2  轉(zhuǎn)爐煉鋼的一般原理

2-1  什么是超音速氧射流，什么是馬赫數(shù)，確定馬赫數(shù)的原則是什么?

速度大于音速的氧流為超音速氧射流。超過(guò)音速的程度通常用馬赫數(shù)量度，即氧流速度與臨界條件下音速的比值，用符號(hào)Ma代表。顯然，馬赫數(shù)沒(méi)有單位。

馬赫數(shù)的大小決定噴頭氧氣出口速度，也決定氧射流對(duì)熔池的沖擊能量。馬赫數(shù)過(guò)大則噴濺大，清渣費(fèi)時(shí)，熱損失加大，增大渣料消耗及金屬損失，而且轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯易損壞；馬赫數(shù)過(guò)低，會(huì)造成攪拌作用減弱，氧氣利用系數(shù)降低，渣中TFe含量增加，也會(huì)引起噴濺。當(dāng)Ma>2.0時(shí)，隨馬赫數(shù)的增長(zhǎng)氧氣的出口速度增加變慢，要求更高理論設(shè)計(jì)氧壓，這樣，無(wú)疑在技術(shù)上不夠合理，經(jīng)濟(jì)上也不劃算。

目前國(guó)內(nèi)推薦Ma=1.9～2.1。

2-2  氧氣射流與熔池的相互作用的規(guī)律是怎樣的?

超音速氧流其動(dòng)能與速度的平方成正比，具有很高的動(dòng)能。當(dāng)氧流與熔池相互作用時(shí)，產(chǎn)生如下效果：

(1)形成沖擊區(qū)。氧流對(duì)熔池液面有很高的沖擊能量，在金屬液面形成一個(gè)凹坑，即具有一定沖擊深度和沖擊面積的沖擊區(qū)。

(2)形成三相乳化液。氧流與沖擊爐液面相互破碎并乳化，形成氣、渣、金屬三相乳化液。

(3)部分氧流形成反射流股。

2-3  氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的傳氧載體有哪些?

氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐內(nèi)存在著直接傳氧與間接傳氧兩種途徑。直接傳氧是氧氣被鋼液直接吸收，其反應(yīng)過(guò)程是：[Pe]+1/2｛O2｝=[FeO]，[FeO]=[Fe]+[O]；間接傳氧是氧氣通過(guò)熔渣傳人金屬液中，其反應(yīng)式為(FeO)=[FeO]、[FeO]=[Pe]十[O]。氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐傳氧以間接傳氧為主。

氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的傳氧載體有以下幾種。

(1)金屬液滴傳氧。氧流與金屬熔池相互作用，形成許多金屬小液滴。被氧化形成帶有富氧薄膜的金屬液滴，大部分又返回熔池成為氧的主要傳遞者；熔池中的金屬幾乎都經(jīng)歷液滴形式，有的甚至多次經(jīng)歷液滴形式，金屬液滴比表面積大，反應(yīng)速度很快。

(2)乳化液傳氧。氧流與熔池相互作用，形成氣—渣—金屬的三相乳化液，極大地增加了接觸界面，加快了傳氧過(guò)程。

(3)熔渣傳氧。熔池表面的金屬液被大量氧化，而形成高氧化鐵熔渣，這樣的熔渣是傳氧的良好載體。

(4)鐵礦石傳氧。鐵礦石的主要成分是Fe₂O₃、Fe₃O₄，在爐內(nèi)分解并吸收熱量，也是熔池氧的傳遞者。

頂吹轉(zhuǎn)爐的傳氧主要靠金屬液滴和乳化液進(jìn)行，所以冶煉速度快，周期短。

2-4  什么是硬吹，什么是軟吹?

硬吹是指槍位低或氧壓高的吹煉模式。當(dāng)采用硬吹時(shí)，氧氣流股對(duì)熔池的沖擊力大，形成的沖擊深度較深，沖擊面積相對(duì)較小，因而產(chǎn)生的金屬液滴和氧氣泡的數(shù)量也多，氣—熔渣—金屬乳化充分，爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)速度快，特別是脫碳速度加快，大量的CO氣泡排出，熔池?cái)噭?dòng)強(qiáng)烈，熔渣的TFe含量較低。

軟吹是指槍位較高或氧壓較低的吹煉模式。在軟吹時(shí)，氧氣流股對(duì)熔池的沖擊力減小，沖擊深度變淺，沖擊面積加大，反射流股的數(shù)量增多，對(duì)于熔池液面攪動(dòng)有所增強(qiáng)，脫碳速度緩慢，因而對(duì)熔池內(nèi)部的攪動(dòng)相應(yīng)減弱，熔渣中的TFe含量有所增加。

軟吹和硬吹都是相對(duì)的。

2-5  轉(zhuǎn)爐內(nèi)金屬液中各元素氧化的順序是怎樣的?

氧化物分解壓越小，元素越易氧化。在煉鋼溫度下，常見(jiàn)氧化物的分解壓排列順序如下：

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?yàn)檗D(zhuǎn)爐內(nèi)是多相反應(yīng)，因此鐵水中元素的氧化順序還與其濃度有關(guān)，所以吹煉開(kāi)始元素氧化順序?yàn)镕e、Si、Mn、P、C等。

2-6  在堿性操作條件下，為什么吹煉終點(diǎn)鋼液中硅含量為痕量?

吹煉開(kāi)始首先是Fe、Si被大量氧化，并放出熱量，反應(yīng)式為：

[Fe]+1/2｛O2｝=(FeO)       (放熱)

[Si]+｛O2｝=(SO₂)          (放熱)

[Si]+2(FeO)=(SiO₂)+2[Fe]     (放熱)

在以堿性渣操作時(shí)，熔渣R>3.0，渣中存在著大量自由狀態(tài)的(CaO)，SiO₂是酸性氧化物，全部與CaO等堿性氧化物形成類似(2CaO•SiO₂)的復(fù)雜氧化物，渣中SiO₂呈結(jié)合狀態(tài)。熔渣分子理論認(rèn)為，只有自由氧化物才有反應(yīng)能力，因此在吹煉后期溫度升高SiO2也不會(huì)被還原，鋼中硅含量為“痕量”。

可見(jiàn)在以堿性渣操作條件下，硅的氧化反應(yīng)非常徹底。

2-7  在堿性操作條件下吹煉終了時(shí)，鋼液中為什么會(huì)有“余錳”(含量)，余錳(含量)高低受哪些因素影響?

與硅相似，錳也很容易被氧化，反應(yīng)式為：

[Mn]+1/2｛O₂｝=(MnO)    (放熱)

[Mn]十(FeO)=(MnO)+[Fe]    (放熱)

[Mn]+[O]二(MnO)          (放熱)

錳的氧化產(chǎn)物是堿性氧化物，在吹煉前期所形成的(MnO•SiO₂)，隨著渣中CaO含量的增加，會(huì)發(fā)生(MnO•SiO₂)+2(CaO)=(2CaO•SiO₂)+(MnO)反應(yīng)，(MnO)呈自由狀態(tài)，吹煉后期爐溫升高后，(MnO)被還原，即：(MnO)+[C]=[Mn]+｛CO｝或(MnO)+[Fe]=(FeO)十[Mn]吹煉終了時(shí)，鋼中的錳含量也稱余錳或殘錳。

余錳高，可以降低鋼中硫的危害。但在冶煉工業(yè)純鐵時(shí)，要求錳含量越低越好，應(yīng)采取措施降低終點(diǎn)錳含量。

根據(jù)化學(xué)平衡移動(dòng)的原理，影響余錳量的因素有：

(1)爐溫高利于(MnO)的還原，余錳含量高。

(2)堿度升高，可提高自由(MnO)濃度，余錳量增高。

(3)降低熔渣中(FeO)含量，可提高余錳含量。因此鋼中碳含量高、減少補(bǔ)吹、降低平均槍位、有復(fù)吹，余錳含量都會(huì)增高。

(4)鐵水中錳含量高，單渣操作，鋼中余錳也會(huì)高些。

2-8  在煉鋼過(guò)程中碳氧反應(yīng)的作用是什么?

煉鋼過(guò)程中碳氧反應(yīng)不僅完成脫碳任務(wù)，還有以下作用：

(1)加大鋼—渣界面，加速物理化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。

(2)攪動(dòng)熔池，均勻成分和溫度。

(3)有利于非金屬夾雜的上浮和有害氣體的排出。

(4)有利于熔渣的形成。

(5)放熱升溫。

(6)爆發(fā)性的碳氧反應(yīng)會(huì)造成噴濺。

2-9  碳和氧反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)碳和氧的關(guān)系是怎樣的，如何表示，轉(zhuǎn)爐熔池內(nèi)實(shí)際碳氧含量的關(guān)系是怎樣的?

轉(zhuǎn)爐中的碳氧反應(yīng)產(chǎn)物主要是CO，也有少量的CO2。轉(zhuǎn)爐內(nèi)碳氧反應(yīng)式如下：

[C]+1/2｛O₂｝=｛CO｝           (放熱)

[C]+ (FeO)=｛CO｝+[Fe]          (吸熱)

[C]+｛O｝=｛CO｝              (放熱)

上述第3個(gè)碳氧反應(yīng)式的平衡常數(shù)：

取pCO=1atm代入后得：

溫度一定，Kp是定值，若令,則得出：

ω[C]ω[O]=m

在1600℃下，Kp≈400，m≈0.0025。

當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，鋼中碳氧濃度的乘積陰為一個(gè)常數(shù)。在坐標(biāo)系中它表現(xiàn)為雙曲線的一支。

由于上述碳氧反應(yīng)是放熱反應(yīng)，隨溫度升高，Kp值降低，m值升高，曲線向坐標(biāo)系右上角移動(dòng)。

鋼中實(shí)際氧含量比碳氧平衡氧含量高，這是由于在鋼中還存在著[Fe]+[O]=(FeO)反應(yīng)，與(FeO)平衡的氧含量為ω[O]渣，(FeO)，平，鋼中實(shí)際含氧量為ω[O]渣，(FeO)，平＞ω[O]實(shí)際＞ω[O]鋼，CO平

2-10  熔池中脫碳速度的變化是怎樣的，它與哪些因素有關(guān)?

煉鋼碳氧反應(yīng)主要以[C]十[O]=｛CO｝方式進(jìn)行，其正反應(yīng)速度表達(dá)式是νC=k正ω[C]ω[O]，反應(yīng)速度受[C]和[O]兩個(gè)濃度的影響，但鋼液中[O]濃度隨渣中TFe升高而增加。轉(zhuǎn)爐內(nèi)碳氧反應(yīng)在吹煉初期雖然渣中TFe高，但由于爐溫較低，影響傳氧，碳氧反應(yīng)速度較慢；在吹煉后期由于金屬中ω[C]低，碳氧反應(yīng)速度也降低；只有吹煉中期能夠保證碳氧反應(yīng)以較快速度進(jìn)行，最高脫碳速度在(0.4～0.6)％／min。

2-11  影響脫磷的因素有哪些?

根據(jù)平衡移動(dòng)的原理，從脫磷反應(yīng)式可以看出，只有提高(FeO)和(CaO)的濃度，降低(4CaO•P₂O₅)濃度，反應(yīng)才向正反應(yīng)方向進(jìn)行，終點(diǎn)[P]含量才會(huì)降低。

因此，高堿度、高氧化鐵含量的熔渣，有利于脫磷，這兩者缺一不可。

增加渣中FeO含量，可加速石灰的渣化和改善熔渣的流動(dòng)性，有利于脫磷反應(yīng)。

提高堿度可增加(CaO)的有效濃度，有利于提高脫磷效率；但堿度并非越高越好，加入過(guò)多的石灰，渣化不好，影響熔渣的流動(dòng)性，對(duì)脫磷反而不利。

脫磷反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，因而爐溫過(guò)高，反應(yīng)則向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，鋼中磷含量不僅不能降低，反而會(huì)產(chǎn)生回磷；爐溫過(guò)低，不利于石灰的渣化，并影響熔渣流動(dòng)性，也阻礙脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。

若原料中磷含量高，最好是采用爐外脫磷處理；也可采用雙渣操作，或適當(dāng)?shù)募哟笤?，這樣就相對(duì)降低了4(CaO•P₂O₅)濃度，利于反應(yīng)繼續(xù)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，對(duì)脫磷有利。脫磷是鋼—渣界面反應(yīng)，因此具有良好流動(dòng)性的熔渣，進(jìn)行充分的熔池?cái)噭?dòng)，會(huì)加速脫磷反應(yīng)，提高脫磷效率。

當(dāng)前采用濺渣護(hù)爐技術(shù)，渣中MgO含量較高，要注意調(diào)整好熔渣流動(dòng)性，否則對(duì)脫磷也有影響。

總之，脫磷的條件是：高堿度、高氧化鐵含量、良好流動(dòng)性的熔渣；充分的熔池?cái)噭?dòng)；適當(dāng)?shù)臏囟群痛笤俊?/p>

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