项目二转炉炼钢工艺

射流的状态与炼钢工艺参数的关系
当供氧压力一定时，若喷头距液 面较近，则对液面的冲击力较大， 接触面积较小。相反，若喷嘴距 液面较远，则对液面的冲击力减 小，接触面积增大。如果喷头至 液面距离一定时，供氧压力增大 则氧射流动压头增大，对金属液 面的冲击力也增大，接触面积减 小。
B多孔喷头的射流状态
2-2：气体射流与熔池的相互作用
1
2 3 顶吹供氧射流
底吹供气射流
氧射流与熔池的相互作用
4
5
底吹气体对熔池的作用
复合吹炼供气对熔池的搅拌
• 射流是指高压气体从喷嘴喷出后所形成的 定向流股。顶吹氧气转炉是将高压、高纯 度（含O2 99.5％以上）的氧气通过水冷氧 枪，以一定距离（喷头到熔池面的距离约 为1～3米）从熔池上面吹入的。为了使氧 流有足够的能力穿入熔池，使用拉瓦尔型 多孔喷头，氧气的使用压力0.8~1.2MPa， 氧流出口速度可达500m•s-1左右。
• 多孔喷头的设计思想： • 增大流量，分散射流，增加流股与熔池液 面的接触面积，使气体逸出更均匀，吹炼 更平稳。然而，多孔喷头与单孔喷头的射 流流动状态有重要差别，在总的喷出量相 同的情况下，多孔喷头射流的速度衰减要 快些，射程要短些，几股射流之间还存在 相互影响
• 多孔喷头的单孔轴线速度衰减
多孔喷头中的单 孔轴线速度衰减 规律与单孔喷头 的衰减规律是相 似的，只是速度 衰减更快一些。
2-2-1、顶吹供氧射流
• 2-2-1-1、自由流股的运动规律
• 氧气从喷嘴喷出后，形成超音速流股。从喷嘴喷 出的氧气流股，在一段长度内其流速不变，叫等 速段。由于流股边缘与周围介质气体发生摩擦， 卷入部分气体并与之混合而减速，随着流股向前 运动，达到一定距离后，流股中心轴线上的某一 点速度达到音速，即马赫数Ma=1，这点以前的区 域，包括等速段，称为流股的超音速核心段，又 称为首段（其长度大约是喷嘴出口直径的6倍）。 此点以后的区域，气流的速度低于音速，称为亚 音速气流段，又称为尾段。在超音速区域内，流 股的扩张角较小，为100～120，亚音速区域流股 的扩张角一般为220～260。
射流是在周围 1600℃多度的高温 炉气中推进的，温差 很大
湍流射流
2-2-1-3 、射流状态
• A单孔喷头的射流状态 • 高压氧射流由喷头喷出后的运动示意图
• 高压氧射流由喷头喷出后的运动规律 • 氧射流由喷头喷出后，在向前运动时，吸 收了炉内气体，导致氧射流流量不断增加， 流股各截面速度逐渐变小，边缘速度比中 间降低得快，截面逐渐扩大。由于动压头 与速度平方成正比，故射流动压头也逐渐 降低。
枪位的确定
熔池循环运动状况
使用单孔喷枪时
使用多孔喷枪时
结论
• 在氧气射流与熔池相遇处，按非弹性体的碰撞进行研究， 射流的动能主要消耗于非弹性碰撞的能量损失（约占70～ 80％）和克服浮力的能量损失（约占5～10％）；用干搅 动熔池的能量仅占20％。因此只靠氧射流约20％的能量 搅动熔池，搅拌强度显然是不足的。这可由顶吹氧气转炉 吹炼低碳钢的末期，脱碳速度比底吹氧气转炉慢得多，而 且熔池成分和温度不均匀的现象来说明。因此顶吹氧气转 炉熔池搅动的能量主要是由吹炼过程中脱碳反应产生的 CO气体从熔池排出的上浮力提供的（忽略金属液各部分 因成分和温度不同所引起的密度不同产生的对流）。当然， 脱碳反应速度及其反应的均匀性也和氧气射流与熔池的作 用情况密切相关。例如减小氧气射流的穿透深度而增大冲 击面积，可使CO气体沿熔池横断面分散析出；同样增多 喷孔数和增大喷孔倾角，能使CO气体呈多股形式在不同 的地点分散析出，因而显著改善熔池中液体循环的速度场。 所以合理的喷头设计及供氧制度为氧气射流与熔池间的物 理和化学作用创造最良好的条件。
多孔喷头速度分布：
喷头无中心孔的速度分布
喷头有中心孔的速度分布
• 多孔喷头速度分布：多孔喷头的速度分布 是非对称的，它受喷孔布置的影响。若喷 头中心有孔时，其流股速度的最大值在氧 枪中心线上；若喷头中心没有孔时，其流 股速度的最大值不在中心线上
三孔喷头射流的截 面压力分布(105Pa)
四孔喷头射流的截面速 度分布
• 根据鼓泡和射流所占的时间比例，依据流量计算 出表观马赫数，得出这三者之间的关系
Ma V / a Q / aA
数学关联式
图示关系
• 与炼钢工艺参数确定的关联：枪位、供氧 强度方面分析
2-2-3 、氧射流与熔池的相互作用
相互作用
物理作用
化学作用
熔池发生的变化
传氧机理
2-2-3-1氧射流与熔池的物理作用
• 与氧气转炉炼钢工艺参数确定的关联：超 音速核心段的长度一般随出口马赫数Ma成 比例增加。超音速核心段的长度是决定氧 枪操作高度的基础，也关系到流股对熔池 的冲击能量。在生产中希望铁水到达液面 的氧气流股具有超音速或音速的射流。
2-2-1-2 转炉炉膛内氧气射流的特征
• 氧枪经常在出口马赫数远大于1的条件下工作。 • 在转炉炉膛内，氧气射流遭到与射流运动方向相 反，以CO为主的相遇气流的作用，使射流的衰减 加速。
• 1967年，原联邦德国和法国建成氧气底吹转 （OBM）。
• 1974年，英国首先在1.25t顶底复合吹炼转炉炼 钢。
• 1975年，法国和卢森堡合作在65t顶底复合吹炼 转炉炼钢 。 • 1977年，卢森堡阿尔卑德公司和德国钢铁研究院 共同开发出顶吹氧、底吹惰性气体的复合吹炼技 术，即LD-LBE技术
转炉炉膛内氧气射流的特征
• 非等温 • 反向流 是指氧气顶吹转 炉中，高温炉气 • 超音速 向上运动，氧射 流逆着炉气运动 • 轴对称 方向向下运动，
这种射流射入运 动着的流体介质 中的运动情况， 叫作具有伴随流 的射流运动。 动量传输—射流质点 可以滑向运动到边界 以外的介质中去，把 自己的动量传给周围 介质的质点并且带动 其前进。传质—射流 质点逸出边界进入周 围介质，介质质点则 渗进射流。
转炉炼钢技术的发展
• 1855年，英国亨利.贝塞麦(Bessemer)发明酸性空气底吹 转炉 • 1878年，英国人S.G.Thomas发明碱性空气底吹转炉 • 1952年，奥地利林茨（Linz）投产30t碱性氧气顶吹转炉。 • 1953年，多那维茨（Donawitz）投产30t碱性氧气顶吹转 炉。 命名为LD氧气顶吹转炉炼钢法。
观看录像2-1
钢
0.03%～2% 硅、锰（少量）
生铁
2%～4.3%
坚硬韧性大，塑性 好
可铸、可锻、可压 延
机械性能
可铸、不可锻
2-1：炼钢的任务
铁水
炼钢过程
•
• •
炼钢过程
脱碳 脱硫 脱硅
•
脱磷 合金化
•
钢
2-1：炼钢的任务
• 去除杂质 • 调整钢的成分 • 浇注成内外部质量好的铸坯
炼钢的基本方法
项目二：转炉炼钢工艺
相关知识介绍
任务一：炼钢用原料的识别
载体： 合格 钢水 的冶 炼
任务二：氧气顶吹转炉炼钢工艺制度
任务三：顶底复合吹炼技术
任务四：物料平衡与热平衡
任务五：常见钢种的冶炼
项目二：转炉炼钢工艺 载体：合格钢水的冶炼
相关知识：炼钢基本知识介绍
• 教学目标： • 1熟悉炼钢的任务及为完成任务所采取的措 施； • 2、熟悉顶吹供氧射流的运动特征及其对炼 钢工艺参数确定的影响、底吹射流对熔池 的作用及对氧气转炉炼钢工艺的影响； • 3、熟悉熔池发生的变化及氧射流与熔池相 互作用对炼钢工艺参数的影响的技能；
• a.冲击深度（h）
• 定义：凹坑的最底点到熔池表面的距离称之为冲 击深度。 • 佛林经验公式如下（适用于单孔喷头、多孔喷头 应作修正）：
h 34.0
P0 d t H
3.81
冲击深度与炼钢过程的关系
• 在转炉冶炼中，希望氧射流对熔池有一定的冲击 深度，这样才能保证良好的氧气利用率和脱碳速 度。实践证明，对冲击深度与熔池深度H池之比 有一定的要求。当h/H池小于0.2时，氧气利用率 和脱碳速度大为降低；当h/H池大于0.7时，有可 能冲坏炉底。 • h/H池等于0.5时，可获得良好的技术经济指标。
• 平炉炼钢（已淘汰） • 转炉炼钢 • 电炉炼钢
观看录像2-2
与平炉、电炉炼钢 法相比，氧气转炉 炼钢法具有生产率 高、钢中气体含量 低、钢的质量好等 特点。 顶吹氧气转炉炼钢 法的小时产钢量为 平炉炼钢法的6～8 倍，是效率极高的 炼钢方法。
各种精炼炉的炼钢效率 1- 碱性转炉炼钢法，2- 纯氧顶 吹转炉炼钢法；3- 氧气侧吹转炉 炼钢法，4- 平炉（氧气使用量 10～40Nm3／t）， 5- 电炉，6平炉
• 氧气射流在转炉炉膛内向下流动的过程中， 将从周围抽吸烟尘、金属滴和渣滴等比重 很大的质点，使射流的速度降低，扩张角 减小。
• 转炉炉膛内的氧气射流，其初始温度比周围介质 的温度低得多，当射流与从周围抽吸的高温介质 混合时，射流被加热。 • 冷态实验表明，多孔喷头与单孔喷头的射流流动 状况有重要区别。 • 氧枪出口处的氧气射流，其密度显著大于周围气 相介质的密度，这应有利于射程的增大。
• 氧射流通过高温炉气冲击金属熔池，引起 熔池内金属液的运动，起到机械搅拌作用。 搅拌作用强且均匀，则化学反应快，冶炼 过程平稳，冶炼效率高。 • 搅拌作用的强弱和均匀程度与氧射流对熔 池的冲击状况与熔池运动情况有关。一般 以熔池中产生的凹坑深度（冲击深度）和 凹坑面积（冲击面积）来衡量。
• A、凹坑的形成 • 氧射流冲击在熔池表面上，当这个冲击力 大于维持液面静平衡状态的炉内压力时， 就会把铁水挤开而形成凹坑。 • 凹坑的特点：主要成分FeO（可达85～98 ％）
• b、冲击面积 • 在冶炼过程中，一般把氧射流与静止熔池 接触时的流股截面积称为冲击面积。 • 有效冲击面积 有效冲击面积的计算比较困 难，尚无精确的计算公式。
熔池内全属液在氧射流作用下的运动过程
B熔池内全属液在氧射流作用下的运动过程
• 牵引作用氧射流冲击熔池液面后，使其形成凹坑， 凹坑中心部分被吹入气流所占据，排出气体沿坑 壁流出，排出的气流层一方面与吹入气流的边界 相接触，另一方面与凹坑壁相接触。由于排出气 体的速度比较大，因此对凹坑壁面有一种。搅拌 作用这样就会使邻近凹坑的液体层获得一定速度， 沿坑底流向四周，随后沿坑壁向上和向外运动。 往往沿凹坑周界形成一个“凸肩”，然后在熔池 上层内继续向四周流动。从凹坑内流出的铁水， 为达到平衡必须由四周给予补充，于是就引起熔 池内液体运动，其总趋势是朝向凹坑，这样熔池 内铁水就形成了以射流滞止点为中心的环状流， 起到对熔池的。
• 中心区域各射流围成的中心区域的压力下 降，介质流速增大，从而倾向于各射流互 相牵引。靠近喷头中心线二侧速度明显偏 高，压力明显偏低。
2-2-2 、底吹供气的射流
• 底吹气体射流定位：气体从炉底吹入熔池属于浸没式射流 运动，当气体通过浸没喷嘴流出时，气体在熔池中既可以 形成气泡，也可以形成射流。 • 鼓泡：在气体流量小时，气体在喷嘴出口扩大而形成气泡， 气泡长大到一定大小后则脱离孔口上浮，他们定义这种现 象为鼓泡。 • 射流：射流在流量达到某一临界值以上时，气流在孔口 处不扩大，而是在孔口上形成连续的气体射流进入液体中， 他们定义这种现象为浸没射流。 • 浸没射流：在流量达到某一临界值以上时，气流在孔口处 不扩大，而是在孔口上形成连续的气体射流进入液体中， 他们定义这种现象为浸没射流。
炼钢过程
装料 （补炉） 供 氧
造 渣 温度 控制 脱氧 合金化
装入 制度
供氧 制度
造渣 制度
温度 制度
脱氧 合金化 制度
2-2：气体射流与熔池的相互作用
• 本学习单元任务： • 学习顶吹供氧射流的运动特征并能应用其 确定炼钢工艺参数---枪位
观看录像2-3
枪位在炼钢中的作用
氧气
供氧是炼钢过程的必 需环节，供氧的设备 是氧枪，在冶炼过程 中枪位不同，转炉内 的反应状况也不同， 因此对枪位和供氧强 度有要求。枪位和供 氧强度与在熔池内的 射流有关 。
相关知识介绍：2氧气转炉炼钢的基础知识
单元1： 2-1 炼钢的基本任务
氧气转 炉炼钢 的基础 知识
单元2：2-2 气体射流与熔池的相互作用
单元3：2-3
氧气转炉冶炼的基本反应
单元4：2-4 转炉冶炼的基本特征 单元5： 2-5 转炉冶炼的基本判断方法
钢与生铁的比较
铁合金
含碳量 成分 其它元素 硅、锰、硫、磷（少量） 硬而脆无韧性
• 4、熟悉氧气转炉吹炼过程中金属液成分Si、Mn、 C、P、S的变化规律及发生的反应；熔渣成分、 熔池温度的变化情况；氧气转炉一炉钢吹炼过程 中分为的阶段及各阶段的任务； • 5、掌握氧气转炉吹炼过程中基本特征；熟练掌握 根据火焰特征，判断熔池反应的进程、熔池出现 的状况的技能，确保冶炼的正常进行； • 6、掌握转炉冶炼过程中钢水温度、钢水成分的判 断方法技能，以便调整熔池温度、成分，以助准 确判断终点