3 氧气顶吹转炉炼钢工艺

3 氧气顶吹转炉炼钢工艺

3.1 一炉钢的操作过程

要想找出在吹炼过程中金属成分和炉渣成分的变化规律，首先就必须熟悉一炉钢的操作、工艺过程。在下面的图3-1中示出了氧气顶吹转炉吹炼一炉钢的操作过程与相应的工艺制度。

由图可以清楚地看出，氧气顶吹转炉炼钢的工艺操作过程可分以下几步进行：

1）上炉钢出完并倒完炉渣后，迅速检查炉体，必要时进行补炉，然后堵好出钢口，及时加料。

2）在装入废钢和兑入铁水后，把炉体摇正。在下降氧枪的同时，由炉口上方的辅助材料溜槽，向炉中加入第一批渣料（石灰、萤石、氧化铁皮、铁矿石），其量约为总量的2／3～1／2。当氧枪降至规定的枪位时，吹炼过程正式开始。

当氧气流与溶池面接触时，碳、硅、锰开始氧化，称为点火。点火后约几分钟，炉渣形成覆盖于熔池面上，随着Si、Mn、C、P的氧化，熔池温度升高，火焰亮度增加，炉渣起泡，并有小铁粒从炉口喷溅出来，此时应当适当降低氧枪高度。

3）吹炼中期脱碳反应剧烈，渣中氧化铁降低，致使炉渣的熔点增高和粘度增大，并可能出现稠渣（即“返干”）现象。此时，应适当提高氧枪枪位，并可分批加入铁矿石和第二批造渣材料（其余的1／3），以提高炉渣中的氧化铁含量及调整炉渣。第三批造渣料为萤石，用以调整炉渣的流动性，但是否加第三批造渣材料，其加入量如何，要视各厂生产的情况而定。

4）吹炼末期，由于熔池金属中含碳量大大降低，则使脱碳反应减弱，炉内火焰变得短而透明，最后根据火焰状况，供氧数量和吹炼时间等因素，按所炼钢种的成分和温度要求，确定吹炼终点，并且提高氧枪停止供氧（称之为拉碳）、倒炉、测温、取样。根据分析结果，决定出钢或补吹时间。

5）当钢水成分和温度均已合格，打开出钢口，即可倒炉出钢。在出钢过程中，向钢包内加入铁合金，进行脱氧和合金化（有时可在打出钢口前向炉内投入部分铁合金）。出钢完毕，将炉渣倒入渣罐。

通常将相邻两炉之间的间隔时间（即从装钢铁材料到倒渣完毕），称为冶炼周期或冶炼一炉钢的时间。一般为20～40min。其中把吹入氧气的时间称为供氧时间或纯吹炼时间。它与炉子吨位大小和工艺的不同有关。

3.2 装入制度

3.2.1 装入制度内容及依据

装入制度就是确定转炉合理的装入量，合适的铁水废钢比。转炉的装入量是指主原料的装入数量，它包括铁水和废钢。

实践证明每座转炉都必须有个合适的装入量，装入量过大或过小都不能得到好的技术经济指标。若装入量过大，将导致吹炼过程的严重喷溅，造渣困难，延长冶炼时间，吹损增加，炉衬寿命降低。装入量过小时，不仅产量下降，而且由于熔池变浅，控制不当，炉底容易受氧气流股的冲击作用而过早损坏，甚至使炉底烧穿，进而造成漏钢事故，对钢的质量也有不良影响。

在确定合理的装入量时，必须考虑以下因素：

（1）要有合适的炉容比。炉容比一般是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，量纲为m3／t。转炉生产中，炉渣喷溅和生产率与炉容比密切相关。合适的炉容比是从生产实践中总结出来的，它与铁水成分、喷头结构、供氧强度等因素有关。例如，铁水中含Si、P较高，则吹炼过程中渣量大，炉容比应大一些，否则易使喷溅增加。使用供氧强度大的多孔喷头，应使炉容比大些，否则容易损坏炉衬。

目前，大多数顶吹转炉的炉容比选择在0.7～l.10之间，表3-1是国内外转炉炉容比的统计情况。

表3-1 顶吹转炉炉容比

表3-2 各厂顶吹转炉炉容比

大转炉的炉容比可以小些，小转炉的炉容比要稍大些。目前我国一些钢厂转炉的炉容比见表3-2所示。

（2）合适的熔池深度。为了保证生产安全和延长炉底寿命，要保证熔池具有一定的深度。不同公称吨位转炉的熔池深度如表3-3所示。熔池深度Η必须大于氧气射液对熔池的最大穿透深度h，一般认为对于单孔喷枪h／H≤0.7是合理的。

表3-3 不同公称吨位转炉的熔池深度

（3）对于模铸车间，装入量应与锭型配合好。装入量减去吹损及浇注必要损失后的钢水量，应是各种锭型的整数倍，尽量减少注余钢水量。装入量可按下列公式进行计算。

装入量=-合金用量×合金吸收率(%) （3-1）

上式中有关单位采用t。

此外，确定装入量时，还要受到钢包的容积、转炉的倾动机构能力、浇注吊车的起重能力等因素的制约。所以在制订装入制度时，既要发挥现有设备潜力，又要防止片面的不顾实际的盲目超装，以免造成浪费和事故。

3.2.2 装入制度类型

氧气顶吹转炉的装入制度有：定量装入制度、定深装入制度、分阶段定量装入制度。其中定深装入制度即每炉熔池深度保持不变，由于生产组织困难，现已很少使用。定量装入制度和分阶段定量装入制度在国内外得到广泛应用。

3.2.2.1 定量装入制度

定量装入制度，就是在整个炉役期间，每炉的装入量保持不变，这种装入制度的优点是：便于生产组织，操作稳定，有利于实现过程自动控制，但炉役前期熔池深、后期熔池变浅，只适合大吨位转炉。国内外大型转炉已广泛采用定量装入制度。

3.2.2.2 分阶段定量装入制度

在一个炉役期间，按炉膛扩大的程度划分为几个阶段，每个阶段定量装入。这样既大体上保持了整个炉役中具有比较合适的熔池深度，又保持了各个阶段中装入量的相对稳定，既能增加装入量，又便于组织生产。这是适应性较强的一种装入制度。我国各中、小转炉炼钢厂普遍采用这种装入制度。表3-4为首钢30t 转炉分阶段定量装入制度。

3.2.3装入操作

3.2.3.1 铁水、废钢的装入顺序

A 先兑铁水后装废钢

这种装入顺序可以避免废钢直接撞击炉衬，但炉内留有液态残渣时，兑铁易发生喷溅。

B 先装废钢后兑铁水

这种装入顺序废钢直接撞击炉衬，但目前国内各钢厂普遍采用溅渣护炉技术，运用此法可防止兑铁喷溅，但补炉后的第一炉钢可采用前法。

表3-4 首钢30t转炉分阶段定量装入制度

注：沸腾：沸腾钢；挂板：普通镇静钢；大头：带保温帽钢锭

3.2.3.2 准确控制铁水废钢比

铁水、废钢装入比例的确定，从理论上讲应根据热平衡计算而定。但在生产条件下，一般是根据铁水成分、温度、炉龄期长短、废钢预热等情况按经验确定铁水配入的下限值和废钢加入的上限值。在正常生产条件下，废钢加入量变化不大，各炉次废钢加入量的变化受上下炉次间隔时间、铁水成分、温度等的影响。目前，我国大多数转炉生产中铁水比一般波动在75～90％之间，近几年我国转炉废钢加入量平均为100～150kg／t。

3.2.3.3 注意安全、防止污染

兑铁水前转炉内应无液态残渣，并疏散周围人员，以防造成人员伤害和设备事故。如果没有二次除尘设备，兑铁水时转炉倾动角度小些，尽量使烟尘进入烟道。

3.3 造渣制度

氧气顶吹转炉的供氧时间仅仅十几分钟，在此期间必须形成具有一定碱度、氧化性和流动性，合适的MgO含量、正常泡沫化的熔渣，以保证炼出合格的优质钢水，并减少对炉衬的侵蚀。

转炉炼钢造渣的目的是：去除磷硫、减少喷溅、保护炉衬、减少终点氧。

造渣制度就是要确定合适的造渣方法、渣料的加入数量和时间，以及如何加速成渣。

3.3.1 炉渣的形成

氧气转炉炼钢过程时间很短，必须做到快速成渣，使炉渣尽快具有适当的碱度、氧化性和流动性，以便迅速地把铁水中的磷、硫等杂质去除到所炼钢种的要求以下。

3.3.1.1 炉渣的形成

炉渣一般是由铁水中的Si、P、Mn、Fe的氧化以及加入的石灰溶解而生成；另外还有少量的其它渣料（白云石、萤石等）、带入转炉内的高炉渣、侵蚀的炉衬等。炉渣的氧化性和化学成分在很大程度上控制了吹炼过程中的反应速度。如果吹炼要在脱碳时同时脱磷，则必须控制（FeO）在一定范围内，以保证石灰不断溶解，形成一定碱度、一定数量的泡沫化炉渣。

开吹后，铁水中Si、Mn、Fe等元素氧化生成FeO、SiO2、MnO等氧化物进入渣中。这些氧化物相互作用生成许多矿物质，吹炼初期渣中主要矿物组成为各类橄榄石（Fe、Mn、Mg、Ca）SiO4和玻璃体SiO2。随着炉渣中石灰溶解，由于CaO与SiO2的亲合力比其它氧化物大，CaO逐渐取代橄榄石中的其它氧化物，形成硅酸钙。随碱度增加而形成CaO•SiO2，3CaO•2SiO2，2CaO·SiO2，3CaO·SiO2，其中最稳定的是2CaO·SiO2。到吹炼后期，C一O反应减弱，（FeO）有所提高，石灰进一步溶解，渣中可能产生铁酸钙。表3-5列出炉渣中的化合物及其熔点。

表3－5 炉渣中的化合物及其熔点

3.3.1.2 石灰的溶解

石灰的溶解在成渣过程中起着决定性的作用，图3-2说明渣量和石灰溶解量的变化情况。由图可见，在25％的吹炼时间内，渣主要靠元素Si、Mn、P和Fe的氧化形成。在此以后的时间里，成渣主要是石灰的溶解，特别是吹炼时间的60％以后，由于炉温升高，石灰溶解加快使渣大量形成。石灰在炉渣中的溶解是复杂的多相反应，其过程分为三步：

第一步，液态炉渣经过石灰块外部扩散边界层向反应区迁移，并沿气孔向石灰块内部迁移。

第二步，炉渣与石灰在反应区进行化学反应，形成新相。反应不仅在石灰块外表面进行。而且在内部气孔表面上进行。其反应为：

2（Fe O）+（SiO2）+ CaO →（Fe OX）+（CaO• Fe O •SiO2）

（Fe2O3）+2 CaO →（2 CaO •Fe2O3）

（CaO• Fe O •SiO2）+ CaO→（2CaO•SiO2）+（Fe O）

第三步, 反应产物离开反应区向炉渣熔体中转移。

炉渣由表及里逐渐向石灰块内部渗透，表面有反应产物形成。通常在顶吹转炉和底吹转炉吹炼前期从炉内取出的石灰块表面存在着高熔点、致密坚硬的2CaO·SiO2外壳，它阻碍石灰的溶解。但在复吹转炉中从炉内取出的石灰块样中，均没有发现2CaO·SiO2外壳，其原因可认为是底吹气体加强了熔池搅拌，消除了顶吹转炉中渣料被吹到炉膛四周的不活动区，从而加快了（FeO）向石灰渗透作用的结果。由以上分析可见，影响石灰溶解的主要因素有：

（1） 炉渣成分 实践证明，炉渣成分对石灰溶解速度有很大影响。有研究表明，石灰溶解与炉渣成分之间的统计关系为：

（3-2）

式中： —— 石灰在渣中的溶解速度，kg／（m2）

—— 比例系数；

CaO等 —— 渣中氧化物浓度，％。

由（3-2）式可见，（FeO）对石灰溶解速度影响最大，它是石灰溶解的基本熔剂。其原因是：

1）它能显著降低炉渣粘度，加速石灰溶解过程的传质。

2）它能改善炉渣对石灰的润湿和向石灰孔隙中的渗透。

3）它的离子半径不大（，，），且与CaO同属立方晶系。这些都有利于（FeO） 向石灰晶格中迁移并生成低熔点物质。

4）它能减少石灰块表面2CaO·SiO2的生成，并使生成的2CaO•SiO2变疏松，有利石灰溶解。

渣中（MnO）对石灰溶解速度的影响仅次于（FeO），故在生产中可在渣料中配加锰矿；而使炉渣中加入6％左右的（MgO）也对石灰溶解有利，因为CaO－MgO－SiO2系化合物的熔点都比2CaO·SiO2低。

（2）温度 熔池温度高，高于炉渣熔点以上，可以使炉渣粘度降低，加速炉渣向石灰块内的渗透，使生成的石灰块外壳化合物迅速熔融而脱落成渣。转炉冶炼的实践已经证明，在熔池反应区，由于温度高而且（FeO）多，使石灰的溶解加速进行。

（3）熔池的搅拌 加快熔池的搅拌，可以显著改善石灰溶解的传质过程，增加反应界面，提高石灰溶解速度。复吹转炉的生产实践也已证明，由于熔池搅拌加强，使石灰溶解和成渣速度都比顶吹转炉提高。

（4）石灰质量 表面疏松，气孔率高，反应能力强的活性石灰，能够有利于炉渣向石灰块内渗透，也扩大了反应界面，加速了石灰溶解过程。目前，在世界各国转炉炼钢中都提倡使用活性石灰，以利快成渣，成好渣。

由此可见，炉渣的成渣过程就是石灰的溶解过程。石灰熔点高，高（FeO）、高温和激烈搅拌是加快石灰溶解的必要条件。

3.3.2 泡沫渣

在吹炼过程中，由于氧气流股对熔池的作用，产生了许多金属液滴。这些金属液滴落入炉渣后，与FeO作用生成大量的CO气泡，并分散于熔渣之中，形成了气-熔渣-金属密切混合的乳浊液。分散在熔渣中的小气泡的总体积，往往超过熔渣本身的体积。熔渣成为薄膜，将气泡包住并使其隔开，引起熔渣发泡膨胀，形成泡沫渣。在正常情况下，泡沫渣的厚度经常有l～2m乃至3m。

由于炉内的乳化现象，大大发展了气-熔渣-金属的界面，加快了炉内化学反应速度，从而达到了良好的吹炼效果。若控制不当，由于严重的泡沫渣，也会导致事故。

3.3.2.1 影响泡沫渣形成的因素

氧气顶吹转炉吹炼过程中，泡沫渣中气体来源于供给炉内的氧气和碳氧化生成的CO气体，而且主要是CO气体。这些气体能否稳定的存在于熔渣中，还与熔渣的物理性质有关。

SiO2或P2O5都是表面活性物质，能够降低熔渣的表面张力，它们生成的吸附薄膜常常成为稳定泡沫的重要因素。但单独的SiO2或P2O5对稳定气泡的作用不大，若两者同时存在，效果最好。因为SiO2能增加薄膜的粘性，而P2O5能增加薄膜的弹性，这都会阻碍小气泡的聚合和破裂，有助于气泡稳定在熔渣中。FeO、Fe2O3和CaF2含量的增加也能降低熔渣的表面张力，有利于泡沫渣的形成。

另外，熔渣中固体悬浮物对稳定气泡也有一定作用。当熔渣中存在着2CaO·SiO2、3CaO·P2O5、CaO和MgO等固体微粒时，它们附着在小气泡表面上，能使气泡表面薄膜的韧性增强，粘性增大，也阻碍了小气泡的合并和破裂，从而使泡沫渣的稳定期延长。当熔渣中析出大量的固体颗粒时，气泡膜就变脆而破裂，熔渣就出现了返干现象。所以熔渣的粘度对熔渣的泡沫化有一定的影响，但也不是说熔渣越粘越利于泡沫化。另外，低温有利于熔渣泡沫的稳定。总之，影响熔渣泡沫化的因素是多方面的，不能单独强调某一方面，而应综合各方面因素加以分析。

3.3.2.2 吹炼过程中泡沫渣的形成及控制

吹炼初期熔渣碱度低，并含有一定数量的FeO、SiO2、P2O5等，主要是这些物质的吸附作用稳定了气泡。

吹炼中期碳激烈氧化，产生大量的CO气体，由于熔渣碱度提高，形成了硅酸盐及磷酸盐等化合物，SiO2和P2O5的活度降低，SiO2和P2O5的吸附作用逐渐消失，稳定气泡主要靠固体悬浮微粒。此时如果能正确操作，避免或减轻熔渣的返干现象，就能控制合适的泡沫渣。

吹炼后期脱碳速度降低，只要熔渣碱度不过高，稳定泡沫的因素就大大减弱了，一般不会产生严重的泡沫渣。

吹炼过程中氧压低，枪位过高，渣中TFe含量大量增加，使泡沫渣发展，严重的还会产生泡沫性喷溅或溢渣。相反，枪位过低，尤其是在碳氧化激烈的中期，TFe含量低，又会导致熔渣的返干而造成金属喷溅。所以，只有控制得当，才能够保持正常的泡沫渣。

3.3.3 造渣方法

在生产实践中，一般根据铁水成分及吹炼钢种的要求来确定造渣方法。常用的造渣方法有单渣操作、双渣操作、留渣操作等。

3.3.3.1 单渣操作

单渣操作就是在冶炼过程中只造一次渣，中途不倒渣、不扒渣、直到终点出钢。

当铁水Si、P、S含量较低，或者钢种对P、S要求不严格，以及冶炼低碳钢种时，均可以采用单渣操作。

单渣操作工艺比较简单，吹炼时间短，劳动条件好，易于实现自动控制。单渣操作的脱磷效率在90％左右，脱硫效率在35％左右。

3.3.3.2 双渣操作

在冶炼中途分一次或几次除去约1/2～2/3的熔渣，然后加入渣料重新造渣的操作方法称双渣法。在铁水含硅量较高或含磷量大于0.5%，或虽然含磷量不高但吹炼优质钢，或吹炼中、高碳钢种时一般采用双渣操作。

最早采用双渣操作，是为了脱磷，现在除了冶炼低锰钢外已很少采用。但当前有的转炉终点不能一次拉碳，多次倒炉并添加渣料后吹，这是一种变相的双渣操作，实际对钢的质量、消耗以及炉衬都十分不利。

3.3.3.3 留渣操作

留渣操作就是将上炉终点熔渣的一部分或全部留给下炉使用。终点熔渣一般有较高的碱度和∑（FeO）含量，而且温度高，对铁水具有一定的去磷和去硫能力。留到下一炉，有利于初期渣及早形成，并且能提高前期去除P、S的效率，有利于保护炉衬，节省石灰用量。

在留渣操作时，兑铁水前首先要加石灰稠化熔渣，避免兑铁水时产生喷溅而造成事故。

溅渣护炉技术在某种程度上可以看作是留渣操作的特例。

根据以上的分析比较，单渣操作是简单稳定的，有利于自动控制。因此对于Si、S、P含量较高的铁水，最好经过铁水预处理，使其进入转炉之前就符合炼钢要求。这样生产才能稳定，有利于提高劳动生产率，实现过程自动控制。

3.3.4 渣料加入量确定

加入炉内的渣料，主要指石灰和白云石数量，还有少量助熔剂。

3.3.4.1 石灰加入量确定

石灰加入量主要根据铁水中Si、P含量和炉渣碱度来确定。

A 炉渣碱度确定

碱度高低主要根据铁水成分而定，一般来说铁水含P、S低，炉渣碱度控制在2.8～3.2；中等P、S含量的铁水，炉渣碱度控制在3.2～3.5；P、S含量较高的铁水，炉渣碱度控制在3.5～4.0。

B 石灰加入量计算

(1) 铁水含P＜0.30％时，石灰加入量可用下式计算：

kg/ t铁水 （3—3）

式中 B —— 碱度，CaO/SiO2

%CaO有效 —— 石灰中的有效CaO含量，%CaO有效=%CaO石灰 — B%SiO2石灰

2.14 —— SiO2/Si的分子量之比。

(2) 铁水含P>0.30%，B= CaO/( SiO2+P2O5)

kg/ t铁水 （3—4）

式中 2.2——1/2 [（SiO2/Si）+（ P2O5/ P）]

3.3.4.2 白云石加入量确定

白云石加入量根据炉渣中所要求的MgO含量来确定，一般炉渣中MgO含量控制在6～8％。炉渣中的MgO含量由石灰、白云石和炉衬侵蚀的MgO带入，故在确定白云石加入量时要考虑它们的相互影响。

(1) 白云石应加入量

kg/t

式中 %MgO白——白云石中MgO含量。

(2) 白云石实际加入量

白云石实际加入量中，应减去石灰中带入的MgO量折算的白云石数量W灰和炉衬侵蚀进入渣中的MgO量折算的白云石数量W衬 。下面通过实例计算说明其应用。

设渣量为金属装入量的12％，炉衬侵蚀量为装入量的1％，炉衬中含MgO为40％。

铁水成分：Si为0.7％，P为0.2％，S为0.05％；

石灰成分：CaO 90％，MgO 3％，SiO2 2％；

白云石成分：CaO40％，MgO35％，SiO23％；

终渣要求：（MgO）为8％，碱度为3.5。

1) 白云石应加入量:

kg/t

2) 炉衬侵蚀进入渣中MgO折算的白云石数量：

kg/t

3) 石灰中带入MgO折算的白云石数量：

=5.4 kg/t

4) 实际白云石加入量:

kg/t

(3) 白云石带入渣中CaO折算的石灰数量：

10.6×40%/90%=4.7 kg/t

(4) 实际入炉石灰数量：

石灰加入量W—白云石折算石灰量

= kg/t

(5) 石灰与白云石入炉比例：

白云石加入量／石灰加入量=10.6／58.5=0.18

在工厂生产实际中，由于石灰质量不同，白云石入炉量与石灰之比可达0.20～0.30。

3.3.4.3 助熔剂加入量

转炉造渣中常用的助熔剂是氧化铁皮和萤石。萤石化渣快，效果明显。但用量过多对炉衬有侵蚀作用；另外我国萤石资源短缺，价格较高，所以应尽量少用或不用。原冶金部转炉操作规程中规定，萤石用量应小于4kg／t。

氧化铁皮或铁矿石也能调节渣中FeO含量，起到化渣作用，但它对熔池有较大的冷却效应，应视炉内温度高低确定加入量。一般铁矿或氧化铁皮加入量为装入量的2～5％。

3.3.5 渣料加入时间

渣料的加入数量和加入时间对化渣速度有直接的影响，因而应根据各厂原料条件来确定。通常情况下，渣料分两批或三批加入。第一批渣料在兑铁水前或开吹时加入，加入量为总渣量的1／2～2／3，并将白云石全部加入炉内。第二批渣料加入时间是在第一批渣料化好后，铁水中硅、锰氧化基本结束后分小批加入，其加入量为总渣量的1／3～1/2。若是双渣操作，则是倒渣后加入第二批渣料。第二批渣料通常是分小批多次加入，多次加入对石灰溶解有利，也可用小批渣料来控制炉内泡沫渣的溢出。第三批渣料视炉内磷、硫去除情况而决定是否加入，其加入数量和时间均应根据吹炼实际情况而定。无论加几批渣，最后一小批渣料必须在拉碳倒炉前3min加完，否则来不及化渣。

所以单渣操作时，渣料一般都是分两批加入。具体数量各厂不同，现以首钢一炼钢厂和上钢一厂为例，列于表3-6。

表3-6 渣料加入数量和时间

第一批渣料是总量的一半或一半以上，其余的第二批加入。如果需要调整熔渣或炉温，才有所谓第三批渣料。

在正常情况下，第一批渣料是在开吹的同时加入。第二批渣料的加入时间一般在Si、Mn氧化基本结束，第一批渣料基本化好，碳焰初起时加入较为合适。第二批渣料可以一次加入，也可以分小批多次加入。分小批多次加入不会过分冷却熔池，对石灰渣化有利，也有利碳的均衡氧化。但最后一小批料必须在终点拉碳前一定时间加完，否则渣料来不及熔化就要出钢了。30t转炉规定终点前3～4min加完最后一批渣料。

如果炉渣熔化得好，炉内CO气泡排出受到金属液和炉渣的阻碍，发出声音比较闷；而当炉渣熔化不好时，CO气泡从石灰块的缝隙穿过排出，声音比较尖锐；采用声纳装置

接收这种声音信息可以判断炉内炉渣熔化情况，并将信息送入计算机处理，进而指导枪位的控制。

人工判断炉渣化好的特征：炉内声音柔和，喷出物不带铁，无火花，呈片状，落在炉壳上不粘附。否则噪音尖锐，火焰散，喷出石灰和金属粒并带火花。

第二批渣料加得过早和过晚对吹炼都不利。加得过早，炉内温度低，第一批渣料还没有化好，又加冷料，熔渣就更不容易形成，有时还会造成石灰结坨，影响炉温的提高。加得过晚，正值碳的激烈氧化期，TFe含量低。当第二批渣料加入后，炉温骤然降低，不仅渣料不易熔化，还抑制了碳氧反应，会产生金属喷溅，当炉温再度提高后，就会造成大喷溅。

第三批渣料的加入时间要看炉渣化得好坏及炉温的高低而定。炉渣化得不好，可适当加入少量萤石进行调整。炉温较高时，可加入适量的冷却剂调整。

3.4 供氧制度

将0.7～1.5MPa的高压氧气通过水冷氧枪从炉顶上方送入炉内，使氧气流股直接与钢水熔池作用，完成吹炼任务。供氧制度是在供氧喷头结构一定的条件下使氧气流股最合理的供给熔池，创造炉内良好的物理化学条件。因此，制订供氧制度时应考虑喷头结构、供氧压力、供氧强度和氧枪高度控制等因素。

3.4.1.氧枪喷头

转炉供氧的射流特征是通过氧枪喷头来实现的，因此，喷头结构的合理选择是转炉供氧的关键。氧枪喷头有单孔、多孔和双流道等多种结构，对喷头的选择要求为:

（1）应获得超音速流股，有利于氧气利用率的提高；

（2）合理的冲击面积，使熔池液面化渣快，对炉衬冲刷少，

（3）有利于提高炉内的热效率；

（4）便于加工制造，有一定的使用寿命。

3.4.2 供氧制度中的几个工艺参数

3.4.2.1 氧气流量与供氧强度

A 氧气流量

氧气流量Q是指在单位时间t内向熔池供氧的数量V(常用标准状态下的体积量度)。其量纲为m3/min或m3/h。氧气流量是根据吹炼每吨金属料所需要的氧气量、金属装入量、供氧时间等因素来确定的，即：

Q = （3-5）

式中 Q—— 氧气流量，Nm3/min或Nm3/h；

V—— 一炉钢的氧耗量，Nm3；

t —— 供氧时间，min或h。

一般供氧时间为14～22min，大转炉吹氧时间稍长些。

例1 转炉装入量132t，吹炼15min，氧耗量为6068Nm3，求此时氧气流量为多少?

解：V＝6068Nm3

t=15min

Q＝== 404.53 Nm3/min =2 4272 Nm3/h

答：此时氧气流量为24272Nm3/h。

B 供氧强度

供氧强度I是指单位时间内每吨金属氧耗量，可由（3-6）式确定：

I= （3—6）

式中 I —— 供氧强度，Nm3/t·min；

Q —— 氧气流量，Nm3/min；

T —— 一炉钢的金属装入量，t。

例2 根据例1条件，求此时的供氧强度，若供氧强度提至3.6Nm3/t·min，每炉钢吹炼时间可缩短多少?

解：V＝6068Nm3；T＝132 t；t＝15min

供氧强度I = = = =3 .06Nm3/min

冶炼时间t ＝＝ = 12.769min

每炉吹炼时间缩短值：

Δ t = 15－12.769 = 2.231min = 2min14s

答：供氧强度为3.06Nm3/ t·min，提高供氧强度后，每炉吹炼时间可缩短2minl4s。

顶吹转炉炼钢的氧气流量和供氧强度主要决定于喷溅情况，通常应在基本上不产生喷溅的情况下控制在高限上。目前国内30～50t转炉的供氧强度在2.8～4.0Nm3/t·min，120～150t转炉的供氧强度在2.3～3.5Nm3/t·min。大于150t的转炉供氧强度一般在2.5～4.0Nm3/t· min。如日本300t转炉，采用五孔喷嘴，供氧强度达到4.44Nm3/t·min；前西德350t转炉采用七孔喷嘴，供氧强度为4.29Nm3/t·min；有个别转炉可达5～6Nm3/t·min。

C 吨金属氧耗量

吹炼1t金属料所需要的氧气量，可以通过计算求出来。其步骤是：首先计算出熔池各元素氧化所需氧气量和其他氧耗量，然后再减去铁矿石或氧化铁皮带给熔池的氧量，现举例说明。

例3 已知：金属装入量中铁水占90％，废钢占10％，吹炼钢种是Q235B，渣量是金属装入量的7.777％；吹炼过程中，金属料中90％的碳氧化生成CO、10％的碳氧化生成CO2。求：100kg金属料，ω[c]=1％时，氧化消耗的氧气量?

解：12g的C生成CO消耗16g氧气，生成CO2消耗32g氧气，设100kg金属料ω[c]＝1％生成CO消耗氧气量为xkg，生成CO2消耗氧气量为ykg。

[C] 十 {O2}＝{CO}

12g 16g

1％×100×90％kg χ

χ==1.200kg

[C ] 十 {O2}＝{CO2}

12g 32g

1%×100×10%kg y

y==0.267kg

氧化ω[c]=1％的氧耗量：1.200+0.267＝1.467kg

答：100kg的金属料ω[C]=1％氧化消耗的氧气量为1.467kg。

同理可以算出100kg金属料中ω[Si]＝1％、ω[Mn]＝1％、ω[P]＝1％、ω[S]＝1％、ω[Fe]=1％的氧耗量；渣中ω(FeO)＝9％，ω(Fe2O3)＝3％；吹炼过程中被氧化进入炉渣的Fe元素数量，FeO中ω[Fe]＝0.544kg，Fe2O3中ω[Fe]=0.163kg。100kg金属料各元素氧化量和氧耗量见表3-7。

表3-7 100Kg金属料各元素氧化量和氧耗量

①气化脱硫量占总脱硫量的1/3

这样每l00kg金属料需氧量：

1.467×Δω[C]+1.143×Δω[Si]+0.291×Δω[Mn]+1.290×Δω[P]+×Δω[S]十

0.286×Δω[Fe],(FeO)+0.429×Δω[Fe],(FeO)

Δω[C]，Δω[Si]，Δω[Mn]，Δω[P]，Δω[S]，Δω[Fe]——分别是钢中C，Si，Mn，P，S，Fe的氧化量。

铁水ω[C]＝4.3％，占装入量的90％；

废钢ω[C]＝0.1％，占装入量的10％；

平均碳含量：4.3％×90％+0.1％×10％=3.88％

同样可以算出Si，Mn，P，S的平均成分，见表3-7。

每l00kg金属氧耗量：

1.467×Δω[C]+1.143×Δω[Si]+0.291×Δω [Mn]+1.290×Δω[P]+×Δω[S]

+0.286×Δω[Fe],(FeO)+0.429Δω[Fe],(Fe2O3)

=1.467×3.73+1.143×0.475+0.291×0.186+1.290×0.034+×0.013+0.286×0.544+0.429×0.163

＝6.343kg

这是氧耗量的主要部分。另外还有一部分氧耗量是随生产条件的变化而有差异。例如炉气中部分CO燃烧生成CO2所需要的氧气量，炉气中含有一部分自由氧，还有烟尘中的氧含量以及喷溅物中的氧含量等。其数量随枪位、氧压、供氧强度、喷嘴结构、转炉炉容比、原材料条件等的变化而波动，波动范围较大。例如炉气中CO2含量的波动范围是φ (CO2)＝5％～30％；自由氧含量φ (O2)＝0.1％～2.0％。这部分的氧耗量是无法精确计算的，因此用一个氧气的利用系数加以修正。根据生产经验认为氧气的利用系数一般在80％～90％。

每l00kg金属料的氧耗量：＝7.929～7.048kg

若采用铁矿石或氧化铁皮为冷却剂时，将带入熔池一部分氧，这部分氧量与矿石的成分和加入的数量有关。若矿石用量是金属量的0.418％。根据矿石成分计算，每100kg金属料由矿石带入熔池的氧量为0.096kg，若全部用来氧化杂质，则每l00kg金属料的氧耗量是：

(7.929～7.048)－0.096＝7.833～6.952kg

氧气纯度为99.6％，其密度为1.429kg/m3，则每吨金属料的氧耗量(标态)是：

=55.03～48.84m3/t

平均为51.94m3/t

计算的结果与各厂实际氧耗量(标态)50～60m3/t大致相当。

D 供氧时间

供氧时间是根据经验确定的。主要考虑转炉吨位大小、原料条件、造渣制度、吹炼钢

种等情况来综合确定。小型转炉单渣操作一般供氧时间为12～14min；中、大型转炉单渣操作供氧时间一般为18～22min。

3.4.2.2 氧压

供氧制度中规定的工作氧压是测定点的氧压，以P用表示，它不是喷嘴前的氧压，更不是出口氧压，测定点到喷嘴前还有一段距离，有一定的氧压损失(如图3-3所示)。一般允许P用偏离设计氧压±20%，目前国内一些小型转炉的工作氧压约为（5～8）×105Pa，一些大型转炉则为8.5～11×105Pa。

喷嘴前的氧压用p0表示，出口氧压用p表示。p0和p都是喷嘴设计的重要参数。出口氧压应稍高于或等于周围炉气的气压。如果出口氧压小于或高出周围气压很多时，出口后的氧气流股就会收缩或膨胀，使得氧流很不稳定，并且能量损失较大，不利于吹炼，所以通常选用p＝0.118～0.123MPa。

喷嘴前氧压p0值的选用应根据以下因素考虑：

(1) 氧气流股出口速度要达到超音速(450～530m/s)，即Ma=1.8～2.1。

(2) 出口的氧压应稍高于炉膛内气压。从图3—4可以看出，当p0>0.784MPa时，随氧压的增加，氧流速度显著增加；当p0>1.176MPa以后， 氧压增加，氧流出口速度增加不多。所以通常喷嘴前氧压选择为0.784～1.176MPa。

喷嘴前的氧压与流量有一定关系，若已知氧气流量和喷嘴尺寸，p0是可以根据经验公式计算出来的。当喷嘴结构及氧气流量确定以后，氧压也就确定了。

3.4.2.3 枪位

枪位是指由氧枪喷头出口到静止熔池表面之间的距离。

枪位的高低与炉内反应密切相关。根据氧气射流特性可知，当氧压一定时，枪位越低，氧气射流对熔池的冲击动能越大，熔池搅拌加强，氧气利用率越高，其结果是加速了炉内脱硅、脱碳反应，使渣中（FeO）含量降低，表3-8、表3-9的数据说明这种结果。同时，由于脱碳速度快，缩短了反应时间，热损失相对减少，使熔池升温迅速。但枪位过低，则不利于成渣，也可能冲击炉底。而枪位过高，将使熔池的搅拌能力减弱，造成熔池表面铁的氧化，使渣中（FeO）含量增加，导致炉渣严重泡沫化而引起喷溅。由此可见，只有合适的枪位才能获得良好的吹炼效果。

表3-8 不同枪位时渣中（FeO）含量（%）

表3-9 不同枪位时的脱碳速度（%C/min）

在确定合适的枪位时，主要考虑两个因素：一是要有一定的冲击面积；二是在保证炉底不被损坏的条件下，有一定的冲击深度。氧枪高度可按经验确定一个控制范围，然后根据生产中的实际吹炼效果加以调整。由于喷嘴在加工过程中，临界直径的尺寸很难做到非常准确，而生产中装入量又有波动，所以过分的追求氧枪高度的精确计算是没有意义的。

喷枪高度范围的经验公式为 ：

H =（25～55）d喉 （3-7）

式中： H —— 喷咀距溶池面的高度，毫米；

d喉 —— 喷咀喉口直径，毫米；

由于三孔喷咀的氧气流股的铺散面积比单孔的喷咀要大，所以三孔喷枪的枪位可比单孔喷枪的低一些。

喷枪高度范围确定后，常用流股的穿透深度来核算一下所确定的喷枪高度。为了保证炉底不受损坏，要求氧气流股的穿透深度（h穿）与熔池深度（h熔）之比要小于一定的比值。

对单孔喷枪： h穿/ h熔 ≤ 0.70

对多孔喷枪： h穿/ h熔 ≤ 0.25～0.40

通常，枪位根据如下的因素确定：

(1) 吹炼的不同时期 由于吹炼各时期的炉渣成分、金属成分和熔池温度明显不同，它们的变化规律也有所不同，因此枪位也应相应的有所不同。

吹炼前期的特点是硅迅速氧化，渣中SiO2的浓度大和熔池温度不高。此时要求快速熔化加入的石灰，尽快形成碱度≮1.5～1.7的活跃的炉渣，以免酸性渣严重浸蚀炉衬和尽量增加前期的去磷和去硫率。所以，在温度正常时，除适当加入萤石或氧化铁皮等助熔剂外，一般应采用较高的枪位，使渣中的∑（FeO）稳定在25～30％的水平。如果枪位过低，渣中∑（FeO）含量低，则会在石灰块表面形成高熔点（2130℃）的2CaO·SiO2，阻碍石灰的溶解；还因熔池未能被炉渣良好覆盖，产生金属喷溅。当然，前期枪位也不应过高，以免产生严重喷溅。

加入的石灰化完后，如果不继续加入石灰，就应当适当降枪，使渣中∑（FeO）适当降低，以免在硅、锰氧化结束和熔池温度上升后强烈脱碳时产生严重喷溅。

吹炼中期的特点是强烈脱碳。这时，不仅吹入的氧全部消耗于碳的氧化，而且渣中的氧化铁也被消耗于脱碳。渣中∑（FeO）降低将使渣的熔点升高。渣中∑（FeO）降低过，则会使炉渣显著变粘，影响磷、硫的继续去除，甚至发生回磷。这种炉渣变粘的现象称为炉渣“返干”。为防止中期炉渣“返干”而又不产生喷溅，枪位应控制在使渣中∑（FeO）含量保持在10～15％的范围内。最佳枪位应当是炉渣刚到炉口而又不喷出。

吹炼后期因脱碳减慢，产生喷溅的威胁较小，这时的基本任务是要进一步调整好炉渣的氧化性和流动性，继续去除磷和硫，准确控制终点。吹炼硅钢等含碳很低的钢种时，还应注意加强熔池搅拌以加速后期脱碳，均匀熔池温度和成分以及降低终渣∑（FeO）含量。为此，在过程化渣不太好或中期炉渣“返干”较严重时，后期应首先适当提枪化渣，而在接近终点时，再适当降枪，以加强熔池搅拌，均匀熔池温度和成分，降低镇静钢和低碳钢的终渣∑（FeO）含量，提高金属和合金收得率并减轻对炉衬的浸蚀。吹炼沸腾钢和半镇静钢时，则应按要求控制终渣的∑（FeO）含量。

(2) 熔池深度 熔池越深，相应渣层越厚，吹炼过程中熔池面上涨越高，故枪位也应在不致引起喷溅的条件下相应提高，以免化渣困难和枪龄缩短。因此，影响熔池深度的各种因素发生变化时，都应相应改变枪位。通常，在其它条件不变时，装入量增多，枪位应相应增高；随着炉龄的增长，熔池变浅，枪位应相应降低；随着炉容量增大，熔池深度增加，枪位应相应增高(同时氧压也要提高)等等。

(3) 造渣材料加入量及其质量 铁水中磷、硫含量高，或吹炼低硫钢，或石灰质量低劣、加入量很大时，不但由于渣量增大使熔池面显著上升，而且由于化渣困难，化渣时枪位应相应提高。相反，铁水中硫、磷含量很低，加入的渣料很少，以及采用合成造渣材料等情况下，化渣时枪位可以降低，甚至可以采用不变枪位的恒枪操作。

(4) 铁水温度和成分 在铁水温度低或开新炉时，开吹后应先低枪提温，然后再提枪化渣，以免使渣中积聚过多的∑（FeO）而导致强烈脱碳时发生喷溅。为了避免严重喷溅，铁水含硅量很高（＞1.2％）时，前期枪位不宜过高。

(5) 喷头结构 在一定的氧气流量下，增多喷孔数目，使射流分散，穿透深度减小，冲击面积相应增大，因而枪位应相应降低。通常，三孔氧枪的枪位约为单孔氧枪的55～75％。直筒型喷头的穿透深度比拉瓦尔型小，因而枪位应低些。

此外，枪位还与工作氧压有关，增大氧压使射流的射程增长，因而枪位应相应提高。

3.4.3 氧枪操作

目前氧枪操作有两种类型，一种是恒压变枪操作，即在一炉钢的吹炼过程中，其供氧压力基本保持不变，通过氧枪枪位高低变化来改变氧气流股与熔池的相互作用，以控制吹炼过程。另一种类型是恒枪变压，即在一炉钢的吹炼过程中，氧枪枪位基本不动，通过调节供氧压力来控制吹炼过程。目前，我国大多数工厂是采用分阶段恒压变枪操作，但由于各厂的转炉吨位、喷嘴结构、原材料条件及所炼钢种等情况不同，氧枪操作也不完全一样。下面就以恒压变枪操作来介绍几种氧枪操作的方式。

A 高—低—高的六段式操作

图3-5表明，开吹枪位较高，及早形成初期渣；二批料加入后适时降枪，吹炼中期炉渣返干时又提枪化渣；吹炼后期先提枪化渣后降枪；终点拉碳出钢。

B 高—低—高的五段式操作

五段式操作的前期与六段式操作基本一致，熔渣返干时可加入适量助熔剂调整熔渣流动性，以缩短吹炼时间，见图3-6。

C 高一低一高一低的四段式操作

在铁水温度较高或渣料集中在吹炼前期加入时可采用这种枪位操作。开吹时采用高枪位化渣，使渣中含（FeO）量达25～30％，促进石灰熔化，尽快形成具有一定碱度的炉渣，增大前期脱磷和脱硫效率，同时也避免酸性渣对炉衬的侵蚀。在炉渣化好后

降枪脱碳，为避免在碳氧化剧烈反应期出现返干现象，适时提高枪位，使渣中（FeO）保持在10～15％，以利磷、硫继续去除。在接近终点时再降枪加强熔池搅拌，继续脱碳和均匀熔池成分和温度，降低终渣（FeO）含量。

3.5 温度制度

温度控制是指吹炼的过程温度和终点温度的控制。

过程温度控制的意义在于温度对于转炉吹炼过程既是重要的热力学参数，又是重要的动力学参数。它既对各个化学反应的反应方向、反应程度和各元素之间的相对反应速度有重大影响、又对熔池的传质和传热速度有重大影响。因此，为了快而多地去除钢中的有害杂质，保护或提取某些有益元素，加快吹炼过程成渣速度，加快废钢熔化，减少喷溅，提高炉龄等，都必须控制好吹炼过程温度。

此外，吹炼任何钢种都有其要求的出钢温度。出钢温度过低会造成回炉、包底凝钢、水口冻结及铸坯（或钢锭）的各种低温缺陷和废品；出钢温度过高，则会增加钢中气体、非金属夹杂物的含量，还会增加铁的烧损，影响钢的质量、造成铸坯的各种高温缺陷和废品，甚至导致漏钢事故的发生，同时也会影响炉衬和氧枪的寿命。因此终点温度控制是炼钢操作的关键性环节，而过程温度控制则是终点温度控制的基础。

由于氧气转炉采用纯氧吹炼，大大减少了废气量及其所带走的显热，因而具有很高的热效率。铁水所带入的物理热和化学热，除把金属加热到出钢温度外，还有大量的富余热量。因此，在吹炼过程中需要加入一定数量的冷却剂，以便把终点温度控制在出钢温度的范围内；同时还要求在吹炼过程中，熔池温度均衡地升高，并在到达终点时，使钢液温度和化学成分同时进入钢种所规定的范围内。

3.5.1 出钢温度的确定

出钢温度的高低受钢种、铸坯断面大小和浇注方法等因素的影响，其依据原则是：

（1）保证浇注温度高于所炼钢种凝固温度50～100℃（小炉子偏上限，大炉子偏下限）。

（2）考虑出钢过程和钢水运输、镇静时间、钢液吹氩时的降温，一般为40～80℃。

（3）考虑浇注过程的降温。

出钢温度可用（3-8）式计算：

t 出 = t凝 +Δt 1 +Δt 2 +Δt 3 （3-8）

式中 t凝 —— 钢水凝固温度，可用3-9式计算：

Δt 1 —— 钢水过热度；

Δt 2 —— 出钢、吹氩、运输、镇静过程降温；

Δt 3 —— 浇注过程降温。

t凝 = 1539 –Σ[%i]Δt i （3-9）

式中 [％i] ——钢水中元素含量；

Δt i ——1％的i元素使纯铁凝固温度的降低值，其数据见表3-10。

现以Q235F钢为例来计算出钢温度。

成品钢水成分是：C 0.20%，Si 0.02％，Mn 0.4％，P 0.030％，S 0.020％，钢水中气体降温7℃。

t凝 = 1539 – (0.2×65+0.02×8+0.4×5+0.03×30+0.020×25+7) =1515℃

取Δt 1为70℃、Δt 2为50℃、Δt 3为30℃，则：

t 出 = 1515 +70 + 50 +30 =1665℃

表3-10 1％的i元素使纯铁凝固温度的降低值

3.5.2 热量来源与热量支出

铁水带入炉内的物理热和化学热, 除能满足出钢温度的要求(包括吹炼过程中金属升温300～400C℃；将造渣材料和炉衬加热到出钢温度；高温炉气和喷溅物带走的热量以及其它热损失)外，还有富余。因此需要加入一定数量的冷却剂才能将终点温度控制在规定的范围内。为了确定冷却剂的加入数量，应先知道富余热量，为此应先计算热量的收入与支出。

3.5.2.1 热量来源

氧气转炉炼钢的热量来源主要是铁水的物理热和化学热。物理热是指铁水带入的热量，它与铁水温度有直接关系；化学热是指铁水中各种元素氧化后放出的热量，它与铁水化学成分直接相关。

在炼钢温度下，各元素氧化放出的热量各异，它可以通过各元素氧化放出的热效应来计算确定。例如铁水温度1200℃，吹入的氧气25℃，碳氧反应生成CO时：

[ C ]1473＋{O2}298 = {CO}1473 ΔH1473K = －135600 J/mol

则1kg [ C ]氧化生成CO时放出的热量为135600／12≈11300 kJ／kg。

元素氧化放出的热量，不仅用于加热熔池的金属液和炉渣，同时也用于炉衬的吸热升温。现以100 kg金属料为例，计算各元素的氧化放热能使熔池升温多少。

设炉渣量为装入金属料的15％，受熔池加热的炉衬为装入金属料的10％，计算热平衡公式如下：

Q = ΣMC t (3-10 )

式中 Q —— 1kg元素氧化放出的热量，kJ／kg；

M —— 受热金属液、炉衬和炉渣重量，kg；

C —— 各物质比热，已知钢液CL为0.84～1.0kJ／kg·℃，炉渣和炉衬的CS为1.23kJ/ kg·℃。

根据3-7式来计算在1200℃时C—O反应生成CO时，氧化1kg碳可使熔池温度升高的数值为：

℃

1kg元素是100 kg金属料的1％，因此，根据同样道理和假设条件，可以计算出其它元素氧化1％时熔池的升温数值，计算结果见表3-11。

表3－11 氧化1 kg元素熔池吸收的热量（kJ ）及氧化1%元素使熔池升温度数（℃）

注：分母表示氧化1 kg元素熔池吸收的热量；分子表示氧化1% 元素使熔池升温度数

由表3-11可见，碳的发热能力随其燃烧的完全程度而异，完全燃烧的发热能力比硅、磷高，但在氧气转炉中，一般只有15%左右的碳完全燃烧生成CO2，而大部分的碳没有完全燃烧。但由于铁水中的碳含量高，故碳仍然是重要热源。

发热能力大的是硅和磷，由于磷是入炉铁水中的控制元素，所以硅是转炉炼钢的主要发热元素。而锰和铁的发热能力不大，不是主要热源。

从高炉生产来看，铁水中的碳、锰和磷的含量波动不大，铁水成分中最容易波动的是硅，而硅又是转炉炼钢的主要发热元素。因此要正确地控制温度就必须注意铁水含硅量的变化。

3.5.2.2 富余热量的计算

富余热量是全部用铁水吹炼时，热量总收入与用于将系统加热到规定温度和抵偿不加冷却剂的情况下转炉的热损失所必须的热量之差。为了正确地控制转炉的终点温度，就需要知道富余热量有多少，这些热量需要加入多少冷却剂。

下面以某厂条件为例，计算如下：

铁水成分: 4.2 % C；0.7 % Si；0.4 %Mn；0.14 % P。

铁水温度: 1250℃。

终点成分: 0.2%C；0.16 %Mn；0.03 % P；痕迹Si。

终点温度: 1650℃。

(1) 先计算出在1250℃各元素氧化反应的发热量。

例如碳氧化生成CO2 ，从表3-11可以看出，1200℃碳氧化1 kg时熔池的吸热量为33022 kJ，1400℃时为32480 kJ。1250℃与1200℃之热量差x可由下式求得：

(1400－1200 ):(33022－32480 ) ＝ (1250－1200 ) : x

x＝＝135.5 kJ

所以1250℃碳氧化成CO2 的发热量为32886 kJ / kg（33022－135.5）。

用同样的方法可以计算出其它元素在1250℃，每氧化1 kg 熔池所吸收之热量。

C → CO2 32886 kJ

C → CO 11255 kJ

Fe → FeO 4055 kJ

Mn →MnO 6312 kJ

Si → 2CaO·SiO2 20304 kJ

P → 4CaO·P2O5 25320 kJ

表3－12 吹炼过程中各元素氧化为熔池所吸收的热量

(2) 根据各元素的烧损量可以计算出熔池吸收热量(100 kg铁水时)： 熔池所吸收的热量是78116 kJ，见表3-12。

除了考虑炉气、炉渣加热到1250℃所耗热量外，在吹炼过程中炉子也有一定的热损失，如炉子辐射和对流的热损失以及喷溅引起的热损失等。因此，真正吸收的热量比上面计算的要小。上述几项热损失一般占10 % 以上。则熔池所吸收的热量是:

78116 × 90 % = 70304 kJ

(3) 计算熔池从1250℃升温到1650℃所需之热量：

从1250℃到1650℃需要升温400℃，钢水和熔渣加热400℃以及把炉气加热到1450℃所需热量为：

400×0.837×90＋400×1.247×15＋200×1.13×10=39874 kJ

式中0.837、1.247、1.13分别为钢液、熔渣和炉气的比热 (kJ/kg·℃)；90、15、10分别为钢液、熔渣和炉气的重量 (kg)；200为假定炉气的平均温度为1450℃，则温升为1450－1250＝200℃。

(4) 计算富余热量。根据以上的计算应为:

70304 －39874 =30430 kJ

若以废钢为冷却剂，废钢的加入量为：

式中 0.70、0.837 分别为固体废钢和钢液的比热 ((kJ/kg·℃)；1500℃为钢的熔点 (℃)；272为钢的熔化潜热。

如果装入30 t 铁水，则可加废钢6.39 t ，或者加3 t 废钢和1 t 多铁矿。

以上是简单的计算方法。其准确程度的关键是确定热损失的大小。

3.5.3 冷却剂的种类及其冷却效应

3.5.3.1 冷却剂的种类及特点

常用的冷却剂有废钢、铁矿石、氧化铁皮等。这些冷却剂可以单独使用，也可以搭配使用。当然，加入的石灰、生白云石、菱镁矿等也能起到冷却剂的作用。

(1) 废钢。 废钢杂质少，用废钢做冷却剂，渣量少，喷溅小，冷却效应稳定，因而便于控制熔池温度，但加废钢必须用专门设备，占用装料时间，不便于过程温度的调整。用废钢做冷却剂，可以减少渣料消耗量、降低成本。

(2) 铁矿石。 与废钢相比，使用铁矿石做冷却剂不需要占用装料时间，能够增加渣中TFe，有利于化渣，同时还能降低氧气和钢铁料的消耗，吹炼过程调整方便，但是以铁矿石为冷却剂使渣量增大，操作不当时易喷溅，同时由于铁矿石的成分波动会引起冷却效应的波动。如果采用全矿石冷却时，加入时间不能过晚。

(3) 氧化铁皮。 与矿石相比，氧化铁皮成分稳定，杂质少，因而冷却效果也比较稳定。但氧化铁皮的密度小，在吹炼过程中容易被气流带走。

由此可见，要准确控制熔池温度，用废钢作为冷却剂效果最好，但为了促进化渣，提高脱磷效率，可以搭配一部分铁矿石或氧化铁皮。目前我国各厂采用定矿石调废钢或定废钢调矿石等两种冷却制度。

3.5.3.2 冷却剂的冷却效应

在一定条件下，加入lkg冷却剂所消耗的热量就是冷却剂的冷却效应。

冷却剂吸收的热量包括将冷却剂提高温度所消耗的物理热和冷却剂参加化学反应消耗的化学热两个部分。

Q冷＝Q物+Q化 （3-11）

而Q物取决于冷却剂的性质以及熔池的温度：

Q物＝c固·(t熔－t0)+λ熔+c液·(t出－t熔) （3-12）

式中 c固，c液——分别为冷却剂在固态和液态时的质量热容，kJ/（kg·℃）

t0 —— 室温，℃

t出 —— 给定的出钢温度，℃；

t熔 —— 冷却剂的熔化温度，℃；

λ熔 —— 冷却剂的熔化潜热，kJ/kg。

Q化不仅与冷却剂本身的成分和性质有关，而且与冷却剂在熔池内参加的化学反应有关。不同条件下，同一冷却剂可以有不同的冷却效应。

A 铁矿石的冷却效应

铁矿石的物理冷却吸热是从常温加热至熔化后直至出钢温度吸收的热量，化学冷却吸热是矿石分解吸收的热量。

铁矿石的冷却效应可以通过下式计算：

Q矿＝m (C矿·Δt+λ矿+ω(Fe2O3)××6459+ω（FeO）××4249 ) (3-13 )

式中 m —— 铁矿石质量，kg

C矿—— 铁矿石的质量热容，kJ/(kg·℃)，C矿=1.016kJ/(kg·℃)

Δt—— 铁矿石加入熔池后需温升数，℃；

λ矿 ——— 铁矿石的熔化潜热，209kJ/kg；

160—— Fe2O3的相对分子质量；

112—— 两个铁原子的相对原子质量之和；

6459，4249 ——分别为在炼钢温度下，由液态Fe2O3和FeO还原出1kg铁时吸收的热量。

设铁矿石成分：ω(Fe2O3) = 81.4％，ω（FeO）= 0

矿石一般是在吹炼前期加入，所以温升取1325℃。则1kg铁矿石的冷却效应是：

Q矿＝1×[1.016× (1350－25) +209+81.4％××6459 ] ＝ 5236kJ/kg

Fe2O3的分解热所占比重很大，铁矿石冷却效应随Fe2O3含量而变化。

B 废钢的冷却效应

废钢的冷却作用主要靠吸收物理热，即从常温加热到全部熔化，并提高到出钢温度所需要的热量。可用（3-14）式计算

Q废＝m [c熔·t熔 + λ +c液(t出－t熔) ] （3-14）

1 kg废钢在出钢温度为1680℃时的冷却效应是：

Q废＝1× [0.699 × (1500－25 ) +272 + 0.837 × (1680－1500 ) ]＝1454kJ/kg

式中 0.699，0.837——分别为固态钢和液态钢的质量热容，kJ/(kg·℃)；

1500—— 废钢的熔化温度，℃；

25—— 室温25℃的数值；

λ —— 熔化潜热，kJ/kg；

1680—— 出钢时钢水温度，℃。

C 氧化铁皮的冷却效应

氧化铁皮的冷却效应与矿石的计算方法基本上一样。如果铁皮的成分是ω（FeO）＝50％，ω(Fe2O3)＝40％，ω其他氧化物＝10％，则1kg铁皮的冷却效应是：

Q皮＝1×[1.016 ×（1350－25）+ 209+40％××6459+50％××4249 ]＝5016kJ/kg

氧化铁皮的冷却效应与矿石相近。

用同样的方法可以计算出生白云石，石灰等材料的冷却效应。如果规定废钢的冷却效应为1.0时，铁矿石的冷却效应则是5236/1454＝3.60；氧化铁皮为5016/1454＝3.45。由于冷却剂的成分有变化，所以冷却效应也在一定的范围内波动。从以上计算可以知道1kg铁矿石的冷却效应约相当于3kg废钢的冷却效应。为了使用方便，将各种常用冷却剂冷却效应换算值列表3—13。

表3—13 常用冷却剂冷却效应换算值

3.5.3.3 冷却剂的加入时间

冷却剂的加入时间因吹炼条件不同而略有差别。由于废钢在吹炼过程中加入不方便，影响吹炼时间，通常是在开吹前加入。利用矿石或者铁皮作冷却剂时，由于它们同时又是化渣剂，加入时间往往与造渣同时考虑，多采用分批加入的方式。其中，关键是选好二批料加入时间，即必须在初期渣已化好，温度适当时加入。

3.5.4 生产实际中的温度控制

在生产实际中，温度的控制主要是根据所炼钢种、出钢后间隔时间的长短、补炉材料消耗等因素来考虑废钢的加入量。对一个工厂来说，由于所用的铁水成分和温度变化不大，因而渣量变化也不大，故吹炼过程的热消耗较为稳定。若所炼钢种发生改变，出钢后炉子等铁水、吊运和修补炉衬使间隔时间延长和炉衬降温，则必然引起吹炼过程中热消耗发生变化，因而作为冷却剂的废钢加入量也应作相应调整。

3.5.4.1 影响终点温度的因素

在生产条件下影响终点温度的因素很多，必须经综合考虑，再确定冷却剂加入的数量。

(1) 铁水成分

铁水中Si、P是强发热元素，若其含量过高时，可以增加热量，但也会给冶炼带来诸多问题，因此有条件应进行铁水预处理脱Si、P。据30t转炉测定，当增加ω[si]＝0.1％时，可升高炉温15℃。

(2) 铁水温度

铁水温度的高低关系到带入物理热的多少，所以在其他条件不变的情况下，入炉铁水温度的高低影响终点温度的高低。当铁水温度每升高10℃，钢水终点温度可提高6℃。

(3) 铁水装入量

由于铁水装入量的增加或减少，均使其物理热和化学热有所变化，若其他条件一定的情况下，铁水比越高，终点温度也越高。30t转炉铁水量每增加1t，终点温度可提高8℃。

(4) 炉龄

转炉新炉衬温度低、出钢口又小，因此炉役前期终点温度要比正常吹炼炉次高20～30℃，才能获得相同的浇注温度。所以冷却剂用量要相应减少。炉役后期炉衬薄，炉口大，热损失多，所以除应适当减少冷却剂用量外，还应尽量缩短辅助时间。

(5) 终点碳含量

碳是转炉炼钢重要发热元素。根据某厂的经验，终点碳在0.24％以下时，每增减碳0.01％，则出钢温度也要相应减增2～3℃，因此，吹炼低碳钢时应考虑这方面的影响。

(6) 炉与炉的间隔时间

间隔时间越长，炉衬散热越多。在一般情况下，炉与炉的间隔时间在4～10min。间隔时间在10min以内，可以不调整冷却剂用量，超过10min时，要相应减少冷却剂的用量。

另外，由于补炉而空炉时，根据补炉料的用量及空炉时间，来考虑减少冷却剂用量。据30t转炉测定，空炉1h可降低终点温度30℃。

(7) 枪位

如果采用低枪位操作，会使炉内化学反应速度加快，尤其是脱碳速度加快，供氧时间缩短，单位时间内放出的热量增加，热损失相应减少。

(8) 喷溅

喷溅会增加热损失，因此对喷溅严重的炉次，要特别注意调整冷却剂的用量。 .

(9) 石灰用量

石灰的冷却效应与废钢相近，石灰用量大则渣量大，造成吹炼时间长，影响终点温度。所以当石灰用量过大时，要相应减少其他冷却剂用量。据30t转炉测算，每多加100kg石灰降低终点温度5.7℃。

(10) 出钢温度可根据上一炉钢出钢温度的高低来调节本炉的冷却剂用量。

3.5.4.2 确定冷却剂用量的经验数据

通过物料平衡和热平衡计算来确定冷却剂加入数量，比较准确，但很复杂，很难快速计算。若采用电子计算机就可以依吹炼参数的变化快速进行物料平衡和热平衡计算，准确地控制温度。目前多数厂家都是根据经验数据简单的计算来确定冷却剂调整数量。

知道了各种冷却剂的冷却效应和影响冷却剂用量的主要因素以后，就可以根据上炉情况和对本炉温度有影响的各个因素的变动情况综合考虑，进行调整，确定本炉冷却剂的加

表3—14 30t氧气顶吹转炉温度控制经验数据

入数量。表3—14和表3—15列出30t和210t转炉的温度控制的经验数据。

表3—15 210t转炉操作因素变动对应调整矿石量

表3—15a

表3—15b

表3—15c

例如，计算废钢加入量应考虑以下几方面因素：

由于铁水成分变化引起废钢加入量的变化：

铁水碳：a ＝ [ (本炉铁水碳ω[C] 一 参考炉铁水碳ω[C] ) /0.1％] × 0.53％；

铁水硅：b ＝ [ (本炉铁水硅ω[Si] 一 参考炉铁水硅ω[Si] ) /0.1％]×1.33％；

铁水锰：c ＝ [ (本炉铁水锰ω[Mn] 一 参考炉铁水锰ω[Mn] ) / 0.1％]× 0.21％；

由于铁水温度变化引起废钢加入量的变化：

d ＝ [ (本炉铁水温度 一 参考炉铁水温度) /10 ] × 0.88％；

由于铁水加入量变化引起废钢加入量的变化：

e ＝ [ ( 本炉铁水比 一 参考炉铁水比) / 1％ ] × 0.017％；

f ＝ [ (本炉目标停吹温度 一 参考炉目标停吹温度 ) /10 ]×0.55％；

故本炉废钢加入量＝上炉废钢加入量+a+b+c+d+e+···；

除表3—15所列数据以外，还有其他情况下温度控制的修正值，如：铁水入炉后等待吹炼、终点停吹等待出钢、钢包粘钢等，这里就不再一一列举了。但在出钢前若发现温度过高或过低时，应及时在炉内处理，决不能轻易出钢。

各转炉炼钢厂都总结有一些根据炉况控制温度的经验数据，一般冷却剂的降温效果见表3－16。

表3—16 冷却剂降温经验数据

3.6 终点控制和出钢

终点控制主要是指终点温度和成分的控制。

3.6.1 终点的标志

转炉兑入铁水后，通过供氧、造渣操作，经过一系列物理化学反应，钢水达到了所炼钢种成分和温度要求的时刻，我们称之为“终点”。到达终点的具体标志是：

(1) 钢中碳含量达到所炼钢种的控制范围；

(2) 钢中P、S含量低于规格下限以下的一定范围；

(3) 出钢温度能保证顺利进行精炼、浇注；

(4) 对于沸腾钢，钢水应有一定氧化性。

终点控制是转炉吹炼后期的重要操作。由于硫、磷的脱除通常比脱碳复杂，因此总是尽可能使硫、磷提早脱除到终点要求的范围。根据到达终点的三个基本条件可以知道，终点控制实际上是指终点含碳量和终点钢水温度的控制。终点停止吹氧也俗称”拉碳” ，终点控制不当会造成一系列危害。

例如拉碳偏高时，需要补吹，也称后吹，渣中TFe高，金属消耗增加，降低炉衬寿命，首钢曾对47炉补吹操作进行统计，发现补吹后的熔渣中TFe和MgO含量都有增加，如表3-17所示。

表3-17 二次拉碳前后ω（FeO）、ω（Fe203）、和ω（MgO）含量的变化

若拉碳偏低时，不得不改变钢种牌号，或增碳，这样既延长了吹炼时间，也打乱了车间的正常生产秩序，并影响钢的质量。

若终点温度偏低时，也需要补吹，这样会造成碳偏低，必须增碳，渣中TFe高，对炉衬不利；终点温度偏高，会使钢水气体含量增高、浪费能源、侵蚀耐火材料、增加夹杂物含量和回磷量，造成钢质量降低。

所以准确拉碳是终点控制的一项基本操作。

3.6.2 终点控制方法

终点碳控制的方法有三种，即一次拉碳法、增碳法和高拉补吹法。

3.6.2.1 一次拉碳法

按出钢要求的终点碳和终点温度进行吹炼，当达到要求时提枪。

这种方法要求终点碳和温度同时到达目标，否则需补吹或增碳。一次拉碳法要求操作技术水平高，其优点颇多，归纳如下：

(1) 终点渣TFe含量低，钢水收得率高，对炉衬侵蚀量小。

(2) 钢水中有害气体少，不加增碳剂，钢水洁净。

(3) 余锰高，合金消耗少。

(4) 氧耗量小，节约增碳剂。

3.6.2.2 增碳法

是指吹炼平均含碳量≥0.08%的钢种，均吹炼到ω[C]＝0.05％～0.06％提枪，按钢种规范要求加入增碳剂。增碳法所用碳粉要求纯度高，硫和灰分要很低，否则会玷污钢水。

采用这种方法的优点如下：

(1）终点容易命中，比“拉碳法”省去中途倒渣、取样、校正成分及温度的补吹时间，因而生产率较高；

(2）吹炼结束时炉渣Σ（FeO）含量高，化渣好，去磷率高，吹炼过程的造渣操作可以简化，有利于减少喷溅、提高供氧强度和稳定吹炼工艺；

(3）热量收入较多，可以增加废钢用量。

采用“增碳法”时应严格保证增碳剂质量，推荐采用C＞95％、粒度≤10毫米的沥青焦。增碳量超过0.05％时，应经过吹Ar等处理。

3.6.2.3 高拉补吹法

当冶炼中、高碳钢钢种时，终点按钢种规格稍高一些进行拉碳，待测温、取样后按分析结果与规格的差值决定补吹时间。

由于在中、高碳(ω[c]>0.40％)钢种的碳含量范围内，脱碳速度较快，火焰没有明显变化，从火花上也不易判断，终点人工一次拉碳很难准确判断，所以采用高拉补吹的办法。用高拉补吹法冶炼中、高碳钢时，根据火焰和火花的特征，参考供氧时间及氧耗量，按所炼钢种碳规格要求稍高一些来拉碳，使用结晶定碳和钢样化学分析，再按这一碳含量范围内的脱碳速度补吹一段时间，以达到要求。高拉补吹方法只适用于中、高碳钢的吹炼。根据某厂30 t转炉吹炼的经验数据，补吹时的脱碳速度一般为0.005％/s。当生产条件变化时，其数据也有变化。

3.6.3 终点判断方法

目前我国的钢厂还没有全部使用电子计算机控制终点，部分转炉厂家仍然是凭经验操作，人工判断终点。

3.6.3.1 碳的判断

A 看火焰

转炉开吹后，熔池中碳不断的被氧化，金属液中的碳含量不断降低。碳氧化时，生成大量的CO气体，高温的CO气体，从炉口排出时，与周围的空气相遇，立即氧化燃烧，形成了火焰。炉口火焰的颜色、亮度、形状、长度是熔池温度及单位时间内CO排出量的标志，也是熔池中脱碳速度的量度。

在一炉钢的吹炼过程中，脱碳速度的变化是有规律的。所以能够从火焰的外观来判断炉内的碳含量。

在吹炼前期熔池温度较低，碳氧化得少，所以炉口火焰短，颜色呈暗红色，吹炼中期碳开始激烈氧化，生成CO量大，火焰白亮，长度增加，也显得有力。这时对碳含量进行准确的估计是困难的。当碳进一步降低到0.20％左右时，由于脱碳速度明显减慢，CO气体显著减少。这时火焰要收缩、发软、打晃，看起来火焰也稀薄些。炼钢工根据自己的具体体会就可以掌握住拉碳时机。

生产中有许多因素影响我们观察火焰和做出正确的判断。主要有如下几方面。

(1) 温度。 温度高时，碳氧化速度较快，火焰明亮有力。看起来好像碳还很高，实际上已经不太高了，要防止拉碳偏低；温度低时，碳氧化速度缓慢，火焰收缩较早。另外由于温度低，钢水流动性不够好，熔池成分不易均匀，看上去碳好像不太高了，但实际上还较高，要防止拉碳偏高。

(2) 炉龄。 炉役前期炉膛小，氧气流股对熔池的搅拌力强，化学反应速度快，并且炉口小，火焰显得有力，要防止拉碳偏低。炉役后期炉膛大，搅拌力减弱了，同时炉口变大，火焰显得软，要防止拉碳偏高。