转炉炼钢工艺(主要是热平衡计算)

3 氧气顶吹转炉炼钢工艺

3.1 一炉钢的操作过程

要想找出在吹炼过程中金属成分和炉渣成分的变化规律，首先就必须熟悉一炉钢的操作、工艺过程。在下面的图3-1中示出了氧气顶吹转炉吹炼一炉钢的操作过程与相应的工艺制度。

由图可以清楚地看出，氧气顶吹转炉炼钢的工艺操作过程可分以下几步进行：

1）上炉钢出完并倒完炉渣后，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）在装入废钢和兑入铁水后，把炉体摇正。在下降氧枪的同时，由炉口上方的辅助材料溜槽，向炉中加入第一批渣料（石灰、萤石、氧化铁皮、铁矿石），其量约为总量的2／3～1／2。当氧枪降至规定的枪位时，吹炼过程正式开始。

当氧气流与溶池面接触时，碳、硅、锰开始氧化，称为点火。点火后约几分钟，炉渣形成覆盖于熔池面上，随着Si、Mn、C、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，此时应当适当降低氧枪高度。

3）吹炼中期脱碳反应剧烈，渣中氧化铁降低，致使炉渣的熔点增高和粘度增大，并可能出现稠渣（即―返干‖）现象。此时，应适当提高氧枪枪位，并可分批加入铁矿石和第二批造渣材料（其余的1／3），以提高炉渣中的氧化铁含量及调整炉渣。第三批造渣料为萤石，用以调整炉渣的流动性，但是否加第三批造渣材料，其加入量如何，要视各厂生产的情况而定。

4）吹炼末期，由于熔池金属中含碳量大大降低，则使脱碳反应减弱，炉内火焰变得短而透明，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，并且提高氧枪停止供氧（称之为拉碳）、倒炉、测温、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，打开出钢口，即可倒炉出钢。在出钢过程中，向钢包内加入铁合金，进行脱氧和合金化（有时可在打出钢口前向炉内投入部分铁合金）。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（即从装钢铁材料到倒渣完毕），称为冶炼周期或冶炼一

炉钢的时间。一般为20～40min。其中把吹入氧气的时间称为供氧时间或纯吹炼时间。它与炉子吨位大小和工艺的不同有关。

3.2 装入制度

3.2.1 装入制度内容及依据

装入制度就是确定转炉合理的装入量，合适的铁水废钢比。转炉的装入量是指主原料的装入数量，它包括铁水和废钢。

实践证明每座转炉都必须有个合适的装入量，装入量过大或过小都不能得到好的技术经济指标。若装入量过大，将导致吹炼过程的严重喷溅，造渣困难，延长冶炼时间，吹损增加，炉衬寿命降低。装入量过小时，不仅产量下降，而且由于熔池变浅，控制不当，炉底容易受氧气流股的冲击作用而过早损坏，甚至使炉底烧穿，进而造成漏钢事故，对钢的质量也有不良影响。

在确定合理的装入量时，必须考虑以下因素：

（1）要有合适的炉容比。炉容比一般是指转炉新砌砖后炉内自由空间的容积V与金属装入量T之比，以V／T表示，量纲为m3／t。转炉生产中，炉渣喷溅和生产率与炉容比密切相关。合适的炉容比是从生产实践中总结出来的，它与铁水成分、喷头结构、供氧强度等因素有关。例如，铁水中含Si、P较高，则吹炼过程中渣量大，炉容比应大一些，否则易使喷溅增加。使用供氧强度大的多孔喷头，应使炉容比大些，否则容易损坏炉衬。

目前，大多数顶吹转炉的炉容比选择在0.7～l.10之间，表3-1是国内外转炉炉容比的统计情况。

大转炉的炉容比可以小些，小转炉的炉容比要稍大些。目前我国一些钢厂转炉的炉容比见表3-2所示。

（2）合适的熔池深度。为了保证生产安全和延长炉底寿命，要保证熔池具有一定的深度。不同公称吨位转炉的熔池深度如表3-3所示。熔池深度Η必须大于氧气射液对熔池的最大穿透深度h，一般认为对于单孔喷枪h／H≤0.7是合理的。

（3）对于模铸车间，装入量应与锭型配合好。装入量减去吹损及浇注必要损失后的钢水量，应是各种锭型的整数倍，尽量减少注余钢水量。装入量可按下列公式进行计算。

钢锭单重 钢锭支数 浇注必要损失

钢水收得率(%)装入量=-合金用量×合金吸收率(%) （3-1）

上式中有关单位采用t。

此外，确定装入量时，还要受到钢包的容积、转炉的倾动机构能力、浇注吊车的起重能力

等因素的制约。所以在制订装入制度时，既要发挥现有设备潜力，又要防止片面的不顾实际的盲目超装，以免造成浪费和事故。

3.2.2 装入制度类型

氧气顶吹转炉的装入制度有：定量装入制度、定深装入制度、分阶段定量装入制度。其中定深装入制度即每炉熔池深度保持不变，由于生产组织困难，现已很少使用。定量装入制度和分阶段定量装入制度在国内外得到广泛应用。

3.2.2.1 定量装入制度

定量装入制度，就是在整个炉役期间，每炉的装入量保持不变，这种装入制度的优点是：便于生产组织，操作稳定，有利于实现过程自动控制，但炉役前期熔池深、后期熔池变浅，只适合大吨位转炉。国内外大型转炉已广泛采用定量装入制度。

3.2.2.2 分阶段定量装入制度

在一个炉役期间，按炉膛扩大的程度划分为几个阶段，每个阶段定量装入。这样既大体上保持了整个炉役中具有比较合适的熔池深度，又保持了各个阶段中装入量的相对稳定，既能增加装入量，又便于组织生产。这是适应性较强的一种装入制度。我国各中、小转炉炼钢厂普遍采用这种装入制度。表3-4为首钢30t 转炉分阶段定量装入制度。

3.2.3装入操作

3.2.3.1 铁水、废钢的装入顺序 A 先兑铁水后装废钢

这种装入顺序可以避免废钢直接撞击炉衬，但炉内留有液态残渣时，兑铁易发生喷溅。 B 先装废钢后兑铁水

这种装入顺序废钢直接撞击炉衬，但目前国内各钢厂普遍采用溅渣护炉技术，运用此法可防止兑铁喷溅，但补炉后的第一炉钢可采用前法。

3.2.3.2 准确控制铁水废钢比

铁水、废钢装入比例的确定，从理论上讲应根据热平衡计算而定。但在生产条件下，一般是根据铁水成分、温度、炉龄期长短、废钢预热等情况按经验确定铁水配入的下限值和废钢加入的上限值。在正常生产条件下，废钢加入量变化不大，各炉次废钢加入量的变化受上下炉次间隔时间、铁水成分、温度等的影响。目前，我国大多数转炉生产中铁水比一般波动在75～90％之间，近几年我国转炉废钢加入量平均为100～150kg／t。

3.2.3.3 注意安全、防止污染

兑铁水前转炉内应无液态残渣，并疏散周围人员，以防造成人员伤害和设备事故。如果没有二次除尘设备，兑铁水时转炉倾动角度小些，尽量使烟尘进入烟道。

3.3 造渣制度

氧气顶吹转炉的供氧时间仅仅十几分钟，在此期间必须形成具有一定碱度、氧化性和流动性，合适的MgO含量、正常泡沫化的熔渣，以保证炼出合格的优质钢水，并减少对炉衬的侵蚀。

转炉炼钢造渣的目的是：去除磷硫、减少喷溅、保护炉衬、减少终点氧。

造渣制度就是要确定合适的造渣方法、渣料的加入数量和时间，以及如何加速成渣。 3.3.1 炉渣的形成

氧气转炉炼钢过程时间很短，必须做到快速成渣，使炉渣尽快具有适当的碱度、氧化性和流动性，以便迅速地把铁水中的磷、硫等杂质去除到所炼钢种的要求以下。

3.3.1.1 炉渣的形成

炉渣一般是由铁水中的Si、P、Mn、Fe的氧化以及加入的石灰溶解而生成；另外还有少量的其它渣料（白云石、萤石等）、带入转炉内的高炉渣、侵蚀的炉衬等。炉渣的氧化性和化学成分在很大程度上控制了吹炼过程中的反应速度。如果吹炼要在脱碳时同时脱磷，则必须控制（FeO）在一定范围内，以保证石灰不断溶解，形成一定碱度、一定数量的泡沫化炉渣。

开吹后，铁水中Si、Mn、Fe等元素氧化生成FeO、SiO2、MnO等氧化物进入渣中。这些氧化物相互作用生成许多矿物质，吹炼初期渣中主要矿物组成为各类橄榄石（Fe、Mn、Mg、Ca）SiO4和玻璃体SiO2。随着炉渣中石灰溶解，由于CaO与SiO2的亲合力比其它氧化物大，CaO逐渐取代橄榄石中的其它氧化物，形成硅酸钙。随碱度增加而形成CaO SiO2，3CaO 2SiO2，2CaO·SiO2，3CaO·SiO2，其中最稳定的是2CaO·SiO2。到吹炼后期，C一O反应减弱，（FeO）有所提高，石灰进一步溶解，渣中可能产生铁酸钙。表3-5列出炉渣中的化合物及其熔点。

3.3.1.2 石灰的溶解

石灰的溶解在成渣过程中起着决定性的作用，图3-2说明渣量和石灰溶解量的变化情况。由图可见，在25％的吹炼时间内，渣主要靠元素Si、Mn、P和Fe的氧化形成。在此以后的时间里，成渣主要是石灰的溶解，特别是吹炼时间的60％以后，由于炉温升高，石灰溶解加快使渣大量形成。石灰在炉渣中的溶解是复杂的多相反应，其过程分为三步：

第一步，液态炉渣经过石灰块外部扩散边界层向反应区迁移，并沿气孔向石灰块内部迁移。

第二步，炉渣与石灰在反应区进行化学反应，形成新相。反应不仅在石灰块外表面进行。而且在内部气孔表面上进行。其反应为：

2（Fe O）+（SiO2）+ CaO →（Fe OX）+（CaO Fe O SiO2）

（Fe2O3）+2 CaO →（2 CaO Fe2O3）

（CaO Fe O SiO2）+ CaO→（2CaO SiO2）+（Fe O） 第三步, 反应产物离开反应区向炉渣熔体中转移。

炉渣由表及里逐渐向石灰块内部渗透，表面有反应产物形成。通常在顶吹转炉和底吹转炉吹炼前期从炉内取出的石灰块表面存在着高熔点、致密坚硬的2CaO·SiO2外壳，它阻碍石灰的溶解。但在复吹转炉中从炉内取出的石灰块样中，均没有发现2CaO·SiO2外壳，其原因可认为是底吹气体加强了熔池搅拌，消除了顶吹转炉中渣料被吹到炉膛四周的不活动区，从而加快了（FeO）向石灰渗透作用的结果。由以上分析可见，影响石灰溶解的主要因素有：

（1） 炉渣成分 实践证明，炉渣成分对石灰溶解速度有很大影响。有研究表明，石灰溶解与炉渣成分之间的统计关系为：

CaO k CaO 1.35MgO 2.75FeO 1.90MnO 39.1 （3-2） 式中： CaO—— 石灰在渣中的溶解速度，kg／（m2）

k—— 比例系数；

CaO等 —— 渣中氧化物浓度，％。

由（3-2）式可见，（FeO）对石灰溶解速度影响最大，它是石灰溶解的基本熔剂。其原因是：

1）它能显著降低炉渣粘度，加速石灰溶解过程的传质。 2）它能改善炉渣对石灰的润湿和向石灰孔隙中的渗透。

r 0.83埃rFe3 0.67埃rO2 1.32埃

3）它的离子半径不大（Fe2 ，，），且与CaO同属立方晶系。这些都有利于（FeO） 向石灰晶格中迁移并生成低熔点物质。

4）它能减少石灰块表面2CaO·SiO2的生成，并使生成的2CaO SiO2变疏松，有利石灰溶解。 渣中（MnO）对石灰溶解速度的影响仅次于（FeO），故在生产中可在渣料中配加锰矿；而使炉渣中加入6％左右的（MgO）也对石灰溶解有利，因为CaO－MgO－SiO2系化合物的熔点都比2CaO·SiO2低。

（2）温度 熔池温度高，高于炉渣熔点以上，可以使炉渣粘度降低，加速炉渣向石灰块内的渗透，使生成的石灰块外壳化合物迅速熔融而脱落成渣。转炉冶炼的实践已经证明，在熔池反应区，由于温度高而且（FeO）多，使石灰的溶解加速进行。

（3）熔池的搅拌 加快熔池的搅拌，可以显著改善石灰溶解的传质过程，增加反应界面，提高石灰溶解速度。复吹转炉的生产实践也已证明，由于熔池搅拌加强，使石灰溶解和成渣速度都比顶吹转炉提高。

（4）石灰质量 表面疏松，气孔率高，反应能力强的活性石灰，能够有利于炉渣向石灰块内渗透，也扩大了反应界面，加速了石灰溶解过程。目前，在世界各国转炉炼钢中都提倡使用活性石灰，以利快成渣，成好渣。

由此可见，炉渣的成渣过程就是石灰的溶解过程。石灰熔点高，高（FeO）、高温和激烈搅拌是加快石灰溶解的必要条件。

3.3.2 泡沫渣

在吹炼过程中，由于氧气流股对熔池的作用，产生了许多金属液滴。这些金属液滴落入炉渣后，与FeO作用生成大量的CO气泡，并分散于熔渣之中，形成了气-熔渣-金属密切混合的乳浊液。分散在熔渣中的小气泡的总体积，往往超过熔渣本身的体积。熔渣成为薄膜，将气泡包住并使其隔开，引起熔渣发泡膨胀，形成泡沫渣。在正常情况下，泡沫渣的厚度经常有l～2m乃至3m。

由于炉内的乳化现象，大大发展了气-熔渣-金属的界面，加快了炉内化学反应速度，从而达到了良好的吹炼效果。若控制不当，由于严重的泡沫渣，也会导致事故。

3.3.2.1 影响泡沫渣形成的因素

氧气顶吹转炉吹炼过程中，泡沫渣中气体来源于供给炉内的氧气和碳氧化生成的CO气体，而且主要是CO气体。这些气体能否稳定的存在于熔渣中，还与熔渣的物理性质有关。

SiO2或P2O5都是表面活性物质，能够降低熔渣的表面张力，它们生成的吸附薄膜常常成为稳定泡沫的重要因素。但单独的SiO2或P2O5对稳定气泡的作用不大，若两者同时存在，效果最好。因为SiO2能增加薄膜的粘性，而P2O5能增加薄膜的弹性，这都会阻碍小气泡的聚合和破裂，有助于气泡稳定在熔渣中。FeO、Fe2O3和CaF2含量的增加也能降低熔渣的表面张力，有利于泡沫渣的形成。

另外，熔渣中固体悬浮物对稳定气泡也有一定作用。当熔渣中存在着2CaO·SiO2、3CaO·P2O5、CaO和MgO等固体微粒时，它们附着在小气泡表面上，能使气泡表面薄膜的韧性增强，粘性增大，也阻碍了小气泡的合并和破裂，从而使泡沫渣的稳定期延长。当熔渣中析出大量的固体颗粒时，气泡膜就变脆而破裂，熔渣就出现了返干现象。所以熔渣的粘度对熔渣的泡沫化有一定的影响，但也不是说熔渣越粘越利于泡沫化。另外，低温有利于熔渣泡沫的稳定。总之，影响熔渣泡沫化的因素是多方面的，不能单独强调某一方面，而应综合各方面因素加以分析。

3.3.2.2 吹炼过程中泡沫渣的形成及控制

吹炼初期熔渣碱度低，并含有一定数量的FeO、SiO2、P2O5等，主要是这些物质的吸附作用稳定了气泡。

吹炼中期碳激烈氧化，产生大量的CO气体，由于熔渣碱度提高，形成了硅酸盐及磷酸盐等

化合物，SiO2和P2O5的活度降低，SiO2和P2O5的吸附作用逐渐消失，稳定气泡主要靠固体悬浮微粒。此时如果能正确操作，避免或减轻熔渣的返干现象，就能控制合适的泡沫渣。

吹炼后期脱碳速度降低，只要熔渣碱度不过高，稳定泡沫的因素就大大减弱了，一般不会产生严重的泡沫渣。

吹炼过程中氧压低，枪位过高，渣中TFe含量大量增加，使泡沫渣发展，严重的还会产生泡沫性喷溅或溢渣。相反，枪位过低，尤其是在碳氧化激烈的中期，TFe含量低，又会导致熔渣的返干而造成金属喷溅。所以，只有控制得当，才能够保持正常的泡沫渣。

3.3.3 造渣方法

在生产实践中，一般根据铁水成分及吹炼钢种的要求来确定造渣方法。常用的造渣方法有单渣操作、双渣操作、留渣操作等。

3.3.3.1 单渣操作

单渣操作就是在冶炼过程中只造一次渣，中途不倒渣、不扒渣、直到终点出钢。

当铁水Si、P、S含量较低，或者钢种对P、S要求不严格，以及冶炼低碳钢种时，均可以采用单渣操作。

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。单渣操作的脱磷效率在90％左右，脱硫效率在35％左右。

3.3.3.2 双渣操作

在冶炼中途分一次或几次除去约1/2～2/3的熔渣，然后加入渣料重新造渣的操作方法称双渣法。在铁水含硅量较高或含磷量大于0.5%，或虽然含磷量不高但吹炼优质钢，或吹炼中、高碳钢种时一般采用双渣操作。

最早采用双渣操作，是为了脱磷，现在除了冶炼低锰钢外已很少采用。但当前有的转炉终点不能一次拉碳，多次倒炉并添加渣料后吹，这是一种变相的双渣操作，实际对钢的质量、消耗以及炉衬都十分不利。

3.3.3.3 留渣操作

留渣操作就是将上炉终点熔渣的一部分或全部留给下炉使用。终点熔渣一般有较高的碱度和∑（FeO）含量，而且温度高，对铁水具有一定的去磷和去硫能力。留到下一炉，有利于初期渣及早形成，并且能提高前期去除P、S的效率，有利于保护炉衬，节省石灰用量。

在留渣操作时，兑铁水前首先要加石灰稠化熔渣，避免兑铁水时产生喷溅而造成事故。 溅渣护炉技术在某种程度上可以看作是留渣操作的特例。

根据以上的分析比较，单渣操作是简单稳定的，有利于自动控制。因此对于Si、S、P含量较高的铁水，最好经过铁水预处理，使其进入转炉之前就符合炼钢要求。这样生产才能稳定，有利于提高劳动生产率，实现过程自动控制。

3.3.4 渣料加入量确定

加入炉内的渣料，主要指石灰和白云石数量，还有少量助熔剂。 3.3.4.1 石灰加入量确定

石灰加入量主要根据铁水中Si、P含量和炉渣碱度来确定。 A 炉渣碱度确定

碱度高低主要根据铁水成分而定，一般来说铁水含P、S低，炉渣碱度控制在2.8～3.2；中等

P、S含量的铁水，炉渣碱度控制在3.2～3.5；P、S含量较高的铁水，炉渣碱度控制在3.5～4.0。 B 石灰加入量计算

(1) 铁水含P＜0.30％时，石灰加入量可用下式计算：

W

式中 B —— 碱度，CaO/SiO2

2.14[%Si]

B 1000

%CaO有效

kg/ t铁水 （3—3）

%CaO有效 —— 石灰中的有效CaO含量，%CaO有效=%CaO石灰 — B%SiO2石灰 2.14 —— SiO2/Si的分子量之比。

(2) 铁水含P>0.30%，B= CaO/( SiO2+P2O5)

2.2([%Si] [%P])

石灰加入量W %CaO B 1000

有效

kg/ t铁水 （3—4）

式中 2.2——1/2 [（SiO2/Si）+（ P2O5/ P）]

3.3.4.2 白云石加入量确定

白云石加入量根据炉渣中所要求的MgO含量来确定，一般炉渣中MgO含量控制在6～8％。炉渣中的MgO含量由石灰、白云石和炉衬侵蚀的MgO带入，故在确定白云石加入量时要考虑它们的相互影响。

(1) 白云石应加入量

W白

W渣量% （%MgO）

白

%MgO1000

白

kg/t

式中 %MgO白——白云石中MgO含量。

(2) 白云石实际加入量W 白

白云石实际加入量中，应减去石灰中带入的MgO量折算的白云石数量W灰和炉衬侵蚀进入渣中的MgO量折算的白云石数量W衬 。下面通过实例计算说明其应用。

W 白

W白 W灰 W衬设渣量为金属装入量的12％，炉衬侵蚀量为装入量的 1％，炉衬中含MgO为40％。

铁水成分：Si为0.7％，P为0.2％，S为0.05％； 石灰成分：CaO 90％，MgO 3％，SiO2 2

％

；

白云石成分：CaO40％，MgO35％，SiO23％；

终渣要求：（MgO）为8％，碱度为3.5。

1) 白云石应加入量:

W白

12% 8%

1000 27.4

35% kg/t

2) 炉衬侵蚀进入渣中MgO折算的白云石数量： 1% 40%W衬 1000 11.4

35% kg/t

3) 石灰中带入MgO折算的白云石数量：

W灰 W（MgO灰/MgO白）

=5.4 kg/t

2.14 0.7%3%

3.5 1000

90% 3.5 2%35%

4) 实际白云石加入量:

W白 27.4 11.4 5.4 10.6

kg/t

(3) 白云石带入渣中CaO折算的石灰数量：

10.6×40%/90%=4.7 kg/t

(4) 实际入炉石灰数量：

石灰加入量W—白云石折算石灰量 2.14 0.7%

3.5 1000 4.7 58.5

90% 3.5 2%= kg/t

(5) 石灰与白云石入炉比例：

白云石加入量／石灰加入量=10.6／58.5=0.18

在工厂生产实际中，由于石灰质量不同，白云石入炉量与石灰之比可达0.20～0.30。 3.3.4.3 助熔剂加入量

转炉造渣中常用的助熔剂是氧化铁皮和萤石。萤石化渣快，效果明显。但用量过多对炉衬有侵蚀作用；另外我国萤石资源短缺，价格较高，所以应尽量少用或不用。原冶金部转炉操作规程中规定，萤石用量应小于4kg／t。

氧化铁皮或铁矿石也能调节渣中FeO含量，起到化渣作用，但它对熔池有较大的冷却效应，应视炉内温度高低确定加入量。一般铁矿或氧化铁皮加入量为装入量的2～5％。

3.3.5 渣料加入时间

渣料的加入数量和加入时间对化渣速度有直接的影响，因而应根据各厂原料条件来确定。通常情况下，渣料分两批或三批加入。第一批渣料在兑铁水前或开吹时加入，加入量为总渣量的1／2～2／3，并将白云石全部加入炉内。第二批渣料加入时间是在第一批渣料化好后，铁水中硅、锰氧化基本结束后分小批加入，其加入量为总渣量的1／3～1/2。若是双渣操作，则是倒渣后加入第二批渣料。第二批渣料通常是分小批多次加入，多次加入对石灰溶解有利，也可用小批渣料来控制炉内泡沫渣的溢出。第三批渣料视炉内磷、硫去除情况而决定是否加入，其加入数量和时间均应根据吹炼实际情况而定。无论加几批渣，最后一小批渣料必须在拉碳倒炉前3min加完，否则来不及化渣。

所以单渣操作时，渣料一般都是分两批加入。具体数量各厂不同，现以首钢一炼钢厂和上钢一厂为例，列于表3-6。

第一批渣料是总量的一半或一半以上，其余的第二批加入。如果需要调整熔渣或炉温，才有所谓第三批渣料。

在正常情况下，第一批渣料是在开吹的同时加入。第二批渣料的加入时间一般在Si、Mn氧化基本结束，第一批渣料基本化好，碳焰初起时加入较为合适。第二批渣料可以一次加入，也可以分小批多次加入。分小批多次加入不会过分冷却熔池，对石灰渣化有利，也有利碳的均衡氧化。但最后一小批料必须在终点拉碳前一定时间加完，否则渣料来不及熔化就要出钢了。30t转炉规定终点前3～4min加完最后一批渣料。

如果炉渣熔化得好，炉内CO气泡排出受到金属液和炉渣的阻碍，发出声音比较闷；而当炉渣熔化不好时，CO气泡从石灰块的缝隙穿过排出，声音比较尖锐；采用声纳装置

接收这种声音信息可以判断炉内炉渣熔化情况，并将信息送入计算机处理，进而指导枪位的控制。

人工判断炉渣化好的特征：炉内声音柔和，喷出物不带铁，无火花，呈片状，落在炉壳上不粘附。否则噪音尖锐，火焰散，喷出石灰和金属粒并带火花。

第二批渣料加得过早和过晚对吹炼都不利。加得过早，炉内温度低，第一批渣料还没有化好，又加冷料，熔渣就更不容易形成，有时还会造成石灰结坨，影响炉温的提高。加得过晚，正值碳的激烈氧化期，TFe含量低。当第二批渣料加入后，炉温骤然降低，不仅渣料不易熔化，还抑制了碳氧反应，会产生金属喷溅，当炉温再度提高后，就会造成大喷溅。

第三批渣料的加入时间要看炉渣化得好坏及炉温的高低而定。炉渣化得不好，可适当加入少量萤石进行调整。炉温较高时，可加入适量的冷却剂调整。

3.4 供氧制度

将0.7～1.5MPa的高压氧气通过水冷氧枪从炉顶上方送入炉内，使氧气流股直接与钢水熔池作用，完成吹炼任务。供氧制度是在供氧喷头结构一定的条件下使氧气流股最合理的供给熔池，创造炉内良好的物理化学条件。因此，制订供氧制度时应考虑喷头结构、供氧压力、供氧强度和氧枪高度控制等因素。

3.4.1.氧枪喷头

转炉供氧的射流特征是通过氧枪喷头来实现的，因此，喷头结构的合理选择是转炉供氧的关键。氧枪喷头有单孔、多孔和双流道等多种结构，对喷头的选择要求为: （1）应获得超音速流股，有利于氧气利用率的提高； （2）合理的冲击面积，使熔池液面化渣快，对炉衬冲刷少， （3）有利于提高炉内的热效率；

（4）便于加工制造，有一定的使用寿命。

3.4.2 供氧制度中的几个工艺参数

3.4.2.1 氧气流量与供氧强度 A 氧气流量

氧气流量Q是指在单位时间t内向熔池供氧的数量V(常用标准状态下的体积量度)。其量纲为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、供氧时间等因素来确定的，即：

V

Q =t （3-5）

式中 Q—— 氧气流量，Nm3/min或Nm3/h；

V—— 一炉钢的氧耗量，Nm3；

t —— 供氧时间，min或h。

一般供氧时间为14～22min，大转炉吹氧时间稍长些。

例1 转炉装入量132t，吹炼15min，氧耗量为6068Nm3，求此时氧气流量为多少? 解：V＝6068Nm3

t=15min

V6068

Q＝t=15= 404.53 Nm3/min =2 4272 Nm3/h

答：此时氧气流量为24272Nm3/h。

B 供氧强度

供氧强度I是指单位时间内每吨金属氧耗量，可由（3-6）式确定：

Q

I=T （3—6）

式中 I —— 供氧强度，Nm3/t·min； Q —— 氧气流量，Nm3/min； T —— 一炉钢的金属装入量，t。

例2 根据例1条件，求此时的供氧强度，若供氧强度提至3.6Nm3/t·min，每炉钢吹炼时间可缩短多少?

解：V＝6068Nm3；T＝132 t；t＝15min

V6068Q

供氧强度I = T = t T =15 132 =3 .06Nm3/min

6068V

冶炼时间t ＝I T＝ 3.6 132= 12.769min 每炉吹炼时间缩短值：

Δ t = 15－12.769 = 2.231min = 2min14s

答：供氧强度为3.06Nm3/ t·min，提高供氧强度后，每炉吹炼时间可缩短2minl4s。

顶吹转炉炼钢的氧气流量和供氧强度主要决定于喷溅情况，通常应在基本上不产生喷溅的情况下控制在高限上。目前国内30～50t转炉的供氧强度在2.8～4.0Nm3/t·min，120～150t转炉的供氧强度在2.3～3.5Nm3/t·min。大于150t的转炉供氧强度一般在2.5～4.0Nm3/t· min。如日本300t转炉，采用五孔喷嘴，供氧强度达到4.44Nm3/t·min；前西德350t转炉采用七孔喷嘴，供氧强度为4.29Nm3/t·min；有个别转炉可达5～6Nm3/t·min。

C 吨金属氧耗量

吹炼1t金属料所需要的氧气量，可以通过计算求出来。其步骤是：首先计算出熔池各元素氧化所需氧气量和其他氧耗量，然后再减去铁矿石或氧化铁皮带给熔池的氧量，现举例说明。

例3 已知：金属装入量中铁水占90％，废钢占10％，吹炼钢种是Q235B，渣量是金属装入量的7.777％；吹炼过程中，金属料中90％的碳氧化生成CO、10％的碳氧化生成CO2。求：100kg金属料，ω[c]=1％时，氧化消耗的氧气量?

解：12g的C生成CO消耗16g氧气，生成CO2消耗32g氧气，设100kg金属料ω[c]＝1％生成CO消耗氧气量为xkg，生成CO2消耗氧气量为ykg。

1

[C] 十 2{O2}＝{CO}

12g 16g

1％×100×90％kg χ

1% 100 90% 16

12χ==1.200kg

[C ] 十 {O2}＝{CO2}

12g 32g

1%×100×10%kg y

1% 100 10% 32

12y==0.267kg

氧化ω[c]=1％的氧耗量：1.200+0.267＝1.467kg

答：100kg的金属料ω[C]=1％氧化消耗的氧气量为1.467kg。

同理可以算出100kg金属料中ω[Si]＝1％、ω[Mn]＝1％、ω[P]＝1％、ω[S]＝1％、ω[Fe]=1％的氧耗量；渣中ω(FeO)＝9％，ω(Fe2O3)＝3％；吹炼过程中被氧化进入炉渣的Fe元素数量，FeO中ω[Fe]＝0.544kg，Fe2O3中ω[Fe]=0.163kg。100kg金属料各元素氧化量和氧耗量见表3-7。

这样每l00kg金属料需氧量：

1

1.467×Δω[C]+1.143×Δω[Si]+0.291×Δω[Mn]+1.290×Δω[P]+3×Δω[S]十 0.286×Δω[Fe],(FeO)+0.429×Δω[Fe],(FeO)

Δω[C]，Δω[Si]，Δω[Mn]，Δω[P]，Δω[S]，Δω[Fe]——分别是钢中C，Si，Mn，P，S，Fe的氧化量。

铁水ω[C]＝4.3％，占装入量的90％； 废钢ω[C]＝0.1％，占装入量的10％； 平均碳含量：4.3％×90％+0.1％×10％=3.88％

同样可以算出Si，Mn，P，S的平均成分，见表3-7。 每l00kg金属氧耗量：

1

1.467×Δω[C]+1.143×Δω[Si]+0.291×Δω [Mn]+1.290×Δω[P]+3×Δω[S] +0.286×Δω[Fe],(FeO)+0.429Δω[Fe],(Fe2O3)

1

=1.467×3.73+1.143×0.475+0.291×0.186+1.290×0.034+3×0.013+0.286×0.544+0.429×0.163

＝6.343kg

这是氧耗量的主要部分。另外还有一部分氧耗量是随生产条件的变化而有差异。例如炉气中部分CO燃烧生成CO2所需要的氧气量，炉气中含有一部分自由氧，还有烟尘中的氧含量以及喷溅物中的氧含量等。其数量随枪位、氧压、供氧强度、喷嘴结构、转炉炉容比、原材料条件等的变化而波动，波动范围较大。例如炉气中CO2含量的波动范围是φ (CO2)＝5％～30％；自由氧含量φ (O2)＝0.1％～2.0％。这部分的氧耗量是无法精确计算的，因此用一个氧气的利用系数加以修正。根据生产经验认为氧气的利用系数一般在80％～90％。

6.343

每l00kg金属料的氧耗量：80%~90%＝7.929～7.048kg

若采用铁矿石或氧化铁皮为冷却剂时，将带入熔池一部分氧，这部分氧量与矿石的成分和加入的数量有关。若矿石用量是金属量的0.418％。根据矿石成分计算，每100kg金属料由矿石带入熔池的氧量为0.096kg，若全部用来氧化杂质，则每l00kg金属料的氧耗量是：

(7.929～7.048)－0.096＝7.833～6.952kg

氧气纯度为99.6％，其密度为1.429kg/m3，则每吨金属料的氧耗量(标态)是：

7.833 6.952 1000

99.6% 1.429

100=55.03～48.84m3/t

平均为51.94m3/t

计算的结果与各厂实际氧耗量(标态)50～60m3/t大致相当。 D 供氧时间

供氧时间是根据经验确定的。主要考虑转炉吨位大小、原料条件、造渣制度、吹炼钢 种等情况来综合确定。小型转炉单渣操作一般供氧时间为12～14min；中、大型转炉单渣操作供氧时间一般为18～22min。

3.4.2.2 氧压

供氧制度中规定的工作氧压是测定点的氧压，以P用表示，它不是喷嘴前的氧压，更不是出口氧压，测定点到喷嘴前还有一段距离，有一定的氧压损失(如图3-3所示)。一般允许P用偏离设计氧压±20%，目前国内一些小型转炉的工作氧压约为（5～8）×105Pa，一些大型转炉则为8.5～

5

11×10Pa。

喷嘴前的氧压用p0表示，出口氧压用p表示。p0和p都是喷嘴设计的重要参数。出口氧压应稍高于或等于周围炉气的气压。如果出口氧压小于或高出周围气压很多时，出口后的氧气流股就会收缩或膨胀，使得氧流很不稳定，并且能量损失较大，不利于吹炼，所以通常选用p＝0.118～0.123MPa。

喷嘴前氧压p0值的选用应根据以下因素考虑：

(1) 氧气流股出口速度要达到超音速(450～530m/s)，即Ma=1.8～2.1。

(2) 出口的氧压应稍高于炉膛内气压。从图3—4可以看出，当p0>0.784MPa时，随氧压的增加，氧流速度显著增加；当p0>1.176MPa以后， 氧压增加，氧流出口速度增加不多。所以通常喷嘴前氧压选择为0.784～1.176MPa。

喷嘴前的氧压与流量有一定关系，若已知氧气流量和喷嘴尺寸，p0是可以根据经验公式计算出来的。当喷嘴结构及氧气流量确定以后，氧压也就确定了。

3.4.2.3 枪位

枪位是指由氧枪喷头出口到静止熔池表面之间的距离。

枪位的高低与炉内反应密切相关。根据氧气射流特性可知，当氧压一定时，枪位越低，氧气射流对熔池的冲击动能越大，熔池搅拌加强，氧气利用率越高，其结果是加速了炉内脱硅、脱碳反应，使渣中（FeO）含量降低，表3-8、表3-9的数据说明这种结果。同时，由于脱碳速度快，缩短了反应时间，热损失相对减少，使熔池升温迅速。但枪位过低，则不利于成渣，也可能冲击炉底。而枪位过高，将使熔池的搅拌能力减弱，造成熔池表面铁的氧化，使渣中（FeO）含量增加，导致炉渣严重泡沫化而引起喷溅。由此可见，只有合适的枪位才能获得良好的吹炼效果。

被损坏的条件下，有一定的冲击深度。氧枪高度可按经验确定一个控制范围，然后根据生产中的实际吹炼效果加以调整。由于喷嘴在加工过程中，临界直径的尺寸很难做到非常准确，而生产中装入量又有波动，所以过分的追求氧枪高度的精确计算是没有意义的。

喷枪高度范围的经验公式为 ：

H =（25～55）d喉 （3-7） 式中： H —— 喷咀距溶池面的高度，毫米；

d喉 —— 喷咀喉口直径，毫米；

由于三孔喷咀的氧气流股的铺散面积比单孔的喷咀要大，所以三孔喷枪的枪位可比单孔喷枪的低一些。

喷枪高度范围确定后，常用流股的穿透深度来核算一下所确定的喷枪高度。为了保证炉底不受损坏，要求氧气流股的穿透深度（h穿）与熔池深度（h熔）之比要小于一定的比值。

对单孔喷枪： h穿/ h熔 ≤ 0.70

对多孔喷枪： h穿/ h熔 ≤ 0.25～0.40 通常，枪位根据如下的因素确定：

(1) 吹炼的不同时期 由于吹炼各时期的炉渣成分、金属成分和熔池温度明显不同，它们的变化规律也有所不同，因此枪位也应相应的有所不同。

吹炼前期的特点是硅迅速氧化，渣中SiO2的浓度大和熔池温度不高。此时要求快速熔化加入的石灰，尽快形成碱度≦1.5～1.7的活跃的炉渣，以免酸性渣严重浸蚀炉衬和尽量增加前期的去磷和去硫率。所以，在温度正常时，除适当加入萤石或氧化铁皮等助熔剂外，一般应采用较高的枪位，使渣中的∑（FeO）稳定在25～30％的水平。如果枪位过低，渣中∑（FeO）含量低，则会在石灰块表面形成高熔点（2130℃）的2CaO·SiO2，阻碍石灰的溶解；还因熔池未能被炉渣良好覆盖，产生金属喷溅。当然，前期枪位也不应过高，以免产生严重喷溅。

加入的石灰化完后，如果不继续加入石灰，就应当适当降枪，使渣中∑（FeO）适当降低，以免在硅、锰氧化结束和熔池温度上升后强烈脱碳时产生严重喷溅。

吹炼中期的特点是强烈脱碳。这时，不仅吹入的氧全部消耗于碳的氧化，而且渣中的氧化铁也被消耗于脱碳。渣中∑（FeO）降低将使渣的熔点升高。渣中∑（FeO）降低过，则会使炉渣显著变粘，影响磷、硫的继续去除，甚至发生回磷。这种炉渣变粘的现象称为炉渣―返干‖。为防止中期炉渣―返干‖而又不产生喷溅，枪位应控制在使渣中∑（FeO）含量保持在10～15％的范围内。最佳枪位应当是炉渣刚到炉口而又不喷出。

吹炼后期因脱碳减慢，产生喷溅的威胁较小，这时的基本任务是要进一步调整好炉渣的氧化性和流动性，继续去除磷和硫，准确控制终点。吹炼硅钢等含碳很低的钢种时，还应注意加强熔池搅拌以加速后期脱碳，均匀熔池温度和成分以及降低终渣∑（FeO）含量。为此，在过程化渣不太好或中期炉渣―返干‖较严重时，后期应首先适当提枪化渣，而在接近终点时，再适当降枪，以加强熔池搅拌，均匀熔池温度和成分，降低镇静钢和低碳钢的终渣∑（FeO）含量，提高金属和合金收得率并减轻对炉衬的浸蚀。吹炼沸腾钢和半镇静钢时，则应按要求控制终渣的∑（FeO）含量。

(2) 熔池深度 熔池越深，相应渣层越厚，吹炼过程中熔池面上涨越高，故枪位也应在不致引起喷溅的条件下相应提高，以免化渣困难和枪龄缩短。因此，影响熔池深度的各种因素发生变化时，都应相应改变枪位。通常，在其它条件不变时，装入量增多，枪位应相应增高；随着炉龄的增长，熔池变浅，枪位应相应降低；随着炉容量增大，熔池深度增加，枪位应相应增高(同时氧压也要提高)等等。

(3) 造渣材料加入量及其质量 铁水中磷、硫含量高，或吹炼低硫钢，或石灰质量低劣、加入量很大时，不但由于渣量增大使熔池面显著上升，而且由于化渣困难，化渣时枪位应相应提高。相反，铁水中硫、磷含量很低，加入的渣料很少，以及采用合成造渣材料等情况下，化渣时枪位可以降低，甚至可以采用不变枪位的恒枪操作。

(4) 铁水温度和成分 在铁水温度低或开新炉时，开吹后应先低枪提温，然后再提枪化渣，以免使渣中积聚过多的∑（FeO）而导致强烈脱碳时发生喷溅。为了避免严重喷溅，铁水含硅量很高（＞1.2％）时，前期枪位不宜过高。

(5) 喷头结构 在一定的氧气流量下，增多喷孔数目，使射流分散，穿透深度减小，冲击面积相应增大，因而枪位应相应降低。通常，三孔氧枪的枪位约为单孔氧枪的55～75％。直筒型喷头的穿透深度比拉瓦尔型小，因而枪位应低些。

此外，枪位还与工作氧压有关，增大氧压使射流的射程增长，因而枪位应相应提高。

3.4.3 氧枪操作

目前氧枪操作有两种类型，一种是恒压变枪操作，即在一炉钢的吹炼过程中，其供氧压力基本保持不变，通过氧枪枪位高低变化来改变氧气流股与熔池的相互作用，以控制吹炼过程。另一种类型是恒枪变压，即在一炉钢的吹炼过程中，氧枪枪位基本不动，通过调节供氧压力来控制吹炼过程。目前，我国大多数工厂是采用分阶段恒压变枪操作，但由于各厂的转炉吨位、喷嘴结构、原材料条件及所炼钢种等情况不同，氧枪操作也不完全一样。下面就以恒压变枪操作来介绍几种氧枪操作的方式。

A 高—低—高的六段式操作

图3-5表明，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，见图3-6。

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。

3.5 温度制度

温度控制是指吹炼的过程温度和终点温度的控制。

过程温度控制的意义在于温度对于转炉吹炼过程既是重要的热力学参数，又是重要的动力学参数。它既对各个化学反应的反应方向、反应程度和各元素之间的相对反应速度有重大影响、又对熔池的传质和传热速度有重大影响。因此，为了快而多地去除钢中的有害杂质，保护或提取某些有益元素，加快吹炼过程成渣速度，加快废钢熔化，减少喷溅，提高炉龄等，都必须控制好吹炼过程温度。

此外，吹炼任何钢种都有其要求的出钢温度。出钢温度过低会造成回炉、包底凝钢、水口冻结及铸坯（或钢锭）的各种低温缺陷和废品；出钢温度过高，则会增加钢中气体、非金属夹杂物的含量，还会增加铁的烧损，影响钢的质量、造成铸坯的各种高温缺陷和废品，甚至导致漏钢事故的发生，同时也会影响炉衬和氧枪的寿命。因此终点温度控制是炼钢操作的关键性环节，而过程温度控制则是终点温度控制的基础。

由于氧气转炉采用纯氧吹炼，大大减少了废气量及其所带走的显热，因而具有很高的热效率。铁水所带入的物理热和化学热，除把金属加热到出钢温度外，还有大量的富余热量。因此，在吹炼过程中需要加入一定数量的冷却剂，以便把终点温度控制在出钢温度的范围内；同时还要求在吹炼过程中，熔池温度均衡地升高，并在到达终点时，使钢液温度和化学成分同时进入钢种所规定的范围内。

3.5.1 出钢温度的确定

出钢温度的高低受钢种、铸坯断面大小和浇注方法等因素的影响，其依据原则是： （1）保证浇注温度高于所炼钢种凝固温度50～100℃（小炉子偏上限，大炉子偏下限）。 （2）考虑出钢过程和钢水运输、镇静时间、钢液吹氩时的降温，一般为40～80℃。 （3）考虑浇注过程的降温。 出钢温度可用（3-8）式计算：

t 出 = t凝 +Δt 1 +Δt 2 +Δt 3 （3-8） 式中 t凝 —— 钢水凝固温度，可用3-9式计算： Δt 1 —— 钢水过热度；

Δt 2 —— 出钢、吹氩、运输、镇静过程降温； Δt 3 —— 浇注过程降温。

t凝 = 1539 –Σ[%i]Δt i （3-9）

式中 [％i] ——钢水中元素含量；

Δt i ——1％的i元素使纯铁凝固温度的降低值，其数据见表3-10。 现以Q235F钢为例来计算出钢温度。

成品钢水成分是：C 0.20%，Si 0.02％，Mn 0.4％，P 0.030％，S 0.020％，钢水中气体降温7℃。

t凝 = 1539 – (0.2×65+0.02×8+0.4×5+0.03×30+0.020×25+7) =1515℃ 取Δt 1为70℃、Δt 2为50℃、Δt 3为30℃，则： t 出 = 1515 +70 + 50 +30 =1665℃

铁水带入炉内的物理热和化学热, 除能满足出钢温度的要求(包括吹炼过程中金属升温300～400C℃；将造渣材料和炉衬加热到出钢温度；高温炉气和喷溅物带走的热量以及其它热损失)外，还有富余。因此需要加入一定数量的冷却剂才能将终点温度控制在规定的范围内。为了确定冷却剂的加入数量，应先知道富余热量，为此应先计算热量的收入与支出。

3.5.2.1 热量来源

氧气转炉炼钢的热量来源主要是铁水的物理热和化学热。物理热是指铁水带入的热量，它与铁水温度有直接关系；化学热是指铁水中各种元素氧化后放出的热量，它与铁水化学成分直接相关。

在炼钢温度下，各元素氧化放出的热量各异，它可以通过各元素氧化放出的热效应来计算确定。例如铁水温度1200℃，吹入的氧气25℃，碳氧反应生成CO时：

[ C ]1473{O2}298 = {CO}1473 ΔH1473K = －135600 J/mol 则1kg [ C ]氧化生成CO时放出的热量为135600／12≈11300 kJ／kg。

元素氧化放出的热量，不仅用于加热熔池的金属液和炉渣，同时也用于炉衬的吸热升温。现以100 kg金属料为例，计算各元素的氧化放热能使熔池升温多少。

设炉渣量为装入金属料的15％，受熔池加热的炉衬为装入金属料的10％，计算热平衡公式如下：

Q = ΣMC t (3-10 ) 式中 Q —— 1kg元素氧化放出的热量，kJ／kg；

M —— 受热金属液、炉衬和炉渣重量，kg；

C —— 各物质比热，已知钢液CL为0.84～1.0kJ／kg·℃，炉渣和炉衬的CS为1.23kJ/ kg·℃。 根据3-7式来计算在1200℃时C—O反应生成CO时，氧化1kg碳可使熔池温度升高的数值为：

11300

t 84100 1.0 15 1.23 10 1.23℃

1kg元素是100 kg金属料的1％，因此，根据同样道理和假设条件，可以计算出其它元素氧化1％时熔池的升温数值，计算结果见表3-11。

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