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转炉炼钢工艺
转炉炼钢工艺
     绪  论
1、转炉炼钢法的分类
转炉是以铁水为主要原料的现代炼钢方法。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的耳轴，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简介
(1) 诞生的背景及简称
现代炼钢生产首先是一个氧化精炼过程，最初的贝氏炉和托马斯炉之所以采用空气吹炼正是利用其中的氧。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，但原来的底吹方式炉底及喷枪极易烧坏。美国联合碳化物公司于1947年在实验室进行氧气顶吹转炉的实验并获成功，命名为BOF。奥地利闻之即派有关专家前往参观学习，回来后于1949年在2吨的转炉上进行半工业性实验并获成功，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月德国与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的优点，77年在世界年会上发表。
(2) 氧气顶吹转炉的特点
1）优点
氧气顶吹转炉一经问世就显示出了极大的优越性，世界各国竟相发展，目前成为最主要的炼钢法。其优点主要表现在：
（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%的废钢；
（3）钢的品种多，质量好（高低碳钢都能炼，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尚存在一些问题，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的高合金钢有一定的困难）等。
3 氧气转炉的发展趋势
对于氧气顶吹转炉的推广和普及首推日本迅速，且引导了LD的发展趋势：
（1）容量大型化（相对投资较小）；
（2）配加炉外精炼以增加品种，提高质量（理论上可炼任何钢种）；
（3）引入底吹技术，实施复合吹炼（减少喷溅，降低吹损）；
（5）实现冶炼过程计算机控制。
1转炉炼钢的原材料
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。原材料质量的好坏，不仅关系到吹炼操作的难易，而且会影响钢的产量、质量和生产成本。
1.1 金属料
转炉炼钢的金属料主要是铁水、废钢和铁合金。
1.1.1铁水
1 作用：转炉炼钢的主原料，一般占装入量的70%以上。
2 要求
铁水应符合一定要求，以简化和稳定操作并获得良好技术经济指标。
1）温度≥1250℃而且稳定
铁水温度的高低，标志着其物理热的多少。较高的铁水温度，不仅能保证转炉吹炼顺利进行，同时还能增加废钢的配加量，降低生产成本。因此，希望铁水的温度尽量高些，一般应保证入炉时仍在1250℃～1300℃以上。
另外，还希望铁水温度相对稳定，以利于冶炼操作和生产调度。
2）成分合适而且波动小  
转炉炼钢的适应性较强，可将各种成分的铁水吹炼成钢。但是，为了方便转炉操作及降低生产成本，铁水的成分应该合适而稳定。
（1）铁水的含磷量≤0.4%：磷会使钢产生“冷脆”现象，是钢中的有害元素之一。转炉单渣法冶炼时的脱磷效果为85%～95%，普碳钢的含磷量通常要求≤0.04%,因此，国标规定铁水的含磷量小于0.4%。
需要指出的是，高炉内不能去磷，如果铁水的含磷量超过0.4%,或者吹炼低磷钢，则需采用双渣法冶炼或对铁水进行预脱磷处理。
（2）铁水的含硫量≤0.07%：硫会使钢产生“热脆”现象，也是钢中的有害元素。转炉的脱硫效果不理想，单渣法冶炼时的脱硫率仅为30%～35%，而通常要求钢液的含硫量在0.05%以下，因此国标规定铁水含硫量≤0.07%。
如果铁水含硫量超过0.07%或吹炼低硫钢，则需采用双渣法冶炼或对铁水进行预脱硫处理。
（3）铁水的含硅量：铁水中的硅是转炉炼钢的主要发热元素之一，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。小型转炉的热损较大，铁水的含硅量可以高些。
若含硅量低于0.5%,铁水的化学热不足,会导致废钢比下降,小容量转炉甚至不能正常吹炼；反之，如果铁水含硅量高于0.8%,不仅会增加造渣材料的
消耗，而且使炉内的渣量偏大，过多的渣量容易引起喷溅，增加金属损失。
另外，铁水含硅量高时，初期渣子的碱度低，对炉衬的侵蚀作用加剧；同时，初期渣中的二氧化硅含量高，这会使渣中的FeO、MnO含量相对降低，容易在石灰块表面生成一层熔点为2130℃的2CaO•SiO2外壳，阻碍石灰熔化，降低成渣速度，不利于早期的去磷。
应该指出的是，一些钢厂铁水的含硅量超过了1.2%，个别的甚至达到了1.5%，对此应进行预脱硅处理，以减轻转炉的负担。
（4）铁水的含锰量：铁水中的锰是一种有益元素，主要体现在锰氧化后生成的氧化锰能促使石灰溶解，有利于提高炉龄和减轻氧枪粘钢。
我国大多数钢铁厂所用铁水的含锰量都不高，多为0.2%～0.4%。提高铁水含锰量的方法主要是向高炉的原料中配加锰矿石，但这将会使炼铁生产的焦比升高和高炉的生产率下降。对于铁水增锰的合理性还需要做详细的技术经济对比，因此，目前对铁水含锰量不提硬性要求。
（5）铁水的含碳量：碳也是转炉炼钢的主要发热元素，≥3.5%的含碳量即可满足冶炼要求，而通常铁水含碳4%左右，故一般不做要求。
国内一些转炉炼钢厂对铁水成分的控制见表（6）1-1。
3）带渣量≤0.5%
高炉渣中含有大量的S、SiO2，因此希望兑入转炉的铁水尽量少带渣，以减轻脱硫任务和减少渣量，通常要求带渣量不得超过0.5%。
3 铁水的预处理
定义：铁水在兑入转炉之前进行的脱硫、脱磷或脱硅操作叫做铁水预处理。
目的：减轻高炉、转炉的负担，提高生产率。
1）铁水炉外脱硫
铁水脱硫的条件比钢水优越（铁水中碳、硅、磷等元素的含量高，硫的活度系数大，同时铁水中的氧含量低），脱硫效率比钢水脱硫高4～6倍，经济上比转炉双渣法合算，因此铁水预脱硫技术已被国内外广泛采用。
基本思路：向铁水中加入脱硫剂使之化合入渣。
（1）脱硫剂及其特点：目前常用的铁水预脱硫剂主要有以下四种。
①电石粉（CaC2）
脱硫反应：CaC2（S）+[S]=CaS(S)+2[C]
特点：脱硫能力强，但脱硫过程中有少量CO和C2H2逸出，并带出电石粉，污染环境，因而必须安装除尘装置；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：价格便宜，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，常配加适量的铝或苏打粉避免C2S的生成：
CaO(S)+[S]+2/3[Al]=CaS(S)+1/3Al2O3（S）
使脱硫速度和效率明显提高，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，且产生的气体具有搅拌作用，脱硫速度快，但价格贵且污染严重，现已很少使用，有时与其它粉剂配成复合脱硫剂。
④金属镁
脱硫反应：金属镁的沸点仅为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，不仅导致镁的利用率大大降低，而且还会引起铁水喷溅而造成事故，因此不能单独使用，常与其它粉剂组成复合脱硫剂。
在相同的铁水条件下，各脱硫剂的能力强弱顺序为：Na2CO3、CaC2、Mg、CaO，见9表1-3。
以上脱硫剂有的可单独使用，但多为几种配合使用，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别。
（2）脱硫的方法及效果：铁水预脱硫的基本工艺是向铁水中加入脱硫剂并使之混合而发生脱硫反应，目前使用最广泛的是机械搅拌法和喷吹法。
①机械搅拌法
混合方式：将脱硫剂加入铁水罐中，用耐火材料制成的搅拌器插入铁水搅拌，使之与脱硫剂充分混合。
特点：脱硫效果与搅拌器的转速及脱硫剂的种类有关，见（10）图1-3、1-4。此法有多种形式，具有代表性的是日本的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的脱硫剂。
②喷吹法
混合方式：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，使铁水与脱硫剂充分混合。宝钢80年代由日本引进的叫DTS法，喷吹电石粉。各种脱硫剂在喷射法中的应用效果见图1-6。
实际生产中，各厂应根据要求达到的脱硫程度、铁水的热损和铁损、脱硫设备费用、环境污染等问题，选用最适合的脱硫剂和脱硫方法。
2）铁水预脱硅
基本思路：向铁水中加入氧化性的脱硅剂，使之氧化成SiO2进入炉渣。
（1）脱硅剂：常用的脱硅剂是以氧化铁皮和烧结矿粉为主，配加少量石灰和萤石以降低渣子的黏度。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：常用的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的冲击搅拌作用使之充分混合、反应。这是最早的一种脱硅方法，效率较低，通常在50%左右。
顶喷法是用0.2～0.3MPa压力的空气通过喷枪从（铁沟或流入铁水灌的铁水流）铁水液面以上一定高度将脱硅剂喷入，使之混合、反应。由于该方式使铁水与脱硅剂两次混合，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
转炉炼钢的脱磷效率较高，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。近年来，铁水的炉外脱磷研究有了较大的发展，已用于工业生产。
基本思路：向铁水中加入脱磷剂使其中的磷氧化并固定在渣中。
（1）脱磷剂：目前广泛使用的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)，其中常配有一定的氧化铁皮或烧结矿粉和萤石粉助熔剂。
（2）脱硅处理：由于磷与氧的亲和力小于硅与氧的亲和力，而且铁水中总含有一定的硅，因此，欲要脱磷需先进行脱硅处理。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：目前，铁水脱磷方法主要喷吹法，它是以气体作载体将脱磷剂喷吹到铁水包中，使之充分混合，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，因此铁水同时进行脱硫和脱磷不仅成本低而且生产率高。目前，已在工业上应用的同脱工艺有以下两种。
（1）SARP法：即日本住友的碱性精炼工艺，它是将铁水首先进行脱硅
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%。
该法的特点是，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：也是先进行脱硅处理，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%。
该法的特点是，处理成本低，但渣量大而铁损多（TFe=20～30%）。
1.1.2废钢
1 作用：废钢是转炉炼钢的另一种金属炉料，其作用是冷却熔池。
氧气顶吹转炉炼钢中，主原料铁水的物理热和化学热足以把熔池的温度从1250℃～1300℃加热到1600℃左右的炼钢温度，且有富余热量，废钢就是被用来消耗这些富余热量，以调控熔池的温度。
2 要求
（1）清洁、少锈，无混杂，不含有色金属；
（2）最大长度不得超过炉口直径的二分之一，最大截面积要小于炉口面积的五分之一。
3 废钢的加工和预热
1）废钢的加工
转炉炼钢所用废钢多为外购废钢。其来源广泛，大小悬殊，外形各异，且多有混杂，应针对所购废钢的特点进行相应的加工处理如切割、打包、火烧、挑拣、水洗等，以满足转炉炼钢对入炉废钢的基本要求。
2）废钢的预热
目的：提高废钢比（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，废钢比提高10%。
1.1.3铁合金
作用：脱氧剂、合金剂。
种类：主要是Fe-Si、Fe-Mn、Mn-Si及Al，根据常炼钢种不同还可能有Fe-Cr、Fe-W、Fe-Mo、Ni等合金。
要求：成分准确、块度合适（5～40mm）、用前烘烤。
思考题
1简述氧气转炉的发展趋势。
2转炉炼钢对铁水有哪些要求？
3常用的脱硫剂有哪些？它们的脱硫能力如何？
4铁水炉外预脱硫方法有哪些？影响机械搅拌法脱硫效果的因素是什么？
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底吹气体的行为
森一美等冶金学家，实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，发现气体通过浸没式喷嘴流出时在熔池中的行为有两种：
（1）鼓泡
流速较小时，气体在喷嘴出口鼓起而形成气泡并逐渐长大，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的气流射入液体中，这种现象称为浸没式射流。
实验发现，由流量计算的表观马赫数Ma/增加到1以上时，从喷嘴流出的气体由鼓泡转变成射流，即表观马赫数Ma/等于1的速度为临界流速，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——室温的音速，m/s；
A——喷嘴截面积，m2；
Q——气体流量，m3/s。

2.2.2氧气射流与熔池间的相互作用
氧射流与熔池间的作用包括物理作用和化学作用两个方面。
1 物理作用
氧射流与熔池间的物理作用体现在以下三个方面：
1）氧气射流冲击熔池
冲击结果：氧射流到达熔池表面时其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。从凹坑的最低点到静止液面的距离叫冲击深度，又叫穿透深度，以h冲表示；射流与熔池的接触时的截面积称冲击面积，常用A表示。
影响因素：由式2-12可知，h冲∝PO/H枪；类似的有，A∝H枪/PO（H枪是吹氧时喷头距静止液面的距离叫枪位；P0是喷头进口处的氧压）。可见，改变P0和H均可以调整对冶炼过程有重要影响的工艺参数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）生产中多采用恒氧压变枪位操作，即一炉钢吹炼过程中保持供氧压力不变，而通过变化枪位来调节h和A，以满足炉内反应所需；
（3）随着炉容的增大，单孔喷头很难同时满足冶炼所需要的h和A，故目前多用三孔以上的喷头。
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，二者之间的摩擦力使钢液也随之向上，到达液面时流向炉壁，导致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。
影响因素：硬吹时，凹坑深，熔池内的钢液环流强，氧气射流的搅拌作用大；反之，软吹时氧气射流的搅拌作用小。如（36）图2-16、2-17。
需要指出的是，理论计算表明，转炉内对熔池进行搅拌的主要是上浮中的CO气泡，氧气射流的搅拌作用随炉容增大逐渐由40%以上降至不足20%。但是不能因此轻视氧气射流的搅拌作用，因为CO气泡产生的数量依赖于氧气射流的搅拌强度。
3）氧气射流与熔池相互破碎
破碎原因：高速的氧气射流冲击熔池，加之碳氧反应生成的CO气体的强烈搅拌作用，使得二者相互被破碎。
破碎结果：大部分熔池都形成了气泡、熔渣（2mm）、金属(0.1mm)三相乳浊液（仅底层有少部分单相金属），各相之间的接触面积剧增（据估算，转炉内每吹入1m3的氧气，所产生的金属-氧气的接触面积约37m2；每吨金属与熔渣的接触面积高达60 m2，且所有金属均有机会），极大地改善了炉内反应的动力学条件，使之得以快速进行。这是转炉冶炼速度快的原因之一。
影响因素：硬吹时，相互间的作用力大，熔池乳化程度高（乳化范围大、液滴的也细小）。
但应注意：出钢前这种乳浊液应基本消失（被破坏），以减少金属损失。
2 化学作用
氧射流与熔池间的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：在射流的冲击区（也称一次反应区）及吸入流股的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，氧化产物的85～90%是FeO。
（2）间接氧化：被氧化了的钢液和液滴（带有大量的FeO）随钢液一起环流时，会使沿途的溶质元素氧化（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——提高（FeO）促进化渣和间接氧化
（1）直接传氧：射流与炉渣接触时以及在乳浊液中会发生如下反应将氧传给炉渣：
1/2{O2}+2（FeO）=(Fe2O3)
                        (Fe2O3)+Fe=3(FeO)
（2）间接传氧：环流中未消耗完的（FeO）因比重小而上浮入渣。
综合上述两方面的作用，吹炼中枪位与炉内反应间的关系为：
高枪位操作即软吹时，氧气射流与炉渣的接触面积大，直接传氧多，同时h小，熔池内的钢液环流较弱，（FeO）的上浮路程短，间接氧化消耗少而上浮入渣多即间接传氧也多，使渣中的（FeO）含量较高，有利于化渣——所谓的“提枪化渣”；但软吹时，熔池搅拌差而溶质元素氧化较慢，氧气的利用率也相对较低。
反之，低枪位操作即硬吹时，氧气的利用率高，同时h大，熔池内的钢液环流强，（FeO）的上浮路程长，沿途的间接氧化反应强，溶质元素氧化快——所谓的“降枪脱碳”；但硬吹时A小，氧气射流的直接传氧少，同时因（FeO）消耗多而间接传氧也较少，渣中的（FeO）含量低，对化渣不利。
实际操作中，应根据吹炼的不同阶段的不同要求，合理地变化枪位，保证冶炼过程顺利进行。
2.2.3底吹气体对熔池的作用
1搅拌熔池
实际生产中，从底部喷入熔池的气流一般为亚音速，除在喷嘴处可能存在一段连续流股外，喷入的气体将形成大小不一的气泡并自动上浮。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，而后沿四周炉壁向下，并补向中心，从而对熔池尤其是其底部产生强烈的搅拌，如（39）图2-20。
2气泡对喷孔产生后座
喷入熔池的气体形成气泡时，残余气袋在距喷孔直径二倍的地方受到液体的挤压而断裂，气相内回流压向喷孔端面，如（40）图2-21所示，这一现象称为气泡对喷孔的后座。
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
衬和喷嘴的损坏。研究表明，采用缝隙型和多金属管型的底吹供气元件能有
效消除后座现象。

思考题
1获得超音速射流应具备什么条件？射流的衰减有何规律？
2氧气顶吹转炉中的氧射流有何特征？
3解释名词：冲击深度  冲击面积  硬吹  软吹
4简述枪位与炉内反应的关系。
5底吹气体是如何搅拌熔池的？
2.3 转炉内的基本反应及熔体成分变化
本章主要阐述转炉吹炼过程中的硅锰氧化、脱碳、脱硫和脱磷等基本反应及熔体成分的变化情况，为学习后面的工艺内容作好理论准备。
硅锰的氧化、脱碳、脱硫和脱磷是炼钢的基本反应，但在转炉炼钢中又有其特殊性。
2.3.1硅、锰的氧化
前已述及，炼钢中硅、锰的氧化以间接氧化方式为主，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，因此它们都是在熔池温度相对较低的吹炼初期被大量氧化；由于硅的氧化产物是酸性的SiO2，而锰的氧化产物是碱性的MnO，因此在目前的碱性操作中硅氧化得很彻底，即使后期温度升高后也不会被还原，而锰则氧化得不彻底，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的锰存在，称“余锰”。
2.3.2转炉炼钢中的脱碳
转炉炼钢的主原料——铁水中含有4.%左右的碳，远高于钢种的要求，因此脱碳是转炉炼钢的主要任务之一。
1 脱碳反应
转炉中的脱碳反应以间接氧化为主：(FeO)+[C]={CO}+Fe。这是一个吸热反应，因此，熔池温度升高至1500℃左右后脱碳反应方能激烈进行。
在氧气射流的作用区，还会发生碳的直接氧化：1/2{O2}+[C]={CO}，它是强放热反应，故而，碳是转炉炼钢的主要热源之一。
复吹转炉底吹CO2气体时，CO2也会参与碳的氧化：{ CO2}+[C]=2{CO}，因此会强化炉内的脱碳反应。
2 脱碳速度及影响因素
转炉中脱碳速度如（49）图3-7所示，呈三段台阶式变化。
1）第一阶段
冶炼初期，熔池温度低，主要是硅锰的氧化，脱碳速度很慢。研究发现，当铁水中的硅当量即[%Si]+0.25[%Mn]＞1时，脱碳速度趋于零，如图3-8所示。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。
复吹转炉由于有底吹搅拌，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，是碳激烈氧化阶段，脱碳速度主要受供氧强度的影响，即氧的传输是限制性环节。如（50）图3-9所示，供氧强度越大，脱碳速度也越
大（但过大易产生喷溅）。
复吹转炉由于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的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，碳的扩散成为限制性环节，脱碳速度取决于熔池搅拌情况。
转炉炼钢中，脱碳反应速度由氧的扩散控制转成由碳的扩散控制时的钢液含碳量称为临界含碳量。顶吹转炉的临界含碳量为0.10%左右，而复吹转炉由于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，复吹的脱碳速度也大些，如（49）图3-7。
2.3.3转炉冶炼中的脱磷和脱硫
脱磷的反应式为：
2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO•P2O5)+5Fe   放热
其基本条件是高碱度、高氧化铁和低温度。
而炉渣脱硫的反应式为：
[FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)        吸热
它的基本条件是高碱度、高温度和低氧化铁。
两者在碱度的要求上是一致的，而对温度和氧化铁含量的需求却是矛盾的。因此，吹炼中首要任务是快速形成并始终保持3.0左右的高碱度熔渣，同时，吹炼前期，抓住温度低的有利时机，高枪位操作快速成渣的同时提高炉渣的氧化性充分脱磷；冶炼中期，低枪位脱碳，控制适当低的氧化铁，强化脱硫过程。
2.3.4吹炼过程中熔体成分的变化
此处的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分、熔渣成分和温度的变化情况，图3-2则为复吹转炉的变化情况。
一、金属成分的变化规律
转炉吹炼过程中，熔池中金属成分的变化规律大致如下：
（1）Si和Mn：铁水中的Si和Mn，在吹炼初期的15～20%时间内迅速下降。不同的是，硅氧化得比较彻底，且不再回升；而锰氧化得不够彻底，后期温度升高后还有所回升，而且复吹转炉回升得更快些（因为其渣中FeO
含量低）。
（2）C：冶炼初期，碳的氧化速度较慢（温低及Si、Mn的氧化）；进入中期后脱碳速度迅速增大（硅、锰氧化结束，熔池温度也已升至1400℃以上）；终点前20%时间脱碳速度又逐渐慢（因[C]已较低，碳的扩散成了限制性环
节）。
对于复吹转炉，由于熔池搅拌良好，改善了反应的动力学条件，脱碳速度变化幅度要远小于顶吹转炉。
（3）P：冶炼初期，脱磷速度较快（温低）；冶炼中期脱
磷速度明显下降，甚至停止或发生“回磷” （温度渐高，且
脱碳速度加快，大量消耗渣中的（FeO），甚至引起炉渣“返干”）；冶炼后期，若控制得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，渣中的（FeO）高，炉渣碱度也较高）。
（4）S：几乎成直线缓慢下降，吹炼中期，碳的激烈氧化使渣中的（FeO）急剧下降而出现“返干”，脱硫停止（初期，虽温低，但铁水含碳高，硫的活度系数大而具有一定的脱硫能力；后期FeO高，但B高、T高，因而也能脱硫）。
2.3.5熔渣成分的变化规律
冶炼过程中，转炉中熔渣成分的变化规律大致如下：
（1）（FeO）：呈下凹弧形变化：吹炼初期，为了化渣枪位较高，渣中的（FeO）含量高达28%（复吹为16%）；中期随脱碳进行（FeO）被大量消耗而逐渐降至12%以下（太低，出现返干，复吹为6%）；随着[C]的减少，脱碳速度下降，（FeO）的浓度又渐升至15%（复吹为12%）。
（2）（CaO）：随着所加石灰的溶化，渣中的（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)：吹炼初期，硅、锰的氧化使之浓度很快分别达到20%和14%，而后随着所加石灰的熔化逐渐降低至10%和6%。

思考题
1什么是临界含碳量？顶吹转炉和复吹转炉的临界含碳量各为多少？
2转炉冶炼中如何调和脱硫和脱磷之间的矛盾？
3.1.1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；3～5/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）3～5/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（将计算好的合金加入钢包中）进行脱氧合金化。
本章的主要内容：依据原料、设备等生产条件确定合理的装料、造渣、供氧、温度、终点控制与脱氧合金化等五大操作制度。
3.1.2 装料制度
所谓装料，是指将炼钢所用的钢铁炉料即铁水和废钢装入炉内的工艺操作。顶吹转炉的装料制度包括确定装入量、废钢比和装料操作三方面的内容。
1装入量的确定
转炉的装入量是指每炉装入铁水和废钢两种金属炉料的总量。
1 确定依据
确定装入量应考虑的因素主要有两个：
1）熔池深度要合理
生产实践证明，熔池的深度H为氧气射流对熔池的最大冲击深度h的1.5～2.0倍时较为合理，既能防止氧气射流冲蚀炉底，同时又能保证氧气射流对熔池有较强的搅拌。
国内一些厂家不同容量转炉执行的熔池深度见下表：

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）炉容比要合适
转炉的有效容积V与装入量T的比值叫做炉容比，m3/t。
目前，国内外转炉的炉容比通常为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，不能充分发挥转炉的生产能力，而且吹炼中氧射流易冲蚀炉底。
各转炉建成投产时，已有炉容比的设计值，即V/T的基本范围，实际生产中应根据铁水成分及冷却剂的种类等因素调整装入量，保持合适的炉容比，以获得良好的综合指标。比如，铁水的硅、磷含量较高时，冶炼中渣量大，应适当少装些，保证较大的炉容比，否则吹炼过程中容易产生喷溅；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。
国内一些厂家不同容量转炉执行的炉容比见上表。
2 装入制度的类型
顶吹转炉的装入制度以下三种：
1）定量装入
定义：在整个炉役期内每炉的装入量保持不变的装料方法叫定量装入。
特点：便于组织生产和实现吹炼过程的计算机自动控制；但吹氧操作困难，炉役前期的装入量易偏大，熔池较深，搅拌不足，而炉役后期的装入量易偏小，不仅不能发挥炉子的生产能力，且熔池较浅，氧射流易冲蚀炉底。转炉容量越小，炉役前、后期炉子的横断面积与有效容积的差别越大，这一问题也就越突出。国内外大型转炉广泛采用定量装入制度。
2）定深装入
定义：在一个炉役期间，随着炉衬的侵蚀炉子实际容积不断扩大而逐渐增加装入量以保证熔池深度不变的装料方法称定深装入。
特点：熔池深度不变，吹氧操作稳定，有利于提高供氧强度并减轻喷溅，同时又能充分发挥炉子的生产能力；但其装入量和出钢量变化频繁，不仅给冶炼操作带来麻烦，而且增加了生产组织的难度，现已很少使用。
3）分阶段定量装入
定义：根据炉衬的侵蚀规律和炉膛的扩大程度，将一个炉役期划分成3～5个阶段，每个阶段实行定量装入，装入量逐段递增的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本上发挥了转炉的生产能力，同时大体上保持了适当的熔池深度，便于吹氧操作；又保证了装入量的相对稳定，便于组织生产，因而国内中小转炉普遍采用。
2废钢比
定义：废钢的加入量占金属料装入量的百分比称为废钢比。
重要性：提高废钢比，可以减少铁水的用量从而有助于降低转炉的生产
成本；同时可减少石灰的用量和渣量，有利于减轻吹炼中的喷溅，提高冶炼收得率；还可以缩短吹炼时间、减少氧气消耗和增加产量。
影响因素：铁水的温度和成分、所炼钢种、冶炼中的供氧强度和枪位、转炉容量的大小和炉衬的厚薄等。国内各厂因生产条件、管理水平及冶炼品种等不同，废钢比大多波动在10%～30%之间。具体的废钢比数值可根据本厂的实际情况通过热平衡计算求得，这一内容将在第七章中介绍。
3装料操作
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。

思考题
1简述一炉钢的冶炼过程。
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因素？
3.2造渣制度
生产实践表明，造好渣是炼好钢的重要前提。
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。
转炉的造渣制度就是，根据原材料的情况和所炼钢种的要求确定造渣方法、渣料用量及加入时间，以尽早成渣，迅速去磷。
转炉炼钢过程的时间很短，应设法加速石灰的熔化，以保证脱硫、磷所需的碱度，同时提高石灰的利用率。
3.2.1石灰的溶解过程
石灰加入转炉后的溶解过程大致如下：
1）形成渣壳
吹炼初期的熔渣，主要是Fe、Mn、Si等元素的氧化产物，其组成为2（FeO、MnO）•SiO2和SiO2，大量的冷态石灰加入后，立即在其表面形成一层固态渣壳。
2）渣壳熔化
炉内的高温使渣壳逐渐熔化，转炉炼钢所用石灰的块度为40mm左右，其表面渣壳的熔化约需时50s左右；
3）石灰溶解（熔渣与石灰发生液-固反应）：
（1）熔渣中的氧化物向石灰块迁移；
（2）氧化物扩散通过边界层到达石灰块表面并向其孔中渗透；
（3）在接触处（外表面及孔的内表面）发生置换反应                
（2FeO•SiO2）+ CaO =（CaO•FeO•SiO2）1208℃ +（FeO）                      
（2MnO•SiO2）+ CaO =（CaO•MnO•SiO2）1355℃+（MnO）
若渣中的（FeO）过低（VC过大时），有的将发生完全置换生成2130℃的C2S会阻碍石灰的进一步溶解。
（4）反应产物扩散通过边界层；
（5）反应产物在渣中迁移。
比较而言，第三步高温下的置换反应进行得很快，而一、五步的外部传质和二、四步的内部传质可能是石灰溶解的限制性环节。
根据国外某些专家的研究，当熔体的流动速度较小时，过程由外部传质控制，速度的临界值约为1m/S，而转炉内钢液的环流速度约为0.3～0.6 m/S。显然，石灰在渣中溶解的限制性环节是外部传质。这一环节受熔渣粘度、熔池搅拌程度及石灰与熔渣接触面积大小等因素的影响。
3.2.2加速石灰溶解的措施
加速石灰溶解的措施主要有：
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
改善石灰质量主要从以下两方面入手：
（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。
转炉炼钢过程的时间很短，应设法加速石灰的熔化，以保证脱硫、磷所需的碱度，同时提高石灰的利用率
3.2.3炉渣