2  轉爐煉鋼的一般原理

2-1  什么是超音速氧射流，什么是馬赫數，確定馬赫數的原則是什么?

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

馬赫數的大小決定噴頭氧氣出口速度，也決定氧射流對熔池的沖擊能量。馬赫數過大則噴濺大，清渣費時，熱損失加大，增大渣料消耗及金屬損失，而且轉爐內襯易損壞；馬赫數過低，會造成攪拌作用減弱，氧氣利用系數降低，渣中TFe含量增加，也會引起噴濺。當Ma>2.0時，隨馬赫數的增長氧氣的出口速度增加變慢，要求更高理論設計氧壓，這樣，無疑在技術上不夠合理，經濟上也不劃算。

目前國內推薦Ma=1.9～2.1。

2-2  氧氣射流與熔池的相互作用的規律是怎樣的?

超音速氧流其動能與速度的平方成正比，具有很高的動能。當氧流與熔池相互作用時，產生如下效果：

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

(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  氧氣頂吹轉爐的傳氧載體有哪些?

氧氣頂吹轉爐內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，其反應過程是：[Pe]+1/2｛O2｝=[FeO]，[FeO]=[Fe]+[O]；間接傳氧是氧氣通過熔渣傳人金屬液中，其反應式為(FeO)=[FeO]、[FeO]=[Pe]十[O]。氧氣頂吹轉爐傳氧以間接傳氧為主。

氧氣頂吹轉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歷液滴形式，有的甚至多次經歷液滴形式，金屬液滴比表面積大，反應速度很快。

(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，在爐內分解并吸收熱量，也是熔池氧的傳遞者。

頂吹轉爐的傳氧主要靠金屬液滴和乳化液進行，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。當采用硬吹時，氧氣流股對熔池的沖擊力大，形成的沖擊深度較深，沖擊面積相對較小，因而產生的金屬液滴和氧氣泡的數量也多，氣—熔渣—金屬乳化充分，爐內的化學反應速度快，特別是脫碳速度加快，大量的CO氣泡排出，熔池攪動強烈，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，氧氣流股對熔池的沖擊力減小，沖擊深度變淺，沖擊面積加大，反射流股的數量增多，對于熔池液面攪動有所增強，脫碳速度緩慢，因而對熔池內部的攪動相應減弱，熔渣中的TFe含量有所增加。

軟吹和硬吹都是相對的。

2-5  轉爐內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)

因為轉爐內是多相反應，因此鐵水中元素的氧化順序還與其濃度有關，所以吹煉開始元素氧化順序為Fe、Si、Mn、P、C等。

2-6  在堿性操作條件下，為什么吹煉終點鋼液中硅含量為痕量?

吹煉開始首先是Fe、Si被大量氧化，并放出熱量，反應式為：

[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，熔渣R>3.0，渣中存在著大量自由狀態的(CaO)，SiO₂是酸性氧化物，全部與CaO等堿性氧化物形成類似(2CaO•SiO₂)的復雜氧化物，渣中SiO₂呈結合狀態。熔渣分子理論認為，只有自由氧化物才有反應能力，因此在吹煉后期溫度升高SiO2也不會被還原，鋼中硅含量為“痕量”。

可見在以堿性渣操作條件下，硅的氧化反應非常徹底。

2-7  在堿性操作條件下吹煉終了時，鋼液中為什么會有“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，會發生(MnO•SiO₂)+2(CaO)=(2CaO•SiO₂)+(MnO)反應，(MnO)呈自由狀態，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，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。但在冶煉工業純鐵時，要求錳含量越低越好，應采取措施降低終點錳含量。

根據化學平衡移動的原理，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、減少補吹、降低平均槍位、有復吹，余錳含量都會增高。

(4)鐵水中錳含量高，單渣操作，鋼中余錳也會高些。

2-8  在煉鋼過程中碳氧反應的作用是什么?

煉鋼過程中碳氧反應不僅完成脫碳任務，還有以下作用：

(1)加大鋼—渣界面，加速物理化學反應的進行。

(2)攪動熔池，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)爆發性的碳氧反應會造成噴濺。

2-9  碳和氧反應達到平衡時碳和氧的關系是怎樣的，如何表示，轉爐熔池內實際碳氧含量的關系是怎樣的?

轉爐中的碳氧反應產物主要是CO，也有少量的CO2。轉爐內碳氧反應式如下：

[C]+1/2｛O₂｝=｛CO｝           (放熱)

[C]+ (FeO)=｛CO｝+[Fe]          (吸熱)

[C]+｛O｝=｛CO｝              (放熱)

上述第3個碳氧反應式的平衡常數：

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。

當達到平衡時，鋼中碳氧濃度的乘積陰為一個常數。在坐標系中它表現為雙曲線的一支。

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

鋼中實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，與(FeO)平衡的氧含量為ω[O]渣，(FeO)，平，鋼中實際含氧量為ω[O]渣，(FeO)，平＞ω[O]實際＞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?

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

2-11  影響脫磷的因素有哪些?

根據平衡移動的原理，從脫磷反應式可以看出，只有提高(FeO)和(CaO)的濃度，降低(4CaO•P₂O₅)濃度，反應才向正反應方向進行，終點[P]含量才會降低。

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性，有利于脫磷反應。

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，加入過多的石灰，渣化不好，影響熔渣的流動性，對脫磷反而不利。

脫磷反應是強放熱反應，因而爐溫過高，反應則向逆反應方向進行，鋼中磷含量不僅不能降低，反而會產生回磷；爐溫過低，不利于石灰的渣化，并影響熔渣流動性，也阻礙脫磷反應的進行。

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，或適當的加大渣量，這樣就相對降低了4(CaO•P₂O₅)濃度，利于反應繼續向正反應方向進行，對脫磷有利。脫磷是鋼—渣界面反應，因此具有良好流動性的熔渣，進行充分的熔池攪動，會加速脫磷反應，提高脫磷效率。

當前采用濺渣護爐技術，渣中MgO含量較高，要注意調整好熔渣流動性，否則對脫磷也有影響。

總之，脫磷的條件是：高堿度、高氧化鐵含量、良好流動性的熔渣；充分的熔池攪動；適當的溫度和大渣量。

來源：鋼鐵技術網