧剂，在碳含量非常低、氧含量很高时，可以显示出脱氧作用，协助脱氧，提高他们的脱氧能力；



锰还可以略微提高钢的强度，并可提高钢的淬透性能，稳定并扩大奥氏体区，常作为合金元素生成奥氏体不锈钢、耐热钢等。



硅 (Si)



硅是钢中最基本的脱氧剂。普通钢中含硅在0.17%-0.37%，1450℃钢凝固时，能保证钢中与其平衡的氧小于与碳平衡的量，抑制凝固过程中CO气泡的产生。



生产沸腾钢时，[Si]为0.03%-0.07%，[Mn]为0.25%-0.70%，它只能微弱控制C-O反应。



硅能提高钢的机械性能，增加了钢的电阻和导磁性。



硅对钢液的性质影响较大，1600℃纯铁中每增加1%的硅：



    ◆碳的饱和溶解度降低0.294%



    ◆铁的熔点降低8℃



    ◆密度降低80kg/m3



    ◆[N]的饱和溶解度降低0.003%



    ◆[H]降低1.4cm3/100g



    ◆钢的凝固区间增加10℃，钢液的收缩率提高2.05%。



铝(Al)



铝是终脱氧剂，生产镇静钢时，[Al]多在0.005%-0.05%，通常为0.01%-0.03%。钢中铝的加入量因氧量而异，对高碳钢应少加些，而低碳钢则应多加，加入量一般为:0.3-1.0kg/t钢。



铝加到钢中将与氧发生反应生成Al2O3，在出钢、镇静和浇铸时生成的Al2O3大部分上浮排除，在凝固过程中大量细小分散的Al2O3还能促进形成细晶粒钢。铝是调整钢的晶粒度的有效元素，它能使钢的晶粒开始长大并保持到较高的温度。



二、钢的分类



按化学成分分类：按是否加入合金元素可钢分为把碳素钢和合金钢两大类。



碳素钢是指钢中除含有一定量为了脱氧而加入硅（一般≤0.40%）和锰（一般≤0.80%）等合金元素外，不含其他合金元素的钢。根据碳含量的高低又可分成低碳钢（[C]≤0.25%），中碳钢(0.25%≤[C]≤0.60%)和高碳钢([C]>0.60%)。



合金钢是指钢中除含有硅和锰作为合金元素或脱氧元素外，还含有其他合金元素乳铬、镍、钼、钛、钒、铜、钨、铝、钴、铌、锆和稀土元素等，有的还含有某些非金属元素如硼、氮等的钢。



根据钢中合金元素含量的多少，又可分为低合金钢，中合金钢和高合金钢。一般合金元素总含量小于3%的为普通低合金钢，总含量为3%～5%的为低合金钢，大于10%的叫高合金钢，总含量介于5%～10%之间为中合金钢。



按钢中所含有的主要合金元素不同可分为锰钢、硅钢、硼钢、铬镍钨钢、铬锰硅钢等。



按冶炼方法和质量水平分类：



按炼钢炉设备不同可分为转炉钢、电炉钢、平炉钢。其中电炉钢包括电弧炉钢、感应炉钢、电渣钢、电子束熔炼及有关的真空熔炼钢等。



按脱氧程度不同可分为沸腾钢（不经脱氧或微弱脱氧）、镇静钢（脱氧充分）和半镇静钢（脱氧不完全，介于镇静钢和沸腾钢之间）。



按质量水平不同可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。



按用途分类，分为三大类：结构钢，工具钢，特殊性能钢。



结构钢是目前生产最多、使用最广的钢种，它包括碳素结构钢和合金结构钢，主要用于制造机器和结构的零件及建筑工程用的金属结构等。碳素结构钢是指用来制造工程结构件和机械零件用的钢，其硫、磷等杂质含量比优质钢高些，一般[S]≤0.055%，[P]≤0.045%，优质碳素钢[S]和[P]均≤0.040%。碳素结构钢的价格最低，工艺性能良好，产量最大，用途最广。



合金结构钢是在优质碳素结构钢的基础上，适当地加入一种或数种合金元素，用来提高钢的强度、韧性和淬透性。合金结构钢根据化学成分（主要指含碳量）热处理工艺和用途的不同，又可分为渗碳钢、调质钢和氮化钢。 



渗碳钢指用低碳结构钢制成零部件，经表面化学处理，淬火并低温回火后，使零件表面硬度高而心部韧性好，既耐磨又能承受高的交变负荷或冲击负荷。



调质钢的含碳量大于0.25%，所制成的零件经淬火和高温回火调质处理后，可得到适当的高强度与良好的韧性。



氮化钢一般是指以中碳合金结构钢制成零件，先经过调质或表面火焰淬火、高频淬火处理，获得所需要的力学性能，最后再进行氮化处理，以进一步改善钢的表面耐磨性能。



工具钢，包括碳素工具钢和合金工具钢及高速钢。



碳素工具钢的硬度主要以含碳量的高低来调整（0.65%≤[C]≤1.30%），为了提高钢的综合性能，有的钢中加入0.35%～0.60%的锰。



合金工具钢不仅含有很高碳，有的高达2.30%，而且含有较高的铬（达13%）、钨（达9%）、钼、钒等合金元素，这类钢主要用于各式模具。



高速工具钢除含有较高的碳（1%左右）外，还含有很高的钨（有的高达19%）和铬、钒、钼等合金元素，具有较好的赤热硬性。



特殊性能钢，指的是具有特殊化学性能或力学性能的钢，如轴承钢、不锈钢、弹簧钢、高温合金钢等。



轴承钢是指用于制造各种环境中工作的各类轴承圈和滚动体的钢，这类钢含碳1%左右，含铬最高不超过1.65%，要求具有高而均匀的硬度和耐磨性，内部组织和化学成分均匀，夹杂物和碳化物的数量及分布要求高。



不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液，或其他腐蚀介质中具有一定化学稳定性的钢的总称。耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀的称为不锈钢，耐酸、碱和盐等强介质腐蚀的钢称为耐腐蚀钢。不锈钢具有不锈性，但不一定耐腐蚀，而耐腐蚀钢则一般都具有较好的不锈性。



根据化学成分不同，可分为马氏体不锈钢(13%Cr钢为代表)，铁素体不锈钢(18%Cr钢为代表)，奥氏体不锈钢(18%Cr-8%Ni钢代表)和双相不锈钢。



弹簧钢主要含有硅、锰、铬合金元素，具有高的弹性极限、高的疲劳强度以及高的冲击韧性和塑性，专门用于制造螺旋簧及其他形状弹簧，对钢的表面性能及脱碳性能的要求比一般钢更为严格。



高温合金指的是在应力及高温同时作用下，具有长时间抗蠕变能力与高的持久强度和高的抗蚀性的金属材料，常用的有铁基合金、镍基合金、钴基合金，还有铬基合金、钼基合金及其他合金等。高温合金主要用于制造燃汽轮机、喷气式发动机等高温下工作零部件。



思考题：



1、炼钢的基本任务是什么，通过哪些手段实现？



2、磷和硫对钢产生哪些危害？



3、实际生产中为什么要将[Mn]/[S]比作为一个指标进行控制？



4、氢和氮对钢产生哪些危害？



5、外来夹杂和内生夹杂的含义是什么？

基本要求：了解转炉的吹炼过程；掌握氧气射流对熔池的物理化学作用；掌握顶吹转炉的各项操作制度；掌握复吹转炉的冶金特点；了解转炉自动控制。



重点与难点：顶吹转炉的各项操作制度；复吹转炉的冶金特点。

第一节 炼钢用原材料



原材料是炼钢的基础，原材料的质量和供应条件对炼钢生产的各项技术经济指标产生重要影响。



对炼钢原料的基本要求：既要保证原料具有一定的质量和相对稳定的成分，又要因地制宜充分利用本地区的原料资源，不宜苛求。炼钢原料分为金属料，非金属料和气体。



● 金属料：铁水、废钢、合金钢



● 非金属料：造渣剂（石灰、萤石、铁矿石）、冷却剂（废钢、铁矿石、氧化铁、烧结矿、球团矿）、增碳剂和燃料（焦炭、石墨籽、煤块、重油）



● 氧化剂：氧气、铁矿石、氧化铁皮



入炉原料结构是炼钢进程及各项指标结构产生重要影响：



◆钢铁料结构，即铁水和废钢及废钢种类的合理分配；



◆造渣料结构，即石灰、白云石、萤石、铁矿石等的配比制度；



◆充分发挥各种炼钢原料的功能使用效果，即钢铁料和选渣料的合理利用。



一、金属料



（一）铁 水



铁水是转炉炼钢的主要原材料，一般占装入量的70%-100%，是转炉炼钢的主要热源，如图1所示。



对铁水要求有：

（1）成分；（2）带渣量；（3）温度。



1）硅（Si）



是重要的发热元素，铁水中含Si量高，炉内的化学热增加，铁水中Si量增加0.10%，废钢的加入量可提高1.3%-1.5%。



铁水含Si量高，渣量增加，有利于脱磷、脱硫。



硅含量过高会使渣料和消耗增加，易引起喷溅，金属收得率降低，同时渣中过量的SiO2，也会加剧对炉衬的侵蚀，影响石灰渣化速度，延长吹炼时间。通常铁水中的硅含量为0.30%-0.60%为宜。 



2）锰（Mn）



锰是发热元素，铁水中Mn氧化后形成的MnO能有效促进石灰溶解，加快成渣，减少助熔剂的用量和炉衬侵蚀。同时铁水含Mn高，终点钢中余锰高，从而可以减少合金化时所需的锰铁合金，有利提高钢水纯净度。



转炉用铁水对锰与硅比值要求为0.8-1.0，目前使用较多的为低锰铁水，锰的含量为0.20%-0.80%。



3）磷（P）。磷是高发热元素，对一般钢种来说是有害元素，因此要求铁水磷含量越低越好，一般要求铁水[P]≤0.20%。



4）硫（S）。除了含硫易切削以外，绝大多数钢种要求去除硫这一有害元素。氧气转炉单渣操作的脱硫效率只有30%-40%。我国炼钢技术规程要求入炉铁水的硫含量不超过0.05%。



对铁水带渣量的要求：



高炉渣中含硫、SiO2、和Al2O3量较高，过多的高炉渣进入转炉内会导致转炉钢渣量大，石灰消耗增加，造成喷溅，降低炉衬寿命，因此，进入转炉的铁水要求带渣量不得超过0.5%。



对铁水温度的要求：



铁水温度是铁水含物理量多少的标志，铁水物理热得占转炉热收入的50%。应努力保证入炉铁水的温度，保证炉内热源充足和成渣迅速。我国炼钢规定入炉铁水温度应大于1250℃，并且要相对稳定。



转炉和电炉炼钢均使用废钢，如图2所示。氧气顶吹转炉用废钢量一般是总装入量的10%-30%。废钢分为一般废钢、轧辊、次废铁、车等。



（二）转炉炼钢对废钢的要求：



1)废钢的外形尺寸和块度应保证能从炉口顺利加入转炉。废钢的长度应小于转炉口直径的1/2，废钢单重一般不应超过300kg。国标要求废钢的长度不大于1000mm，最大单件重量不大于800kg。



2）废钢中不得混有铁合金，严禁混入铜、锌、铅、锡等有色金属和橡胶，不得混有封闭器皿、爆炸物和易燃易爆品以及有毒物品。废钢的硫、磷含量均不大于0.050%。



3）废钢应清洁干燥不得混有泥沙，水泥，耐火材料，油物等。



4）不同性质的废钢分类存放。



非合金钢、低合金钢废钢可混放在一起，不得混有合金废钢和生铁。合金废钢要单独存放，以免造成冶炼困难，产生熔炼废品或造成贵重合金元素的浪费。



（三）转炉炼钢对铁合金的要求：



1）生铁



主要在电炉炼钢中使用，其主要目的在于提高炉料或钢中的碳含量，并解决废钢或重料来源不足的困难。由于生铁中含碳及杂质较高，因此电炉钢炉料中生铁配比通常为10%-25%，最高不超过30%。



电炉炼钢对生铁的质量要求较高，一般S、P含量要低，Mn不能高于2.5%，Si不能高于1.2%。



2）海绵铁



海绵铁是用氢气或其他还原性气体还原精铁矿而得。一般是将铁矿石装入反应器中，通入氢气或CO气体或使用固体还原剂，在低于铁矿石软化点以下的温度范围内反应，不生成铁水，也没有熔渣，仅把氧化铁中的氧脱掉，从而获得多孔性的金属铁即海绵铁。



海绵铁中金属铁含量较高，S、P含量较低，杂质较少。电炉炼钢直接采用海绵铁代替废钢铁料，不仅可以解决钢铁料供应不足的困难，而且可以大大缩短冶炼时间，提高电炉钢的生产率。此外，以海绵铁为炉料还可以减少钢中的非金属夹杂物及氮含量。由于海绵铁具有较强的吸水能力，因此使用前须保持干燥或以红热状态入炉。



3）铁合金



常用的铁合金种类：



◆ 简单合金：Fe-Mn，Fe-Si，Fe-Cr，Fe-V， Fe-Ti，Fe-Mo，Fe-W等



◆复合脱氧剂：Ca-Si合金，Al-Mn-Si合金，Mn-Si合金，Cr-Si合金，Ba-Ca-Si合金，Ba-Al-Si合金等



◆纯金属：Mn、Ti（海绵Ti）、Ni、Al。



1）对块要求



加入钢包中的尺寸为5-50mm，加入炉中的尺寸为30-200mm。往电炉中加Al时常将其化成铝饼，用铁杆穿入插入钢液。



2）烘烤温度



锰铁、铬铁、硅铁应≥800℃，烘烤时间应＞2小时；钛铁、钒铁、钨铁加热近200℃ ，时间大于1小时。



二、非金属料



（一）造渣剂



1）石灰



碱性炼钢方法的造渣料，主要成分为CaO，由石灰石煅烧而成，是脱P、脱S不可缺少的材料，用量比较大。



其质量好坏对吹炼工艺、产品质量和炉衬寿命等产生主要影响。因此，石灰CaO含量高，SiO2和S 含量低，生过烧率低，活性高，块度适中，此外，石灰还应保持清洁、干燥和新鲜。



对石灰的具体要求：

对转炉石灰块度为20-50mm，电炉为20-60mm



石灰的活度也称水活度是石灰反应能力的标志，也是衡量石灰质量的重要参数。常用盐酸滴定法来测量水活性，当盐酸消耗大于300ml时才属优质活性石灰。通常把在1050-1150℃温度下焙烧的石灰，具有高反应能力的体积密度小，气孔率高，比表面积大，晶粒细小的优质石灰叫活性石灰，也称软性石灰。



活性石灰的水活性度大于310ml，体积密度1.7-2.0g/㎝3，气孔率高达40%，比表面积为0.5-1.3cm2/g。活性石灰能减少石灰、萤石消耗量和转炉渣量，有利于提高脱S，脱P效果，减少转炉热损失和对炉衬的侵蚀。



2）萤石



萤石的主要成分是 CaF2，焙烧约930℃。萤石能使CaO和阻碍石灰溶解的2CaO·SiO2外壳的熔点显著降低，生成低熔点3CaO·CaF2·2SiO2（熔点1362℃），加速石灰溶解，迅速改善炉渣动性。



萤石助熔的特点是作用快，时间短。但大量使用萤石会增加喷溅，加剧炉衬侵蚀，污染环境。转炉用萤石要求:





块度在5-50mm，且要干燥，清洁。近年来，萤石供应不足，各钢厂从环保角度考虑，使用多种萤石代用品，如铁锰矿石，氧化铁皮，转炉烟尘，铁矾土等。 



3）白云石



白云石的主要成分CaCO3·MgCO3。经焙烧可成为轻烧白云石，其主要成分为CaO·MgO。转炉采用生白云石或轻烧白云石代替部分石灰造渣。可减轻炉渣对炉衬的侵蚀，提高炉衬寿命具有明显效果。



溅渣护炉操作时，通过加入适量的生白云石或轻烧白云石保持渣中的MgO含量达到饱和或过饱和，使终渣能够做黏，出钢后达到溅渣的要求。对生白云石的要求: 





4）火砖块



火砖块是浇铸系统的废弃品，它的作用是改善熔渣的流动性，特别是对含MgO高的熔渣，稀释作用优于萤石。火砖块中含有约30%的Al2O3，易使熔渣起泡并具有良好的透气性。但火砖块中还含有55%—70%的SiO2，能大大降低熔渣的碱度及氧化能力，对脱磷、脱硫极为不利。



因此，在电炉炼钢的氧化期应绝对禁用。在还原期要适量少用，只用在冶炼不锈钢或高硫钢时才稍用多一些。



5）合成造渣剂



合成造渣剂是用石灰加入适量的氧化铁皮、萤石、氧化锰或其他氧化物等熔剂，在低温下预制成型。合成渣剂熔点低、碱度高、成分均匀、粒度小，且在高温下易碎裂，成渣速度快，因而改善了冶金效果，减轻了转炉造渣负荷。



高碱度烧结矿或球团矿也可做合成造渣剂使用，其化学成分和物理性能稳定，造渣效果良好。



三、增碳剂



在冶炼过程中，由于配料或装料不当以及脱碳过量等原因，有时造成钢中碳含量没有达到预期的要求，这时要向钢液中增碳。常用的增碳剂有增碳生铁、电极粉、石油焦粉、木炭粉和焦炭粉。



转炉冶炼中，高碳钢种时，使用含杂质很少的石油焦作为增碳剂。对顶吹转炉炼钢用增碳剂的要求是固定碳要高，灰分，挥发分和硫，磷，氮等杂质含量要低，且干燥，干净，粒度适中。其固定碳C≥96%，挥发分≤1.0%，S≤0.5%，水分≤0.5%，粒度在1-5mm。



四、氧化剂



氧气是转炉炼钢的主要氧化剂，其纯度达到或超过99.5%，氧气压力要稳定，并脱除水分。铁矿石中铁的氧化物存在形式是Fe2O3、Fe3O4和FeO其氧含量分别是30.06%，27.64%和22.28%。在炼钢温度下，Fe2O3不稳定，在转炉中较少使用。铁矿石作为氧化剂使用要求高（全铁>56%），杂质量少，块度合适。



氧化铁亦称铁磷，是钢坯加热，轧制和连铸过程中产生的氧化壳层，铁量约占70%-75%。氧化铁皮还有助于化渣和冷却作用，使用时应加热烘烤，保持干燥。



思 考 题



1、转炉和电炉炼钢用的原材料各有哪些？



2、转炉炼钢对铁水成分和温度有何要求？



3、什么是活性石灰，它有哪些特点？



4、萤石在炼钢中起什么作用？



5、什么是合成造渣剂？它有何作用？



第二节 氧气转炉炼钢



◆按炉衬耐火材料性质—碱性转炉和酸性转炉; ◆按供入氧化性气体种类—空气和氧气转炉;



◆按供气部位—顶吹、底吹、侧吹及复合吹转炉; ◆按热量来源—自供热和外加热燃料转炉。



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。



 



图3  自供热转炉的发展演变过程





图4  由传统供热向外加燃料联合供热转炉的发展演变过程



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。







图5  吹炼一炉钢过程中金属、炉渣成分的变化



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/(t·min)；120t以上的转炉一般为2.8-3.6m3/(t·min)。



◆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)=( 2FeO·SiO2)



随着吹炼的进行石灰逐渐溶解，2FeO·SiO2转变为2CaO·SiO2，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2CaO·SiO2，[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)=MnO·SiO2



余锰或残锰：



锰的氧化产物是碱性氧化物，在吹炼前期形成(MnO·SiO2)。但随着吹炼的进行和渣中CaO含量的增加，会发生



（MnO·SiO2)+2（CaO）=（2 CaO·SiO2）+（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，单渣操作，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。





图6  转炉内碳氧反应速度变化



（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，具有操作灵活的特点。



（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。





图7  炉钢的吹氧



转炉一炉钢的基本冶炼过程。顶吹转炉冶炼一炉钢的操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/(t·min)；120t以上的转炉一般为2.8-3.6m3/(t·min)。



◆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、原材料质量和操作水平等。



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、连铸机的操作等相适应。



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/m3·t-1

1.05

0.97

0.86

0.91

0.90

0.84

0.97





装料操作：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。





图8  吹炼一炉钢过程中金属、炉渣成分的变化



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操作，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。





图9  拉瓦尔型喷孔示意图



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（slag foaming）。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%；10-12 min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/(t·min)。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/(t·min)，120t以上的转炉一般为2.8-3.6m3/(t·min)。



3）供氧操作



供氧操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操作。



供氧操作分为恒压变枪、恒枪变压和分阶段恒压变枪几种方法。国内多采用第三种操作法。



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操作有两种类型，一种是恒压变枪操作，一种是恒枪变压操作。比较而言，恒压变枪操作更为方便、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。



具体操作中，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，因此具体操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-低枪位操作。



（2）铁水成分：铁水硅、磷高时，若采用双渣操作，可先低枪位脱硅、磷，倒掉酸性渣；若单渣操作，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。



恒压变枪操作的几种模式，如图11所示



A  高—低—高的六段式操作：



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—高的五段式操作：



五段式操作的前期与六段式操作基本一致，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。



 

图11  恒压变枪操作的几种模式



C  高一低一高一低的四段式操作：



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操作。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操作。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操作。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CaO·SiO2，3 CaO·2SiO2，2 CaO·SiO2和3 CaO·SiO2等产物，其中最可能和最稳定的是2 CaO·SiO2，其熔点为2103℃。



o              末期渣：RO相急剧增加，生成的3 CaO·SiO2分解为2 CaO·SiO2和CaO，并有2 CaO·Fe2O3生成。





图12  吹炼过程熔池渣的变化



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2 CaO·SiO2（熔点2130℃）和3 CaO·SiO2 (熔点2070℃），则将阻碍石灰的进一步渣化熔解。  如生成CaO·SiO2（熔点1550℃）和3 CaO·SiO2 （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



供氧操作



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。



o              MgO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2 CaO·SiO2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：



o              CaF2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2 CaO·SiO2的熔点,使炉渣在高碱度下有较低的熔化温度；



o              CaF2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，均可以采用单渣操作。采用单渣操作，工艺比较简单，吹炼时间短，劳动条件好，易于实现自动控制。单渣操作一般脱磷效率在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操作。双渣操作脱磷效率可达95%以上，脱硫效率约60%左右。双渣操作会延长吹炼时间，增加热量损失，降低金属收得率，也不利于过程自动控制。其操作的关键是决定合适的放渣时间。



o              双渣留渣法：将双渣法操作的高碱度、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。采用留渣操作时，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=（%CaO）/（%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=（%CaO）/（%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：单渣操作时，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6 min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2CaO·SiO2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，吹炼操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2CaO·SiO2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。



思考题：



1名词解释：单渣法 双渣法 双渣留渣法



2造渣方法如何选用？采用双渣法时何时倒渣为好？



3石灰用量如何计算？渣料如何加入？



4影响石灰溶解的因素有哪些？



5炉渣严重泡沫化的原因是什么？

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操作。终点控制主要是指终点温度和成分的控制。由于脱磷、脱硫比脱碳操作复杂，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）



  =5360 kJ/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）]



  =1430 kJ/kg



（3）氧化铁皮的冷却效应：计算方法同矿石，对于50%FeO、40%Fe2O3 的氧化铁皮，其冷却热效应为：



q皮=5311 kJ/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=2.93 kg



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≈30 kg。



思考题



1解释名词：冷却效应



2掌握冷却剂用量的调整及测温后温度的调整方法。



八、终点控制



o              终点控制是转炉吹炼末期的重要操作。终点控制主要是指终点温度和成分的控制。由于脱磷、脱硫比脱碳操作复杂，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”。



（一）终点控制的概念：



1）终点：熔池中金属的成分和温度达到所炼钢种要求时，称为终点。



2）终点的条件。吹炼到达终点的具体条件是：



（1）钢中碳达到所炼钢种要求的控制范围；



（2）钢中S、P低于规定下限要求一定范围；



（3）出钢温度保证能顺利进行精炼和浇铸；



（4）达到钢种要求控制的氧含量。



3）终点(碳)的控制



硫、磷的脱除情况比较复杂，因此总是在吹炼过程中提前使之满足要求，这样终点控制就简化为终点温度和终点碳的控制。终点温度的控制前节已作阐述，故在此仅介绍终点碳的控制。



（二）终点碳的控制方法有两种：



1）拉碳法



终点碳：钢种规格-合金增碳量。



控制方式：在实际生产中拉碳法又分为一次拉碳和高拉补吹两种控制方式。转炉吹炼中将钢液的含碳量脱至出钢要求时停止吹氧的控制方式称为一次拉碳法。



冶炼中高碳钢时，将钢液的含碳量脱至高于出钢要求0.2～0.4%时停吹，取样、测温后，再按分析结果进行适当补吹的控制方式称为高拉补吹法。



主要优点：



（1）终渣的（∑FeO）含量较低，金属收得率高，且有利于延长炉衬寿命；



（2）终点钢液的含氧低，脱氧剂用量少，而且钢中的非金属夹杂物少；



（3）冶炼时间短，氧气消耗少。



2）增碳法



定义：吹炼平均含碳量大于0.08%的钢种时，一律将钢液的碳脱至0.05%~0.06%时停吹,出钢时包内增碳至钢种规格要求的操作方法叫做增碳法。



终点碳：0.05%~0.06%。



主要优点：



（1）终点容易命中，省去了拉碳法终点前倒炉取样及校正成分和温度的补吹时间，因而生产率较高；



（2）终渣的（∑FeO）含量高，渣子化得好，去磷率高，而且有利于减轻喷溅和提高供氧强度；



（3）热量收入多，可以增加废钢的用量。



（4）操作稳定，易于实现自动控制。



采用拉碳法的关键在于，吹炼过程中及时、准确地判断或测定熔池的温度和含碳量努力提高一次命中率。而采用增碳法时，则应寻求含硫低、灰分少和干燥的增碳剂。



3）终点的判断



碳含量的判断：常用的判断仪器是热电偶结晶定碳仪，其特点是简单、准确，但速度慢。有前途的是红外、光谱等快速分析仪。生产中多凭经验对钢液含碳量进行判断，常用的方法有看火花、看火焰、看供氧时间和耗氧量。



（1）看火花：吹炼中会从炉口溅出金属液滴，遇空气被氧化而爆裂形成火花并分叉，火花分叉越多，金属含碳越高，当[C]小于0.1%时，爆裂的碳火花几乎不分叉，形成的是小火星。



（2）看火焰：金属含碳量较高时，碳氧反应激烈，炉口的火焰白亮、有力，长且浓密；当含碳量降到0.2%左右时，炉口的火焰稀薄且收缩、发软、打晃。



（3）看供氧时间和耗氧量：生产条件变化不大时，每炉钢的供氧时间和耗氧量也不会有太大的出入，因此，当吹氧时间及耗氧量与上炉接近时，本炉钢也基本到达终点。



4）温度的判断



目前常用插入式热电偶测定钢液的温度，生产中还可以借倒炉的机会观察炉内情况凭经验进行判断。若炉膛白亮、渣面上有火焰和气泡冒出，泡沫渣向外涌动，表明炉温较高；反之，若渣面暗红，没有火焰冒出，则炉温较低。     



5）出钢操作



出钢是转炉炼钢过程的最后一个环节，操作中应注意以下问题：



（1）红包出钢



定义：出钢前将钢包内衬烤至发红达800～1000℃。



目的：减少出钢时的温降，从而降低出钢温度（15～20℃），增加废钢用量（15kg/t），并提高炉龄（150炉次）。



（2）保持适宜的出钢时间



目的：为了减少出钢过程中的钢液吸气（应短些）和有利于所加合金的搅拌均匀（应长些），需要适当的出钢持续时间。



要求：国标规定，50t以下转炉出钢持续时间应为1～4min；50～100t转炉应持续3～6min；100t以上转炉应持续4～8min。



（3）挡渣出钢，如图13所示



目的：减少出钢时的下渣量，提高合金元素的收得率、防止钢液回磷（转炉炼钢多是出钢时在包内进行脱氧合金化）。



方法：目前有挡渣球、挡渣帽、挡渣塞、U型虹吸出钢口、气动挡渣等多种方式，国内使用最多的是挡渣球和挡渣帽。





图13  挡渣示意图



挡渣帽的作用：减少出钢时的前期下渣（转炉出钢时，浮在钢液面上的炉渣将首先流经出钢口，事先将挡渣帽置于出钢口内，挡住炉渣，随后而至的钢液将其冲掉或熔化而进入钢包）。



要求：挡渣帽为圆锥体，其尺寸应与出钢口内径相适应。



材质：目前国内使用的挡渣帽多为铁皮或轻质耐火材料制成。比较而言，前者加工容易，成本也低，但其表面硬而光滑，不易固定在出钢口内，而且熔点低，有时还没等到出钢就熔化了；后者与之相反。



挡渣球的作用：减少出钢时的后期下渣（出钢结束时，正好座在出钢口上挡住炉渣）。



要求：挡渣球的密度要介于钢液与熔渣之间，通常为4.2～5.0kg/cm3，浸入钢液的深度为球的1/3左右，如70图4-4，保证钢水流尽而又能挡住炉渣。



投球的位置:出钢口的正上方。



投球的时间:在出钢结束前1min左右。过晚，挡渣球来不及到达挡渣位置钢液就流完了；过早，会使挡渣球在炉内等待时间过长而损坏，或表面变形而影响挡渣效果。



效果：国内外厂家的使用结果表明，挡渣出钢后，钢包内的渣层厚度由原来的100～150mm减少到40～60mm，钢液的回磷量因此由0.004～0.006%下降到0.002～0.003%；锰的回收率由80～85%提高到85～90%，硅的回收率由70～80%提高到80～90%；夹杂物的废品率由2.3%降低到0.059%；同时，钢包的使用寿命也大幅提高。



注意：挡渣出钢后应向钢包加覆盖渣对钢液进行保温。目前，生产上广泛使用的是炭化稻壳，其密度小、保温性能好，而且浇注完毕不挂包。



思考题：



1 转炉吹炼终点的条件是什么？



2 名词解释：一次拉碳法  高拉补吹法  增碳法



3 挡渣出钢的目的是什么？目前多采用何种挡渣方法？各起什么作用？



九、脱氧及合金化



满足脱氧的要求



满足钢种的要求



有精炼的转炉，作为预脱氧及初步合金化。



合金加入原则：脱氧能力先弱后强，先难熔。



合金加入量(kg) ＝(钢种规格中限％－终点残余成分％)/A



A=(铁合金中合金元素含量％×合金元素收得率％)1000



（一）基本概念



脱氧：向钢液加入某些脱氧元素，脱除其中多余氧的操作。



合金化：加入一种或几种合金元素，使其在钢中的含量达到钢种规格要求的操作。



联系：二者都是向钢液加入铁合金，同时加入钢液的脱氧剂必然会有部分溶于钢液而起合金化的作用，如使用Fe-Si、Fe-Mn脱氧的同时调整钢液的硅锰含量；加入钢液的合金元素，因其与氧的亲和力大于铁也势必有一部分被氧化而起脱氧作用。转炉的脱氧与合金化的操作常常是同时进行的。



合金加入钢液后，其溶解部分与加入总量之比叫做合金的收得率或吸收率。



区别：合金元素的价格通常较高，希望尽量少氧化；脱氧元素则比较便宜，先加入，让其充分脱氧以免后加入的合金元素氧化。



（二）转炉炼钢中的脱氧与合金化



1）脱氧合金化操作



转炉的脱氧合金化操作主要有以下两种：



A．包内脱氧合金化



目前大多数钢种（包括普碳钢和低合金钢）都是采用包内脱氧合金化，即在出钢过程中将全部合金加入到钢包内，同时完成脱氧与合金化两项任务。此法操作简单，转炉的生产率高，炉衬寿命长，而且合金元素收得率高；但钢中残留的夹杂较多，炉后配以吹氩装置后这一情况大为改善。



操作要点：



（1）合金应在出钢1/3时开始加，出钢2/3时加完，并加在钢流的冲击处，以利于合金的熔化和均匀；



（2）出钢过程中尽量减少下渣，并向包内加适量石灰，以减少“回磷”和提高合金的收得率。



B．包内脱氧精炼炉内合金化



冶炼一些优质钢时，钢液必须经过真空精炼以控制气体含量，此时多采用转炉出钢时包内初步脱氧，而后在真空炉内进行脱氧合金化。



真空炉内脱氧合金化的操作要点：W、Ni、Cr、Mo等难熔合金应在真空处理开始时加入，以保证其熔化和均匀，并降低气体含量；而对于B、Ti、V、RE等贵重的合金元素应在处理后期加入，以减少挥发损失。



除此而外，一些厂采用了钢包喂丝技术进行合金化。



2）合金加入量的确定



（1）计算公式：















①  钢液残留：钢液的残Si量一般为0.01～0.02%，称“痕迹”，可以忽略。钢液的残Mn量则与终点碳和造渣方法有关：



终点碳低于0.08%时残锰为铁水含锰量的30%；终点碳高于0.16%时残锰为铁水含锰量的40%；采用双渣法时钢液的残锰为零。



②  合金元素收得率：正确估计合金元素的收得率是完成脱氧合金化任务的关键。对于硅通常为75%左右，而锰则为80%左右，实际生产中的具体数值与下列因素有关：



钢液温度高时合金元素的收得率高（均为吸热反应）；



终点碳高时合金元素的收得率高（[C]高→[O]低）；



加入量大时合金元素的收得率高（[O]一定，合金元素氧化量也一定）；



同时使用两种合金时脱氧能力弱的收得率高；



出钢过程中下渣多时合金元素的收得率低（FeO多）。



③  注意：若用复合脱氧剂如Mn-Si合金时，按调锰计算其用量（该合金含锰高），而后计算其带硅量，最后计算补齐硅所需Fe-Si合金量。



2）应用举例



转炉使用含锰0.3%的铁水，采用拉碳法吹炼20镇静钢， 20钢的成分为：C0.2%，Mn0.5%，Si0.8%，问：



（1）用含Mn68%，C6.28%的Fe-Mn合金和含Si75%的Fe-Si合金进行脱氧，需两种合金各多少kg?终点碳应为多少？



（2）改用Mn-Si合金（含Mn68%，Si18.5%，C1.5%）和Fe-Si合金脱氧，各需多少kg?终点碳应为多少？



已知：出钢量30吨，Si、Mn、C的收得率分别为75%、85%和90%。



解：



Fe-Mn用量=（0.5%－0.3%×40%）   



                                ×30000/68%×85%



                              =197  kg/炉



          增碳量=197×6.28%×90%/30000=0.04%



故终点碳应为0.2%－0.04%=0.16%



Fe-Si用量=0.8%×30000/75%×75%=427  kg/炉



Mn-Si用量=（0.5%－0.3%×40%）×30000/68%×85%=197kg/炉



增碳量=197×1.5%×90%/30000=0.01%



故终点碳应为0.2%－0.01%=0.19%



Fe-Si量=（0.8%×30000－197×18.5%×75%）/ 75%×75%=379kg/炉



思考题



1合金加入量如何计算？



2一般钢种的脱氧合金化如何进行？操作要点是什么？



十、物料平衡与热平衡计算



（一）物料平衡



物料平衡是计算冶炼过程中参与炼钢反应的全部物料如铁水、废钢、氧气、矿石、石灰、萤石、炉衬、钢液、炉渣、炉气、烟尘等之间的平衡关系。



热平衡则是计算炼钢过程中的热量收入（铁水的物理热和化学热）与热量支出（钢、渣、气的物理热、冷却剂吸热及热量损失）之间的平衡关系。



物料平衡计算和热平衡计算有两种方案，一种是为了设计新转炉车间选用有关设备而进行的平衡计算；另一种则是为了改进已投产转炉工艺参数对实测数据进行平衡计算和分析，以指导生产。



基本思路：根据当地的资源情况（铁水成分和温度、石灰等材料的成分）确定计算的基本数据，结合已投产转炉的实际生产情况假设一些数据（喷溅损失、烟尘损失等），然后依据这些原始数据进行平衡计算.



（二）热平衡计算



为方便计算，以冷料的温度—25℃为基准（起点温度不影响热量收入和热量支出的平衡即相对关系）。



1）热量收入



热量收入Q收：一般情况下，转炉炼钢的热收入为铁水的物理热和化学热即元素氧化放热。



（1）铁水的物理热：



铁水的熔点t熔=1539－∑△t×X－7=1092 ℃



Q铁=M[C固（t熔－25）+λ+C液（t铁－t熔）]



=114469.7 kJ



（2）铁中元素氧化放热和成渣热：



Q放=∑qi×i的氧化量=94148.1 kJ         



（3）烟尘生成热Q烟尘：



Q烟尘=1.6×（77%×56/72×5020+20%×112/160×6670）=6304.4 kJ



（4）炉衬中碳氧化放热Q衬：



Q衬=0.5×5%×（90%×10950+10%×34520）=332.7 kJ



所以，Q收=114469.7+94148.1+6304.4+332.7=215254.9 kJ



2）热量支出



钢液物理热：



（1）钢液的熔点t熔=1539－∑△t×X－7=1520℃



Q铁=M[C固（t熔－25）+λ+C液（t终－t熔）]=130277.0 kJ



2）熔渣物理热



Q渣= M[ C液（t液－25）+λ]=31074.6kJ（炉渣温度比钢水低20℃）



3）矿石分解吸热



Q矿=1×（29.4%×56/72×5020+61.8%×112/160×6670+209.20）=4242.5kJ



4）烟尘带走热



Q尘=烟尘量1.6×[1.0（1450－25）+209.20]=2614.7 kJ



5）炉气物理热



Q气=10.71×1.136（1450－25）=17337.3 kJ



6）渣中铁珠带走热量



Q和=1.112[0.745（1520－25）+217.568+0.8368（1650-1520）=1601.4 kJ



7）喷溅金属带走热量



Q和=1.0[0.745（1520－25）+217.568+0.8368（1650-1520）=1440.1 kJ



8）热损失



吹炼过程中的热量损失包括炉口和炉体的热辐射及冷却水带走的热量等，因炉容及炉口大小、耐材厚度等不同而异，一般为热收入的3～8%，取5%。所以热损失为：215254.9×5%=10762.7kJ



9）废钢耗热



废钢耗热即为富余热量Q余，它等于：



Q余=215254.9-130277.0-31074.6-4242.5-2614.7-17337.3-1601.4-1440.1-10762.7



  =15904.6  kJ



废钢的冷却效应q=1×[0.699×（1515-25）+271.96+0.8368（1670-1515）=1443.2kJ/kg



所以，废纲加入量=15904.6/1443.2=10.95kg



3）热平衡表



汇总上述数据可得平衡



热效率=有效热/总热量×100%



=60.52%+1.97%+7.39%



=69.88%



4）吨钢物料平衡



表7-14中缺少废钢的数量，不是真正的平衡表，而且设计题目的转炉生产能力一般是以吨为单位，因此，通常需要换算成吨钢的数据。



加入废钢后，忽略其中硅、锰等元素的氧化损失，使钢水量达到101.334kg （90.314+11.02），因此，用1000/101.334去乘以表中各项即可得到吨钢物料平衡表。



5）转炉生产中的物料平衡与热平衡



方法及目的：应用上节介绍的方法对实际生产数据进行物料平衡和热平衡测算，并对测算结果进行分析，寻求改进技术经济指标的途径，以实现高产低耗的目标。



（三）应用举例



以某厂50t转炉的顶吹工艺和复吹工艺的平衡测算与分析为例。



所需数据



1）原材料数据



（1）铁水成分（%）：P114。



（2）铁水温度：1340℃。



（3）渣料成分（%）：P114表。



（4）铁水带渣：2～5kg/t，铁渣温度1330℃。



（5）铁水装入量：



（6）废钢加入量：



（7）石灰、白云石等材料用量：



（8）氧气成分及用量：



2）生产钢种及有关数据



（1）生产钢种：普碳钢Q195（原来的A1钢，保证性能，成分仅供参考）。



（2）钢种成分（%）：C0.06～0.12，Mn0.25～0.5，Si≤0.3，S≤0.05，P≤0.045。



（3）钢水温度：1665℃。



（4）产钢量：



3）烟气数据



（1）烟气量：81.53m3/t。



（2）烟尘量：烟气含尘浓度0.169kg/m3，故烟尘量81.53×0.169=13.78kg/t。



（3）烟气温度：顶吹转炉1467℃，复吹转炉1427℃。



4）炉渣数据



（1）炉渣量：



（2）炉渣温度：1645℃（比钢水低20℃）。



（3）渣中铁珠：



5）其它数据



（1）喷溅量：



（2）炉衬损失量：



6）测算及其结果



依据上述数据，运用上节的方法分别进行顶吹转炉和复吹转炉的两个平衡计算。



7）测算结果分析



物料平衡分析：吨钢的金属料消耗是转炉生产的一个重要技术经济指标，是炼钢成本的主要组成部分，应力求降之。



（1）降低铁水硅含量和减少铁水用量



本例顶吹转炉的金属料消耗为1084.59kg，属于中等水平。原因是原料条件比较好，其硅含量在合理的0.5～0.8%范围之内，不仅可以减少元素氧化损失，还可减少渣量，从而降低渣中铁损（和石灰消耗）；但是仍有下降空间，比如加强炉外铁水预处理工作，将硅含量降至0.2%以下，采用少渣冶炼工艺，金属料消耗会大幅降低。



与顶吹工艺比较，复吹工艺的金属料消耗为1068.62kg，下降了10.97kg。进一步分析发现，原因是铁水消耗较顶吹工艺少（热效率问题），元素氧化损失少，且渣量小，渣中的铁损少。



（2）提高操作水平



本例的喷溅损失为10.38kg/t，属于中等偏下的水平，因此应加强技术培训，提高工人的操作水平，减少喷溅。比较而言，复吹转炉的喷溅损失仅为0.98 kg/t，明显优于顶吹转炉，这说明其吹炼过程平稳，几乎没有喷溅。



（3）适当增加矿石用量



增加矿石用量，可增加铁的分解收入量。本例的矿石用量为23.31kg，也属于中等偏下的水平，仍有增加的空间，最多可达50kg，过多易产生喷溅，同时会使废钢比下降。



8）热平衡分析



提高热效率就意味着热量得到了更充分的利用，可以配加更多的废钢和铁矿，从而改善转炉生产的技术经济指标。



由热平衡表可见，本例的热效率为65.49%，仍有提升的空间。主要应从以下三方面入手：



首先是提高原材料的质量以减少渣量；其次，尽量缩短炉次间隔以减少其他热损；最后，避免或减轻喷溅也是提高热效率的重要途径。



思考题



1欲提高转炉的冶炼收得率应从哪些方面入手？



2提高转炉热效率的措施有哪些？



十一、吹炼过程自动控制



（一）转炉炼钢的自动控制



1）转炉炼钢的自动控制概念



包括以下两个方面：



终点控制：冶炼前根据生产条件和所炼钢种确定各种炉料的入炉量（称装料计算）和吹氧参数（吹炼方案），使得吹炼结束时钢液的成分和温度均满足出钢要求。



过程控制：吹炼过程中依据炉况修正操作参数使冶炼过程顺利进行，并准确到达（命中）终点。



2）传统的控制方法及问题



控制方法：一直以来，转炉炼钢采用经验控制，即冶炼前操作者凭经验进行装料计算，并确定吹炼方案（即实施终点控制）；冶炼中尤其是终点前，凭经验（碳火花、炉口火焰等）进行炉况判断并对有关的操作参数作相应的调整，使冶炼过程到达终点（即实施过程控制）。



主要问题：一次命中率仅50%左右（高的可达80%以上），因而冶炼时间长，生产率低；同时，还会使炉衬寿命缩短、原材料消耗增加、劳动强度加大等。



3）转炉炼钢的计算机控制



利用电子计算机控制转炉炼钢始于1959年，是美国的琼·劳夫林钢铁公司首先开发并或成功的。从那时起，各国都一直在大力研究和推广转炉炼钢自动控制，并不断取得进展。



控制类型：起初，仅以终点控制为目的，即只利用计算机进行装料计算和设计吹炼方案，称静态控制。



随着计算机和检测技术的发展，目前不仅利用计算机进行装料计算即对转炉炼钢的终点进行控制，而且控制吹炼过程使之顺利到达终点，称计算机动态控制。



经济效果：氧气转炉采用计算机控制后技术经济指标显著改善：



（1）冶炼时间短（美国洛伦厂7.6%），生产率高且炉龄长（100炉）；



（2）原材料消耗少（精确装料且控制过程，避免反复调整）；



（3）节省劳动力（取样、测温、加料等操作计算机完成）；



（4）生产成本低。



4）转炉的自动控制系统



系统组成：转炉炼钢的自动控制系统包括计算机系统、称量系统、检测系统、仪表显示系统等部分：



（1）主机系统：控制台及处理器、自动输入及输出装置等；



（2）键盘输入装置：（各）操作台输入板、炉前输入板；



（3）操作室指示盘（氧气量、喷枪高度、冷却剂重量等）；



（4）炉前显示盘（各种炉料的重量及铁水温度等）；



（5）炉后显示盘（钢、渣、气的重量和温度）；



（6）副枪及各种测量仪表。



具备功能：工艺参数的的自动收集、处理和记录；计算各种原材料的用量；吹炼过程自动控制；人-机联系（包括计算机用显示器报告冶炼过程和人工向主机输入信息）；控制系统自身故障处理；生产管理（包括打印报表和向下道工序输出信息）等。



5）静态控制及其装料模型



（1）静态控制



定义：根据原材料条件和吹炼钢种的终点成分及温度，计算机利用其装料模型进行装料计算和设计吹炼方案，并按计算结果装料和吹炼，吹炼过程中不作任何修正，这种控制方法称计算机静态控制。



特点：静态控制的实质是人－机结合控制，命中率比传统的经验手动控制略有提高，约60～70%，（这是国内许多厂家上了微机而不能充分利用的原因之一）。



（2）装料模型



静态控制命中率不高的原因是，由于转炉吹炼过程的复杂性和影响因素的多元性目前尚无一个科学合理的装料模型。目前，常用的装料模型有以下三种类型：



①  理论模型



建立方法：根据炼钢过程中的化学反应及物料平衡和热平衡关系，并结合生产实际情况对冶炼过程作一系列假设推导出装料的数学关系式。



②  统计模型



建立方法：统计模型是运用数理统计和多元回归的方法对大量的实际生产数据进行处理，整理出装料的数学关系式。



③  增量模型



建立方法：在统计模型的基础上，把转炉的整个炉役看成是一个连续过程，利用相邻炉次的原料条件、炉衬变化、操作情况等因素比较接近的特点，以上一炉的数据为基础，根据冶炼条件的变化对其加以修正后作为本炉的数据即y1=y0+∑f(x1-x0)+A



式中的X0代表上炉某变量的值，X1代表本炉该变量的数值，A为修正常数。



6）动态控制及其种类



（1）动态控制



定义：冶炼前计算机进行装料计算和设计吹炼方案，并按计算结果装料和吹炼，冶炼中计算机根据其检测系统测出的信息（如钢液温度和含碳量、炉口噪声等），修正吹炼参数（如枪位、矿石用量等），使冶炼过程顺利到达终点的控制方法叫动态控制。



特点：控制内容不仅包括静态控制的终点控制，而且冶炼过程中自动检测、判断和修正操作即还进行过程控制，命中率可达85～95%，不仅缩短了冶炼时间，使生产率提高、炉龄延长，而且材料消耗少、省人力，生产成本大为降低。



（2）动态控制的种类



根据控制的目标即对象不同，动态控制可分为吹炼条件控制和吹炼终点控制两类。



A．吹炼条件控制：



①控制目标：吹炼条件。



②基本原理：事先（对本厂以往的生产数据进行统计分析）绘制出（常炼钢种）某工艺参数（如渣层厚度、金属含碳量等）的标准变化曲线存入计算机；吹炼中检测系统定时检测该参数，计算机随时将实际值与标准进行比较，并调整相关的吹炼条件如枪位、助熔剂或冷却剂用量等，使冶炼过程按照目标状态进行。



③典型代表：CRM模型（比利时中央冶金研究院开发出来的，我国鞍钢第三炼钢厂已引进采用，检测钢液含碳量）。



程序组成：CRM模型由以下六个可独立调用的子程序组成：



①  主原料计算子程序MLDCH1，计算铁水及废钢用量；



②  辅原料计算子程序MLDCH2，计算各种渣料、冷却剂及氧气用量，以及检测前用氧量；



③  主吹校正计算子程序MLDSUB，计算检测后至主吹结束前各种渣料、冷却剂及氧气用量；



④  主吹校正阶段碳-温度曲线计算子程序MLDCTR，计算检测后至主吹结束前各时刻的含碳量和温度即时值；



⑤  补吹校正计算子程序MLDCOR，计算补吹过程中各种渣料、冷却剂及氧气用量；



⑥  模型参数修正子程序MLDFEB，计算模型参数的修正，以实现模型的自学习。



B．终点控制



控制目标：终点温度和终点碳。



控制方法：椐实现的手段不同，有两种控制方法。



1）轨道跟踪法



基本原理：根据转炉吹炼末期的脱碳速度和温升速度具有一定规律的特点，事先绘出标准曲线存入计算机；冶炼末期计算机根据其检测系统测得的钢液的温度和含碳量等信息，利用脱碳速度和温升速度与氧消耗量的数学模型计算出预计曲线并进行相应的修正操作；如此反复，步步逼近，使冶炼过程顺利到达终点。



具体做法：计算机设计出预计的脱碳速度曲线和温度曲线后，立即（积分）算出达到终点碳所需的氧Qc和终点温度所需的氧QT，若



Qc=QT，不必调整操作，继续吹之即可；



Qc>QT，按Qc吹之，同时由计算机求出所需冷却剂的数量并立即加入炉内，以同时命中；



Qc，当供氧量即将达到Qc时，提枪吹至Qc（降低脱碳速度并提温），以便同时命中。



2）动态停吹法



基本原理：吹炼接近终点时，计算机针对检测系统测得的信息，根据通过回归分析建立的脱碳速度、温升速度与氧气消耗、含碳量相关的数学模型，选择最佳停吹点，并吹至该点停吹。



最佳停吹点的条件：含碳量和温度同时命中；或命中两项中的一项，而另一项不需补吹，稍做调整即可达到目标要求。



思考题



1什么是静态控制？其控制内容是什么？



2静态控制的装料模型有哪些？常用的是哪一种？



3什么叫动态控制？其控制内容有哪些？



4动态控制的方法有哪些？其中动态停吹法的基本原理是什么？



第三节 底吹氧气转炉炼钢



在炼钢生产中用氧气代替空气的优越性，人们早已知晓，只是在当时的条件下无法制造出廉价的氧气。1950年前后制氧技术有了大的突破，为氧气在炼钢中应用奠定了坚实基础。但在1950-1960年期间，底吹转炉并没有完全用氧气吹炼，只用到富氧的40%，如果再提高富氧程度，喷咀寿命就降低。



1965年加拿大液化空气公司成功研制了双层管氧气喷咀，，如图14所示。1967年西德马克西米利安公司引进了此喷咀技术，喷咀内层钢管通氧气，钢管与其外层无缝管的环缝中通碳氢化合物，利用包围在氧气外层的碳氢化合物的裂解吸热和形成还原性气幕冷却保护氧气喷咀，成功开发了底吹氧气转炉炼钢技术，称之为OBM法（Oxygen Bottom Blowing Maxhutfe）。与此同时，比利时，法国研制成功与OBM 相似的方法，法国命名为LMS法.



1971年，美国钢铁公司引进了OBM法，1972年建设了3座200吨底吹氧气转炉，命名为Q-BOP法（Quiet-BOP）。此后，底吹转炉在欧洲、美国和日本又得到了进一步发展。





图14  双层管氧气喷咀



（一）底吹氧气转炉结构特点



炉身和炉底可差拆卸分开，不同吨位的炉子，在底吹上安装不同数目的吹氧喷咀，一般为6-22支。例如230t底吹氧气转炉有18-22个喷咀，150t有12-18个喷咀。



喷咀在炉底上的布置，最常用的是炉底和喷咀垂直，而且与炉子转动轴对称。也有为了改善熔池搅拌，喷咀与炉底倾斜布置，而且与炉子转动轴不对称。



喷咀冷却剂可根据当地的实际采用天然气、丙烷、丁烷等碳氢化合物。为了提高脱磷、脱硫效率，由喷咀内管吹氧的同时吹碳粉和萤石粉等造渣剂。根据不同的精炼目的，内管除吹氧外，还可吹氩或氮气。



底吹氧气转炉设有顶吹氧气转炉那样的氧枪，不需要高厂房，这对生产率不高的平炉改为底吹氧气的转炉十分有利。



（二）底吹氧气转炉炉内反应



吹炼初期，铁水中 [Si]、[Mn]优先氧化，但[Mn]的氧化只有30～40％，这与LD转炉吹炼初期有70％以上锰氧化不同，如图15所示。



吹炼中期，铁水中碳大量氧化，氧的脱碳利用率几乎100％，而且铁矿石、铁皮分解出来的氧，也被脱碳发应消耗了。这体现了底吹氧气转炉比顶吹氧气转炉具有熔池搅拌良好的特点。由于良好的熔池搅拌贯穿整个吹炼过程，所以渣中的（FeO）被[C]还原，渣中（FeO）含量低于LD转炉，铁合金收得率高，如图16所示。





图15  吹炼过程中钢水成分的变化





图16  吹炼过程中炉渣成分的变化



1）[C]-[O]平衡



在钢水中[％C]>0.07时，底吹氧气转炉和顶吹氧气转炉的[C]-[O]关系，都比较接近pCO=1atm，1600℃时[C]-[O]平衡关系，但当钢水中[％C]<0.07时，底吹氧气转炉内的[C]-[O]关系低于pCO=1atm时[C]-[O]平衡关系，这说明底吹氧气转炉和顶吹氧气转炉在相同的钢水含氧量下，与之相平衡的钢水含碳量，底吹转炉比顶吹转炉的要低，如图17所示。





图17  吹炼终点[％C]和[％O]的关系图



2）锰的变化规律



底吹氧气转炉熔池中[Mn]的变化有两个特点：



（1）吹炼终点钢水残[Mn]比顶吹转炉高；



（2）[Mn]的氧化发应几乎达到平衡。



底吹氧气转炉渣中（FeO）含量低于顶吹;



CO分压（约0.4atm）低于顶吹转炉的1atm;



喷咀上部的氧压高，Si气化为SiO并被石灰粉中CaO所固定，这样MnO的活度增大，如图18，图19所示。





图18  底吹转炉与顶吹转炉吹炼终点钢水残[Mn]和[C]的关系





图19  钢水中[％Mn]的理论值和实际值的比较



3）铁的氧化和脱磷反应



底吹氧气转炉渣中（FeO）含量低于顶吹氧气转炉，这样不仅限制了底吹氧气转炉不得不以吹炼低碳钢为主，而且也使脱磷反应比顶吹氧气转炉滞后进行，但渣中（FeO）含量低，金属的收得率就高，如图20所示。





图20  Q-BOP和LD炉内渣中（FeO）



在低碳范围内，底吹氧气转炉的脱磷并不逊色LD炉。其原因可归纳为在底吹喷咀上部气体中O2分压高，产生强制气化，P生成PO（气），并被固体石灰粉迅速化合为3CaO.P2O5，具有LD转炉所没有的比较强的脱磷能力。在LD转炉火点下生成的Fe2O3.P2O5则比较稳定，再还原速度缓慢，尤其是在低碳范围时，脱磷明显，如图21所示。 





图21  Q-BOP和LD转炉吹炼过程中[P]的变化



为了提供底吹氧转炉高碳区的脱磷能力，通过炉底喷入铁矿石粉或返回渣和石灰粉的混合料，已取得明显的效果。可采用留渣法吹炼高磷铁水，将前炉炉渣留在炉内一部分，前期吹入石灰总量的35％左右，后期吹入65％左右造渣，中期不吹石灰粉。前期可脱去铁水含磷量的50％，吹炼末期的炉渣为CaO所饱和，供下炉吹炼用。



4）脱硫反应



230t底吹转炉吹炼过程中，当熔池中的碳达到0.8％左右时，[S]达到最低值，说明吹炼初期固体CaO粉末有一定的直接脱硫能力。但随着炉渣氧化性的提高，熔池一定回硫，吹炼后期随着流动性的改善，熔池中[S]又降低。与顶吹相比，底吹氧转炉具有较强的脱硫能力，特别是炉渣碱度为2.5以上时表现得更明显，如图22所示。





图22  230t底吹氧转炉内渣钢间硫分配比与炉渣碱度的关系



5）钢中的[H]和[N]



底吹氧转炉钢中[H]比顶吹转炉的高，其原因是底吹转炉用碳氢化合物作为冷却剂，分解出来的氢被钢水吸收。如某厂顶吹氧转炉钢水中平均含[H]量为2.6ppm，而底吹氧转炉平均为4.5ppm，如图23所示。





图23  吹炼终点[C]与[N]的关系



6）底吹转炉与顶吹转炉的比较



铁收得率高；



Fe-Mn、Al等合金消耗降低；



脱氧剂和石灰降低；



氧气耗降低；



烟尘少，是顶吹的1/2～1/3，喷溅少；



脱碳速度快，冶炼周期短，生产率高；



废钢比增加；



搅拌能力大，氮含量低。



底吹转炉所反映出来的缺点有：



炉龄较低；



∑FeO少，化渣比较困难，脱磷不如LD;



钢种[H]含量较高；



氧气消耗增加。



第四节 顶底复吹转炉炼钢



氧气转炉顶底复吹冶炼法可以说是顶吹转炉和底吹转炉冶炼技术不断发展的必然结果。1978年4月法国钢铁研究院(IRSID)在顶吹转炉上进行了底吹惰性气体搅拌的实验并获得成功，1979年4月日本住友金属发表了转炉复合吹炼的报告，从而加速了各国对LD转炉的改造.到1981年底，全世界采用复吹的转炉达81座。



我国首钢及鞍钢分别在1980年和1981年开始进行复吹的实验研究，并于1983年分别在首钢30吨转炉及鞍钢180吨转炉上推广使用。



（一）复吹转炉炼钢法的类型



顶吹氧、底吹惰性气体的复吹工艺。其代表方法有LBE、LD-KG、LD-OTB、NK-CB、LD-AB等，底部供气强度在0.03～0.12m3/（t·min） 。



顶、底复合吹氧工艺。其代表方法有BSC-BAP、LD-OB、LD-HC、STB、STB-P等。顶部供氧比为60％～95％，底部供氧比为40％～5％，底部的供氧强度在0.2～2.5m3/（t·min）范围，属于强搅拌类型。



底吹氧喷熔剂工艺。其典型代表有K-BOP。从顶吹转炉底部，通过底枪，在吹氧的同时，还可以喷吹石灰等熔剂，吹氧强度一般为0.8～1.3m3/（t·min），熔剂的喷入量取决于钢水脱磷、脱硫的量，如图24所示。





图24  顶底复吹转炉示意图



（二）底部供气元件的类型



底部供气元件是复吹技术的核心，目前有喷咀型、砖型和细金属管多孔塞型三类。它们都必须满足分散、细流、均匀、稳定的供气要求。



喷咀供气元件有单管、双层套管、环缝管或双槽式等。单管式适用于喷吹Ar、N2等气体；双层套管式中心管通氧气，内外管间环缝通碳氢化合物保护介质，或者内管和环缝均温Ar、N2，CO2等相同介质；环缝管是将内管用泥料堵塞，环缝通气，最大限度地扩大了双层套管内外的压差。



由于冷却介质流量不足、冷却过度、喷管堵塞和气流的“后坐”现象等，喷咀型供气元件有时存在烧结和结瘤现象，需要以冷却介质工艺参数方面加以改进。使用碳氢化合物作喷咀的冷却介质，在喷咀出口周围可以形成蘑茹头（炉渣与金属的凝结层，其中有放射气孔带）对喷咀有保护作用。蘑茹头大小取决于所吹气体的冷却能力及流量。



砖型供气元件弥散型透气砖、砖缝组合型和直孔型透气砖三类。弥散型透气砖适于喷吹Ar，N2搅拌气体，气体阻力大，透气量小，不能喷吹氧化性气体；砖缝组合型供气阻力小，适用于喷吹惰性气体，但容易漏气而且各缝气流不均匀；直孔型透气阻力小而且气流分布较均匀，不容易漏气。



多微管透气塞供气元件是钢管型与砖型供气元件两者的结合，微管直径早期为1.5mm左右，现增大到3-4mm。微管的合理排布方式是保证管上形成的蘑菇头连接起来，因此管距应在设定蘑菇头半径的2倍以内。



（三）顶底复吹转炉内的反应



1）成渣速度



复吹转炉与顶吹、底吹两种转炉相比，熔池搅拌范围大，而且强烈，从底部喷入石灰粉造渣，成渣速度快。通过调节氧枪枪位化渣，加上底部气体的搅动，形成高碱度、流动性良好和一定氧化性的炉渣，需要的时间比顶吹转炉或底吹转炉的都短。



2）渣中∑(FeO)含量



顶底复吹转炉在吹炼过程中，渣中的∑(FeO)的变化规律和∑(FeO)含量与顶吹转炉、底吹转炉有所不同，这是它炉内反应的特点之一。



从吹炼初期开始到中期逐渐降低，中期变化平稳，后期又稍有升高，其变化的曲线与顶吹转炉有某些相似之处，如图25所示。





图25  复吹转炉中∑(FeO)的变化规律



就渣中∑(FeO)含量而言，顶吹转炉（LD）＞复吹转炉（LD/Q-BOP）＞底吹转炉（Q-BOP），如图26所示。



（1）从底部吹入的氧，生成的FeO在熔池的上升过程中被消耗掉；



（2）有底吹气体搅拌，渣中∑(FeO)低，也能化渣，在操作中不需要高的∑(FeO)；



（3）上部有顶枪吹氧，所以它的∑(FeO)含量比底吹氧气的还高。





图26  复吹、顶吹、底吹转炉渣中∑(FeO)的比较



3）钢水中的碳



吹炼终点的[C]-[O]关系和脱碳反应不引发喷溅也是反映复吹转炉的冶金特点。



复吹转炉钢水的脱碳速度高而且比较均匀，原因是从顶部吹入大部分氧，从底部吹入少量的氧，供氧比较均匀，脱碳反应也就比较均匀，使渣中∑(FeO)含量始终不高。在熔池底部生成的FeO与[C]有更多的机会反应，FeO不易聚集，从而很少产生喷溅。



复吹转炉的[C]-[O]关系线低于顶吹转炉，比较接近底吹转炉的[C]-[O]关系线。在相同含碳量下，复吹转炉铁合金收得率高于顶吹转炉。底部吹入惰性气体后，钢水中[C]-[O]的关系线下移，原因是吹入熔池中的N2或Ar小气泡降低CO的分压，同时还为脱碳反应提供场所。因此，在相同含碳量的条件下，复吹转炉钢水中的含氧量低于顶吹，如图27，图28所示。





图27  复吹与顶吹、底吹转炉终点的[C]-[O]关系





图28  吹惰性气体后对钢水中[C]和[O]的影响



4）钢水中的锰



顶底复吹转炉中∑(FeO)低，在吹炼初期，钢水中的[Mn]只有30%-40%被氧化，待温度升高后，在吹炼中期的后段时间，又开始回锰，所以出钢前钢水中的残锰较顶吹转炉高，如图29所示。





图29  2.5吨复吹转炉、顶吹转炉和底吹转炉钢水中[Mn]的变化



5）钢水中的磷



从炉底部吹入的氧气，可与金属液反应生成FeO，FeO与[P]反应，也有可能氧直接氧化金属液中的[P]生成P2O5。从反应的动力学看，强有力的熔池搅拌有利于脱磷，在吹炼初期，脱磷率可达40%-60%，以后保持一段平稳时间，吹炼后期，脱磷又加快。复吹转炉磷的分配系数相当于底吹转炉，而比顶吹高得多，如图30所示。





图30  2.5吨复吹转炉、顶吹转炉和底吹转炉钢水中[P]的变化



6）钢水中的硫



顶底复吹转炉脱硫条件较好，原因有四个方面：



底部喷石灰粉、顶吹氧，能及早形成较高碱度的炉渣；



渣中∑(FeO)比顶吹低；



底部喷石灰粉，有利于改善脱硫动力学条件；



熔池搅拌好，反应界面大，也有利于改善脱硫反应动力学条件。



顶底复吹转炉石灰单耗低，渣量少，铁合金单耗相当于底吹转炉，氧耗介于顶吹与底吹之间。顶底复吹转炉能形成高碱度氧化性炉渣，提前脱磷，直接拉碳，生产低碳钢种，对吹炼中、高磷铁水有很大的适应性。



（四）顶底复合吹炼转炉少渣冶炼



铁水经预脱硅、预脱磷和预脱硫处理后，为转炉提供低硅、低磷和低硫的铁水，这样就可以不大量造渣，简化转炉操作，转炉内只进行脱碳和升温操作。这就是转炉少渣冶炼的基本含义。 1979年，新日铁室兰厂开发了脱硅铁水在转炉内的小渣量冶炼法，即SMP法（Slag Minimizing Process）。



新日铁君津厂于1982年投产了采用石灰熔剂脱磷、脱硫预处理的ORP法（Optimizing the Refining Process）法。



同年，日本住友金属也投产采用了苏打粉进行铁水预处理的SARP法（Sumitomo Alkali Refining Process）。



1983年，神户制钢开发了石灰和苏打粉联合预处理铁水的OLTPS法。由此，开创了转炉少渣冶炼的发展历程，并逐渐完善形成了当今的转炉生产中的先进工艺流程。



复吹转炉少渣冶炼的冶金特性：



还原性功能。吹入的锰矿粉，可利用渣量少，∑(FeO)低，熔池温度高的特点，使MnO直接还原，回收锰矿中的Mn，从而提高钢液中锰含量。



钢中的氢明显减少。由于散装料及铁合金消耗量减少，少渣精炼时钢水和炉渣的氢含量明显减少



铁损明显减少。由于渣量减少，渣带走的铁损明显减少。