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第一节转炉冶炼过程概述氧气顶吹转炉炼钢过程，主要是降碳、升温、脱磷、脱硫以及脱氧和合金化等高温物理化学反应的过程，其工艺操作则是控制装料、供氧、造渣、温度及加入合金材料等，以获得所要求的钢液，并浇成合格钢锭或铸坯。从装料起到出完钢、倒完渣为止，转炉一炉钢的冶炼过程包括装料、吹炼、脱氧出钢、溅渣护炉、倒渣等几个阶段。一炉钢的吹氧时间通常为l2～18min，冶炼周期(相邻两炉之间的间隔时间，即从装料开始到装料开始或者从出钢毕到出钢毕)通常为30～40min。表10—1为氧气顶吹转炉生产一炉钢的操作过程，图10—1为转炉吹炼一炉钢过程中金属和炉渣成分的变化。吹炼的前l／3—1／4时间，硅、锰迅速氧化到很低的含量。在碱性操作时，硅氧化较彻底，锰在吹炼后期有回升现象；当硅、锰氧化的同时，碳也被氧化。当硅、锰氧化基本结束后，随着熔池温度升高，碳的氧化速度迅速提高。碳含量0.15％以后，脱碳速度又趋下降。在开吹后不久，随着硅的降低，磷被大量氧化，但在吹炼中后期磷下降速度趋缓慢，甚至有回升现象。硫在开吹后下降不明显，吹炼后期去除速度加快。熔渣成分与钢中元素氧化、成渣情况有关。渣中CaO含量、碱度随冶炼时间延长逐渐提高，中期提高速度稍慢些；渣中氧化铁含量前后期较高，中期随脱碳速度提高而降低；渣中Si02，Mn0，P205含量取决于钢中Si，Mn，P氧化的数量和熔渣中其他组分含量的变化。在吹炼过程中金属熔池升温大致分三阶段：第一阶段升温速度很快，第二阶段升温速度趋缓慢，第三阶段升温速度又加快。熔池中熔渣温度比金属温度约高20-1000C。根据熔体成分和温度的变化，吹炼可分为三期：硅锰氧化期(吹炼前期)、碳氧化期(吹炼中期)、碳氧化末期(吹炼末期)。表10—1氧气顶吹转炉一炉钢的操作工艺操作(出钢倒渣完毕)加下氧枪，点火吹炼从高位料仓加吹炼过程加熔剂、调副枪测量或倒动态控制氧枪停止供氧(拉碳)终点副枪测量出钢加合金(出尽钢水)溅倒渣废钢，兑铁水熔剂(造渣料)整枪位控制炉渣炉取样测温或倒炉测温取样渣供氧时间％1～320～70～80～l00～l00吹炼时间%图10—1转炉吹炼一炉钢过程中金属和炉渣成分的变化第二节装入制度与装入操作一、装入量装入量指炼一炉钢时铁水和废钢的装入数量，它是决定转炉产量、炉龄及其他技术经济指标的重要因素之一。在转炉炉役期的不同时期，有不同的合理装入量。对于公称容量一定的转炉，金属装入量在一定范围内变化。转炉公称容量有三种表示方法：平均炉金属料(铁水和废钢)装入量，平均炉产良锭(坯)量，平均炉产钢水量。这三种表示方法因出发点不同而各有特点，均被采用，其中以炉产钢水量使用较多。用铁水和废钢的平均炉装入量表示公称容量，便于做物料平衡与热平衡计算。装入量中铁水和废钢配比是根据热平衡计算确定的。通常，铁水配比为70％～90％，其值取决于铁水温度和成分、炉容量、冶炼钢种、原材料质量和操作水平等。在确定装入量时，必须考虑以下因素：1．要保证合适的炉容比。炉容比是指转炉内自由空间的容积(V)与金属装入量(t)之比(V／t，m3／t)。它通常波动在0.7～1.0。我国转炉炉容比一般不小于0.5。合适的炉容比是从实践中总结出来的，它与铁水成分、冷却剂类型、氧枪喷头结构和供氧强度等因素有关，应视具体条件加以确定。表10—2列出了我国一些钢厂转炉的炉容比。表10-2一些钢厂转炉的炉容比厂名宝钢一炼钢武钢三炼钢鞍钢三炼钢攀钢武钢二炼钢太钢二炼钢天钢二炼钢吨位300250150120805020炉容比m3／t0.880.870.860.900.710.970.852．要有合适的熔池深度。合适的熔池深度应大于顶枪氧气射流对熔池的最大穿透深度的一定尺寸，以保证生产安全、炉底寿命和冶炼效果。表10—3为一些大、中型氧气顶吹转炉的熔池深度。表10—3一些大、中型转炉的熔池深度装入量(t)5080100200300熔池深度(mm)105011901250165019003．应与钢包容量、浇铸吊车起重能力、转炉倾动力矩大小、铸机拉速及模铸锭重等相适应。二、装入制度装入制度是指一个炉役期中装入量的安排。装入制度有三种：定量装入、定深装入和分阶段定量装入法。1．定量装入定量装入是指在整个炉役期间，保持每炉的金属装入量不变。优点是生产组织简便，操作稳定，有利于实现过程自动控制，多为大型钢厂采用。缺点是容易造成炉役前期装入量偏大而熔池偏深，炉役后期装入量偏小而熔池偏浅。2．定深装入定深装入是：指在整个炉役期间，保持每炉的金属熔池深度不变。优点是氧枪操作稳定，有利于提高供氧强度和减少喷溅，不必当心氧气射流冲击炉底，可以充分发挥转炉的生产能力。但它使装人量和出钢量变化较频繁，给组织生产带来困难。3．分阶段定量装入分阶段定量装入是指在一个炉役期中，按炉膛扩大的程度划分为若干阶段，每个阶段实行定量装入。它兼有前两者的优点，是生产中最常见的装入制度。三、装入操作上炉出钢完毕，溅渣护炉后，炼钢工检查炉衬情况，若各部位完好，便可以组织装料，继续炼钢。装料的程序一般是先加废钢，后兑铁水。1．加废钢由于顶吹转炉主要靠铁水的物理热和化学热来炼钢，为了合适地掌握冶炼过程和终点温度，根据铁水条件需配加一定数量的废钢作为冷却剂。加废钢一般由炉前摇炉工指挥，转炉向前倾30°至45°指挥天车对正转炉，将废钢料槽的前沿落在转炉的炉口上。然后指挥天车起付钩将废钢倒入转炉。2．兑铁水混铁炉工将本炉所要铁水跟随天车送至炉前，为了节约时间，应在上一炉出钢前就把铁水准备好。炉前工指挥天车的位置应转炉的侧面，在天车工和摇炉工都能看见的地方，哨音和手势要清楚。向转炉兑铁前应指挥天车对正转炉。转炉应向前倾+30°左右，指挥天车高度适宜后，缓慢向炉内兑铁水。随着天车小钩的上升，缓慢向下摇炉至+60°左右结束。在兑铁水时要防止洒铁。3．废钢比废钢装入量和总装入量之比称为废钢比。增加废钢比可以降低铁水消耗，降低转炉生产成本，还可以降低散状料的加入量，减少渣量，从而降低炉渣对炉衬的机械冲刷。转炉炼钢厂根据各自的铁水条件和冶炼品种来确定废钢比，一般在10%-15%。第三节供氧制度与供氧操作氧气顶吹转炉在一炉钢的吹炼过程中，元素的氧化，造渣去除磷硫，熔池升温等主要任务都是通过氧气流股与金属熔池的作用——供氧来完成的。通过供氧制度可以控制熔池元素氧化速度，控制造渣和炉渣的氧化性，所以供氧制度对造渣去除硫磷，喷溅量、以及炉衬寿命等均有直接影响。供氧制度的主要内容包括合理确定喷头结构、供氧压力、供氧强度、喷枪高度以及在吹炼中如何调节枪位。一、氧射流及其与熔池的相互作用1．氧气射流无论对哪一种转炉，顶部氧流都是最重要的供氧渠道。顶氧射流是从出口马赫数远大于l的喷头中喷出的超音速射流。它由超音速段、音速段和亚音速段组成，其射程随出口气流马赫数增大而延长。除超音速段外，射流断面不断扩大。与自由射流相比，喷入炉膛的氧射流与炉内介质存在温度差、浓度差和密度差，此外还存在反向流动介质和化学反应。炉膛内的氧射流实质上是一种复杂的扩张流，是具有化学反应的逆向流中的非等温超音速湍流射流。氧射流的能量主要用于搅动熔池，克服阻力及能量损失。研究表明，用于搅动熔池的能量约占射流初始能量的20％,克服浮力的能量约占5％～l0％，非弹性碰撞的能量损失约占70％～80％。多孔喷头的设计是基于分散氧流，增加它与熔池的接触面积，使吹炼更趋平稳；它对熔池搅拌力减小，但使成渣速度加快。2．氧射流与熔池的相互作用。氧射流与熔池接触时在液面上形成冲击区——凹坑，凹坑实际上是高温反应区。热模拟实验表明，高温反应区呈火焰状，亦称火点。它由光亮较强的中心(一次反应区)和光亮软弱的狭窄的外围(二次反应区)所构成。据测定，反应区的温度在2000～27000C之间。通常，一次反应区直接氧化反应优先得到发展，二次反应区间接氧化反应得到发展。穿透深度和冲击面积是凹坑特征的主要标志，弗林等人在0.05～90t转炉上得出了确定穿透深度的公式。实验条件下发现，驱动压力对冲击面积的影响不明显。当冲击速度增加到一定值后，冲击面积随驱动压力的升高而增加，但在高于设计压力的附近变化平缓；无论是多孔喷头还是单孔喷头，枪位对冲击面积的影响规律相同。冲击面积随枪位的变化，对应于不同的冲击速度存在一个最佳位置，对应于最大冲击面积下的枪位可由公式来确定。熔池的搅拌程度与氧射流的冲击强度密切相关。氧射流冲击力大(硬吹)，则射流的穿透深度大，冲击面积小，对熔池的搅拌强烈；反之(软吹)，则射流的穿透深度小，冲击面积大，对熔池搅拌弱。在氧射流的作用下，熔池将受到搅拌，产生环流、喷溅、振荡等复杂运动在不同的吹炼方式下，熔池的化学反应形式也不同。硬吹时，载氧射流大量进入钢中，碳的氧化反应激烈，而熔渣氧化性弱；反之，则进入钢中氧少，熔渣氧化性提高。定性得到证实的元素氧化机理为：第一，当C，Mn，Si，P等元素含量大于0.1％—0.3％时，它们优先在金属—气体界面上氧化，此时氧由气相内部向金属表面的传质是反应过程的限制环节。第二，在上述条件下可以进行下述一系列反应：铁的氧化反应的发展程度取决于C，Mn，Si的浓度。第三，当这些元素的含量高时，其氧化速度很少与温度有关。碳和锰的反应主要受氧的传质控制，其活化能为16.8～18.9kJ／mol。硅的氧化则可能不仅如此，它的活化能为25.0～33.5kJ／mol，这说明硅的氧化不是在纯外部扩散状态下进行，而是在外部和内部扩散之间的某种过渡状态下进行。这是由于在金属表面上形成的硅质炉渣、对氧向液体金属界面的扩散造成附加阻力所致。第四,元素的氧化次序取决于化学反应自由能变化的比值，还与该元素在钢中的浓度及其氧化物在渣中或气相中浓度有关，而与元素的表面活性关系不大。研究表明，氧射流能量如果全部用于搅拌熔池，仅仅是C0搅拌能量的10％～20％。因此，顶吹转炉的缺点之一就是吹炼前、末期搅拌不足，因为此时产生C0气泡数量有限。3．乳化和泡沫现象。由于氧射流对熔池的强烈冲击和C0气泡的沸腾作用，使熔池上部金属、熔渣和气体三相剧烈混合，形成了转炉内发达的乳化和泡沫状态。冶金中准确的乳化概念是金属液滴或气泡弥散在炉渣中，若液滴或气泡量较小而且在炉渣中可以自由运动，则该现象叫渣钢或渣气乳化；若炉渣中仅有气泡，而且数量多或气泡大，气泡无法自由运动，则该现象叫炉渣泡沫化。可见，炉渣泡沫化是渣气乳化体系的一种特例。由于渣滴或气泡也能进入到金属熔体中，因此转炉中还存在金属熔体中的乳化体系。渣钢乳化是冲击坑上沿流动的钢液被射流撕裂成金属滴所造成的。如图10—2所示，液滴形成由下述关系所决定：图10—2液滴生成示意图第一，如果在相界面上液滴的惯性力大于表面力和浮力的总和时，在金属液层上缘形成滴。第二，形成液滴所需要的力是由流动钢液的动能转化而来。吹炼时金属和炉渣紧密相混，仅把冲击坑表面看成氧气—金属接触面是不适宜的。通过估算，lOOt转炉吹炼时的凹坑体积约10L，表面积约为0.1m2，而反应区内液滴的总表面积却超过lm2，至少比凹坑表面积大一个数量级。巴普基兹曼斯基曾用不同方法对金属与炉渣的总接触面积进行估算，有意义的是估算结果相差不大，即金属和炉渣的接触面积约为30～60m2／t金属。显然，它为熔池内各界面反应的快速进行创造了有利条件。二、氧枪和喷头特点1．氧枪结构氧枪又称吹氧管或喷枪，它是氧气顶吹转炉炼钢过程中向熔池供氧的主要设备。氧枪是由喷头，枪身和枪尾三部分组成。枪身由直径不同的三根无缝的钢管同心套装在一起，内层管又叫中心氧管，是氧气的通道,中层管和外层管分别叫中层套管和外层套管，中心氧管和中套管之间形成的环缝为冷却水通道，中层套管和外层套管之间形成的环缝为冷却水的回水通道、喷头用紫铜锻造后切削加工而成或铸造成型。枪尾结构由包括氧气及冷却水的进出水管接头、吊环、法兰盘和高压软管组成。喷枪结构如图10—3所示。2．喷头类型及特点喷头又称枪头或喷嘴。高压氧气在输氧管道中的流动速度较低，一般在60m／s下。氧气流通过喷头后，形成超音速的氧射流，流速为500—600m／s，为音速二倍左右。喷头能最大限度