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转炉炼钢工艺
     绪  论
1、转炉炼钢法分类
转炉是以铁水为关键原料现代炼钢方法。该种炼钢炉由圆台型炉帽、圆柱型炉身和球缺型炉底组成。炉身设有可绕之旋转耳轴，以满足装料和出钢、倒渣操作，故而得名。
酸性空气底吹转炉——贝塞麦炉（英国1856年）
          空气转炉{ 碱性空气底吹转炉——托马斯炉（德国1878年）
                    碱性空气侧吹转炉（中国1952年）
转炉{            氧气顶吹转炉——LD（奥地利1952年）
          氧气转炉{ 氧气底吹转炉——OBM（德国1967年）
                    顶底复吹转炉（法国1975年）
2、氧气顶吹转炉炼钢法介绍
(1) 诞生背景及简称
现代炼钢生产首先是一个氧化精炼过程，最初贝氏炉和托马斯炉之所以采取空气吹炼正是利用其中氧。二次世界大战以后，工业制氧机在美国问世，使利用纯氧炼钢成为可能，但原来底吹方法炉底及喷枪极易烧坏。美国联合碳化物企业于1947年在试验室进行氧气顶吹转炉试验并获成功，命名为BOF。奥地利闻之即派相关教授前往参观学习，回来后于1949年在2吨转炉上进行半工业性试验并获成功，1952年、1953年30吨氧气顶吹转炉分别在Linz和Donawitz建成投产，故常简称LD。
1967年12月德国和加拿大合作发明了氧气底吹转炉，使用双层套管喷嘴并通以气态碳氢化合物进行冷却。
1975年法国研发了顶底复吹转炉，综合了LD和OBM优点，77年在世界年会上发表。
(2) 氧气顶吹转炉特点
1）优点
氧气顶吹转炉一经问世就显示出了极大优越性，世界各国竟相发展，现在成为最关键炼钢法。其优点关键表现在：
（1）熔炼速度快，生产率高（一炉钢只需20分钟）；
（2）热效率高，冶炼中不需外来热源，且可配用10%～30%废钢；
（3）钢品种多，质量好（高低碳钢全部能炼，S、P、H、N、O及夹杂含量低）；
（4）便于开展综合利用和实现生产过程计算机控制。
2）缺点
当然，LD尚存在部分问题，如吹损较高（10%，）、所炼钢种仍受一定限制（冶炼含大量难熔元素和易氧化元素高合金钢有一定困难）等。
3 氧气转炉发展趋势
对于氧气顶吹转炉推广和普及首推日本快速，且引导了LD发展趋势：
（1）容量大型化（相对投资较小）；
（2）配加炉外精炼以增加品种，提升质量（理论上可炼任何钢种）；
（3）引入底吹技术，实施复合吹炼（降低喷溅，降低吹损）；
（5）实现冶炼过程计算机控制。
1转炉炼钢原材料
引言
转炉炼钢所用原材料可分为金属料和非金属料两大类。原材料质量好坏，不仅关系到吹炼操作难易，而且会影响钢产量、质量和生产成本。
1.1 金属料
转炉炼钢金属料关键是铁水、废钢和铁合金。
1.1.1铁水
1 作用：转炉炼钢主原料，通常占装入量70%以上。
2 要求
铁水应符合一定要求，以简化和稳定操作并取得良好技术经济指标。
1）温度≥1250℃而且稳定
铁水温度高低，标志着其物理热多少。较高铁水温度，不仅能确保转炉吹炼顺利进行，同时还能增加废钢配加量，降低生产成本。所以，期望铁水温度尽可能高些，通常应确保入炉时仍在1250℃～1300℃以上。
另外，还期望铁水温度相对稳定，以利于冶炼操作和生产调度。
2）成份适宜而且波动小  
转炉炼钢适应性较强，可将多种成份铁水吹炼成钢。不过，为了方便转炉操作及降低生产成本，铁水成份应该适宜而稳定。
（1）铁水含磷量≤0.4%：磷会使钢产生“冷脆”现象，是钢中有害元素之一。转炉单渣法冶炼时脱磷效果为85%～95%，普碳钢含磷量通常要求≤0.04%,所以，国家标准要求铁水含磷量小于0.4%。
需要指出是，高炉内不能去磷，假如铁水含磷量超出0.4%,或吹炼低磷钢，则需采取双渣法冶炼或对铁水进行预脱磷处理。
（2）铁水含硫量≤0.07%：硫会使钢产生“热脆”现象，也是钢中有害元素。转炉脱硫效果不理想，单渣法冶炼时脱硫率仅为30%～35%，而通常要求钢液含硫量在0.05%以下，所以国家标准要求铁水含硫量≤0.07%。
假如铁水含硫量超出0.07%或吹炼低硫钢，则需采取双渣法冶炼或对铁水进行预脱硫处理。
（3）铁水含硅量：铁水中硅是转炉炼钢关键发烧元素之一，含硅量每增加0.1%，废钢比可增加1.3%～1.5%。对于大、中型转炉，铁水含硅量以0.5%～0.8%为宜。小型转炉热损较大，铁水含硅量能够高些。
若含硅量低于0.5%,铁水化学热不足,会造成废钢比下降,小容量转炉甚至不能正常吹炼；反之，假如铁水含硅量高于0.8%,不仅会增加造渣材料
消耗，而且使炉内渣量偏大，过多渣量轻易引发喷溅，增加金属损失。
另外，铁水含硅量高时，早期渣子碱度低，对炉衬侵蚀作用加剧；同时，早期渣中二氧化硅含量高，这会使渣中FeO、MnO含量相对降低，轻易在石灰块表面生成一层熔点为2130℃2CaO•SiO2外壳，阻碍石灰熔化，降低成渣速度，不利于早期去磷。
应该指出是，部分钢厂铁水含硅量超出了1.2%，部分甚至达成了1.5%，对此应进行预脱硅处理，以减轻转炉负担。
（4）铁水含锰量：铁水中锰是一个有益元素，关键表现在锰氧化后生成氧化锰能促进石灰溶解，有利于提升炉龄和减轻氧枪粘钢。
中国大多数钢铁厂所用铁水含锰量全部不高，多为0.2%～0.4%。提升铁水含锰量方法关键是向高炉原料中配加锰矿石，但这将会使炼铁生产焦比升高和高炉生产率下降。对于铁水增锰合理性还需要做具体技术经济对比，所以，现在对铁水含锰量不提硬性要求。
（5）铁水含碳量：碳也是转炉炼钢关键发烧元素，≥3.5%含碳量即可满足冶炼要求，而通常铁水含碳4%左右，故通常不做要求。
中国部分转炉炼钢厂对铁水成份控制见表（6）1-1。
3）带渣量≤0.5%
高炉渣中含有大量S、SiO2，所以期望兑入转炉铁水尽可能少带渣，以减轻脱硫任务和降低渣量，通常要求带渣量不得超出0.5%。
3 铁水预处理
定义：铁水在兑入转炉之前进行脱硫、脱磷或脱硅操作叫做铁水预处理。
目标：减轻高炉、转炉负担，提升生产率。
1）铁水炉外脱硫
铁水脱硫条件比钢水优越（铁水中碳、硅、磷等元素含量高，硫活度系数大，同时铁水中氧含量低），脱硫效率比钢水脱硫高4～6倍，经济上比转炉双渣法合算，所以铁水预脱硫技术已被中国外广泛采取。
基础思绪：向铁水中加入脱硫剂使之化合入渣。
（1）脱硫剂及其特点：现在常见铁水预脱硫剂关键有以下四种。
①电石粉（CaC2）
脱硫反应：CaC2（S）+[S]=CaS(S)+2[C]
特点：脱硫能力强，但脱硫过程中有少许CO和C2H2逸出，并带出电石粉，污染环境，所以必需安装除尘装置；价格较贵。
②石灰粉（CaO）
脱硫反应：2CaO(S)+[S]+1/2[Si]=CaS(S)+1/22CaO•SiO2（S）
特点：价格廉价，脱硫成本低，但单独使用时脱硫能力差，而且石灰表面会出现C2S，阻碍脱硫反应继续进行，降低脱硫速度和效率，为此，常配加适量铝或苏打粉避免C2S生成：
CaO(S)+[S]+2/3[Al]=CaS(S)+1/3Al2O3（S）
使脱硫速度和效率显著提升，如8图1-1。
③苏打粉（Na2CO3）
脱硫反应：Na2CO3（l）+[S]+[Si]=Na2S(l)+SiO2(S)+{CO}
特点：脱硫能力很强，且产生气体含有搅拌作用，脱硫速度快，但价格贵且污染严重，现已极少使用，有时和其它粉剂配成复合脱硫剂。
④金属镁
脱硫反应：金属镁沸点仅为1107℃，铁水温度下为气体，故脱硫反应为：
{Mg}+[S]=MgS(S)
特点：金属镁直接加入铁水时，会发生爆发式气化反应，不仅造成镁利用率大大降低，而且还会引发铁水喷溅而造成事故，所以不能单独使用，常和其它粉剂组成复合脱硫剂。
在相同铁水条件下，各脱硫剂能力强弱次序为：Na2CO3、CaC2、Mg、CaO，见9表1-3。
以上脱硫剂有可单独使用，但多为多个配合使用，如电石粉+石灰粉、金属镁+电石粉、石灰粉+苏打粉、金属镁+石灰粉等，其脱硫能力有较大差异。
（2）脱硫方法及效果：铁水预脱硫基础工艺是向铁水中加入脱硫剂并使之混合而发生脱硫反应，现在使用最广泛是机械搅拌法和喷吹法。
①机械搅拌法
混合方法：将脱硫剂加入铁水罐中，用耐火材料制成搅拌器插入铁水搅拌，使之和脱硫剂充足混合。
特点：脱硫效果和搅拌器转速及脱硫剂种类相关，见（10）图1-3、1-4。此法有多个形式，含有代表性是日本KR法（电石粉为主），武钢二炼79年引进，经消化改造使用以石灰粉为主脱硫剂。
②喷吹法
混合方法：它是以空气或惰性气体为载体，利用喷枪将粉状脱硫剂喷射到铁水中，使铁水和脱硫剂充足混合。宝钢80年代由日本引进叫DTS法，喷吹电石粉。多种脱硫剂在喷射法中应用效果见图1-6。
实际生产中，各厂应依据要求达成脱硫程度、铁水热损和铁损、脱硫设备费用、环境污染等问题，选择最适合脱硫剂和脱硫方法。
2）铁水预脱硅
基础思绪：向铁水中加入氧化性脱硅剂，使之氧化成SiO2进入炉渣。
（1）脱硅剂：常见脱硅剂是以氧化铁皮和烧结矿粉为主，配加少许石灰和萤石以降低渣子黏度。各厂家所用配比也不完全一样：
日本福山  氧化铁皮70～100%，石灰0～20%，萤石0～10%；
日本水岛  烧结矿粉75%，石灰25%。
脱硅剂用量约为15～30kg/t。
（2）脱硅方法：常见炉外脱硅方法有投入法和顶喷法两种。
投入法是在高炉出铁时，将脱硅剂投到铁水沟中，借助铁水流入铁水罐冲击搅拌作用使之充足混合、反应。这是最早一个脱硅方法，效率较低，通常在50%左右。
顶喷法是用0.2～0.3MPa压力空气经过喷枪从（铁沟或流入铁水灌铁水流）铁水液面以上一定高度将脱硅剂喷入，使之混合、反应。因为该方法使铁水和脱硅剂两次混合，所以脱硅效率高达70～80%，铁水含硅可达0.1～0.15%以下。
3）铁水预脱磷
转炉炼钢脱磷效率较高，双渣法冶炼尤其如此，但会增加造渣材料消耗，并延长冶炼时间，生产成本增大。多年来，铁水炉外脱磷研究有了较大发展，已用于工业生产。
基础思绪：向铁水中加入脱磷剂使其中磷氧化并固定在渣中。
（1）脱磷剂：现在广泛使用是苏打系和石灰系两类。
苏打系脱磷剂：2[P]+5[O]+3Na2CO3(S)=(Na2O•P2O5)+3{CO}
石灰系脱磷剂：2[P]+5[O]+4CaO(S)=(4 CaO•P2O5)，其中常配有一定氧化铁皮或烧结矿粉和萤石粉助熔剂。
（2）脱硅处理：因为磷和氧亲和力小于硅和氧亲和力，而且铁水中总含有一定硅，所以，欲要脱磷需优异行脱硅处理。使用苏打系脱磷时要求[Si]＜0.1%，使用石灰系处理时要求[Si]＜0.15%。
（3）铁水炉外脱磷方法及效果：现在，铁水脱磷方法关键喷吹法，它是以气体作载体将脱磷剂喷吹到铁水包中，使之充足混合，快速脱磷。日本新日铁以氩气喷吹45kg/t，时间20min，脱磷率达90%左右。
3）铁水同时脱硫和脱磷
从上所述，苏打和石灰既是脱硫剂也是脱磷剂，所以铁水同时进行脱硫和脱磷不仅成本低而且生产率高。现在，已在工业上应用同脱工艺有以下两种。
（1）SARP法：即日本住友碱性精炼工艺，它是将铁水首优异行脱硅
处理，当[Si]＜0.1%后扒出炉渣，然后喷吹19kg/t苏打粉，脱硫率可达96%，脱磷率可达95%。
该法特点是，脱硫磷效率高，但处理成本高、耐火材料侵蚀严重，同时有气体（CO）污染。
（2）ORP法：也是优异行脱硅处理，当[Si]＜0.15%后扒出炉渣，然后喷吹52kg/t石灰基粉料，脱硫率可达80%，脱磷率可达88%。
该法特点是，处理成本低，但渣量大而铁损多（TFe=20～30%）。
1.1.2废钢
1 作用：废钢是转炉炼钢另一个金属炉料，其作用是冷却熔池。
氧气顶吹转炉炼钢中，主原料铁水物理热和化学热足以把熔池温度从1250℃～1300℃加热到1600℃左右炼钢温度，且有富余热量，废钢就是被用来消耗这些富余热量，以调控熔池温度。
2 要求
（1）清洁、少锈，无混杂，不含有色金属；
（2）最大长度不得超出炉口直径二分之一，最大截面积要小于炉口面积五分之一。
3 废钢加工和预热
1）废钢加工
转炉炼钢所用废钢多为外购废钢。其起源广泛，大小悬殊，外形各异，且多有混杂，应针对所购废钢特点进行对应加工处理如切割、打包、火烧、挑拣、水洗等，以满足转炉炼钢对入炉废钢基础要求。
2）废钢预热
目标：提升废钢比（见17表1-8），降低生产成本。
方法及效果：利用铁水罐余热和燃料燃烧加热。（首钢）将废钢装入铁水罐中，置于煤气烘烤器下烘烤30～40min，然后接铁水一并倒入转炉，废钢比提升10%。
1.1.3铁合金
作用：脱氧剂、合金剂。
种类：关键是Fe-Si、Fe-Mn、Mn-Si及Al，依据常炼钢种不一样还可能有Fe-Cr、Fe-W、Fe-Mo、Ni等合金。
要求：成份正确、块度适宜（5～40mm）、用前烘烤。
思索题
1简述氧气转炉发展趋势。
2转炉炼钢对铁水有哪些要求？
3常见脱硫剂有哪些？它们脱硫能力怎样？
4铁水炉外预脱硫方法有哪些？影响机械搅拌法脱硫效果原因是什么？
5简述SARP法同时脱硫脱磷工艺过程。
6炼钢用石灰应满足哪些要求？
2.2底吹气体射流
2.2.1底吹气体行为
森一美等冶金学家，试验用氮气从底部吹入水或水银中，并用高速摄影机拍摄其流出情况，发觉气体经过浸没式喷嘴流出时在熔池中行为有两种：
（1）鼓泡
流速较小时，气体在喷嘴出口鼓起而形成气泡并逐步长大，当气泡长大一定程度（浮力大于粘滞力）后则脱离孔口上浮，这一现象称为鼓泡。
（2）形成射流
流速较大时，气体在孔口上形成连续气流射入液体中，这种现象称为浸没式射流。
试验发觉，由流量计算表观马赫数Ma/增加到1以上时，从喷嘴流出气体由鼓泡转变成射流，即表观马赫数Ma/等于1速度为临界流速，如（32）图2-12。
表观马赫数Ma/用2-9式计算：
Ma/=υ/a=Q/aA
式中  υ——气体出口速度，m/s；
a——室温音速，m/s；
A——喷嘴截面积，m2；
Q——气体流量，m3/s。

2.2.2氧气射流和熔池间相互作用
氧射流和熔池间作用包含物理作用和化学作用两个方面。
1 物理作用
氧射流和熔池间物理作用表现在以下三个方面：
1）氧气射流冲击熔池
冲击结果：氧射流抵达熔池表面时其M仍大于1，高速射流自上而下冲击熔池，将其中央冲出一个凹坑。从凹坑最低点到静止液面距离叫冲击深度，又叫穿透深度，以h冲表示；射流和熔池接触时截面积称冲击面积，常见A表示。
影响原因：由式2-12可知，h冲∝PO/H枪；类似有，A∝H枪/PO（H枪是吹氧时喷头距静止液面距离叫枪位；P0是喷头进口处氧压）。可见，改变P0和H均能够调整对冶炼过程相关键影响工艺参数h和A：
（1）高枪位或低氧压吹炼时，h小、A大，称软吹，反之，称硬吹；
（2）生产中多采取恒氧压变枪位操作，即一炉钢吹炼过程中保持供氧压力不变，而经过改变枪位来调整h和A，以满足炉内反应所需；
（3）伴随炉容增大，单孔喷头极难同时满足冶炼所需要h和A，故现在多用三孔以上喷头。
2）氧气射流搅拌熔池
产生过程：气流从坑底沿四壁向上流动时，二者之间摩擦力使钢液也随之向上，抵达液面时流向炉壁，造成该处钢液向下流动并补向熔池中心，形成环流，从而对熔池起到了搅拌作用。
影响原因：硬吹时，凹坑深，熔池内钢液环流强，氧气射流搅拌作用大；反之，软吹时氧气射流搅拌作用小。如（36）图2-16、2-17。
需要指出是，理论计算表明，转炉内对熔池进行搅拌关键是上浮中CO气泡，氧气射流搅拌作用随炉容增大逐步由40%以上降至不足20%。不过不能所以轻视氧气射流搅拌作用，因为CO气泡产生数量依靠于氧气射流搅拌强度。
3）氧气射流和熔池相互破碎
破碎原因：高速氧气射流冲击熔池，加之碳氧反应生成CO气体强烈搅拌作用，使得二者相互被破碎。
破碎结果：大部分熔池全部形成了气泡、熔渣（2mm）、金属(0.1mm)三相乳浊液（仅底层有少部分单相金属），各相之间接触面积剧增（据估算，转炉内每吹入1m3氧气，所产生金属-氧气接触面积约37m2；每吨金属和熔渣接触面积高达60 m2，且全部金属全部有机会），极大地改善了炉内反应动力学条件，使之得以快速进行。这是转炉冶炼速度快原因之一。
影响原因：硬吹时，相互间作用力大，熔池乳化程度高（乳化范围大、液滴也细小）。
但应注意：出钢前这种乳浊液应基础消失（被破坏），以降低金属损失。
2 化学作用
氧射流和熔池间化学作用表现在以下两方面：
1）射流将氧传给金属——氧化溶质元素
（1）直接氧化：在射流冲击区（也称一次反应区）及吸入流股金属滴表面将发生直接氧化反应：
                      1/2{O2} +[C] ={CO}
                      {O2} +[Si] =(SiO2)
1/2{O2} +[Mn] =(MnO)
1/2{O2} +Fe =（FeO）
取样分析结果，氧化产物85～90%是FeO。
（2）间接氧化：被氧化了钢液和液滴（带有大量FeO）随钢液一起环流时，会使沿途溶质元素氧化（这些地方称二次反应区）：
（FeO）=[FeO]
                      [FeO]+[C] ={CO} +Fe
                      2[FeO]+[Si] =(SiO2) +2Fe
[FeO]+[Mn] =[MnO] +Fe
2）射流将氧传给炉渣——提升（FeO）促进化渣和间接氧化
（1）直接传氧：射流和炉渣接触时和在乳浊液中会发生以下反应将氧传给炉渣：
1/2{O2}+2（FeO）=(Fe2O3)
                        (Fe2O3)+Fe=3(FeO)
（2）间接传氧：环流中未消耗完（FeO）因比重小而上浮入渣。
综合上述两方面作用，吹炼中枪位和炉内反应间关系为：
高枪位操作即软吹时，氧气射流和炉渣接触面积大，直接传氧多，同时h小，熔池内钢液环流较弱，（FeO）上浮旅程短，间接氧化消耗少而上浮入渣多即间接传氧也多，使渣中（FeO）含量较高，有利于化渣——所谓“提枪化渣”；但软吹时，熔池搅拌差而溶质元素氧化较慢，氧气利用率也相对较低。
反之，低枪位操作即硬吹时，氧气利用率高，同时h大，熔池内钢液环流强，（FeO）上浮旅程长，沿途间接氧化反应强，溶质元素氧化快——所谓“降枪脱碳”；但硬吹时A小，氧气射流直接传氧少，同时因（FeO）消耗多而间接传氧也较少，渣中（FeO）含量低，对化渣不利。
实际操作中，应依据吹炼不一样阶段不一样要求，合理地改变枪位，确保冶炼过程顺利进行。
2.2.3底吹气体对熔池作用
1搅拌熔池
实际生产中，从底部喷入熔池气流通常为亚音速，除在喷嘴处可能存在一段连续流股外，喷入气体将形成大小不一气泡并自动上浮。气泡群在上浮过程中，因压力减小而膨胀，并驱动、抽引金属液向上运动，以后沿四面炉壁向下，并补向中心，从而对熔池尤其是其底部产生强烈搅拌，如（39）图2-20。
2气泡对喷孔产生后座
喷入熔池气体形成气泡时，残余气袋在距喷孔直径二倍地方受到液体挤压而断裂，气相内回流压向喷孔端面，如（40）图2-21所表示，这一现象称为气泡对喷孔后座。
经测定，后座力高达0.01～0.024MPa，尤其是氧化性气体后座会加速炉
衬和喷嘴损坏。研究表明，采取缝隙型和多金属管型底吹供气元件能有
效消除后座现象。

思索题
1取得超音速射流应含有什么条件？射流衰减有何规律？
2氧气顶吹转炉中氧射流有何特征？
3解释名词：冲击深度  冲击面积  硬吹  软吹
4简述枪位和炉内反应关系。
5底吹气体是怎样搅拌熔池？
2.3 转炉内基础反应及熔体成份改变
本章关键叙述转炉吹炼过程中硅锰氧化、脱碳、脱硫和脱磷等基础反应及熔体成份改变情况，为学习后面工艺内容作好理论准备。
硅锰氧化、脱碳、脱硫和脱磷是炼钢基础反应，但在转炉炼钢中又有其特殊性。
2.3.1硅、锰氧化
前已述及，炼钢中硅、锰氧化以间接氧化方法为主，其反应式为：
[Si]+2(FeO)=(SiO2)+2Fe  放热
[Mn]+(FeO)=(MnO)+Fe  放热
二者均是放热反应，所以它们全部是在熔池温度相对较低吹炼早期被大量氧化；因为硅氧化产物是酸性SiO2，而锰氧化产物是碱性MnO，所以在现在碱性操作中硅氧化得很根本，即使后期温度升高后也不会被还原，而锰则氧化得不根本，而且冶炼后期熔池温度升高后还会发生还原反应，即吹炼结束时钢液中还有一定数量锰存在，称“余锰”。
2.3.2转炉炼钢中脱碳
转炉炼钢主原料——铁水中含有4.%左右碳，远高于钢种要求，所以脱碳是转炉炼钢关键任务之一。
1 脱碳反应
转炉中脱碳反应以间接氧化为主：(FeO)+[C]={CO}+Fe。这是一个吸热反应，所以，熔池温度升高至1500℃左右后脱碳反应方能猛烈进行。
在氧气射流作用区，还会发生碳直接氧化：1/2{O2}+[C]={CO}，它是强放热反应，故而，碳是转炉炼钢关键热源之一。
复吹转炉底吹CO2气体时，CO2也会参与碳氧化：{ CO2}+[C]=2{CO}，所以会强化炉内脱碳反应。
2 脱碳速度及影响原因
转炉中脱碳速度如（49）图3-7所表示，呈三段台阶式改变。
1）第一阶段
冶炼早期，熔池温度低，关键是硅锰氧化，脱碳速度很慢。研究发觉，当铁水中硅当量即[%Si]+0.25[%Mn]＞1时，脱碳速度趋于零，图3-8所表示。随吹炼进行，硅锰含量下降，温度也渐高，近1400℃时碳开始氧化，速度直线上升。故称该阶段为硅锰控制阶段。
复吹转炉因为有底吹搅拌，脱碳反应开始较早，而且速度增加平稳。
2）第二阶段
冶炼中期，是碳猛烈氧化阶段，脱碳速度关键受供氧强度影响，即氧传输是限制性步骤。如（50）图3-9所表示，供氧强度越大，脱碳速度也越
大（但过大易产生喷溅）。
复吹转炉因为FeO控制得较低，最大速度不及顶吹转炉，吹炼中不易喷溅但全程平均速度较之还要大些。
3）第三阶段
当钢液含碳量降低到一定程度时，碳扩散成为限制性步骤，脱碳速度取决于熔池搅拌情况。
转炉炼钢中，脱碳反应速度由氧扩散控制转成由碳扩散控制时钢液含碳量称为临界含碳量。顶吹转炉临界含碳量为0.10%左右，而复吹转炉因为有底吹搅拌其临界含碳量则为0.07%；而且，同为临界含碳量以下时，复吹脱碳速度也大些，如（49）图3-7。
2.3.3转炉冶炼中脱磷和脱硫
脱磷反应式为：
2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO•P2O5)+5Fe   放热
其基础条件是高碱度、高氧化铁和低温度。
而炉渣脱硫反应式为：
[FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)        吸热
它基础条件是高碱度、高温度和低氧化铁。
二者在碱度要求上是一致，而对温度和氧化铁含量需求却是矛盾。所以，吹炼中首要任务是快速形成并一直保持3.0左右高碱度熔渣，同时，吹炼前期，抓住温度低有利时机，高枪位操作快速成渣同时提升炉渣氧化性充足脱磷；冶炼中期，低枪位脱碳，控制合适低氧化铁，强化脱硫过程。
2.3.4吹炼过程中熔体成份改变
此处熔体是指熔铁和熔渣，（42）图3-1为顶吹转炉吹炼过程中金属成份、熔渣成份和温度改变情况，图3-2则为复吹转炉改变情况。
一、金属成份改变规律
转炉吹炼过程中，熔池中金属成份改变规律大致以下：
（1）Si和Mn：铁水中Si和Mn，在吹炼早期15～20%时间内快速下降。不一样是，硅氧化得比较根本，且不再回升；而锰氧化得不够根本，后期温度升高后还有所回升，而且复吹转炉回升得愈加快些（因为其渣中FeO
含量低）。
（2）C：冶炼早期，碳氧化速度较慢（温低及Si、Mn氧化）；进入中期后脱碳速度快速增大（硅、锰氧化结束，熔池温度也已升至1400℃以上）；终点前20%时间脱碳速度又逐步慢（因[C]已较低，碳扩散成了限制性环
节）。
对于复吹转炉，因为熔池搅拌良好，改善了反应动力学条件，脱碳速度改变幅度要远小于顶吹转炉。
（3）P：冶炼早期，脱磷速度较快（温低）；冶炼中期脱
磷速度显著下降，甚至停止或发生“回磷” （温度渐高，且
脱碳速度加紧，大量消耗渣中（FeO），甚至引发炉渣“返干”）；冶炼后期，若控制适当脱磷反应仍能缓慢进行（熔池温度虽较高，但脱碳速度较小，渣中（FeO）高，炉渣碱度也较高）。
（4）S：几乎成直线缓慢下降，吹炼中期，碳猛烈氧化使渣中（FeO）急剧下降而出现“返干”，脱硫停止（早期，虽温低，但铁水含碳高，硫活度系数大而含有一定脱硫能力；后期FeO高，但B高、T高，所以也能脱硫）。
2.3.5熔渣成份改变规律
冶炼过程中，转炉中熔渣成份改变规律大致以下：
（1）（FeO）：呈下凹弧形改变：吹炼早期，为了化渣枪位较高，渣中（FeO）含量高达28%（复吹为16%）；中期随脱碳进行（FeO）被大量消耗而逐步降至12%以下（太低，出现返干，复吹为6%）；伴随[C]降低，脱碳速度下降，（FeO）浓度又渐升至15%（复吹为12%）。
（2）（CaO）：伴随所加石灰溶化，渣中（CaO）含量渐升至50% （中期因炉渣“返干”溶化很慢甚至停止）。
（3）（SiO2）和(MnO)：吹炼早期，硅、锰氧化使之浓度很快分别达成20%和14%，以后伴随所加石灰熔化逐步降低至10%和6%。

思索题
1什么是临界含碳量？顶吹转炉和复吹转炉临界含碳量各为多少？
2转炉冶炼中怎样调和脱硫和脱磷之间矛盾？
3.1.1转炉一炉钢基础冶炼过程
顶吹转炉冶炼一炉钢操作过程关键由以下六步组成：
（1）上炉出钢、倒渣，检验炉衬和倾动设备等并进行必需修补和修理；
（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，随即喷出暗红火焰；3～5/后硅锰氧靠近结束，碳氧反应逐步猛烈，炉口火焰变大，亮度随之提升；同时渣料熔化，噪声减弱）；
（4）3～5/后加入第二批渣料继续吹炼（随吹炼进行钢中碳逐步降低，约12/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（将计算好合金加入钢包中）进行脱氧合金化。
本章关键内容：依据原料、设备等生产条件确定合理装料、造渣、供氧、温度、终点控制和脱氧合金化等五大操作制度。
3.1.2 装料制度
所谓装料，是指将炼钢所用钢铁炉料即铁水和废钢装入炉内工艺操作。顶吹转炉装料制度包含确定装入量、废钢比和装料操作三方面内容。
1装入量确实定
转炉装入量是指每炉装入铁水和废钢两种金属炉料总量。
1 确定依据
确定装入量应考虑原因关键有两个：
1）熔池深度要合理
生产实践证实，熔池深度H为氧气射流对熔池最大冲击深度h1.5～2.0倍时较为合理，既能预防氧气射流冲蚀炉底，同时又能确保氧气射流对熔池有较强搅拌。
中国部分厂家不一样容量转炉实施熔池深度见下表：

厂家    首一    太二    首三    攀本    首二    宝钢
容量/ t    30    50    80    120    210    300
池深/mm    800    1050    1190    1250    1650    1949
V/T    0.86    0.97    0.73    0.90    0.92    1.05
（2）炉容比要适宜
转炉有效容积V和装入量T比值叫做炉容比，m3/t。
现在，中国外转炉炉容比通常为0.8～1.0 m3/t。V/T过小，意味着装得过多，吹炼中易产生喷溅，且因熔池深而搅拌差；反之，不能充足发挥转炉生产能力，而且吹炼中氧射流易冲蚀炉底。
各转炉建成投产时，已经有炉容比设计值，即V/T基础范围，实际生产中应依据铁水成份及冷却剂种类等原因调整装入量，保持适宜炉容比，以取得良好综合指标。比如，铁水硅、磷含量较高时，冶炼中渣量大，应合适少装些，确保较大炉容比，不然吹炼过程中轻易产生喷溅；以废钢做冷却剂时，吹炼中不易喷溅，其炉容比可比以铁矿石做冷却剂时小0.1～0.2 m3/t。
中国部分厂家不一样容量转炉实施炉容比见上表。
2 装入制度类型
顶吹转炉装入制度以下三种：
1）定量装入
定义：在整个炉役期内每炉装入量保持不变装料方法叫定量装入。
特点：便于组织生产和实现吹炼过程计算机自动控制；但吹氧操作困难，炉役前期装入量易偏大，熔池较深，搅拌不足，而炉役后期装入量易偏小，不仅不能发挥炉子生产能力，且熔池较浅，氧射流易冲蚀炉底。转炉容量越小，炉役前、后期炉子横断面积和有效容积差异越大，这一问题也就越突出。中国外大型转炉广泛采取定量装入制度。
2）定深装入
定义：在一个炉役期间，伴随炉衬侵蚀炉子实际容积不停扩大而逐步增加装入量以确保熔池深度不变装料方法称定深装入。
特点：熔池深度不变，吹氧操作稳定，有利于提升供氧强度并减轻喷溅，同时又能充足发挥炉子生产能力；但其装入量和出钢量改变频繁，不仅给冶炼操作带来麻烦，而且增加了生产组织难度，现已极少使用。
3）分阶段定量装入
定义：依据炉衬侵蚀规律和炉膛扩大程度，将一个炉役期划分成3～5个阶段，每个阶段实施定量装入，装入量逐段递增装料方法叫做分阶段定量装入。
特点：分阶段定量装入制度基础上发挥了转炉生产能力，同时大致上保持了合适熔池深度，便于吹氧操作；又确保了装入量相对稳定，便于组织生产，所以中国中小转炉普遍采取。
2废钢比
定义：废钢加入量占金属料装入量百分比称为废钢比。
关键性：提升废钢比，能够降低铁水用量从而有利于降低转炉生产
成本；同时可降低石灰用量和渣量，有利于减轻吹炼中喷溅，提升冶炼收得率；还能够缩短吹炼时间、降低氧气消耗和增加产量。
影响原因：铁水温度和成份、所炼钢种、冶炼中供氧强度和枪位、转炉容量大小和炉衬厚薄等。中国各厂因生产条件、管理水平及冶炼品种等不一样，废钢比大多波动在10%～30%之间。具体废钢比数值可依据本厂实际情况经过热平衡计算求得，这一内容将在第七章中介绍。
3装料操作
现在，中国大中型转炉均采取混铁炉（转炉容量15～20倍）供给铁水，即高炉来铁水储存在混铁炉中，用时倒入铁水罐天车兑入（处理高炉出铁和转炉用铁不一致矛盾，同时确保铁水温度稳定，成份波动小）；废钢则是事先按计算值装入料斗，用时天车加入。
为减轻废钢对炉衬冲击，装料次序通常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（不然加石灰）且先慢后快，以防引发猛烈碳氧反应，将铁水溅出炉外而酿成事故。
现在中国各厂普遍采取溅渣护炉技术，所以多为先加废钢后兑铁水，可避免兑铁喷溅。但补炉后第一炉钢应采取前法。

思索题
1简述一炉钢冶炼过程。
2名词解释：定量装入  分阶段定量装入  炉容比
3确定装入量时应考虑哪些原因？
3.2造渣制度
生产实践表明，造好渣是炼好钢关键前提。
所谓造渣，是指经过控制入炉渣料种类和数量，使炉渣含有一些性质，以满足熔池内相关炼钢反应需要工艺操作。
转炉造渣制度就是，依据原材料情况和所炼钢种要求确定造渣方法、渣料用量及加入时间，以尽早成渣，快速去磷。
转炉炼钢过程时间很短，应设法加速石灰熔化，以确保脱硫、磷所需碱度，同时提升石灰利用率。
3.2.1石灰溶解过程
石灰加入转炉后溶解过程大致以下：
1）形成渣壳
吹炼早期熔渣，关键是Fe、Mn、Si等元素氧化产物，其组成为2（FeO、MnO）•SiO2和SiO2，大量冷态石灰加入后，立即在其表面形成一层固态渣壳。
2）渣壳熔化
炉内高温使渣壳逐步熔化，转炉炼钢所用石灰块度为40mm左右，其表面渣壳熔化约需时50s左右；
3）石灰溶解（熔渣和石灰发生液-固反应）：
（1）熔渣中氧化物向石灰块迁移；
（2）氧化物扩散经过边界层抵达石灰块表面并向其孔中渗透；
（3）在接触处（外表面及孔内表面）发生置换反应                
（2FeO•SiO2）+ CaO =（CaO•FeO•SiO2）1208℃ +（FeO）                      
（2MnO•SiO2）+ CaO =（CaO•MnO•SiO2）1355℃+（MnO）
若渣中（FeO）过低（VC过大时），有将发生完全置换生成2130℃C2S会阻碍石灰深入溶解。
（4）反应产物扩散经过边界层；
（5）反应产物在渣中迁移。
比较而言，第三步高温下置换反应进行得很快，而一、五步外部传质和二、四步内部传质可能是石灰溶解限制性步骤。
依据国外一些教授研究，当熔体流动速度较小时，过程由外部传质控制，速度临界值约为1m/S，而转炉内钢液环流速度约为0.3～0.6 m/S。显然，石灰在渣中溶解限制性步骤是外部传质。这一步骤受熔渣粘度、熔池搅拌程度及石灰和熔渣接触面积大小等原因影响。
3.2.2加速石灰溶解方法
加速石灰溶解方法关键有：
1）适宜炉渣成份
渣中（FeO）是石灰溶解基础熔剂，原因在于：
（1）（FeO）可和CaO及2CaO•SiO2作用生成低熔点盐，能有效地降低炉渣粘度，改善石灰溶解外部传质条件；
（2）（FeO）是碱性氧化渣表面活性物质，能够改善炉渣对石灰润湿性，有利于熔渣向石灰表面孔中渗透，增大二者之间接触面积；
（3）Fe2+及O2-半径是同类中最小，扩散能力最强；
（4）有足够（FeO）存在时，能够避免石灰表面生成C2S而有利于石灰溶解。
所以，吹炼操作中应合理地控制枪位，一直保持较高（FeO）含量。
(MnO)对石灰溶解影响和（FeO）类似，生产中可在渣料中配加适量锰矿。
2）较高温度
熔池温度高时，石灰入炉初形成固态渣壳较薄；而且熔渣粘度低溶解石灰能力强。为此，入炉铁水温度要尽可能高，若铁水温度偏低应先低枪位提温。
3）强化熔池搅拌
加强对熔池搅拌，能够改善石灰溶解外部传质过程，从而可加速石灰溶解。复吹转炉石灰溶解速度要比顶吹转炉快，原因就在于复吹冶炼有底吹气体搅拌。
4）改善石灰质量
改善石灰质量关键从以下两方面入手：
（1）提升石灰活性度：增加石灰气孔率，增大比表面积，有利于炉渣渗透，可加紧石灰溶解速度，同时，即使石灰表面生成2CaO•SiO2外壳也不致密，易碎。
（2）减小石灰块度并进行预热：石灰入炉初形成固态渣壳薄甚至消失。
转炉炼钢过程时间很短，应设法加速石灰熔化，以确保脱硫、磷所需碱度，同时提升石灰利用率
3.2.3炉渣形成
氧气转炉炼钢过程时间很短，必需做到快速成渣，使炉渣立即含有合适碱度、氧化性和流动性，方便快速地把铁水中磷、硫等杂质去除到所炼钢种要求以下。
炉渣通常是由铁水中Si、P、Mn、Pe氧化和加入石灰溶解而生成；另外还有少许其它渣料(白云石、萤石等)、带入转炉内高炉渣、侵
蚀炉衬等。炉渣氧化性和化学成份在很大程度上控制了吹炼过程中反应速度。假如吹炼要在脱碳时同时脱磷，则必需控制(FeO)在一定范围内，以确保石灰不停溶解，形成一定碱度、一定数量泡沫化炉渣。
开吹后，铁水中Sl Mn、Pe等元素氧化生成FeO、Si02、MnO等氧化物进入渣中。这些氧化物相互作用生成很多矿物质，吹炼早期渣中关键矿物组成为各类橄榄石(Fe、Mn、Mg、Ca)Si04和玻璃体Si02。伴随炉渣中石灰溶解，因为CaO和Si02亲协力比其它氧化物大，CaO逐步替换橄榄石中其它氧化物，形成硅酸钙。随碱度增加而形成CaO•Si02，3CaO•2Si02，2CaO，Si02，3CaO•Si02，其中最稳定是2