第二章 氧气顶吹转炉炼钢工艺

第二章氧气顶吹转炉炼钢工艺基本要求：了解转炉的吹炼过程；掌握氧气射流对熔池的物理化学作用；掌握顶吹转炉的各项操作制度；掌握复吹转炉的冶金特点；了解转炉自动控制。

重点与难点：顶吹转炉的各项操作制度；复吹转炉的冶金特点。

§2—1 一炉钢的吹炼过程一.钢与铁的区别及炼钢的任务1.钢与铁的性能比较钢和铁都是铁碳合金，同属于黑色金属，但它们的性质有明显不同。

生铁硬而脆，焊接性差。

钢具有很好的物理化学性能与力学性能，可进行拉、压、轧、冲、拔等深加工，其用途十分广泛；用途不同对钢的性能要求也不同，从而对钢的生产也提出了不同的要求。

2.钢与铁性能差别的原因：C固熔体，碳和其它合金元素的含量不同。

在钢中碳元素和铁元素形成Fe3随着碳含量的增加，其强度、硬度增加，而塑性和冲击韧性降低。

钢和生铁含碳量的界限通常是：生铁： [C]=1.7～4.5％钢： [C]≤ 1.7％生铁和钢的化学成分化学成分％材料C Si Mn P S炼钢生铁 3.5～4.0 0.6～1.6 0.2～0.8 0.0～0.4 0.03～0.07 碳素镇静钢0.06～1.50 0.1～0.37 0.25～0.80 ≤0.045 ≤0.05 沸腾钢0.05～0.27 ≤0.07 0.25～0.70 ≤0.045 ≤0.053.炼钢的基本任务：⑴脱碳；将铁水中的碳大部分去除，同时随着脱碳的进行，产生大量CO气泡，在CO排出过程中，搅拌熔池促进化渣，同时脱除[H]、[N]和夹杂。

⑵去除杂质（去P、S和其它杂质）；铁水中[P]、[S]含量高，而钢中[P]会造成“冷脆”，[S]造成“热脆”。

通常大多数钢种对P、S含量均有严格要求，炼钢必须脱除P、S等有害杂质。

⑶去除气体及夹杂物；在炼钢过程中通过熔池沸腾（碳氧反应、底吹惰性气体搅拌）脱除H]、[N]和非金属夹杂物。

⑷脱氧合金化；在炼钢过程中因为脱碳反应的需要，要向钢液中供氧，就不可避免地使后期钢中含有较高的氧，氧无论是以液体形态还是以氧化物形态存在于钢中都会降低钢的质量，所以必须在冶炼后期或出钢过程中将多余的氧去除掉。

在冶炼过程中，铁水中的Si、 Mn大部分氧化掉了，为了保证成品钢中的规定成分，要向钢水中加入各种合金元素，这个过程与脱氧同时进行，称为合金化。

⑸升温（保证合适的出钢温度）。

铁水温度一般在1250～1300℃，而钢水的出钢温度一般在1650℃以上，才能顺利浇注成铸坯，因此炼钢过程也是一个升温过程。

3.完成炼钢各项任务的基本方法⑴氧化为了将铁水等炉料中的硅、锰、碳等元素氧化掉，可以采用“吹氧”方法，即直接喷吹氧气、或加入其它氧化剂，如铁矿石、铁皮等。

⑵造渣为了去除炉料中的P、S等杂质，在炼钢过程中加入渣料（石灰、白云石、熔剂等），形成碱度合适，流动性良好，足够数量的炉渣，一方面完成脱除P、S的任务，同时减轻对炉衬对侵蚀。

⑶升温转炉主要是依靠碳、硅、锰等元素氧化放出等热量，以及铁水的物理热实现升温。

⑷加入脱氧剂和合金料通过向炉内或钢包内加入各种脱氧剂和合金料的方法，完成脱氧及合金化的任务。

二．金属成分和炉渣成分的变化规律1．Si在吹炼前期（一般在3～4分钟内）即被基本氧化。

在吹炼初期，铁水中的[Si]和氧的亲和力大，而且[Si]氧化反应为放热反应，低温下有利于此反应的进行，因此，[Si]在吹炼初期就大量氧化。

[Si]+O2=(SiO2) (氧气直接氧化)[Si]+2[O]= (SiO2) (熔池内反应)[Si]+(FeO)=(SiO2)+2[Fe] (界面反应)2(FeO)+(SiO2)=(2FeO·SiO2)随着吹炼的进行石灰逐渐溶解，2FeO·SiO2转变为2CaO·SiO2，即SiO2与CaO牢固的结合为稳定的化合物，SiO2活度很低，在碱性渣中FeO的活度较高，这样不仅使[Si]被氧化到很低程度，而且在碳剧烈氧化时，也不会被还原，即使温度超过1530℃，[C]与[O]的亲和力也超过[Si]与[O]的亲和力，终因（CaO）与（SiO2）结合为稳定的2CaO.SiO2，[C]也不能还原（SiO2）。

硅的氧化对熔池温度，熔渣碱度和其他元素的氧化产生影响：[Si]氧化可使熔池温度升高；[Si]氧化后生成（SiO2），降低熔渣碱度，熔渣碱度影响脱磷，脱硫；熔池中[C]的氧化反应只有到[%Si]<0.15时，才能激烈进行。

影响硅氧化规律的主要因素：[Si]与[O]的亲和力，熔池温度，熔渣碱度和FeO 活度。

2．Mn在吹炼前期被氧化到很低，随着吹炼进行而逐步回升（回锰现象）。

在复吹转炉中，Mn的回升趋势比顶吹转炉要快些。

（原因：复吹∑（FeO）低）在吹炼初期，[Mn]也迅速氧化，但不如[Si]氧化的快。

其反应式可表示为： [Mn]+[O]=(MnO) （熔池内反应）[Mn]+{O2}=(MnO) （氧气直接氧化反应） [Mn]+(FeO)=(MnO)+[Fe] (界面反应)(SiO2)+(MnO)=MnO·SiO2锰的氧化产物是碱性氧化物，在吹炼前期形成(MnO.SiO2)。

但随着吹炼的进行和渣中CaO含量的增加，会发生（MnO·SiO2)+2（CaO）=（2CaO·SiO2）+（MnO）（MnO）呈自由状态，吹炼后期炉温升高后，（MnO）被还原，即（MnO）+[C]=[Mn]+{CO}或（MnO）+[Fe]=（FeO）+[Mn]吹炼终了时，钢中的锰含量也称余锰或残锰。

残锰高，可以降低钢中硫的危害，但冶炼工业纯铁，则要求残锰越低越好。

影响残锰的因素：炉温高有利于（MnO）的还原，残锰量高；◆碱度升高，可提高自由(MnO)浓度，残锰量增加；◆降低熔渣中（FeO）含量，可提高残锰含量;◆铁水中锰含量高，单渣操作，钢水残锰也会高些。

3.碳在吹炼过程中快速减少，但前期、后期脱碳速度慢，中期快影响碳氧化速度的变化规律的主要因素有：熔池温度、熔池金属成分、熔渣中(∑FeO)和炉内搅拌强度。

在吹炼的前、中、后期，这些因素是在不断发生变化，从而体现出吹炼各期不同的碳氧化速度。

吹炼前期：熔池平均温度低于1400-1500℃，[Si]、[Mn]含量高且与[O]亲和力均大于[C]-[O]的亲和力， (∑FeO)较高，但化渣、脱碳消耗的(FeO)较少，熔池搅拌、碳的氧化速度不如中期高。

吹炼中期：熔池温度高于1500℃，[Si]、[Mn]含量降低，[P]-[O]亲和力小于[C]-[O]亲和力，碳氧化消耗较多的（FeO），熔渣中(∑FeO)有所降低，熔池搅拌强烈，反应区乳化较好，结果此期的碳氧化速度高。

吹炼后期，熔池温度很高，超过1600℃，[C]含量较低， (∑FeO)增加，熔池搅拌不如中期，碳氧化速度比中期低。

转炉内碳氧反应速度变化4.磷在吹炼前期快速降低，进入吹炼中期略有回升，而到吹炼后期再度降低。

磷的变化规律主要表现为吹炼过程中的脱磷速度。

脱磷速度的变化规律，主要受熔池温度，熔池中金属[P]含量，熔渣中(∑FeO)，熔渣碱度，熔池的搅拌强度或脱碳速率的影响。

❖前期不利于脱磷的因素是炉渣碱度比较低，因此，为及早形成碱度较高的炉渣，是前期脱磷的关键。

❖中期不利于脱磷的因素是（∑FeO）较低，因此，如何控制渣中(∑FeO)达10%-20%，避免炉渣“返干”是中期脱磷的关键。

❖后期不利于脱磷的热力学因素是熔池温度高。

5.硫在吹炼过程中是逐步降低的，中后期降低明显些。

硫的变化规律也主要表现在吹炼过程中的脱硫速度，脱硫速度变化规律的主要影响因素与脱磷的类似。

不同时期，其表现是不相同。

❖吹炼前期，由于温度和碱度较低，（FeO）较高，渣的流动性差，因此脱硫能力较低，脱硫速度很慢；❖吹炼中期，熔池温度逐渐升高，（FeO）比前期有所降低，碱度因大量石灰熔化而增大，熔池乳化比较好，是脱硫的最好时期；❖吹炼后期，熔池温度已升至出钢温度，（FeO）回升，比中期高，碱度高熔池搅拌不如中期，因此，脱硫速度低于或稍低于中期。

6.炉渣中的酸性氧化物(SiO2)、( P2O5)在吹炼前期逐渐增多，随着石灰的溶解增加，渣量增大而降低。

❖吹炼一开始，由于硅的迅速氧化，使渣中（SiO2)高达20%，同时，磷也大量氧化生成( P2O5)进入炉渣。

随着石灰的逐渐渣化，渣中的（CaO）含量不断升高，当硅的氧化基本结束后，渣中（SiO2)、 ( P2O5)的含量又有所下降。

7.吹炼过程中渣中∑（FeO）具有规律性变化：即前后期高、中期低，而复吹转炉在吹炼后期渣中∑（FeO）比顶吹更低些。

炉渣中（FeO）的变化取决于它的来源和消耗两方面。

（FeO）的来源主要与枪位、加矿量有关，（FeO）的消耗主要与脱速度有关枪位：枪位低时，高压氧气流股冲击熔池，熔池搅拌剧烈，渣中金属液滴增多，形成渣、金乳浊液，脱碳速度加快，消耗渣中（FeO）降低。

枪位高时，脱碳速度低，渣中（FeO）增高。

矿石：渣料中加矿石多，则渣中（FeO）增高。

脱碳速度：脱碳速度高，渣中（FeO）低；脱碳速度低，渣中（FeO）高。

氧气顶吹转炉通过改变枪位可达到化渣、降碳的不同目的，这是它与其他炼钢方法相比，具有操作灵活的特点。

8.随着吹炼的进行，石灰在炉内溶解增多，渣中（CaO）逐渐增多，炉渣碱度也随之增大。

炉渣碱度的变化规律取决于石灰的熔解、渣中(SiO2)和熔池温度。

吹炼初期，熔池温度不高，渣料中石灰还未大量熔化。

吹炼一开始，[Si]迅速氧化，渣中(SiO2)很快提高，有时可达到30%。

因此，初期炉渣碱度不高，一般为1.8-2.3，平均为2.0左右。

吹炼中期，熔池的温度比初期提高，促进大量石灰熔化，熔池中[Si]已氧化完了， SiO2来源中断。

中期脱碳速度，熔池搅拌均比前期强，这些因素均有利于形成高碱度炉渣。

吹炼后期, 熔池的温度比中期进一步提高,接近出钢温度,有利于石灰渣料熔化,在中期炉渣碱度较高的基础上,吹炼后期,仍能得到高碱度,流动性良好发炉渣。

9.渣中（MgO）的变化与白云石或菱镁球加入有关。

❖吹炼过程中炉渣中MgO含量的变化（30T炉）：❖1—加白云石；2—未加白云石如果加白云石或菱镁矿，还与加入的数量有关。

由上图可见，未加白云石时，吹炼前半期，初期酸性渣对炉衬侵蚀较大，渣中（MgO）含量增加。

而加入白云石造渣，使渣中保持一定的（MgO）含量，在冶炼过程中能减轻熔渣对炉衬的侵蚀。

10.熔池温度在吹炼过程逐步升高，尤以吹炼前期升温速度快。

熔池温度的变化与熔池的热量来源和热量消耗有关。

吹炼初期，兑入炉内的铁水温度一般为1300℃左右，铁水温度越高，带入炉内的热量就越高，[Si]、[Mn]、[C]、[P]等元素氧化放热，但加入废钢可使兑入的铁水温度降低，加入的渣料在吹炼初期大量吸热。