1 转炉炼钢的原材料

(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。

3 顶吹转炉吹炼工艺 3-1 装入制度包括哪些内容?

装入制度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即铁水和废钢的装入数量。

3-2 什么是转炉的炉容比，影响转炉炉容比的因素有哪些?

新转炉砌砖完成后的容积称为转炉的工作容积，也称有效容积，以“V”表示，公称吨位用“T”表示，两者之比值“V／T”称之为炉容比，单位为(m3／t)。一定公称吨位的转炉，都有一个合适的炉容比，即保证炉内有足够的冶炼空间，从而能获得较好的技术经济指标和劳动条件。炉容比过大，会增加设备重量、厂房高度和耐火材料消耗量，因而使整个车间的费用增加，成本提高，对钢的质量也有不良影响；而炉容比过小，炉内没有足够的反应空间，势必引起喷溅，对炉衬的冲刷加剧，操作恶化，导致金属消耗增高，炉衬寿命降低，不利于提高生产率。因此在生产过程中应保持设计时确定的炉容比。影响炉容比的因素有： (1)铁水比和铁水成分。随着铁水比和铁水中Si、P、S含量增加，炉容比应相应增大。若采用铁水预处理工艺时，可以小些。

(2)供氧强度。供氧强度增大时，脱碳速度较快，为了不引起喷溅就要保证有足够的反应空间，炉容比应增大些。

(3)冷却剂的种类。若使用以铁矿石或氧化铁皮为主的冷却剂，成渣量大，炉容比也需相应增大些；若使用以废钢为主的冷却剂，成渣量小，则炉容比可适当小些。 炉容比还与氧枪喷嘴的结构有关。

转炉的炉容比一般在0.85～1.0m3／t，为减少喷溅，炉容比应不低于0.90m3／t。 3-3 确定装入量的原则是什么?

在确定合理的装入量时，除了考虑转炉要有一个合适的炉容比外，还应保持合适的熔池深度。以保证炉底不受氧气射流的冲声，熔池深度必须超过氧流对熔池的最大穿透深度。

对于模铸工艺，装入量还应与锭型相配合。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。

对连铸车间，转炉装入量可根据实际情况在一定范围内波动。

此外，确定装入量时，既要考虑发挥现有设备潜力，又要防止片面不顾实际的盲目超装，以免造成事故和浪费。

3-4 生产中应用的装入制度有哪几种类型，各有什么特点？

氧气顶吹转炉的装入制度有：定量装入制度、分阶段定量装入制度和定深装入制度。其中定深装入制度是每炉装入量均使熔池深度保持不变，由于生产组织的制约，实际上难以实现。

(1)定量装入制度。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：发挥了设备的最大潜力，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、中型转炉。国内外大型转炉已广泛采用定量装入制度。

(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，每个阶段为定量装入。这样既大体上保持了整个炉役中具有比较合适的炉容比和熔池深度，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、小型转炉普遍采用这种装入制度。

3-5 供氧制度包括哪些内容，它有什么重要性?

供氧制度的主要内容包括确定合理的喷头结构、供氧强度、氧压和枪位控制。氧气顶吹转炉炼钢的供氧制度是使氧气射流最合理地供给熔池，创造良好的物理化学反应条件。它是控制整个吹炼过程的中心环节，直接影响吹炼效果和钢的质量。供氧是保证杂质去除速度、熔池升温速度、造渣速度、控制喷溅和去除钢中气体与夹杂物的关键操作。此外，它还关系终点碳和温度的控制以及炉衬寿命；对转炉强化冶炼、扩大钢的品种和提高质量也有重要影响。 3-6 什么是拉瓦尔型喷头，它有什么特点?

拉瓦尔喷头是收缩—扩张型喷孔，当出口氧压与进口氧压之比p出/pO<0.528时才能够形成超音速射流。在拉瓦尔喷头中，气流在喉口处速度等于音速，在出口处达到超音速。

由于氧气是可压缩流体，当高压低速氧气流经拉瓦尔管收缩段时，氧流速度提高，在到达音速时若继续缩小管径，氧流速度并不再增高，只会造成氧气密度增大；此时要继续提高氧流速度，只能设法增大管径，使其产生绝热膨胀过程，氧压降低，密度减小、体积膨胀。当氧压与外界气压相等时，就可以获得超音速的氧射流，压力能转变为动能。扩大管径。拉瓦尔型喷头能够把压力能(势能)最大限度地转换成速度能(动能)，并能获得比较稳定的超音速射流，在相同射流穿透深度的情况下，它的枪位可以高些，这就有利于改善氧枪的工作条件和炼钢的技术经济指标，因此拉瓦尔型喷头被广泛应用。 3-7 氧气自由射流的运动规律是怎样的?

气体从喷孔向无限大的空间喷出后，喷出气体与空间气体的物理性质相同时，所形成的气流称为自由射流或自由流股。

氧气从喷孔喷出后，形成超音速射流。从喷孔喷出的氧气射流，在一段长度内其流速不变为等速段。由于射流边缘与周围介质气体发生摩擦，卷入部分介质气体并与之混合而减速；随着射流向前运动，到达一定距离后，射流中心轴线上的某一点速度等于音速，即马赫数Ma=1，在这点以前的区域，包括等速段，称为射流的超音速核心段，又称为首段。首段长度大约是喷孔出口直径的6倍。此点以后的区域，氧流的速度低于音速，称为亚音速射流段，又称为尾段。当射流截面上的速度与周围介质一样时，射流就沉没在周围介质之中。在超音速区域内，等速段以后射流周围有亚音速气流，射流的扩张角较小，为10°～12°；亚音速区域内无超音速气流，射流的扩张角较大，为22°～26°。

超音速核心段的长度一般随出口马赫数成正比例增加。超音速核心段的长度是决定氧枪高度的基础，也关系到射流对熔池的冲击能量。

高速氧气从喷孔喷出后，形成的射流与周围的气体相接触，由于射流内气体的静压低于外界静止气体的压强，周围的气体被卷入。距喷孔出口的距离越远，被卷入的气体数量越多。因此射流的流量不断增加，横截面不断扩大，同时流速不断降低，此现象称做射流的衰减。在同一横截面上速度的分布特点是射流中心轴线上的速度最大，离中心轴线越远，各点的速度逐渐降低一直到零。在速度等于零的部位是射流的界面。射流中心速度的减小速率也称射流的衰减率，射流截面直径增大速率也称射流扩展率，这两个参数是自由射流的基本特征。

3-8多孔喷头氧气射流运动有什么特点?

从多孔喷头喷出的氧气流是多股的，增加了与熔池的接触面积，使氧气逸出更均匀，吹炼过程更平稳。多孔喷头的每一股氧流在与其他各股氧流相汇交之前，保持着自由射流的特性。当各股氧流开始相交后，就有了动量的交换，相互混合，这种混合从射流的边缘逐渐向中心轴线发展，各单股氧流所具有的自由射流