美元贬值原因

R.D.佩尔克等著,邵象华、楼盛赫等译校:《氧气顶吹转炉炼钢》,冶金工业出版社,北京,(上册)1980, (下册)1982。(R.D.Pehlke,ed., BOF Steelmaking,AIME,1974~1977.) 氧气顶吹转炉炼钢 责任编辑:苏方来源:成都钢铁网2008年06月20日 氧气顶吹转炉炼钢(oxygen top blown converter steelmaking) 由转炉顶部垂直插入的氧枪将工业纯氧吹入熔池,以氧化铁水中的碳、硅、锰、磷等元素,并发热提高熔池温度而冶炼成为钢水的转炉炼钢方法。它所用的原料是铁水加部分废钢,为了脱除磷和硫,要加入石灰和萤石等造渣材料。炉衬用镁砂或白云石等碱性耐火材料制作。所用氧气纯度在99%以上,压力为0.81~1.22MPa(即8~12atm)。 简史空气底吹转炉和平炉是氧气转炉出现以前的主要炼钢设备。炼钢是氧化熔炼过程,空气是自然界氧的主要来源。然而空气中4/5的气体是氮气,空气吹炼时,这样多的氮气在炉内穿行而过,白白带走大量的热且有部分氮溶解在铁液中,成为恶化低碳钢品质的重要原因。平炉中,氧在用于燃烧燃料之后,过剩的氧要通过渣层传入钢水,所以反应速率极慢,这也就增加了热损失。因此,直接把氧气吹入熔池炼钢,成为许多冶金学家向往的目标。早在19世纪,现代炼钢法的创始人贝塞麦(H.Bessemer)就有了纯氧炼钢的设想,但因没有大量氧气而未进行试验。20世纪20年代后期,以空气液化和分馏为基础的林德一弗兰克(Linde —Frankel)制氧技术开发成功,能够生产可供工业使用的廉价氧气,氧气炼钢又为冶金界所注意。从1929年开始,柏林工业大学的丢勒尔教授(R.Durrer)在实验室中研究吹氧炼钢,第二次世界大战开始后转到瑞士的冯?罗尔(V.Roll)公司继续进行研究。1936~1939年勒莱普(O.Lellep)在奥伯豪森(Oberhausen)进行了底吹氧炼钢的试验,由于喷嘴常损坏未能成功。1938年亚琛(Aachen)工业大学的施瓦茨(C.V.Schwarz)提出用超音速射流向下吹氧炼钢,并在实验室进行了试验,将托马斯生铁吹炼成低氮钢,但因熔池浅而损坏了炉底。1948年丢勒尔(R.Durrer)等在冯?罗尔(V onRoll)公司建成2.5t的焦油白云石衬的试验转炉,以450的斜度将水冷喷嘴插入铁水吹氧炼钢,无论贝塞麦生铁或托马斯生铁都能成功炼成优质钢水,而且认识到喷嘴垂直向下时,最有利于喷嘴和炉衬的寿命。这样就最后完成了转炉吹氧炼钢的实验室试验。从实验室研究向工业化试验的进一步发展是由奥地利的沃埃施特(VOEST)公司完成的。第二次世界大战后奥地利面临重建钢铁工业的需要,该国缺少废钢使得平炉或电炉炼钢法缺乏竞争力。沃埃施特公司注意到丢勒尔的试验,决心开发一个具有竞争力的新的炼钢方法。1949年5月在奥地利累欧本(Leoben)开了一次氧气炼钢的讨论会,决定冯?罗尔、曼内斯曼(Mannesmann)、阿尔派(ALPINE)和沃埃施特4个公司协作,在沃埃施特的林茨(Linz)钢厂作进一步的试验。1949年6月在林茨建成2t顶吹氧试验转炉,由苏埃斯(T.Suess)和豪特曼(H.Hauttmann)负责,在丢勒尔参与下,成功地解决了合适的氧气压力、流量和喷嘴与熔池面距离等操作问题。之后迅速建立15t试验转炉,广泛研究新方法所冶炼钢的品质。由于钢的质量很好而且炼钢工艺的效率很高,1949年末该公司决定在林茨投资建设世界第一个氧气顶吹转炉工厂。并命名该炼钢法为LD法。林茨的30tLD转炉工厂于1952年11月投产。翌年春季第2个30tLD转炉工厂在奥地利多纳维兹([)onawitz)建成投产。1950年由苏埃斯申请得到专利权。推动炼钢工业再次大变革的氧气顶吹转炉炼钢法登上了历史舞台。该法问世后,数十年内迅速取代了平炉炼钢而成为世界上最主要的炼钢方法。在北美,美国是平炉炼钢大国,有平炉熔池吹氧的经验。美国又是第二次世界大战的最大战胜国,工业基础雄厚。在得知转炉氧气炼钢的信息后,美国麦克劳斯(McLouth)公司和加拿大多法斯柯(DOFASCO)公司于1954年各迅速建成一个35t氧气顶吹转炉车间并投产。随后 1957年琼斯一拉弗林(Jones—Laughlin)公司阿里奎帕(Aliquippa)厂建成当时世界最大的(80t 级)顶吹氧气转炉。美国人没有购买奥地利的专利,由此发生了关于氧气顶吹转炉炼钢专利权的纠纷,最终美国方面胜诉。BOF法(Basic oxygen Furnace的第一个字母构成)成为北美对氧气顶吹转炉炼钢的习惯称呼。但美国矿冶师协会(AIME)主持编写的权威著作《BOF Steelmaking》中明确承认丢勒尔(Durrer)在开发氧气转炉炼钢上的贡献。 日本对于发展氧气转炉炼钢非常关注,先经过多次考察,在1951年用5t钢包改造的试验装置进行试验(包括空气侧吹的试验)后,决心向沃埃施特和阿尔派(现已合并为奥钢联V AI)购买专利特许权,于1957年在八幡建设第一个LD车间,到1963年其LD钢产662量即超过平炉钢,1978年关闭所有的平炉,前后仅历20年。日本对顶吹转炉炼钢理论研究、扩大炼钢品种、改进炉衬耐火材料和提高炉龄、炉气回收技术、用副枪测取冶炼信息和计算机自动控制、分解炼钢操作功能使转炉冶炼更加简化、配合连铸机实现全连铸炼钢生产等方面,均进行了深入研究和技术创新。日本已成为氧气转炉炼钢技术最发达的国家。 20世纪50年代中期,中国有远见的科学家叶渚沛大力提倡发展氧气转炉炼钢,北京钢铁研究总院、中国科学院化工冶金研究所、北京钢铁学院(北京科技大学前身)等也进行了实验室规模的氧气转炉炼钢试验。然而对于中国发展氧气转炉炼钢的可行性,冶金界没有统一认识。当时以美国为首的西方国家对中国实行经济封锁,只有前苏联可以提供平炉炼钢成套设备;中国的制氧机制造工业还十分薄弱;由于这些客观情况,加上一些主观上的原因,中国氧气转炉炼钢发展比较缓慢。1964年中国的第一座30t氧气顶吹转炉车间才在石景山钢铁厂(首都钢铁公司前身)建成投产。到70年代一些地方钢铁厂相继建设了氧气顶吹转炉和把空气侧吹转炉改建为氧气顶吹转炉,在攀枝花、本溪钢铁公司建成120t级的氧气顶吹转炉车间。1979年全国氧气转炉钢产量超过了平炉钢,1978~1985年建设了宝山钢铁总厂300t氧气顶吹转炉,转炉炼钢技术方达到国际水平。1986年氧气转炉钢产量超过总产钢量的50%。中国在氧气转炉炼钢的基本操作、可压缩性氧气射流结构和多孔喷枪的设计、含钒生铁吹炼工艺、创造不烘炉炼钢操作、改进白云石炉衬质量和研究白云石造渣工艺以提高转炉炉龄等方面,也进行了许多研究和开发工作。然而有部分转炉还存在装备水平落后、炼出的钢质量差、产品深加工水平和专业化水平低等问题,影响着转炉炼钢生产的竞争力。 吹炼过程前一炉钢出完钢后,倒净炉渣,如炉体正常,即堵出钢口,加废钢,兑入铁水,将炉体转到直立位置,边降枪边供氧;降到规定枪位后,按设定的供氧强度开始吹炼。在供氧开吹的同时,加入第1批渣料,一般相当于全炉渣料总量的2/3。在开吹后4~6min,第1批渣料熔化好,再加入第2批渣料,相当于全炉渣料总加入量的1/3。如炉内化渣良好,就不再加第3批渣料(萤石);必要时可在开吹后的第10~12min加入炉内。吹炼过程氧压在0.8~1.2MPa,一般根据设计采取恒定氧压操作,而根据吹炼要求变化氧枪高度(喷嘴出口到熔池面距离)。开吹时氧枪高度约为1.5m,吹炼过程中约为1.2m,终点前1min 枪位降到1m左右。也可以在吹炼过程中采用调节氧压操作。当吹炼达到所炼钢种要求的终点碳范围时,即停止吹氧,倒炉取样和测定钢水温度。吹炼低碳钢时,炼钢工可目测钢样含碳量是否合格。吹炼中、高碳钢时,则需送样快速分析[%C]或用凝固定碳法快速测定含碳量。当钢水成分和温度合乎要求时,即可倾动转炉出钢。当钢水流出总量的1/4时,向钢包加脱氧剂和合金,进行钢水脱氧和合金化,至此一炉钢冶炼完毕。(见彩图插页第12页)图1为装料、吹氧和出钢时转炉位置的变化和一炉钢吹炼过程的各期时间的概况。图2为吹炼过程中钢中各元素的变化情况。可以看出,在吹炼初期硅、锰迅速氧化,然后碳激烈氧化。磷的去除和脱碳反应同步进行。吹炼后期温度升高时,有锰还原的现象,有时磷也可能被还原而重新回到钢中。 热源及温度控制铁水中的硅、锰、碳、铁等元素被吹入的氧所氧化时,能释放出大量的热。由于反应速率快以及转炉比较封闭,热损失少,所以转炉炼钢不需增加外来的热源,炼 钢的热源是铁水的物理热和化学热。根据热平衡计算,氧化反映所放出的热除了保证铁水温度(约1300℃)升高到钢水所要求的温度(约1600℃)外,还有一定的富余量,因此可以熔化一些废钢,这些废钢可以看作是冷却剂。除废钢外,加入的铁矿石、石灰、石灰石也有冷却效果,因为铁矿石或石灰石吸热分解作用,它们的冷却效果大约为废钢或石灰的3倍。各元素的氧化发热能力也有所不同。表1为不同温度下每氧化1kg元素时给予熔池的热量和氧化1%元素使熔池升高温度(℃)的比较。这是根据各个化学反应的热效应和1mol元素的质量计算出来的。可以看出,硅和磷的发热量均很大;碳随其氧化程度不同,发热量有所不同,完全燃烧(生成CO2)的碳发热量比硅、磷还大,但不完全燃烧的碳(生成CO)发热量则小得多。在转炉炼钢时,只有10%~15%的碳能完全燃烧。然而炼钢过程中碳被氧化的数量大(约4%),所以主要的化学热热源仍然是碳。铁水硅的含量和高炉炼铁操作因素有关,每增加(或减少)O.1%si可使钢水温度增加(或减少)约15℃,为了保持转炉炼钢的稳定,必须要求铁水含Si量保持稳定。 在实际炼钢操作中,要根据炼钢过程热平衡计算和测定的结果,计算在本厂条件下每氧化0.1%的元素引起温度升高数,和各种冷却剂的降温数,以及一些操作因素(如金属装入量的增减,空炉等待时间的长短)对熔池温度升降的影响值,求得足够准确的结果。应用这些数据控制炼钢温度,并定期修正这些数据。日常生产要尽量保持原材料条件和操作条件稳定,以有利于炼钢温度控制的稳定。而炼钢温度又和炉渣的形成及冶金反应的进行方向有密切关系,所以准确而稳定的温度控制,是转炉炼钢操作正常进行的前提。 金属装入量在吹炼开始前装入转炉的铁水和废钢的总量。由所设计的炉子容量所决定。在装入前必须分别对铁水和废钢进行称量,才能保证装入量准确。称量废钢比较容易,而铁水是高温液体,称量起来较困难,现在多在吊车上安装电子秤,一边吊运一边称量出铁水的重量。准确称量金属料装入量对转炉操作非常重要,一方面因为配加的各种造渣剂、冷却剂、合金料的重量都是根据金属料的重量计算的;另一方面因为装入量不同,形成的熔池深度也不同,而熔池深度和吹氧操作有密切关系。原则上说,在一个炉龄周期内保持熔池深度恒定最为理想,这就是定深装入的原则。而实际上由于炉衬在冶炼过程中不断被侵蚀,旧炉膛内径比新炉大,当装入同样多的金属料时,新炉的熔池深度要深一些。实际的装入制度有两种: (1)定量装入,即在一个炉龄周期内所有炉次的装入量均相同。这只适用于大型转炉,因为炉子大,熔池深度的改变幅度相对说要小些。而定量装入可以使车间内各种起重运输设备都根据恒定的装入量来选配,经济合理。(2)阶段定量装入。小型转炉新旧炉衬内径差别大,熔池深度的改变也就相对较大,用恒定的装入量不能保证正常操作。故将炉龄期分成几个阶段,每一阶段定量装入,后一阶段比前一阶段的装入量有所增多。这样虽不保持熔池深度恒定,但变化幅度较小。起重运输设备要依据最大的装入量来选配,对于新炉有较大的富余。不论采用哪种装入制度,为了正确了解熔池深度的实际状况,经常测量熔池液面位置是非常必要的。装备有副枪的转炉可以利用副枪测量液面位置。而没有装备副枪的转炉,炼钢工在每次接班后,在氧枪端部临时装上一个探尺,测定液面位置一次,有利于合理掌握吹炼操作,避免盲目性。 氧气射流与熔池的相互作用高压氧气经过氧枪喷头的拉瓦尔喷嘴,成为超音速(450~ 500m/s)的氧流喷入转炉炉膛。氧流首先和炉气以及烟尘等相互作用,吸入氧流周围的气体,使流量不断加大而流速逐渐降低(衰减),也就是说形成一个“射流”(也称流股)。图3为一个超音速射流的示意图。超音速射流属于湍流流动,为了方便实用,常用时均流速来表示其速度大小。超音速射流的前一段称为超音速段,其中最接近喷嘴出口的部分射流速度和出口速度相等,称为势流核心区,它的长度很短;超音速段其余部分的最大流速低于出口速度ue,但仍大于音速。流速小于音速的部分称为亚音速段。射流的超音速段不能和熔池直接接触,对其长度Ls应有定量估计。中国学者蔡志鹏对超音速射流作过认真的研究,他测定的 超音速段长度关系式: 式中de为喷嘴出口直径;M为喷嘴出口氧流马赫数。氧气射流内流速u的分布特征为,沿射流轴线方向速度逐渐衰减;在同一横截面上,轴线速度um最大,沿径向方向逐渐衰减。速度分布可用下列2式表示: 射流轴线上: 射流横截面上 式中z是距喷嘴出口的距离;Kj称为动量传递系数,超音速射流Kj=8.8~8.9;λj是射流截面速度分布系数,λj≤2Kj2,等号适用于不可压缩流,小于号适用于可压缩流。 上述原理虽然正确描述了单一超音速射流的流速分布特征,但转炉内的氧气射流还应考虑以下特殊问题:(1)炉内气体是高温的CO气,可以减轻射流的动量损失使衰减变慢;(2)炉膛内压力不等于一个大气压;(3)大多数转炉使用多孔喷枪,各个喷嘴喷出的射流之间相互吸引,轴线逐渐向内弯曲而非直线。对于多孔喷枪的射流特征需要实验测定。图4为三孔喷枪某个截面处的流速分布测定结果。这种测定工作对于掌握转炉操作非常重要。 氧气射流到达熔池面时,仍然具有相当可观的动能,能够把熔池中心冲成一个旋转抛物面形的凹坑,凹坑中心处的最大深度称为冲击深度,凹坑顶部水平面的面积称为冲击面积。冲击面积较小而冲击深度较大图4普通3孔喷枪某截面处的流速分布测定结果的吹炼方式称为硬吹;反之,冲击面积较大而冲击深度较浅的则称为软吹。硬吹或软吹对转炉冶炼过程有重要影响。硬吹时,氧流和铁作用生成的氧化铁被深深卷入金属液内部,并与碳、硅等结合成稳定的氧化物而排出.所以硬吹是加强脱碳的。软吹时,生成的氧化铁大多聚集在熔池顶部或表面,增大了溶解石灰的能力,所以软吹化渣快,有利于脱磷。有不少人应用动能平衡或动量平衡的原理从理论上计算冲击深度,也有人用模型实验测定冲击深度,都求得一些计算公式。但由于炼钢熔池是高温的,在冲击的同时产生激烈化学反应,而且大的熔池面上有振动和波浪等不易模拟和计算,所以各种计算公式都没有普遍应用。但从理论和经验可知,增大氧压或降低枪位,能增加射流和熔池作用时的动能,有利于形成硬吹。 在氧流和金属液的界面上,由于摩擦作用,射流的动量传递给金属液而造成金属液的循环流动,如图5所示。而造渣材料则被推向熔池四周的炉衬附近。推动金属液运动的能力是射流的搅拌功率,计算顶吹射流的搅拌功率(w/t)的公式如下: 式中θ为喷嘴张角,(。);M为氧摩尔质量,kg/kmol;n为喷孔数;h为枪高,m;d为喷孔直径,m。这个公式比冲击深度计算公式应用广泛。它只考虑气流本身带入的动能,而不涉及冲击的效果。射流不仅能搅拌熔池,而且能破碎表面处的金属,使之成为许多液滴向四周飞溅。当熔渣形成后,液滴和炉渣以及气泡等形成高度弥散的乳化系统,称为泡沫渣。(如图6所示)转炉中几乎全部为泡沫渣所充满,在氧枪周围是一个释放CO气体的通道,在氧射流下方由于激烈的反应,温度高达约2500℃,称为火点。在这样高的温度下,一些铁原子挥发成气体后被氧化成极细小的烟尘。由气泡、液滴和炉渣形成的乳化相,有非常大的反应界面面积,这就是转炉炼钢反应速率极高的原因。 吹炼时氧的传递过程氧气射流和金属液接触后,金属液表面上的元素,依据它们和氧的亲和力的大小,先是硅、锰原子被氧化,继之碳原子被氧化。假如金属内部的硅、锰、碳原子能迅速运动到表面,那么它们将继续被氧化。但在炼钢温度下,物质传递的速率比化学反应速率慢,金属液内部的上述原子不能及时到达表面,于是大量的铁原子也被迅速氧化生成氧化铁。根据氧的平衡分配原理,和氧化铁接触的金属表面附近也就溶解了相当多的氧。溶解氧向金属内传递,在另外的界面(气泡、渣滴及炉衬)与金属中的元素化合成氧化物而排出。由于氧气射流的冲击和撕裂作用,在冲击坑边缘产生很多氧化铁滴和含氧金属液滴,这些液滴是氧的携带者.落回熔池后提高了熔渣层和金属液的氧。当泡沫渣形成后,金属液滴 穿行于泡沫渣内,虽然在渣内停留时间不长,但因其体积小,比表面积大,液滴内的杂质元素被迅速氧化去除。表2为液滴成分和金属熔池成分的对比。观察凝固后的液滴形态,有不少是空心的(图7),也说明其中有强烈的脱碳反应。在液滴上进行的氧化反应,是转炉吹炼反应的主要部位,也是转炉生产率高的根本原因。 法国学者柯扎凯维奇(P.Kozakevitch)于1963年首先发表了金属液滴和泡沫渣在转炉吹炼中的意义的研究报告。此后十多年间有十余位学者对金属液滴的尺寸分布作了分析测定,德国学者朗格(K.W.Lange)对这些数据作了总结,发现不同方法所取得的这些数据和自己精心设计实验所收集的全部液滴都服从同一个尺寸分布曲线,称为RRS分布: 式中R为尺寸小于d的液滴的累计质量百分数,d`为累计为36.8%的液滴尺寸,代表破碎程度。n表示破碎难易的程度,上述十多次测定的平均值磊n=1.26。有趣的是,该颗粒尺寸分布与磨矿时矿粉尺寸的分布规律相同,也即可以把氧气射流看作一种特殊的磨碎机。 转炉吹炼反应在转炉中,无论杂质的氧化在什么部位进行,硅、锰、磷、碳的氧化顺序和进展程度在宏观上受热力学规律所制约。根据元素的选择性氧化原理,吉布斯能最小的反应最先进行。硅、锰、碳、磷氧化反应的吉布斯能(J/mol)为 由以上数据可知,硅、锰、磷3个元素的氧化,随着温度升高,其吉布斯能增高,在低温下有利于它们的氧化;碳氧化反应的吉布斯能则随温度的升高而下降,所以高温有利于脱碳的进行。计算和经验证明,在约1480℃以下,硅、锰氧化反应的吉布斯能较低,而约1480℃以上脱碳反应的吉布斯能低。所以吹炼初期,铁水中的硅和锰首先氧化,放出热量使温度上升,然后碳激烈氧化,进入脱碳期。在低温下磷虽然也能氧化,但P2O5不是稳定化合物,只有石灰溶解成碱性氧化渣,使P2O5。结合于渣中,也就是大大降低P2O5的活度,才能脱磷。锰的氧化物MnO是碱性的,在吹炼后期温度升高,而且炉渣碱度又很大,(MnO)呈游离态,部分发生分解,所以钢中锰有所回升。吹炼终点的含锰量称为残余锰,残锰的高低和冶炼温度、炉渣碱度和氧化性有关。终点温度高、渣碱度高,则残锰偏高。 碳激烈氧化产生大量CO气泡,使渣被乳化成为高度弥散系统,吹炼反应达到非常迅猛的程度。由于碳含量还相当高,只要能增大供氧强度,脱碳速率就能加大。图8为炼钢脱碳速率随含碳量的变化。当吹炼初期碳接近饱和浓度(约4%)时,由于硅锰氧化消耗了氧,脱碳速率低;随着硅锰氧化的进行和温度的上升,脱碳速率逐渐加大,在脱碳期,脱碳速率达到最高且不随时间变化,这时供氧是脱碳的控制环节,只要增大供氧强度,脱碳就可以加速。图中LD炉供氧强度最大为2.2m3/(t?min),现在常用供氧强度为3~3.5m3/(t?min),脱碳速率应更高。图中也给出了平炉用氧的脱碳速率,由于平炉构造上的原因,供氧强度小得多,脱碳速率也小得多。当脱碳进行到临界碳含量以下时,反应速率的控制环节转化为碳的传递,所以脱碳变慢,产生CO气泡的速率也减小,使熔池的流动减弱,更减慢了碳的传递。所以在临界碳含量以下,脱碳速率急剐下降。 脱碳反应是产生大量气体的冶金反应,在炼钢时进行脱碳不仅为了减少碳含量,而且要借助CO气泡的沸腾使熔池搅拌。在顶吹转炉中,氧气射流对熔池的搅拌比不上CO气泡的搅拌。CO气泡搅拌不仅有利于熔池成分和温度的均匀化,而且能去除钢中气体和非金属夹杂物,提高钢的质量。表3为转炉内氧气射流搅拌和c0气泡搅拌功率的比较。由表3数据可知,除了极小的转炉之外,c0气泡在搅拌熔池中所起的作用是主要的。当吹炼末期脱碳速率下降后,熔池的流动也显著减弱。随着碳的脱除,钢中氧含量不断增加。在脱碳进行时,钢中实际含氧量高于C~O平衡时的含氧量。因为转炉脱碳速率大,吹炼末期脱碳反应接近平衡,故氧含量决定于碳含量。根据终点碳的不同,氧含量在0.06%~0.1%范围。因此在吹炼结束后要进行脱氧操作,脱氧剂为硅铁、锰铁和铝等。脱氧剂可以加入炉内,也可在出钢时加入钢包内。加入炉内时脱氧剂的氧化损失大,收得率低,因此在钢包内加脱氧剂者居多。造渣和脱磷脱硫炉渣是炼钢过程的必然产物。形成炉渣的物质有各种杂质元素的氧化 物、侵蚀的炉衬以及加入炉内的造渣材料。炉渣并不是炼钢时的废弃品.而是控制某些冶金反应所必须的。在转炉中磷和硫靠碱性炉渣来去除。造碱性渣的基本材料是石灰。石灰加入量(kg)是根据铁水中硅、磷含量和要求的炉渣碱度而确定的,一般可按下式计算: 式中[%Si]为铁水含硅量;R为炉渣碱度,R=%(CaO)/(%SiO2);2.14=60/28,为SiO2和Si的分子量之比,亦即1kgSi生成的SiO2的公斤数。(%CaO)有效为石灰中有效CaO含量: 可见,铁水含硅愈多,石灰中杂质愈多,需要加入的石灰量愈多。炉渣碱度根据铁水的磷、硫含量而定,一般选用R=3。石灰的主成分CaO的熔点为2572℃,纯CaO在炼钢温度不可能熔化。由CaO一FeO一SiO2三元相图(图9)可知,炼钢温度下区域Ⅱ为液态,亦即高FeO 而CaO/SiO2)。比例适当的渣可以熔化;当渣中除以上3种氧化物之外还有其他氧化物时,液相区Ⅱ还能扩大;CaO和SiO2生成的化合物2CaO?SiO2的熔点约2130℃,3CaO?SiO2在1900℃分解,在炼钢温度它们也是固态;区域Ⅲ是2CaO?SiO2和液相共存区,区域V是3CaO?SiO2和液相共存区。图9中的之字形曲线(粗实线)表示转炉炼钢过程中炉渣成分的走向:吹炼开始阶段产生较多的氧化硅、氧化锰及氧化铁,形成碱度低的液渣,随着吹炼进行,渣中氧化铁和碱度渐渐升高;脱碳激烈进行时,消耗了氧化铁,渣中氧化铁转为下降,这就是曲线的第2段;当曲线进入两相区Ⅲ,有固体物开始析出,进入得越深析出的固体2CaO ?SiO2越多,这称为炉渣的“返干”现象。“返干”不利于炼钢操作,应提高枪位或加入适量萤石使干渣熔化;脱碳速率降低后,渣中氧化铁又升高,最终进入图9中缸线附近的区域,即在较低Fe0含量下而得到碱度高的液渣成分区。高碱度渣的形成有利于脱磷反应的进行。脱磷反应可写作 在高碱度渣中,P2O5被CaO所结合,所以(P2O5)的活度大大降低,因此使脱磷有可能和脱碳同时进行。只要做到吹炼过程中不发生严重的“返干”,脱磷可以正常进行。在炉渣走向曲线的最终区时,炉渣有很强的脱磷能力。图10为在复杂的碱性氧化渣系中,磷分配比(P) /[P]等值线的研究结果。可见在该区域(P)/[P]可达500,即脱磷能力很强。脱硫适于在还原条件下进行,在转炉中脱硫能力有限。图11为在钢铁生产流程中硫的变化,炼钢炉渣下的硫分配比很小,比铁水预处理和炉外精炼时的脱硫能力差得多。理想的脱硫环节是铁水预处理,转炉中应该要求不再增硫,而这也需要造成高碱度渣。 转炉炼钢速率很快,因此造渣速率也须很快,才能协调进行。石灰在高氧化铁渣中熔化很快,但石灰与SiO2生成硅酸二钙(2CaO?SiO2)外壳包围在石灰颗粒表面后,就限制了石灰的熔化。氧化铁、萤石、氧化锰等有利于破坏硅酸二钙壳,使石灰熔化加快。为了使石灰快速熔化,改善石灰本身的质量是很重要的。活性石灰中有大量气孔,密度小而比表面积大,在渣中熔化速率快,转炉造渣应使用活性石灰。转炉造渣还可以加入适量的白云石,以提高渣中MgO含量,减少渣对炉衬的侵蚀。图12为CaO`-FeO`-SiO2系中MgO溶解度等值线。图中也画出了转炉炉渣在冶炼过程的走向(粗实线曲线)。在吹炼前期,渣子偏酸,MgO溶解度高,加入白云石可以中和渣子的酸性,减轻对炉衬的侵蚀。同时MgO也有利于石灰的熔化。吹炼末期,MgO溶解度降到约3%,前期溶入炉渣的MgO部分析出成为固体,使渣变黏,在出钢时这种黏渣还可粘附在炉衬上,成为保护层。所以转炉造渣加入适量的白云石,是保护炉衬的重要措施。 钢的品种和质量钢中气体和夹杂物是评价钢的冶金质量的主要指标。氧气顶吹转炉炼钢反应速率快,沸腾激烈,所以钢中H、N、O含量较低,[H]为(3~5)×10-4%,[N]为(2~4)×10-3%,低碳钢[O]为0.06%~0.10%。夹杂物和脱氧及凝固操作有关。影响顶吹转炉钢含氮量的重要因素是氧气纯度,由表4数据可以看出。所以用于转炉炼钢的氧气应该是99%以上的纯氧。 低碳钢是转炉炼钢的主要产品。由于转炉脱碳快,钢中气体含量低,所以钢的塑性和低温塑 性好,有良好的深冲性和焊接性能。用转炉钢制造热轧薄板、冷轧薄板、镀锌板、汽车板、冷弯型钢、低碳软钢丝等,都具有良好的性能。 转炉冶炼中、高碳钢虽然有一些困难,但也能保证钢的质量。转炉钢制造的各种结构钢、轴承钢、硬钢丝等都已广泛使用。冶炼高碳钢的困难是拉碳和脱磷。在C>O.2%时靠经验拉碳很难控制准确,如果有副枪可借副枪控制,没有副枪时需要炉前快速分析,这就耽误了时间。高碳钢终点(FeO)低,脱磷时间短,因此需要采用双渣操作,即在脱碳期开始时放掉初期渣,把前期进入渣中的磷放走,然而双渣操作损失大量热量和渣中的铁,没有特殊必要不宜采用。增碳法是冶炼中、高碳钢的另一种操作法,这时吹炼操作和低碳钢一样,只是在钢包内用增碳剂增碳,使含碳量达到丘冈绅的要求。增碳剂为焦炭,石油焦等。中碳钢的增碳量小,容易完成。高碳钢增碳要很好控制,但轨钢、硬线等用增碳法冶炼可以保证质量合乎要求。 转炉冶炼低合金钢没有特殊困难。冶炼合金钢时,因为合金化需要加入钢包的铁合金数量大。会降低钢水温度,而过分提高出钢温度又使脱磷不利。所以冶炼合金钢应与炉外精炼相结合.用钢包炉完成合金化。另外,随着对钢的成分的控制要求不断严格,为减少钢性能的波动,要求成分范围越窄越好。这也需要在钢包精炼时进行合金成分微调的操作。 顶吹转炉冶炼超低碳钢(