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钢冶金学重庆科技学院王宏丹第五章氧气顶吹转炉炼钢工艺◆氧气转炉炼钢工艺概述◆装入制度◆供氧制度◆造渣制度◆温度制度◆终点控制和出钢◆脱氧与合金化◆吹损与喷溅5.1.1吹炼过程操作工序5.1氧气转炉炼钢工艺概述5.1.2转炉吹炼过程中金属成分的变化规律5.1.3转炉吹炼过程中熔渣成分的变化规律5.1.4转炉吹炼过程中熔池温度的变化规律铁水预处理—转炉炼钢—连续铸钢一炉钢的冶炼过程5.1.1吹炼过程操作工序吹炼初期吹炼中期吹炼末期5.1.2转炉吹炼过程中金属成分的变化规律吹炼时间/%顶吹转炉炉内成分变化◆硅的氧化规律◆锰的氧化规律◆碳的氧化规律◆磷的氧化规律◆硫的变化规律◆硅[Si]的氧化规律5.1.2转炉吹炼过程中金属成分的变化规律◆硅[Si]的氧化规律5.1.2转炉吹炼过程中金属成分的变化规律钢水界面熔渣[Si]氧化反应为放热反应，在吹炼初期就大量氧化；随着吹炼的进行，石灰逐渐溶解，终因(CaO)与(SiO2)结合为稳定的2CaO·SiO2，一直到吹炼终点，也不发生硅的还原；[Si]氧化可使熔池温度升高，加快冶炼初期成渣；[Si]氧化后生成（SiO2），降低熔渣碱度，不利于脱P、脱S，同时还侵蚀炉衬，增加渣料消耗；熔池中[C]的氧化反应只有到[Si]0.15%左右时，才能激烈进行。◆硅[Si]的氧化规律5.1.2转炉吹炼过程中金属成分的变化规律◆锰[Mn]的氧化规律5.1.2转炉吹炼过程中金属成分的变化规律初期温度低，渣中MnO活度低，大量Mn氧化；中后期温度升高、渣中FeO含量降低，碱度提高，炉渣中部分MnO被还原；末期炉渣FeO含量增高，Mn重新被氧化。◆锰[Mn]的氧化规律5.1.2转炉吹炼过程中金属成分的变化规律钢水界面熔渣[Mn]在吹炼初期被迅速氧化，但不如硅氧化得快；[Mn]的氧化反应为放热反应，低温有利于反应进行；在吹炼初期，锰氧化生成MnO可帮助化渣，减轻初期酸性渣对炉衬的侵蚀；炉渣碱度升高，大部分(MnO)呈自由状态，吹炼后期炉温升高，(MnO)被还原；吹炼终了时，钢中的锰含量称余锰或残锰。残锰高，可以降低钢中硫的危害，减少合金用量。在炼钢过程中，应尽量控制锰的氧化，以提高钢水残锰量。5.1.2转炉吹炼过程中金属成分的变化规律◆锰[Mn]的氧化规律影响残锰量的因素有：炉温高有利于(MnO)的还原，残锰含量高；碱度升高，可提高自由(MnO)的浓度，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，钢中残锰也会高些。5.1.2转炉吹炼过程中金属成分的变化规律◆锰[Mn]的氧化规律◆碳[C]的氧化规律5.1.2转炉吹炼过程中金属成分的变化规律钢水界面熔渣C-O反应主要发生在气泡和金属的界面上；[C]的氧化规律主要表现为吹炼过程中碳的氧化速度。5.1.2转炉吹炼过程中金属成分的变化规律◆碳[C]的氧化规律氧气顶吹转炉CO气泡可能形成地点示意图1－氧射流作用区；2－炉渣－金属界面；3－金属－炉渣－气体乳浊液；4－炉底和炉壁的粗糙表面；5－沸腾熔池的粗糙表面5.1.2转炉吹炼过程中金属成分的变化规律◆碳[C]的氧化规律脱碳过程为三个阶段:1.吹炼初期以硅的氧化为主，脱碳速度较小；2.吹炼中期，脱碳速度几乎为定值；3.吹炼后期，随金属中含碳量的减少，脱碳速度降低。碳氧化速度比中期低，有利于拉碳熔池搅拌不如中期(∑FeO)增加[C]含量较低熔池温度高，大于1600℃后期碳氧化速度高熔池搅拌强烈，反应区乳化得较好①[C]氧化消耗较多的(FeO)；②熔渣中(∑FeO)有所降低①[Si]、[Mn]含量已降低；②[P]与氧的亲和力小于[C]与氧的亲和力熔池温度高于1500℃，[C]与氧化合能力增加中期碳氧化速度比中期慢，但火点处的碳氧化速度较快熔池搅拌不强烈(∑FeO)较高，化渣和脱碳消耗的(∑FeO)较少[Si]、[Mn]含量高，[Si]、[Mn]与氧的亲和力均大于[C]与氧的亲和力，不利于[C]的氧化①熔池平均温度1400～1500℃；②在此温度下[C]处于非活性状态，不利于[C]的氧化前期熔池搅拌(∑FeO)熔池金属成分熔池温度碳氧化速度工艺影响因素吹炼时期碳氧化速度的变化规律及其主要影响因素◆磷[P]的氧化规律5.1.2转炉吹炼过程中金属成分的变化规律钢水界面熔渣脱磷速度的变化规律及主要影响因素低于中期熔池搅拌不如中期高高比中期低温度高，有利于形成高碱度炉渣后期熔渣碱度高搅拌强烈，脱磷速度高于初期熔池搅拌强烈，反应区乳化得较好有利于脱磷较高(∑FeO)较低，不利于化渣、脱磷比前期低温度较高，在热力学上不利于脱磷，从动力学上看有利于形成高碱度炉渣中期低于中期熔池搅拌不强烈低(∑FeO)较高，有利于化渣、脱磷高温度较低，在热力学上有利于脱磷，但不利于形成高碱度流动性良好的炉渣前期熔池搅拌炉渣碱度(∑FeO)[P]熔池温度脱磷速度工艺影响因素吹炼时期吹炼各期不利脱磷的因素：前期炉渣碱度较低，要尽快形成碱度大于2的炉渣；中期是渣中(∑FeO)较低，要控制渣中(∑FeO)达10％～12％，避免炉渣返干；后期是熔池温度高，要防止终点温度过高。5.1.2转炉吹炼过程中金属成分的变化规律◆磷[P]的氧化规律在氧气顶吹转炉中，如何做好全程脱磷？氧气顶吹转炉中，在冶炼低磷高碳钢种时，如何保证脱磷？尽可能采用软吹；使用活性石灰，提高造渣速度；使用合成渣料；喷吹石灰粉。5.1.2转炉吹炼过程中金属成分的变化规律◆磷[P]的氧化规律回磷产生的原因有：炉内炉渣返干，渣中(FeO)低；温度过高，(FeO)过高使炉渣碱度降低；加入脱氧剂，使金属中[O]量降低；钢水脱氧后在钢包内镇静时，炉渣溶解酸性砖衬而降低炉渣碱度。5.1.2转炉吹炼过程中金属成分的变化规律◆磷[P]的氧化规律防止回磷的措施有：防止出钢下渣，挡渣出钢；出钢时向钢包内加入石灰，提高钢包内渣层的原始碱度；减少金属在钢包内的停留时间；用碱性包衬；加入钢包渣改质剂，一方面抵消硅铁脱氧后引起炉渣碱度的降低，另一方面可以稀释熔渣中磷的含量，以减弱回磷反应。5.1.2转炉吹炼过程中金属成分的变化规律◆磷[P]的氧化规律◆硫[S]的变化规律5.1.2转炉吹炼过程中金属成分的变化规律按熔渣离子理论，脱硫反应为：◆硫[S]的变化规律5.1.2转炉吹炼过程中金属成分的变化规律钢液气化脱硫的最大可能是钢液中[S]进入炉渣后，再被气化去除，即：在氧流冲击区，由于温度很高，硫以S、S2、SO和COS的形式挥发出去是可能的。即从氧气转炉硫的衡算可得：转炉炉渣脱硫占90%，气化脱硫占10%左右。脱硫速度的变化规律及主要影响因素脱硫速度稍低于中期熔池搅拌不如中期碱度高，流动性好(∑FeO)回升比中期高比前、中期低温度高，接近出钢温度后期脱硫的最好时期，脱硫速度比前、后期高熔池搅拌强烈，反应区乳化得较好有利于脱硫石灰大量熔化，碱度升高(∑FeO)较低不利于化渣，有利于脱硫比前期稍低温度逐渐升高中期脱硫能力较低，脱硫速度很慢熔池搅拌不强烈碱度低，流动性差(∑FeO)较高比中、后期高温度较低前期熔池搅拌炉渣碱度(∑FeO)[S]熔池温度脱硫速度工艺影响因素吹炼时期5.1.3转炉吹炼过程中熔渣成分的变化规律吹炼时间/%顶吹转炉炉内成分变化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。◆炉渣碱度的变化规律5.1.3转炉吹炼过程中熔渣成分的变化规律吹炼中期，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。中期脱磷速度和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、流动性良好的炉渣。◆炉渣碱度的变化规律5.1.3转炉吹炼过程中熔渣成分的变化规律炉渣中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)的消耗主要与脱碳速度有关。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)，(FeO)降低。枪位高时，脱碳速度低，渣中(FeO)增高。矿石：渣料中加的矿石多，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。◆(FeO)的变化规律5.1.3转炉吹炼过程中熔渣成分的变化规律5.1.3转炉吹炼过程中熔渣成分的变化规律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。5.1.4转炉吹炼过程中熔池温度的变化规律顶吹转炉炉内成分变化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。综合作用的结果，吹炼前期终了，熔池温度可升高至1500-1550℃。5.1.4转炉吹炼过程中熔池温度的变化规律吹炼中期，熔池中[C]继续大量氧化放热，[P]也继续氧化放热，均使熔池温度提高，可达1500-1550℃以上。吹炼后期，熔池温度接近出钢温度，可达1650-1680℃左右，具体因钢种、炉子大小而异。在整个一炉钢的吹炼过程中，熔池温度约提高350℃左右。5.1.4转炉吹炼过程中熔池温度的变化规律综上所述，顶吹氧气转炉开吹以后，熔池温度、炉渣成分、金属成分相继发生变化，它们各自的变化又彼此相互影响，形成高温下多相、多组元同时进行的极其复杂的物理化学变化。5.2.1装入量的确定5.2装入制度5.2.2装入制度类型5.2.3装料次序装入制度指确定转炉合适的装入量以及铁水废钢比。装入量指炼一炉钢时铁水和废钢的装入数量。装入量中铁水和废钢配比是根据热平衡计算确定。确定转炉合理的装入量，需考虑以下因素：炉容比：指转炉新砌砖后炉内自由空间的容积V与金属装入量T之比，以V/T表示，单位为m3/t。熔池深度：熔池深度H必须大于氧气射流对熔池的最大穿透深度h。炉子附属设备：应与钢包容量、行车的起重能力、转炉的倾动力矩、连铸机的操作、模铸车间的锭型大小等相适应。5.2.1装入量的确定0.970.840.900.910.860.971.05炉容比/m3·t-15080120120180210300吨位/t太钢首钢攀钢本钢鞍钢首钢宝钢厂名80010501190125016501949熔池深度/mm305080100210300公称吨位/t顶吹转炉炉容比不同公称吨位转炉的熔池深度定量装入：指在整个炉役期，每炉的装入量保持不变。定深装入：指在整个炉役期，保持熔池深度不变，即随着炉膛的不断扩大，装入量逐渐增加。分阶段定量装入：指在整个炉役期，根据炉膛的扩大程度划分为几个阶段，每个阶段定量装入铁水和废钢。5.2.2装入制度类型先兑铁水，后装废钢，可以减轻废钢对炉衬的冲击，但炉内留有液态残渣时，易发生喷溅。先装废钢，后兑铁水，可以防止废钢有油污或水分而引起的爆炸，但直接撞击炉衬，由于目前各钢厂普遍采用溅渣护炉技术，大多采用此装料次序。如采用炉渣预热废钢，则先加废钢，再倒渣，然后兑铁水；如采用炉内留渣操作，则先加部分石灰，再装废钢最后兑铁水。开新炉时，前三炉一般不加废钢，全铁水炼钢。5.2.3装料次序5.3.1供氧制度的内容5.3供氧制度5.3.2氧枪5.3.3供氧参数5.3.4供氧操作供氧制度的内容：包括选择合理的喷头结构、尺寸和类型，确定合理的供氧强度、氧压和枪位。供氧是保证杂质去除速度熔池升温速