2  转炉炼钢的一般原理

2-1  什么是超音速氧射流，什么是马赫数，确定马赫数的原则是什么?

速度大于音速的氧流为超音速氧射流。超过音速的程度通常用马赫数量度，即氧流速度与临界条件下音速的比值，用符号Ma代表。显然，马赫数没有单位。

马赫数的大小决定喷头氧气出口速度，也决定氧射流对熔池的冲击能量。马赫数过大则喷溅大，清渣费时，热损失加大，增大渣料消耗及金属损失，而且转炉内衬易损坏；马赫数过低，会造成搅拌作用减弱，氧气利用系数降低，渣中TFe含量增加，也会引起喷溅。当Ma>2.0时，随马赫数的增长氧气的出口速度增加变慢，要求更高理论设计氧压，这样，无疑在技术上不够合理，经济上也不划算。

目前国内推荐Ma=1.9～2.1。

2-2  氧气射流与熔池的相互作用的规律是怎样的?

超音速氧流其动能与速度的平方成正比，具有很高的动能。当氧流与熔池相互作用时，产生如下效果：

(1)形成冲击区。氧流对熔池液面有很高的冲击能量，在金属液面形成一个凹坑，即具有一定冲击深度和冲击面积的冲击区。

(2)形成三相乳化液。氧流与冲击炉液面相互破碎并乳化，形成气、渣、金属三相乳化液。

(3)部分氧流形成反射流股。

2-3  氧气顶吹转炉的传氧载体有哪些?

氧气顶吹转炉内存在着直接传氧与间接传氧两种途径。直接传氧是氧气被钢液直接吸收，其反应过程是：[Pe]+1/2｛O2｝=[FeO]，[FeO]=[Fe]+[O]；间接传氧是氧气通过熔渣传人金属液中，其反应式为(FeO)=[FeO]、[FeO]=[Pe]十[O]。氧气顶吹转炉传氧以间接传氧为主。

氧气顶吹转炉的传氧载体有以下几种。

(1)金属液滴传氧。氧流与金属熔池相互作用，形成许多金属小液滴。被氧化形成带有富氧薄膜的金属液滴，大部分又返回熔池成为氧的主要传递者；熔池中的金属几乎都经历液滴形式，有的甚至多次经历液滴形式，金属液滴比表面积大，反应速度很快。

(2)乳化液传氧。氧流与熔池相互作用，形成气—渣—金属的三相乳化液，极大地增加了接触界面，加快了传氧过程。

(3)熔渣传氧。熔池表面的金属液被大量氧化，而形成高氧化铁熔渣，这样的熔渣是传氧的良好载体。

(4)铁矿石传氧。铁矿石的主要成分是Fe₂O₃、Fe₃O₄，在炉内分解并吸收热量，也是熔池氧的传递者。

顶吹转炉的传氧主要靠金属液滴和乳化液进行，所以冶炼速度快，周期短。

2-4  什么是硬吹，什么是软吹?

硬吹是指枪位低或氧压高的吹炼模式。当采用硬吹时，氧气流股对熔池的冲击力大，形成的冲击深度较深，冲击面积相对较小，因而产生的金属液滴和氧气泡的数量也多，气—熔渣—金属乳化充分，炉内的化学反应速度快，特别是脱碳速度加快，大量的CO气泡排出，熔池搅动强烈，熔渣的TFe含量较低。

软吹是指枪位较高或氧压较低的吹炼模式。在软吹时，氧气流股对熔池的冲击力减小，冲击深度变浅，冲击面积加大，反射流股的数量增多，对于熔池液面搅动有所增强，脱碳速度缓慢，因而对熔池内部的搅动相应减弱，熔渣中的TFe含量有所增加。

软吹和硬吹都是相对的。

2-5  转炉内金属液中各元素氧化的顺序是怎样的?

氧化物分解压越小，元素越易氧化。在炼钢温度下，常见氧化物的分解压排列顺序如下：

P｛O₂｝(Fe₂O₃)>P｛O₂｝(FeO)> P｛O₂｝(CO₂)> P｛O₂｝(MnO)> P｛O₂｝(P₂O₅)>P｛O₂｝(SiO₂)>P｛O2｝(Al₂O₃)>P｛O₂｝(MgO)> P｛O₂｝(CaO)

因为转炉内是多相反应，因此铁水中元素的氧化顺序还与其浓度有关，所以吹炼开始元素氧化顺序为Fe、Si、Mn、P、C等。

2-6  在碱性操作条件下，为什么吹炼终点钢液中硅含量为痕量?

吹炼开始首先是Fe、Si被大量氧化，并放出热量，反应式为：

[Fe]+1/2｛O2｝=(FeO)       (放热)

[Si]+｛O2｝=(SO₂)          (放热)

[Si]+2(FeO)=(SiO₂)+2[Fe]     (放热)

在以碱性渣操作时，熔渣R>3.0，渣中存在着大量自由状态的(CaO)，SiO₂是酸性氧化物，全部与CaO等碱性氧化物形成类似(2CaO•SiO₂)的复杂氧化物，渣中SiO₂呈结合状态。熔渣分子理论认为，只有自由氧化物才有反应能力，因此在吹炼后期温度升高SiO2也不会被还原，钢中硅含量为“痕量”。

可见在以碱性渣操作条件下，硅的氧化反应非常彻底。

2-7  在碱性操作条件下吹炼终了时，钢液中为什么会有“余锰”(含量)，余锰(含量)高低受哪些因素影响?

与硅相似，锰也很容易被氧化，反应式为：

[Mn]+1/2｛O₂｝=(MnO)    (放热)

[Mn]十(FeO)=(MnO)+[Fe]    (放热)

[Mn]+[O]二(MnO)          (放热)

锰的氧化产物是碱性氧化物，在吹炼前期所形成的(MnO•SiO₂)，随着渣中CaO含量的增加，会发生(MnO•SiO₂)+2(CaO)=(2CaO•SiO₂)+(MnO)反应，(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)十[Mn]吹炼终了时，钢中的锰含量也称余锰或残锰。

余锰高，可以降低钢中硫的危害。但在冶炼工业纯铁时，要求锰含量越低越好，应采取措施降低终点锰含量。

根据化学平衡移动的原理，影响余锰量的因素有：

(1)炉温高利于(MnO)的还原，余锰含量高。

(2)碱度升高，可提高自由(MnO)浓度，余锰量增高。

(3)降低熔渣中(FeO)含量，可提高余锰含量。因此钢中碳含量高、减少补吹、降低平均枪位、有复吹，余锰含量都会增高。

(4)铁水中锰含量高，单渣操作，钢中余锰也会高些。

2-8  在炼钢过程中碳氧反应的作用是什么?

炼钢过程中碳氧反应不仅完成脱碳任务，还有以下作用：

(1)加大钢—渣界面，加速物理化学反应的进行。

(2)搅动熔池，均匀成分和温度。

(3)有利于非金属夹杂的上浮和有害气体的排出。

(4)有利于熔渣的形成。

(5)放热升温。

(6)爆发性的碳氧反应会造成喷溅。

2-9  碳和氧反应达到平衡时碳和氧的关系是怎样的，如何表示，转炉熔池内实际碳氧含量的关系是怎样的?

转炉中的碳氧反应产物主要是CO，也有少量的CO2。转炉内碳氧反应式如下：

[C]+1/2｛O₂｝=｛CO｝           (放热)

[C]+ (FeO)=｛CO｝+[Fe]          (吸热)

[C]+｛O｝=｛CO｝              (放热)

上述第3个碳氧反应式的平衡常数：

取pCO=1atm代入后得：

温度一定，Kp是定值，若令,则得出：

ω[C]ω[O]=m

在1600℃下，Kp≈400，m≈0.0025。

当达到平衡时，钢中碳氧浓度的乘积阴为一个常数。在坐标系中它表现为双曲线的一支。

由于上述碳氧反应是放热反应，随温度升高，Kp值降低，m值升高，曲线向坐标系右上角移动。

钢中实际氧含量比碳氧平衡氧含量高，这是由于在钢中还存在着[Fe]+[O]=(FeO)反应，与(FeO)平衡的氧含量为ω[O]渣，(FeO)，平，钢中实际含氧量为ω[O]渣，(FeO)，平＞ω[O]实际＞ω[O]钢，CO平

2-10  熔池中脱碳速度的变化是怎样的，它与哪些因素有关?

炼钢碳氧反应主要以[C]十[O]=｛CO｝方式进行，其正反应速度表达式是νC=k正ω[C]ω[O]，反应速度受[C]和[O]两个浓度的影响，但钢液中[O]浓度随渣中TFe升高而增加。转炉内碳氧反应在吹炼初期虽然渣中TFe高，但由于炉温较低，影响传氧，碳氧反应速度较慢；在吹炼后期由于金属中ω[C]低，碳氧反应速度也降低；只有吹炼中期能够保证碳氧反应以较快速度进行，最高脱碳速度在(0.4～0.6)％／min。

2-11  影响脱磷的因素有哪些?

根据平衡移动的原理，从脱磷反应式可以看出，只有提高(FeO)和(CaO)的浓度，降低(4CaO•P₂O₅)浓度，反应才向正反应方向进行，终点[P]含量才会降低。

因此，高碱度、高氧化铁含量的熔渣，有利于脱磷，这两者缺一不可。

增加渣中FeO含量，可加速石灰的渣化和改善熔渣的流动性，有利于脱磷反应。

提高碱度可增加(CaO)的有效浓度，有利于提高脱磷效率；但碱度并非越高越好，加入过多的石灰，渣化不好，影响熔渣的流动性，对脱磷反而不利。

脱磷反应是强放热反应，因而炉温过高，反应则向逆反应方向进行，钢中磷含量不仅不能降低，反而会产生回磷；炉温过低，不利于石灰的渣化，并影响熔渣流动性，也阻碍脱磷反应的进行。

若原料中磷含量高，最好是采用炉外脱磷处理；也可采用双渣操作，或适当的加大渣量，这样就相对降低了4(CaO•P₂O₅)浓度，利于反应继续向正反应方向进行，对脱磷有利。脱磷是钢—渣界面反应，因此具有良好流动性的熔渣，进行充分的熔池搅动，会加速脱磷反应，提高脱磷效率。

当前采用溅渣护炉技术，渣中MgO含量较高，要注意调整好熔渣流动性，否则对脱磷也有影响。

总之，脱磷的条件是：高碱度、高氧化铁含量、良好流动性的熔渣；充分的熔池搅动；适当的温度和大渣量。

来源：钢铁技术网