氧气底吹转炉炼钢

1 PCO KC .........[ %C ] [%O] %C %O KC
由于Kc随温度的变化不大，在炼钢温度范围内为 一定值，用M代表则可写出： M =[%C]· [%O] (8—7) M称为碳氧浓度积，它具有化学反应平衡常数的性 质，在一定温度和压力下应是一个常数。
(2) [C]-[O]平衡的理论含氧量 是在pCO=0.1MPa得出的。 而实际顶吹氧气转炉中 pCO≈0.12MPa 而实际顶底复吹转炉中 pCO≈0.07MPa 而实际底吹转炉中 pCO ≈ 0.04MPa
4. 脱硫反应
底吹转炉中， 由于搅拌条件好， 改善了脱硫的动 力学条件，渣中 氧化铁含量又较 低，因此脱硫率 较顶吹转炉高。 特别是采用QBOP法，喷石灰 粉提前造渣后， 更有利于脱硫反 应的进行。
5. 钢中的[H]和[N]
底吹氧气转炉钢中[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2.6×10-6。而底吹氧转炉平 均则为4.5×10-6。
顶吹 顶底复吹 底吹
pCO≈0.12MPa pCO≈0.07MPa pCO ≈ 0.04MPa
其原因之一是:喷入炉内的氧 气产生了两倍的CO气体。 [C]+{O2} =2CO↑ 另一个原因是随着钢水含碳 量的降低。冷却介质分解产生的 气体对[C]-[O]反应的影响大，使 [C]-[O]反应的平衡的CO分压低 于总压。 如N2、Ar、H2气等
6. 底吹氧转炉内终点[C]与[N]的关系
从图中可以 看出底吹转炉钢 水含[N]量，在 低碳时比顶吹低， 原因是底吹转炉 的熔池搅拌一直 持续到脱碳后期， 有利于脱气。
二. 吹炼过程中各成分的变化
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。 由于脱碳速度快，前期渣中氧化铁 低，故脱磷是在脱碳基本结束后(即吹 炼后期)进行的。脱硫主要是在吹炼后 半期高碱度炉渣形成后进行的。
一
9.2.1 底吹氧气转炉结构特点 氧气底吹转炉炉底结构
炉身和炉底可拆卸分开，在底吹上安装 吹氧喷嘴一般为6～22支。最常用的是炉底 和喷嘴垂直。喷嘴冷却剂可采用天然气、丙 烷、丁烷等碳氢化合物。为了提高脱磷、脱 硫效率，由喷嘴内管吹氧的同时吹碳粉和萤 石粉等造渣剂。根据不同的冶炼目的，内管 除吹氧外，还可吹氩或氮气。 底吹氧气转炉没有顶吹氧气转炉那样的 氧枪，不需要高厂房。
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]的氧化反应几乎达到平衡;
1)底吹 转炉吹 炼终点 钢水残 [Mn] 比顶吹 转炉高;
残[Mn]比顶吹转炉高的原因：
渣中(FeO)含量低于顶吹转炉，而且CO 分压(约0.04MPa)低于顶吹转炉0.12MPa， 顶吹转炉中的[O]活度高于底吹转炉2.5倍。 此外，底吹转炉喷嘴上部氧压高，Si氧 化为SiO2并被石灰粉中CaO所固定，这样 MnO的活度增大。
吹炼终点： [C] -[O] 平衡 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。
吹炼终点： [C] -[O] 平衡 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。
炼钢熔池中[C]和[O]浓度的关系
将Pco取为一个大气压，则可简化为：
底吹和顶转炉吹炼过程中[P]的变化
从图可知： Q— BOP底吹脱磷并不 逊色于LD炉。其 原因在底吹喷嘴上 部气体中O2分压高， 产生强制氧化，P 生成PO(气)，并被 固体石灰粉迅速化 合为3CaO· 2O5。 P
B 高磷铁水条件下脱磷反应
可采用留渣法吹炼高磷铁水，将 前炉炉渣留在炉内一部分，前期吹人 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。
(2) 砖型供气元件：
图4－10 砖缝式供气元件
图4－11直孔型透气砖
(3)细金属管多孔塞式：
最早由日本钢管公司研制成功的是多孔塞型 供气元件（简称MHP）。它是由埋设在母体耐火 材料中的许多不锈钢管组成的，所埋设的金属管 内径多为Φ1.5mm左右。每块供气元件中埋设的 细金属管数通常为10～150根，各金属管焊装在 一个集气箱内。此种供气元件调节气量幅度比较 大，不论在供气的均匀性、稳定性和寿命上都比 较好。经反复实践并不断改进，研制出的新型细 金属管砖式供气元件。
4.碱性底吹氧气转炉
1965年加拿大研制了双层管氧气喷 嘴。内管通氧气，内外管间通碳氢化合 物。利用碳氢化合物裂解吸热和形成还 原性气幕冷却保护氧气喷嘴。 1967年德 国引进此喷嘴技术，成功开发了底吹氧 气转炉 (OBM法)。 CmHn=mC+n/2H2 (吸热反应)
氧气顶吹转炉的特点
1）优点 （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Si，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 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）。 喷溅和返干时有发生，而且吹炼后期熔池的搅拌弱（主要 靠脱碳反应搅拌），钢渣间反应未达平衡，渣中的氧化亚 铁含量高而吹损高、脱氧剂消耗高。
9.2 底吹氧气转炉炼钢法
氧气转炉炼钢车间
氧气转炉炼钢车间
氧气转炉炼钢车间
底吹转炉炼钢法的发展
1. 酸性底吹空气转炉炼钢法 贝塞麦发明的酸性底吹空气转 炉炼钢法只能脱碳，但不能脱磷、 脱硫。 2. 碱性底吹空气转炉 1878年，托马斯发明了碱性底 吹空气转炉，用石灰造渣，能较好 地进行脱磷，炉渣可做磷肥．
9.2.3 吹炼过程中各 成分的变化 一.Si .Mn.P.S.C.O.N 等的变化规律
1. [C] -[O]平衡
在钢水中ω [C]％>0.07时，底和顶吹的 [C]-[O]关系，都比较接近；但当钢水中ω[C] ％<0.07时，底吹氧气转炉内的[C]-[O]关系 低于PCO为0.IMPa时[C]-[O]平衡关系，这说 明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。 其原因是随着钢水含碳量的降低。冷却介 质分解产生的气体对[C]-[O]反应的影响大， 使[C]-[O]反应的平衡的CO分压低于0.1MPa。
3.富氧碱性底吹转炉 1950年前后，制氧技术有了大的突破，但底吹 转炉富氧量只用到40％，如再提高，喷嘴寿命就 会降低。（在喷嘴附近发生O2+[C]→2CO的放 热反应）。于是发明了 4 顶吹氧气转炉炼钢法 1952年奥地利开发，但不适于吹 炼高磷铁水， 又发明了。 5 石灰粉法(LD—AC法) 为吹炼高磷铁水，比利时和法国同时发明。 6 卡尔多(Kaldo)法（瑞典） 7 旋转转炉炼钢法（德国）。
(1) 喷嘴型供气元件：
图4－8为双层套管构造图 1—内管 2—环缝
图 4－9双层套管喷嘴
(2) 砖型供气元件：
弥散型透气砖： 即砖内由许多呈弥散分布的微孔（约100目左右）组 成。由于其气孔率高、砖的致密性差、气体绕行阻力大、 寿命低等缺点，因而又出现 砖缝组合型供气元件： 它是由多块耐火砖拼凑成各种砖缝并外包不锈钢板而 组成的，气体经下部气室通过砖缝进入炉内。由于砖较致 密，其寿命比弥散型高。但存在着钢壳开裂漏气，砖与钢 壳间缝隙不匀等缺陷，造成供气不均匀和不稳定。 直孔型透气砖： 砖内很多直孔道，它是制砖时埋入的细易熔金属丝， 在焙烧时被熔出而形成的。致密度好，气流阻力小。 砖型供气元件，可调气量大，能允许气流间断。
按照 上式计算 的钢水 [Mn]含量 与实际 [Mn]含量， 两者的变 化趋势比 较一致。
3. 铁的氧化和脱磷反应
A 低磷铁水
脱磷反应与 渣中(TFe) 密切 相关。底吹渣中 (TFe) 低于顶吹 转炉，脱磷反应 也比顶吹滞后， 这样底吹不得不 以吹炼低碳钢为 主。
2[P]十5(FeO)十4(CaO)＝ (4CaO· 2O5)十5[Fe]十1034139Kj P 后期脱磷虽然是处理高磷铁水的 有效方法，但后吹时钢中气体含量 增加较快，不利于钢的质量。同时， 不能用“拉碳法”控制碳含量，生 产含碳较高的钢种时，必须采取在 钢包内增碳的方法。底吹转炉能否 实现前期脱磷，其关键是能否使前 期渣具有一定的(FeO)和碱度。
(1)
[C]+[O] =CO [Fe]+[O]=[FeO]
ω[O] CO ω[O] FeO
ω[O] CO ＜ω[O] 实 ＜ω[O] FeO
ω[O] 实—ω[O] CO=过剩氧
临界含碳量
底吹转炉中由供氧速率的控制性 环节向钢水中的碳扩散成为控制性环节 转变的碳量要低。如230t底吹转炉为0.3 ％～0.6％，而180t顶吹转炉为0.5％～ 1.0％。因此，底吹转炉具有冶炼低碳钢 的特长。
图9 氧气底 吹转炉炉型
图10 氧气底吹转炉 炉底结构示意图
l一炉壳；2一炉衬；3一环缝；4一炉底塞；5一套 管；6一炉底钢板；7一保护介质分配环；8一保 护介质；9一氧和石灰粉；10一氧和石灰粉分配 箱；11一舌状气袋
9.2.2．氧气底吹转炉吹炼反应特点． 在底吹转炉冶炼中，氧气由分散在炉底上的数 支喷嘴由下而上吹入金属熔池 (1)熔池搅拌强度剧烈，其搅动力要高于顶吹法10 倍。即使在熔池含碳量降到很低时，由炉底吹入 的氧流仍在剧烈地搅动熔池。 (2)由于氧流分散而均匀地吹入熔池，同时又无较 强的反向气流作用，因此，吹炼过程平稳，炉内 反应迅速而均匀，渣-钢间反应更趋于平衡，渣中 氧化铁含量低，不喷溅，氧的利用率高。 (3)由于氧气喷嘴埋在铁水下面，高温和面积较大 的反应区在炉底喷嘴出口处附近，反应产物需穿 过金属液后才能进入炉渣或炉气中，因此，上部 渣层对炉内反应的影响较小。
（4）新的类环缝管式细金属管型供气元件
图4－12MHP供气元件 图4－13 MHP—D型 1—母体耐火材料； 金属砖结构 2—细金属管；3—集气箱； 4—进气箱
图4－14 新的类环缝管式 细金属管型供气元件
吹炼中期：
铁水中碳大量氧化，氧的脱碳利用 率几乎是100 ％ 。而且铁矿石、铁皮分 解出来的氧，也被脱碳反应消耗。这体 现了底吹氧气转炉良好的熔池搅拌贯穿 整个吹炼过程的特点。所以，渣中 (FeO）)含量低于LD转炉，铁合金收得 率高。
吹炼后期 由于脱碳速度快，前期渣中氧化铁 低，故脱磷是在脱碳基本结束后(即吹炼 后期)进行的。脱硫主要是在吹炼后半期 高碱度炉渣形成后进行的。 吹炼终点：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。
三. 顶吹与底吹冶炼过程各成分的变化
9.2.3 底吹与顶吹转炉的比较
优点：
(1)金属收得率高； (2) Fe、Mn、Al等合金消耗降低； (3)脱氧剂和石灰降低； (4)氧耗降低； (5)烟尘少，是顶吹的1／2~1／3，喷溅少； (6)脱碳速度快，冶炼周期短，生产率高； (7)废钢比增加； (8)搅拌能力大，氮含量低。
缺点：
(1)炉龄较低； (2)(∑FeO)少，化渣比较困难，脱磷不如LD； (3)钢中[H]含量较高。
9.2.3 氧气底吹转炉与顶吹转炉的比较
9.2.4 底吹氧气转炉底部供气元件
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(1) 喷嘴型供气元件： 单管式喷嘴： 早期使用因其易造成钢水粘 结喷嘴和灌钢。 双层套管喷嘴： 外层吹入速度较高的气流， 以防止内管的粘结堵塞。
Q—BOP(德国)前期脱磷
在吹炼前期随氧流一起向熔池 喷入通过炉底喷人铁矿石粉或返回 渣和石灰粉的混合料，细粉状的石 灰具有极大的反应表面，进入反应 区即与大量的氧化铁迅速成渣。这 种渣以非常细微的悬浮状态缓慢地 上升到熔池表面，在上升过程中与 磷反应生成稳定的磷酸钙，因而在 吹炼前期即能迅速脱磷，使脱磷与 脱碳同时进行。