转炉炼钢工艺

2.1 顶吹氧气射流

氧气转炉中的顶吹供氧，是使用拉伐尔喷头的水冷氧枪将纯氧以500m/S左右的超音速射流从上而下吹入熔池，供氧的同时还搅动熔池，加快钢液的传质和传热。

本节主要介绍超音速射流概述、转炉中的氧气射流及其与熔池的相互作用等问题。

2.1.1超音速射流概述 1 音速及超音速 1）音速

所谓音速是指声音（波）的传播速度，可用下式计算：

a=(KgRT)1/2

式中 a——音速，m/S；

K——气体的热容比，对于空气和氧气来说为1.4； g——重力加速度，9.8m/S2； R——气体常数，26.49m/k； T——温度，K。

对于氧气来说，其音速值a=（1.4×9.8×26.49T）1/2=19.07T1/2 氧枪喷头出口处的温度一般为200K，所以该处的音速值为：

a=19.07×（200）1/2≈270m/S

2）超音速

流体的速度大于音速的状况称超音速，常用马赫数M来表示：M=υ/a，即流体速度是音速的倍数。

目前转炉所用氧枪的马赫数在1.5～2.2之间，则氧气流股的速度为：

υ=270×（1.5～2.2）=405～594（500左右）m/s

2 获得超音速射流的条件

获得超音速射流必须具备两个基本条件：

（1）采用拉伐尔管喷头：收缩段→喉口→扩张段（绘制结构图）； 氧气流股在收缩段得以加速，至喉口处达音速；进入扩张段后，流股减 压膨胀而再次加速，至喷头出口处氧气压力与外压相等时达超音速。

（2）出口处与进口处的压强比小于0.5283，即P出/P进＜0.5283。

就是说，在P出/P0＜0.5283的条件下，气体流经拉伐尔管后变为超音速射流。

3 超音速射流的结构

超音速射流在向前流动的过程中，会与周围的介质之间发生物质交换和能量传递，而呈三段结构：

（1）超音速区：从出口到一定长度内；

（2）音速区：由于与周围介质间的动能传递和物质交换，使射流的速度

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渐慢，减速的过程有由边沿向轴心扩展，到某一距离减至音速（绘制草图）；

（3）亚音速区：音速边界线以下区域。 4 射流在拉伐尔管出口附近的流动情况

射流出喷管后的流动情况，取决于出口压力P出与周围环境压力P周的相对大小：

（1）P出=P周：此为理想状态，射流出喷管后既不膨胀又不被压缩，截面积保持不变，介质对射流的扰动也极小；

（2）P出＜P周：射流出喷管后将被压缩，使之脱离管壁，形成负压区，会把钢、渣吸入而使喷头粘钢、烧坏；

（3）P出＞P周：射流出喷管后将发生膨胀，截面积增大，流速明显减慢。 由流体力学可知：A出/A0=f(P出/P0)，A出/A0一定时，P出/P0亦为定值。实际生产中，拉伐尔管的尺寸已定，因此可以通过调整进口压力P0来控制出口压力P出，使之接近P周，以维持射流良好的流动状态。P周即为炉膛压力，一般为0.12～0.136MPa，为安全起见常使P出略大于此值。

5 射流的衰减规律

射流出口后受环境介质的影响必将衰减，其衰减快慢的标志是超音速区的长短。我们希望射流衰减得慢些，超音速区长些。射流衰减的一般规律是：

（1）M出一定时，射流的衰减速度按P出＜P周→P出=P周→P出＞P周的顺序减慢，即随着P出的增大射流的超音速区长度增加；

（2）P出=P周时，随着M出的增大，射流的衰减变慢，超音速区的长度增加。

2.1.2转炉里的氧气射流

目前的转炉炼钢生产均采用超音速氧气射流，目的在于提高供氧强度，加快供氧；提高射流动能，加强熔池的搅拌。转炉中的氧气射流具有以下特征：

1 喷头出口处氧气流股达超音速

转炉所用氧枪采用拉伐尔喷头，且尺寸按P出/P0＜0.5283要求设计，通常M高达1.5～2.2，流股的展开和衰减慢，动能利用率高，对熔池的搅拌力强。

2 射流的速度渐慢、截面积渐大

射流进入炉膛后，由于受反向气流（向上的炉气）的作用而速度逐渐变慢；同时，由于吸收部分炉气而断面逐渐变大，扩张角120左右。

3 射流的温度渐高

射流进入炉膛后被1450℃的炉气逐渐加热，加之混入射流的炉气（CO）及金属滴被氧化放热，使射流的温度逐渐升高。模拟实验表明，距喷头孔径15～20倍处射流的温度在1300～1600℃之间；距喷头孔径35～40倍处射流的温度高达2150～2300℃，有人称转炉里的氧气射流就象一个高温火炬。

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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

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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。

2.3 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

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