10．1 氧气顶吹转炉炼钢
氧气顶吹转炉于1952年和1953年在奥地利的林茨（Linz）城和多纳维茨（Donawitz）城先后建成并投入生产，故又称为LD法。由于它具有原材料适应性强、生产率高、成本低、可炼品种多、钢质量好、投资省、建厂速度快等一系列优点，因而在世界范围内得到迅速发展，一跃成为现代主要炼钢方法之一。
10．1．1 氧气顶吹转炉炼钢车间的特点
现代钢铁生产，从铁矿石冶炼到加工成钢材，一般是组成钢铁联合企业集中进行的。炼钢在钢铁联合企业内是一个中间环节，它联系着前面的炼铁等原料供应系统和后面的轧钢等成品生产。炼钢车间的生产对整个联合企业有重大影响。
由于氧气顶吹转炉吹氧时间短和炉子容量的大型化，使顶吹转炉车间具有以下特点：
l）吹炼周期短、生产率高，因此，每昼夜出钢炉数多，兑铁、加料、倒渣、出钢、浇注等操作频繁，原材料、钢水、炉渣等的吞吐量大。
2）运输复杂，数量大。其数量相当于钢产量的3～5倍，而且批量小、批次多、运输品种多。因此，各种货流不得不尽量避免交叉而设置专业化线路，并采用多层平面运输。
3）温度高、烟尘大，需配置高效能的通风除尘设备。 4）因吹炼速度快，要求有准确、可靠的计量通讯设备。
为了保证转炉正常地进行连续生产，各种原材料的供应以及钢水、炉渣的处理必须有足够的设备，而且工作可靠。这些设备的布置和车间内各物料的运输流程必须合理。同时，车间内转炉座数也不宜过多，以免各种设备在操作时互相干扰。世界上大多数转炉车间，目前均采用以下两种布置方案：两座转炉经常保持一座吹炼（简称二吹一）；三座转炉经常保持两座吹炼（简称三吹二）。
炼钢生产有冶炼和浇注两个基本环节。为保证冶炼和浇注的正常进行，氧气顶吹转炉车间主要包括原料系统，加料、冶炼和浇注系统，以及采用模铸时的钢模准备系统。因此，顶吹转炉车间主厂房多改为三跨间：
1）原料跨：主要组织铁水和废钢的供应，炉渣及垃圾的运出。
2）转炉跨：主要布置转炉及其倾动机构。同时，在转炉作业平台上方设多层工作平台，安装辅助材料的供应设施、氧气系统和部分以至全部废气处理设备。
3）浇注跨：将钢水通过钢锭模车或连铸机，浇注成钢锭或钢坯。
钢锭模准备（脱模、整模等）工作在车间以外的厂房或另一跨间内进行。 10．1．2 氧气顶吹转炉 （1）氧气顶吹转炉的构造及主要设备。转炉的构造及设备包括炉壳、托圈、耳轴及倾动机构，如图10．1所示（见教材P.160）。
1）炉壳：由锥形炉帽、圆筒形炉身及球形炉底三部分组成。各部分用钢板成型后再焊接成整体。钢板厚度主要取决于炉子容量，炉壳的损坏主要是产生裂纹和变形。因此，要求炉壳材质有良好的焊接性能和抗蠕变性能。为防止炉帽变形，近年来广泛采用水冷炉口。
2）托圈：其主要作用是支撑炉体，传递倾动力矩。大、中型转炉托圈，一般用钢板焊成箱式结构，可通水冷却。托圈与耳轴连成整体，转炉则坐落在托圈
上。转炉与托圈之间用若干组斜块和卡板槽连接，二者之间可相对滑动。托圈与炉壳之间留有一定间隙，使二者受热膨胀不受限制。
3）耳轴：转炉工艺要求炉体应能正反旋转360度，在不同操作期间，炉子要处于不同的倾动角度。为此，转炉有两根旋转耳轴，一侧耳轴与倾动机构相连而带动炉子旋转。为通水冷却托圈、炉帽及耳轴本身，将耳轴制成空心的，耳轴和托圈用法兰盘、螺栓或焊接等方式连接成整体。
耳轴位置是 通过重心计算确定的，能保证在倾动机构失灵时，转炉能靠本身的重量自动回到垂直位置。
4）倾动机构：其作用是倾动炉体，以满足兑铁水、加废钢、取样、出钢和倒渣等操作的要求。该机构应能使转炉炉体正反旋转360度，在启动、旋转和制动时，能保持平稳，并能准确的停在要求的位置上，安全可靠。
倾动机构由电动机和减速装置组成。大、中型转炉用多级转速，其范围为0．1～1．3转／分。小型转炉多采用固定转速，约0．6～0．8转／分。
（2）转炉炉衬。金属炉壳内砌筑的耐火材料即为炉衬。转炉炉衬由工作层、填充层和永久层组成。
工作层直接与钢水、炉渣和炉气接触，不断受到物理的、机械的和化学的冲刷、撞击与浸蚀作用，其质量直接关系着炉龄的高低。国内中小型转炉，普遍采用焦油白云石质或焦油镁砂质大砖砌筑炉衬。为提高炉衬寿命，目前已广泛使用镁质白云石为原料的烧成油浸砖。另外，为使炉衬各部位破损均衡发展，不致因局部严重破损而停炉，以达到延长炉衬寿命的目的，而采用均衡炉衬的砌筑方法。即根据炉子各部位的工作条件和破损性质的不同，采用不同材质和厚度的砖组合砌筑。对浸蚀最严重的部位，如装料侧、渣线区、炉底等部位，使用具有耐火度高、高温强度大、抗炉渣浸蚀能力强等性能的优质耐火材料，我国大、中型转炉采用镁碳砖。对浸蚀较小的部位，如出钢侧、炉帽等部位，则尽量减薄衬砖厚度，并使用普通镁质白云石砖。图10-2（见教材P.161上）为某厂150吨转炉综合砌砖示意图。
填充层介于工作层与永久层之间，一般用焦油镁砂或焦油白云石料捣打而成。此层的作用是减轻炉衬膨胀时对炉壳的挤压，而且也便于拆除工作层残砖，避免损坏永久层。
永久层紧贴着炉壳，其作用是保护炉壳。修炉时一般不拆换永久层，可用烧成镁砖、焦油结合镁砖等砌筑。
转炉从开新炉到工作层损坏不能继续使用而停炉，称为一个炉役。在整个 炉役期间炼钢的总炉数，称为炉衬寿命，或简称炉龄，是炼钢生产的一项重要技 术经济指标。炉龄，在很大程度上反映出炼钢车间的管理水平和技术水平。
（3）氧气顶吹转炉炉型。转炉炉型系指转炉炉膛的几何形状，即由耐火材料砌成的炉衬内形。合理的炉型应能适应吹炼过程中炉内金属、炉渣、炉气和氧气射流的运动规律，以利于加速炉内物理化学反应，减少喷溅和延长炉衬寿命。
顶吹转炉的炉型，按其金属熔池形状不同，大体可分为筒球形、锥球形和截锥形三种，如图10-3（见教材P.161下）所示。
筒球形炉型，炉身为圆柱体，炉底为球缺体。形状较简单，炉壳制造容易，炉衬砌筑简便，且其形状接近于金属液循环的轨迹，故炉衬浸蚀比较均匀，国内外大、中型转炉普遍采用筒球形。我国中型转炉则多采用锥球形。
转炉炉型各部尺寸的确定，由于影响因素复杂，至今尚无成熟可靠的理论计算方法，主要是通过总结现有转炉的生产情况，结合一些经验公式并进行一些
可行的模型试验来确定新炉的炉型和尺寸。转炉炉型各部名称见图10-4（见教材P.162）。
图10-4 转炉主要尺寸示意图
a—锥球形炉型；b—筒球形炉型；H一熔池深度；H身一炉身高度；H帽一炉帽高度；H总一转炉总高度；H内一转炉有效高度；D熔一熔池直径；D壳一炉壳直径；d口一炉口直径；d出一出钢口直径；θ一炉帽倾角。
图10-4中熔池直径口系指转炉熔池在平静状态时，金属液面的直径；熔池深度H为熔池平静状态时，金属液面至炉底的深度。
转炉容积除满足装入量要求外，还应使熔池具有较大的反应空间，以加速反应的进行。从熔池面到炉口，还需保持足够的高度，以防止和减少由于高压氧气射流冲击熔池表面造成的金属喷溅。因此，要求转炉应有合适的炉容比，所谓炉容比，系指转炉工作容积（指新炉炉膛容积）V与转炉公称容量“T”之比（V／T）。即转炉每吨公称容量占有的有效容积的大小（m3／t）。转炉公称容量，一般以炉子平均出钢量表示。也可用平均金属装入量表示。
炉容比是转炉炉型设计的重要参数。炉容比过小，会使喷溅及对炉衬的冲刷加剧，并使提高供氧强度受到限制，不利于提高生产率；而炉容比过大，则使设备和厂房投资增加。
为使转炉结构轻便、耐用，运转平稳，并使所需倾动力矩较小，要求转炉应有合适的高宽比。高宽比系指转炉总高H总，与炉壳直径口壳之比（H总／D壳），是决定炉子形状的另一个重要参数。在转炉大型化的过程中，高宽比趋于减小，即炉型趋于矮胖。这种炉型有利于减少倾动力矩和厂房高度。但高宽比过小易造成喷溅。
表10-1、10-2分别为我国设计部门推荐的转炉炉容比和高宽比值。
表10-1 转炉炉容比推荐值①
炉容量 小型转炉 中型转炉 大型转炉 t ＜30t 30～100t 100～200t ＞200t 炉容比 1．00～1．05 0．95～1．00 0．90～1．00 0．90～0．95 3m/t ① 适用条件为：用90～95%的铁水；废钢、矿石冷却；供氧强度为3～3．5m3/t·min。
表10-2 转炉高宽比推荐值 炉容量， ≤6 12～30 50～80 120～150 ＞150 t 高宽比 1．6～1．7 1．5～1．6 1．4～1．5 1．3～1．4 ≥1．3 H总/D壳 10．1．3 供氧设备
供氧设备包括供氧系统和氧枪
（1）供氧系统。 氧气由制氧车间经管道送入中间储气罐，然后经减压阀、调节阀、快速切断阀送到氧枪。如图10-5所示（见教材P.163）。
制氧机生产的氧气，经加压后送至中间储气罐，其压力一般为25～30×105Pa左右，经减压阀可调节到需要的压力（6×105～15×105Pa）。减压阀的作用是使调节阀进口得到较低和较稳定的氧气压力，以利于调节阀的工作。吹炼时所需的工作氧压是通过调节阀得到的。快速切断阀的开闭与氧枪联锁，当氧枪进入炉口一定距离时（即到达开氧点时），切断阀自动打开；反之，则自动切断。
（2）氧枪。氧枪又名喷枪或吹氧管，担负着向熔池吹氧的任务。因其在高温条件下工作，故氧枪是采用循环水冷却的套管结构，由喷头、枪身及尾部结构所组成，如图10-6所示（见教材P.164）。
1）喷头： 通常采用导热性良好的紫铜经锻造和切削加工制成，也有用压力浇铸成型的。喷头与枪身外层管焊接，与中心管用螺纹或焊接方式联接；喷头内通高压水强制冷却。为使喷头在远离熔池面工作也能获得应有的搅拌作用，以提高枪龄及炉龄，所用喷头均为超音速喷头。
喷头的类型很多。按结构形状，可分为拉瓦尔型、直筒型、螺旋型等；按喷孔数目，可分为单孔、三孔和多孔喷头，如图10-7所示(见教材P.165)；按吹入的物质又可分为氧气喷头、氧一燃气喷头和喷粉料的喷头。
拉瓦尔型喷头能有效地把氧气的压力能转变为动能，获得较稳定的超音速射流，在相同穿透深度下，其枪位较高，大大改善了氧枪的工作条件，因此得到广泛应用。直筒型喷头在高压下获得的超音速流股是不稳定的，而且超音速段较短，主要用于喷石灰粉法。螺旋型喷头能加强熔池面的搅拌，但结构复杂，寿命短，故应用不普遍。氧一燃气喷头则主要用于帮助熔化废钢，以提高转炉废钢用量。
拉瓦尔喷头是收缩-扩张型喷头，如图10-8所示（见教材P.165）。其截面最小处为喉口，其直径称为临界直径或喉口直径。
拉瓦尔喷头的工作原理是：高压低速的气流经收缩段时，气流的压力能转化为动能，使气流获得加速度，当气流到达喉口截面时，气流速度达到音速。在扩张段内，气流的压力能除部分消耗在气体的膨胀上外，其余部分继续转化为动 能，使气流速度继续增加。在喷头出口处，当气流压力降到与外界压力相等时，即获得了远大于音速的气流速度。喷头出口处的气流速度（v）与相同条件下的
v音速（c）之比，称为马赫数M，即M。它是喷头设计的重要参数，目前国
c内外喷头出口马赫数大多在1．8～2．2之间。
氧气转炉发展初期，采用的是单孔喷头。随着炉容量的大型化和供氧强度的不断提高，单孔喷头由于其流股与熔他的接触面积小，存在易引起严重喷溅等缺点，而不能适应生产要求。所以逐渐发展为多扎喷头。其中最常用的是三孔拉瓦尔喷头
2）枪身： 枪身由三层同心套管构成，中心管通氧经喷头喷入熔池，冷却水由中心管与中层管间的间隙进入，经由中层管与外层管间的间隙上升而排出。枪身的三层套管一般均用无缝钢管。枪身上端与尾部结构联接，下端与喷头联接。
3）尾部结构： 指氧气及冷却水的连接管头（法兰、高压软管等）以及把持氧枪的装置、吊环等。
（3）氧枪升降装置。 氧枪在吹炼过程中需频繁升降，因此，要求升降机构应有合适的升降速度，并可变速上升降平稳、位置准确安全可靠。除与氧气切断阀有联锁装置外，还应有安全联锁装置，当出现异常情况时（如氧压过低、水压低等），应能自动提升氧枪。
此外，还设有换枪装置，以保证快速换枪。 10．1．4 供料设备
顶吹转炉车间，设置有包括铁水、废钢、铁合金和散状材料等供应在内的供料设备。
（1）铁水供应设备
氧气转炉铁水供应方应方式，主要有三种：
1） 高炉 → 铁水罐车 → 混铁炉 → 铁水罐 → 称量 → 转炉。 2） 高炉 → 混铁车 → 铁水罐 → 称量 → 转炉。 3） 高炉 → 铁水罐车 → 铁水罐 → 称量 → 转炉。 此外，小型车间也有用化铁炉直接供应铁水的。
混铁炉是铁水的中间贮存设备，以协调高炉与转炉之间铁水供求的不一致 性，保证供应及时。同时可混匀不同高炉和不同时间的铁水，减少铁水成分和温度的波动，对稳定转炉工艺操作、实现自动控制和改善炼钢的技术经济指标，都有一定好处。我国大、中型转炉炼钢车间均采用混铁炉。
混铁炉容量取决于转炉容量和转炉定期停炉期间的受铁量。我国标准混铁炉容量系列为300、600、900、1300吨。世界上最大容量的混铁炉达2500吨。
混铁车则兼有运送和贮存铁水两种作用，实质上是列车式的小型混铁炉。随着高炉大型化和采用精料等，混铁炉使铁水成分波动小的混合作用已不明显。故近年来，大型转炉车间多采用混铁车，可减少投资。
采用铁水罐车供应铁水，其设备简单、投资省。但在运送铁水和待装过程中，将大量散热降温。同时，一罐铁水炼几炉钢，前后炉次铁水温度波动较大，往往发生沾罐现象；转炉临时发生故障，铁水也不好处理。这种供铁水方式，在我国只有一些小型转炉车间有采用。
（2）金属料的装入设备。 目前，转炉装入废钢的方式有两种： 1）用桥式吊车吊挂废钢槽向转炉倒入：此法设备简单，但需占用炉前吊车，干扰大。
2）用落地式加料机：此法速度快，可避免干扰，料槽能伸入炉口，可减轻废钢对炉衬的冲击，但转炉操作平台结构复杂。废钢加入量大时，可考虑采用此法。
转炉车间的铁合金供应，一般在车间的一端设有铁合金料仓和自动称量漏斗，铁合金由叉式运输机送至炉旁，经溜槽加入盛钢桶内。此外，也可采用高位料仓式系统，将铁合金加入炉内或盛钢桶内。
（3）散状材料供应设备。 散状材料，主要是指炼钢过程中加入的造渣材料和冷却剂等，如石灰、白云石、氧化铁皮、萤石、铁矿石等。
散状料的品种多、用量大，又要在吹炼过程中分批加入，而吹炼周期很短。因此，必须加入及时，称量准确，且操作灵便可靠。
散状料由火车或汽车运到转炉车间，分类卸入主厂房外面散状料间的低位贮料仓内。每隔一定时间，用胶带运输机将各种散状料，分别从低位料仓运送到转炉上方相应的高位料仓内。图10-9（见教材p．166）为振动管式上料示意图，将需加入炉内的散状料，分别通过每个高位料仓下面的称量漏斗和振动给料器送
到汇集料斗，然后沿着溜槽加入到转炉内。
10．1．5 废气处理及回收设备
在氧气顶吹转炉炼钢过程中，向熔池吹氧，使金属料中的一系列元素氧化，同时放出大量热量。碳-氧反应则产生大量CO和CO2气体，这正是氧气顶吹转炉内高温炉气的基本来源。炉气中除CO和CO2主要成分外，还含有大量的铁和其它氧化物粉尘。这股高温含尘气流冲出炉口，进入烟罩与净化系统。在气流出口而进入烟罩的同时，或多或少地吸入部分空气使CO燃烧，炉气成分等均发生变化。通常将炉内原生的气体称为炉气，炉气出炉口后则称为烟气。
（1）氧气顶吹转炉烟气的特点。 鉴于氧气转炉冶炼的复杂性，其烟气具有以下特点：
1） 成分和数量是变化的： 转炉烟气主要来自碳-氧反应生成的大量CO和CO2气体，而在吹炼过程中，碳的氧化反应不是均匀地进行的。在吹炼一炉钢的不同时刻，随着脱碳速度的变化，熔池排出的炉气量和炉气成分也不断变化。脱碳速度的变化规律是吹炼前、后期脱碳速度小，吹炼中期脱碳速度达最大值。因此，炉气变化规律也如此，吹炼中期炉气量达最大值，且炉气中CO成分所占百分比也达最高值（85～90％）。而在停吹时，炉气量则降为零，这种剧烈的变化，使转炉的烟气净化和回收复杂化。
2） 温度高： 转炉炉气从炉口喷出时的温度与炉内反应和工艺操作制度有关。其波动范围较大，一般在1450C～1800℃之间，平均温度约1500℃左右。因此，在转炉烟气净化系统中，必须有冷却设备，在净化前，需将烟气冷却到50～450℃（具体温度决定于除尘方法）。同时。还应考虑回收这部分热量。
3）含有大量微小的氧化铁烟尘： 向金属熔池吹氧时，在氧气射流与熔池直接作用的反应区内，局部温度可达
2500～2800℃，造成一定数量的
铁和铁的氧化物的蒸发，形成极细的烟尘，这就是从炉口喷出的褐色烟气。烟尘中还包括一些被炉气机械夹带出的散状料粉尘和随 喷溅带出的渣粒等。
氧气转炉的烟尘量约为金属料装入量的0．8～1．3％。炉气中的含尘量平均为60～80g／m3，吹炼中期含尘量最高时可达120g／m3（均为标准状态）。烟尘中主要是铁的氧化物，含铁量高达60％以上。
由于转炉烟尘粒度细，必须有高效率的除尘设备才能有效地捕集这些烟尘。这就是转炉 除尘系统比较复杂的原因之一。
综上所述，氧气顶吹转炉的烟气，具有温度高、烟气量大、含尘量高且尘粒微小（其含尘量远远大于国家规定的不大于200mg／m3的排放标准）、有毒性与爆炸性等特点。若任其放散，可飘落到10公里以外，造成严重大气污染，危害人身健康和农作物生长，必须进行净化。若加以回收利用，则可收到可观的经济效益。
（2）氧气顶吹转炉烟气的处理。 转炉废气处理的一般过程包括三部分：首先是对含有大量CO的高温炉气的处理；然后对出炉口后的烟气进行收集和冷却；最后将冷却后的烟气进行净化。
目前，对氧气顶吹转炉烟气的净化处理方式主要分两大类：
1）燃烧法： 采用燃烧法处理高温炉气，即在炉气离开炉口进入烟罩时，使其与大量空气混合，使炉气中的CO全部燃烧。采用较大的空气过剩系数α=2～3，利用过剩的空气和水冷烟道对烟气冷却，然后进入文氏管湿法净化系统进一步冷却，最后排入大气。净化后的废气含尘量约130mg／m3。
这种方法不能回收煤气和余热。炉气的化学热和物理热全部浪费掉了，而且由于吸入空气量大，进入净化系统的烟气量大大增加，使设备占地面积大，投资和生产费用比未燃法高。但因不回收煤气，烟罩结构和净化系统的操作、控制较简单。其工艺流程见图10-10（见教材p．167）
2） 未燃法： 采用未燃法处理高温炉气，是在炉气离开炉口进入烟罩时，控制炉口压力或用氮气密封，只使吸入少量空气与炉气混合，仅令其中10～20%的CO燃烧，出口后的烟气仍含有50～70％的CO，经汽化冷却后被冷却到1000℃左右，然后进入文氏管湿法净化系统，进一步冷却和净化。净化后称为转炉煤气，经加压后送用户使用。转炉煤气发热值约为（6．7～8．4）×103kJ／m3，可作燃料或化工原料。每吨钢约可回收60～70m3煤气。
此法由于烟气中CO含量高，需注意防爆防毒，要求整个除尘系统必须严密，其控制水平也较高。但由于其废气量小，整个冷却、除尘系统设备较小，又可回收大量煤气及部分热量，故近年来国内外多采用此法。图10-11（见教材p．168）为300吨氧气转炉煤气回收法（Oxygen Converter Gas Recovery，简称OG法）的工艺流程。
经上述各类净化系统收集的氧化铁烟尘，可回收作高炉烧结或球团矿原料，也可作转炉用冷却剂。其大部分成分见表10-3。（见教材p．168）
表10-3 氧气转炉炼钢的烟尘成分， % 除尘方法 FeO 未燃法 燃烧法 2．30 Fe2O3 92．0 Fe ΣFe SiO2 MnO CaO MgO P2O5 － C － 67．16 16．20 0．58 63．4 3．64 0．74 9．04 0．39 0．57 1．68 0．40 66．5 0．80 1．60 1．60 － 10．1．6 氧气顶吹转炉的供氧特性 氧气顶吹转炉炼钢法，是以高压氧气（6×105～15×105Pa）从熔池上方向熔池强制供氧进行的。由于经喷头而获得的高速氧气射流与金属熔他的直接作用，引起了熔池内的特殊运动，从而构成了氧气顶吹转炉炼钢具有元素氧化快、吹炼时间短、操作不当易引起喷溅等基本特点。而由于喷头类型和孔数、氧枪与熔池面的距离或其它供氧参数的不同，将带来不同的吹炼特点。因此，供氧在氧气转炉炼钢过程中起主导作用，对整个吹炼过程的控制及各项技术经济指标都有重大影响。因此，必须了解氧气射流与熔池作用的基本规律。
（1）氧气射流由喷嘴喷出后的运动规律。
当气体流股由喷嘴射出后，流动的气流与周围静止的气体介质相接触，由于运动气流的负压作用（流股内的静压低于外界静止气体的静压）和气体本身的粘性作用，邻近流股周围的静止气体质点逐渐被卷入流股内部，使气体流量逐渐增大，而流速却逐渐减小。距喷口越远，被卷入的气量就越多，使流股截面逐渐增大，而各截面上的压力和速度则逐渐减小。且边缘速度又比中心速度降低得快，使流股边界形成一锥体形，如图10-12所示（见教材p．169上）。以上为自由流股运动的基本规律，而氧气流股在转炉炉膛内的运动状况却要复杂得多，但仍可用自由流股的规律来对氧气射流进行分析，作相对比较。
（2）氧气流股与熔池间的作用。 氧气流股从喷嘴喷出后，以一定速度冲击熔池，引起熔池内金属液的循环运动，起到机械搅拌的作用。搅拌作用的强弱和均匀程度，与氧气射图流对熔他的冲击状况和熔他的运动情况有关，一般以熔池产生的冲击深度和冲击面积来衡量。由自由流股的运动规律可知，距喷孔出口越远，流股的冲击力越小，而截面越大。当距离一定而改变气流压力时，也将产生类似的效果。因此，枪位（即喷
孔至液面的距离）和使用氧压是影响冲击压力（冲击深度）和冲击面积的主要因素。
所谓冲击深度和冲击面积，是指氧气射流冲击到熔池面上，当射流压力大于维持液面静平衡状态的炉内压力时，渣层被吹开，并把铁水挤开而形成凹玩。凹坑的上沿面积即称为冲击面积，而凹坑的最底点到熔池表面的距离，称为冲击深度。
随着氧压和枪位的不同，氧流对金属熔池产生的冲击深度和冲击面积也就不同，因此金属液的循环运动也有所不同，从而使吹炼效果也有差别。
当枪位较低或使用较高氧压时，氧流对液面有较高的冲击压力，金属液被冲击成一深坑，如图10-13a（见教材p．169下）。此时，氧流作用区（冲击面积）较小，一部分金属液被粉碎成液滴，从深坑中沿切线方向喷溅出来，逸入熔池上面空间被大量氧化，然后又被卷入熔他，使熔池受到强烈的搅拌而进行着循环运动。这种情况称为“硬吹”。
在“硬吹”清况下，由于金属液的强烈循环运动，加速了金属熔池的氧化，脱碳速度增加。但此时渣中氧化铁含量低，对化渣不利。
当枪位较高或使用较低氧压时，氧气流股对液面的冲击力较低，金属液被冲击成一个浅坑，如图10-13b，而冲击面积较大。被击碎的钢液的循环运动较弱，较平稳。这种情况称为“软吹”。
在“软吹”情况下，由于熔池搅拌较弱，因而金属液的氧化减慢，脱碳速度降低。但此时渣中氧化铁含量较高，有利于化渣。
但必须指出，硬吹和软吹是相对而言的，并没有严格的划分界线。
氧气顶吹转炉中，金属熔池的循环运动和搅拌状况，除决定于氧气流股的作用外，碳-氧反应的作用也是极重要的。根据计算，在脱碳反应剧烈时期，每秒钟生成的CO气体体积超过熔池体积的2．0～2．5倍，这样大量的气体从熔池中排出，是增强熔池搅拌的更大推动力。
在氧气射流冲击和CO气泡上浮的联合作用下，引起氧气流股与金属、炉渣之间的相互破碎，因而在熔池上部造成金属、炉渣和炉气三相的剧烈混合，部分金属液滴和气泡可悬浮于渣相中，形成泡沫或三相乳化现象。由于乳化现象，极大地增加了炉渣-金属间的接触面积，加决了金属与炉渣间的传质，使吹炼反应加速进行。
10．1．7 氧气顶吹转炉炼钢过程及熔池内的变化
（1）一炉钢的操作过程。图10-14（见教材p．170）为氧气顶吹转炉操作过程的示意图。
l）上炉出钢倒渣后，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）装入废钢和兑入铁水后，摇正炉体，下降氧枪并同时加入第一批渣料（石灰、萤石、氧化、铁皮、矿石），其量约为总渣量的2/3～1/2。当氧枪降至规定枪位时，即调至规定氧压开始吹炼。
当氧流与熔池面接触时，产生C、Si、Mn的氧化，称为点火。点火后几分钟，初渣形成并覆盖于熔池面。随着Si、Mn、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，此时应适当降低枪位高度。
3）吹炼中期脱碳反应剧烈，渣中氧化铁降低，使炉渣熔点增高和枯度加大，并可能出现稠渣（即返干）现象。此时应适当提高枪位，并可分批加入铁矿石和第二批渣料，以提高渣中氧化铁含量，并调整炉渣。必要时，可加少量萤石调整
炉渣流动性，防止产生严重的金属喷溅。
4）吹炼末期，脱碳速度减弱，火焰变短而透明。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。
判定终点后，提升氧枪并停止供氧，倒炉进行测温和取样。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，即可出钢。在出钢过程中，向盛钢桶内加入铁合金，进行脱氧和合金化。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（从装入钢铁料至倒渣完毕）称为冶炼周期，一般为20～40分钟。其中吹入氧气的时间，称为供氧时间或纯吹炼时间。冶炼周期与炉子吨位的大小和采用的工艺有关。
（2）吹炼过程熔池内金属、炉渣成分和温度的变化。
由于高速氧气流直接对金属熔他的作用以及三相乳化现象的产生，使转炉内各种物理化学反应迅速进行，熔池内各种成分发生剧烈变化。虽然由于原材料条件的不同，炉子容量大小的不同，炉内的变化也将有所不同，但其基本变化规律是相同的。
氧气顶吹转炉吹炼过程中，碳的氧化过程明显的分为三个阶段：吹炼前期，脱碳速度缓慢，其速度随吹炼时间的延长而几乎成直线增加；吹炼中期，脱碳迅速，其速度达最大值，且几乎不变；吹炼后期，脱碳反应衰弱，其速度随吹炼时间而直线下降。如图10-15所示。据此，可将整个吹炼过程分为三期来描述。
第一期即吹炼前期，由于Si、Mn含量较高，熔池温度又较低（通常在1500℃以下），故一开吹，Si、Mn即优先于C而剧烈氧化，直至很低含量继续吹炼不再氧化。而碳的氧化则受到抑制，但随Si、Mn含量的降低，熔池温度迅速上升，脱碳速度逐渐增大，见图10-16（见教材p．171下右）。
与此相对应，此时渣中含有较高的SiO2（可高达30%）、MnO和FeO。随着温度的升高，石灰熔化，渣中CaO不断升高，SiO2含量相对降低，炉渣碱度迅速提高，故前期钢中的P即可被大量氧化，含量迅速降低；而S则变化不大。
第二期即吹炼中期，此时金属中的Si、Mn含量已很低，熔池温度也已上升到1500℃以上，故脱碳反应剧烈进行。同时，由于泡沫渣和乳化液的形成，加速了传质过程，使脱碳速度达最大值且几乎为定值、此时不仅吹入的氧全部消耗于碳的氧化，而且渣中的（FeO）也被消耗于脱碳，因而使渣中（FeO）含量降低（见图10-15），这将引起部分锰和磷自渣中返回到钢液中（即发生回锰和回磷）。另一方面，由于此时熔池温度较高，碱度增大，渣中氧化铁又较低，再加上碳的氧化反应对钢、渣的强烈搅拌作用，均有利于脱硫反应的进行，因此，钢中硫 含量明显下降。
在这个阶段，脱碳速度显然受供氧强度的限制。供氧强度越大，脱碳速度也就越大。
第三期即吹炼后期，此时金属液的含碳量已降低到0．5％以下，脱碳速度减小，并随吹炼时间的推移而直线下降。随着钢液中［C］浓度的下降，钢中的［O］及渣中（FeO）浓度相应增加，使钢液中的P、Mn再次被氧化而含量降低。同时，由于温度高，炉渣碱度高、流动性好，故后期硫含量下降。
至于金属熔池中含氮量的变化规律，也与脱碳反应有密切关系。如图10-17所示（见教材p．172），吹炼初期，随脱碳反应的进行，钢中［N］含量下降，因为脱碳反应产生的CO气泡中氮气分压近于零，故钢中氮析出将进入CO气泡中；随其一起被排除。因此，脱碳速度越快，终点氮含量就越低。在吹炼中期，
脱碳在冲击区附近进行，该处金属液滴表面形成的氧化膜使钢中氮的扩散减慢；同时，熔池内产生的CO气泡少了，相应地也减少了脱氮量，故吹炼中期脱氮停滞。在吹炼末期，由于脱碳效率显著降低，废气量减少，故从炉口卷入的空气量增多，使炉气中氮分压增大，因而停吹前2～3分钟时出现增氮现象。
10．1．8 氧气顶吹转炉吹炼过程的控制
为了保证吹炼反应在最佳条件下进行，缩短吹炼时间，达到所要求的钢水成分和温度，确保其质量，并提高收得率和炉龄，必须正确地执行一系列的操作制度。
（1）装入制度。 每炉装入铁水和废钢的数量称为装入量。氧气顶吹转炉不用外来热源，是依靠铁水物理热和铁水中杂质元素氧化反应生成热来提供热量的。因此，其铁水和废钢的合理配比需根据炉子的热平衡来确定，绝大多数情况下，铁水的配比在75～90％之间。同时，还应有合适的装入量。装入量过大，喷溅增加，因而迫使供氧强度降低，熔池搅拌不好，造渣困难，炉衬寿命降低等；装入量过小，则产量减少，同时因熔他过浅，炉底可能受到氧气射流的冲击，甚至被损坏。因此，每座转炉都必须有合适的装入量。目前，国内外氧气顶吹转炉 装入制度有三种：
l）定量装入： 在整个炉役期内，保持每炉的装入量不变。其优点是便于稳定操作、组织生产和实现过程自动控制。缺点是容易造成炉役前期装入量偏大而熔池偏深；炉役后期装入量又偏小而熔池偏浅。炉容量越小，炉役前后期的炉容积差别越大，故此法适用于大型转炉。
2）定深装入： 在整个炉役期内，保持每炉的金属熔池深度不变。其优点是氧枪操作稳定，有利于提高供氧强度和减少喷溅，可充分发挥转炉的生产能力。缺点是装入量和出钢量变化频繁，采用模铸时难于配合，而对采用连铸的车间，此法则有其优越性。
3）分阶段定量装入： 在一个炉役期内，按炉膛容积的扩大程度划分为几个阶段，每个阶段实行定量装入。此法大体上保持了比较适当的熔池深度，也保持了装入量的相对稳定，既满足了吹炼工艺的要求，也便于组织生产，为国内各厂普遍采用。
（2）供氧制度。 供氧制度是控制氧气转炉炼钢操作的关键制度。其内容包括选择合理的喷头类型和尺寸，确定恰当的供氧强度，采用适宜的喷枪高度与工作氧压。当喷头的类型和尺寸确定后，吹炼过程中能够调节的供氧参数是枪位与工作氧压。供氧的主要工艺参数：
1）供氧强度： 指单位时间内每吨金属的供氧量，单位为m3／t· min。
氧气流量（m3/min） 供氧强度=
金属装入量（t）其中，氧气流量为单位时间内向熔池供氧的数量，它是根据吹炼每吨金属的耗氧
量、金属装入量和供氧时间来决定的。即
每吨金属需氧量（m3/t）金属装入量（t） 氧气流量=
供氧时间（min）每吨金属的需氧量，可根据铁水成分、废钢比、冶炼钢种、矿石或氧化铁皮的加入量、氧的利用率等来确定。一般每吨金属实际耗氧量为50～60m3。供氧时间与炉子容量、冶炼钢种、原料条件、造渣制度等有关。国内30吨转炉采用三
孔喷枪，一般供氧时间为14～16分钟。目前国内外氧气顶吹转炉的供氧强度，一般波动在3～4m3／t，min之间。
2）氧压： 是指喷头进口处的设计压力，其单位为Pa。当喷头尺寸及氧流量确定后，氧压也就确定了。在供氧操作中所指的氧压为使用氧压（P用）。它是在离喷头前一定距离的测定点测得的，一般允许P用偏离设计氧压＋20％。氧压过高，不但喷溅增加，而且炉衬上部和炉底易损坏；氧压过低，则搅拌弱，氧的利用率低，渣中氧化铁含量过高，也会引起喷溅。生产中变用的氧压通常为（6～15）×105Pa。
3）喷枪高度： 指氧枪喷头出口端距静止金属液面的高度，单位为mm。吹炼过程中，由于金属液面的实际高度频繁地变化，至今仍无法准确测定。因此，生产中喷枪高度的确定，一般是先根据经验公式确定其变动范围，然后再根据操作效果加以校正。
当喷头结构确定以后，在生产中可通过调节氧压和枪位来使熔池得到合适的冲击深度和冲击面积，以满足吹炼工艺的要求。因此，实际生产中的氧枪操作就是指调节氧压或枪位。其方式主要有三种：恒枪变压；变压变枪和恒压变枪。目前，我国广泛采用的是恒压变枪操作。即在吹炼一炉钢的过程中，氧压保持不变，通过调节枪位的变化来满足吹炼工艺的要求。图10-18所示为某厂30吨转炉氧枪操作图，其氧压为8×105Pa，流量为4800m3／h。
（3）造渣制度。 炉渣是炼钢过程的必然产物，并参与冶金反应，如脱P、脱S主要是通过炉渣来完成的。因此，必须控制好成渣过程，使炉渣具有去除P、S所要求的物理、化学性质。同时，炉渣还应具备对炉衬的侵蚀最轻；尽可能不引起喷溅，并要求保证终点钢水氧化性适当；随炉渣损失的金属最少等性质。可见，造好渣是炼好钢的基本保证。造渣制度的具体内容是加入造渣材料的种类，数量和时间，并要与相应的供氧制度和温度制度相配合。
1）炉渣碱度和石灰加入量的确定： 炉渣碱度是炉渣去除P、S能力大小的主要标志。其控制范围应根据铁水中P、S含量和所炼钢种对P、S的要求，以及最少侵蚀炉衬等因素来确定。国内氧气顶吹转炉，在原料含P、S较高或冶炼低P、S钢种时，终渣碱度一般控制在3以上。
石灰加入量是根据铁水中Si、P含量和终渣碱度确定的。当采用单渣法操作、以废钢作冷却剂时，石灰加入量可按下列公式计算：
A 当铁水含磷较低时，用R%CaO 表示碱度，则
%SiO2 石灰加入量=
2．14[%SiO2]R1000， kg/t
%CaO有效式中 系数2．14为
SiO2602．14 Si28 %CaO有效——石灰中的有效CaO，
%CaO有效%CaO石灰R%SiO2石灰
B 当铁水含磷较高时，用
R%CaO 表示碱度，则
%SiO20．634%P2O5 石灰加入量=
2．14[%Si]2．30．920．634[%P]R1000
%CaO有效2．14[%Si]1．34[%P]R1000 ，kg/t
%CaO有效P2O51422．3 2P62 =
式中 系数2．3为
600．634 1420．92——铁水中磷的平均入渣率。
当用白云石造渣时，应酌情减少一部分石灰量。而当用矿石作冷却剂时，则应补加石灰以中和脉石中的SiO2。其计算方法为： 5 系数0．634为 1． 石灰加入量=
R%SiO2矿石%CaO有效， kg/kg矿
2）成渣速度： 炼钢过程中，用石灰造碱性渣去除P、S，石灰的熔
化是成渣过程的关键。尤其是氧气顶吹转炉，吹炼时间短，全部冶金反应仅在20分钟左右完成，要求石灰应迅速熔化，形成有一定碱度、一定成分和数量、流动性良好的炉渣。所以，快速成渣是转炉造渣制度的核心问题。成渣速度主要取决于石灰的熔化速度。影响石灰熔化速度的主要因素有以下
A 炉渣成分 渣中（FeO）对石灰的熔解速度有重要影响，它是石灰的基本熔剂。因（FeO）能显著降低炉渣粘度，改善炉渣向石灰缝隙浸透的条件，利于FeO在石灰中的扩散，并与CaO形成低熔点化合物，促进石灰的熔化。在实际生产中，渣中（FeO）含量主要通过调节喷枪高度来控制。可见供氧操作对成渣速度的重要作用。此外，渣中有一定量的MnO、MgO也将改善炉渣流动性，利于石灰熔化。
B 石灰质量 石灰熔化速度还与石灰本身性质有关。要使石灰尽快地吸收FeO，则要求石灰具有较强的反应能力。而反应能力与反应表面积成正比。所以石灰的气孔率要高，快度要小而均匀。20世纪60年代发展起来的活性石灰，具有体积密度小、气孔率高、比表面积大、晶粒细小等特点，反应能力强，是氧气转炉炼钢比较理想的造渣材料。采用活性石灰造渣，是目前国内外发展的方向。
C 助熔剂的作用 由于CaF2与CaO能形成低熔点共晶体，因此炼钢中用萤石作助熔剂。用萤石帮助化渣可不降低炉渣碱度，但用量过大渣子太稀，将严重侵蚀炉衬，同时也不经济。转炉采用矿石和氧化铁皮作冷却剂时，它们也起到了促进化渣的作用。
3）渣料的加入方法： 合理地确定渣料的加入时间和批数，对化渣速度有较大影响。对单渣操作，渣料一般分两批加入。第一批占渣料总数的一半以上，在开氧时同时加入；其余作为第二批渣料，一般在Si、Mn氧化基本结束、头批
渣料己化完、碳焰初起时加入。
4）造渣方法： 常根据铁水成分和所炼钢种要求来确走造渣方法。目前，国内使用的造渣方法有单渣、双渣和双渣留渣法三种。
A 单渣法 整个吹炼过程中，不倒渣、不扒渣。适用于P、S、Si含量较低的铁水，或对P、S含量要求不高的钢种。此法操作简单，冶炼时间短。
B 双渣法 在吹炼过程中需倒出或扒出部分炉渣（约1／2～2／3），然后重新加渣料造渣。该法适用于铁水含Si＞1．0％或含P＞0．5％，或原料含P＜0．5％但要求生产低磷的中、高碳钢，以及需在炉内加入大量易氧化元素的合金钢时采用。此法优点是脱P、S效率高，避免了大渣量引起的喷溅。
C 双渣留渣法 将双渣法的高碱度、高氧化铁、高温、流动性好的终渣留一部分在炉内，然后在吹炼第一期结束时倒出，重新造渣。其优点是可加速下炉吹炼初期渣的形成，提高前期去P、S的效率，同时可减少石灰消耗：该法适用于吹炼中、高磷铁水（P＞＝1．0％）。缺点：容易造成大喷，不容易操作。
5）顶吹转炉的喷溅： 喷溅是氧气顶吹转炉炼钢中的一种非正常现象，特别是爆发性大喷，是炼钢的一种恶性事故。喷溅将会造成大量铁损，并使热损增加，甚至造成人身设备事故等，直接影响车间的技术经济指标。因此，转炉操作中防止喷溅是十分重要的。在转炉吹炼过程中，由于喷溅强度的变化基本与脱碳速度相一致。碳氧化速度最大时，熔他的液面高度达最大值，喷溅强度也最高。因此，为了防止喷溅，总的方向是：要采取措施促使脱碳反应在吹炼时间内均匀地进行，减轻熔池的泡沫化，降低吹炼过程中液面高度及其波动。
（4）温度制度。 温度制度主要是指合理控制一炉钢的过程温度及终点温度。控制过程温度的目的是使吹炼过程升温均衡，保证操作顺利进行；终点温度控制的目的，是保证合适的出钢温度。
吹炼任何钢种，对终点温度范围均有一定要求。如果出钢温度过低，将会造成短锭，甚至回炉处理。若出钢温度过高，将会导致钢中气体和非金属夹杂物增加，并使炉龄降低；在浇注沸腾钢时，还会因注温过高而产生不沸腾现象，出现整炉废品。因此，控制好终点温度是炼钢操作的重要环节之一，而控制好过程温度则是达到合适终点温度的关键。
1）热量来源： 氧气顶吹转炉炼钢法热量的来源，主要是铁水物理热和铁水中杂质元素氧化反应放出的大量化学热。这些热量除了能满足出钢温度要求（包括抵偿炼钢过程的热损失）外，还有富余，因此必须加入一定数量的冷却剂，才能使终点温度控制在一定范围内。另外，氧气转炉的升温速度很快，兑入炉内的铁水温度一般为1200～1300℃，经十几分钟吹炼，钢液温度就可达1640～1670℃，平均每分钟升温20～30℃。
为了控制吹炼温度，必须了解铁水中各元素的发热能力。根据研究与计算，可知在炼钢温度下，每氧化一公斤元素熔池吸收的热量和氧化1％的元素使熔池的升温数。见表10-4。
表10．4 氧化lkg元素熔池吸收的热量（kJ）及氧化1％元素使熔池升温度数（℃）
A 氧气吹炼与空气吹炼相比碳的发热能力提高一倍以上，其它元素的发热能力也提高将近一倍。 这就是氧气顶吹转炉热效率高并有富余热的原因。
B 碳的发热能力随其燃烧的完全程度而异。 完全燃烧时的发热能力比Si、P高。但在氧气顶吹转炉中，一般只有15％左右的碳完全燃烧生成CO2，而大部分没有完全燃烧。只是因为铁水中碳含量高，因此，碳仍然是主要热源，在化学热中占一半左右。
C 发热能力大的是Si和P， 它们是转炉炼钢的主要发热元素，而Mn和Fe的发热能力不大，不是主要热源。
还应指出，铁水中究竟哪些元素是主要发热元素，不仅要看它氧化后的热效应大小，而且还决定于该元素的氧化总量。
2）出钢温度的确定： 一般是根据生产条件和经验来确定合适的出钢温度。主要考虑以下原则：
A 所炼钢种的凝固点。可根据钢种的化学成分计算而得。钢液中含有其它元素愈多，则钢的熔点愈低。各元素使铁的凝固点的降低值如表10-5所列（见教材p．177）。
B 合适的浇注温度。 一般要求开浇温度应高于所炼钢种凝固点约50一100℃。小炉子偏高些，大炉子则偏低些。
C 出钢过程和镇静过程的温降， 一般出钢时间长钢水温降大，钢包容量大则降温少。
D 所浇钢锭锭型大小。 若浇小锭时，出钢温度要偏高些。 E 浇注方法。 连注比模注出钢温度要高些（一般高20～50℃）。
表10-5 溶解于铁中的元素为1%时，纯铁凝固点的降低值
注：钢中残存的气体（氢、氮、氧）能使纯铁凝固点下降2℃左右，而它们与其它元素在一起时，又能再综合降低纯铁凝固点约5℃。因此，由于气体的影响将使纯铁凝固点下降7℃左右。
3）过程温度的控制： 吹炼过程的温度主要通过调节冷却剂的加入量来控制。要做到确保吹炼过程的温度能满足快速成渣和去除P、S等杂质的要求；使吹炼平稳，喷溅少；协调好熔池升温和脱碳速度的关系，以达到准确控制终点的目的。
常用的冷却剂有：废钢、铁矿石和氧化铁皮。它们可单独使用，也可互相搭配使用。也有用石灰石或石灰作冷却剂的。若加白云石造渣，也可起到冷却剂的作用。
采用废钢作冷却剂的优点是：杂质少，可减少成渣量；对冶炼过程影响小，喷溅少；冷却效果稳定，便于控制熔池温度，可放宽对铁水含硅量的限制；并可提高产量，降低成本。我国生铁价格约比废钢高一倍。因此，增大废钢比是降低钢的成本的有效措施。用废钢作冷却剂的缺点是：增加装料时间，影响生产率。如无专门装料设备，在吹炼过程中不宜用来调整温度。
用矿石作冷却剂的优点是：加料不占用吹炼时间；有利于快速成渣和去磷；可降低氧耗和钢铁料消耗；在吹炼过程中调节温度比较方便。其缺点是：矿石成分常有波动，冷却效果不稳定；生成的渣量大；一次加入过多易引起喷溅。
氧化铁皮是轧钢的铁屑，作冷却剂用时，其冷却效果比矿石稳定；杂质少，生成的渣量少。但应烘烤后使用，否则将影响钢的质量。
从以上分析可知，采用废钢冷却效果最好。但为了促进早化渣，增加脱磷效果，可搭配使用一部分矿石或氧化铁皮。
为合理的确定冷却剂用量，必须掌握各种冷却剂的冷却效应。所谓冷却效应，是指为加热冷却剂到一定的熔池温度所消耗的物理热与冷却剂发生化学反应所消耗的化学热之和。如矿石的冷却效应，是指将矿石加热到熔池温度所吸收的热量和矿石中Fe2O3分解所消耗的热量的总和。表10-6为常用冷却剂的冷却效果比较（假设普通低碳废钢的冷却效果为1）。
表10-6 不同冷却剂的冷却效果 冷却剂 与废钢相比的冷却效果 加入1%冷却剂的金属温度降低值，℃ 废钢 1 8．5～9．5 铁矿石，氧化铁皮（90％4～4．5 35～40 作用） 石灰石 ～4．25 34～38 冷却剂的用量与许多因素有关，在使用电子计算机的条件下，可通过制定物料平衡和热平衡的方法迅速而准确的计算出来。但在实际生产中，目前仍是根据各厂实际经验数据来掌握。
（5）终点控制。 终点控制的基本目的，是在吹氧结束时使金属的化学成分和温度同时达到出钢要求。
磷、硫的去除通常比脱碳复杂，因此，总是尽可能让磷、硫提早去除到终点所要求的范围。这样，终点控制就简化为熔池含碳量和温度的控制，使终点碳达到要求时，熔池温度也同时达到要求。
转炉炼钢终点控制一般有两种不同的方法，即“拉碳法”和“增碳法”。“拉碳法”是在熔池含碳量达到出钢要求时停止吹氧，即吹炼终点时，不但钢液的磷、硫和温度等符合出钢要求、而且钢液中的碳加上铁合金所带入的碳之后，也能符合钢种的规格，不需专门向金属追加增 碳剂增碳。“增碳法”是在吹炼平均含碳量大于或等于0．08％的钢种时，一律采取吹到0．05～0．06％碳时停吹，然后按照所炼钢种的规格，在盛钢桶内增碳。
（6）脱氧与合金化。加入某一种或几种合金元素，使其在钢中的含量达到钢种规格的操作过程，通称合金化。实际上脱氧与合金化是同时进行的。加入钢
中的脱氧剂一部分消耗于钢的脱氧，转化为脱氧产物而排除，另一部分则为钢液吸收，起合金化的作用。而加入钢中的合金元素，因其与氧的亲和力多半比铁强，也必然起一定的脱氧作用。因此，在实践中没有必要也不大可能将脱氧和合金化、脱氧元素和合金元素截然分开。
脱氧和合金化是吹炼过程的最后一个操作工序。主要是根据钢种规格选择合适的脱氧剂，确定其加入量及加入方法，使脱氧程度和成分含量均达到钢种要求。其加入量的计算如下： 铁合金加入量 （kg/炉） 出钢量（kg）%Me铁合金合金元素收得率[%Me]规格中限[%Me]残余合金元素收得率，因所炼钢种及加入方法不同而有所区别。一般钢种，在钢包内脱氧时，合金回收率通常按硅铁70～75％、锰铁75～80％考虑。
脱氧的操作方法， 一般有两种：
A 钢包内脱氧和合金化 全部脱氧剂及合金元素均在出钢过程中加到钢包内，故出钢时应尽量避免下渣，沸腾钢、半镇静钢以及镇静钢的大多数钢种，均采用此法。
沸腾钢是脱氧不完全的钢，故仅用锰铁在包内进行脱氧，同时可加适量铝以调节钢水氧化性，保证浇注时模内正常沸腾。
半镇静钢则根据其类型不同，可在包内加锰铁、硅铁、铝脱氧或包内仅加锰铁、硅铁脱氧，而在浇注过程中再用铝调整。
镇静钢在包内进行脱氧与合金化时，为充分发挥脱氧元素的作用，并生成低熔点的脱氧产物，便于其聚合长大后上浮排除，要求脱氧剂的加入次序必须是：先加脱氧能力弱的，后加脱氧能力强的。一般顺序为：锰铁 → 硅铁（或硅锰合金） → 铝 → 铌铁 → 钒铁 → 钛 → 硼铁。
包内脱氧和合金化，其优点是合金收得率高，回磷量少，且有利于提高炉子生产率和延长炉龄。但因温度条件差，不宜加入大量合金。
B 炉内预脱氧、合金化。 吹炼终了先在炉内加部分脱氧剂进行预脱氧，然后在钢包内进行终脱氧，而合金元素则基本上在炉内加入。在预脱氧前必须倒掉大部分终点渣，并加入石灰稠化炉内剩余的渣子，以减少回磷。为使加入的合金元素尽快熔化，并均匀其成分，一般要求摇炉助熔或高枪点吹。此法仅适用于镇静钢。
炉内预脱氧广泛采用的脱氧剂是铝。因铝脱氧效率高，且脱氧产物A12O3
不易被钢水润湿，易从钢中排出。
炉内预脱氧的优点是：可加入更多的合金，特别是一些难熔的合金；因在炉内脱氧，脱氧产物易于上浮，钢中夹杂物少。其缺点是：冶炼时间长，合金收得率低以及回磷量大等。
10．1．9 氧气顶吹转炉吹炼过程的自动控制
氧气顶吹转炉炼钢周期很短，通常为20～40分钟，其中纯吹炼时间仅为15～20分钟左右；高温冶炼过程极为复杂，控制和调节的参数很多，加之炉容量不断扩大，单凭操作人员的经验来控制冶炼过程已不能适应生产发展的需要。随着电子计算机及检测技术的迅速发展，1959年美国琼斯·劳夫林钢铁公司，首先利用模拟电子计算机对顶吹氧气转炉的耗氧量和冷却剂进行了计算。最初利
用电子计算机，仅仅是以控制转炉终点为目的。随着计算机主体及外围设备的发展，现在已被用于对冶炼过程进行全面控制，并与转炉操作密切结合起来。
实践表明，应用计算机控制炼钢过程，可显著改善和稳定产品质量；提高劳动生产率；降低原材料消耗以及节省劳动力和改善劳动条件。
计算机控制系统，大致可分为两种形式，即静态控制和动态控制。
（1）静态控制。 在吹炼开始前，确定物料平衡和热平衡的基础关系公式（可根据理论计算或统计分析、或两者综合计算所得的关系式）。根据公式用电子计算机进行装料计算，然后按计算结果进行装料和吹炼。在吹炼过程中不作任何测试和修正。这种控制方法称为静态控制，是一种预测控制方法。
（2）动态控制。 在吹炼前与静态控制一样先作装料计算。在吹炼过程中，借检测仪器测出钢液温度和成分、废气温度和成分、造渣情况等连续变化的信息，对终点进行预测和判断，从而调整和控制吹炼参数，使之达到规定的目标。
与静态控制相比，动态控制具有更大的适应性和准确性，可实现最佳控制。动态控制的关键在于吹炼过程中快速、正确、连续地获得熔他的各个参数，尤其是熔池的温度和碳含量这两个重要参数。
目前，采用测温定碳副枪进行动态控制的方法，已得到普遍重视。所谓副枪，是指在氧枪的一侧设置一水冷枪，枪头上装置了可更换的测定温度和碳含量的探测器，如图10-19所示（见教材p．180）。
测温定碳探头的结构如图10-20所示（见教材p．180），测温是用露在外部的快速热电偶来进行的，定碳是利用结晶走碳方法。在探测器内有一个装了热电偶的样杯，测量时，副枪下降，探头进入钢水，先测出熔池温度，同时钢液进入样杯内，在副枪迅速上升时，样杯内的热电偶测出了杯内钢液的结晶过程曲线，然后由起始结晶温度迅速判断钢水的含碳量。
10．2 氧气底吹转炉炼钢
氧气底吹转炉是在空气底吹转炉（托马斯炉）基础上又发展起来的。开始出现于欧洲，西欧的主要产钢国家德国、法国、比利时、卢森堡等，用本地区富产的褐铁矿冶炼的高磷生铁为原料进行吹炼。为了克服托马斯炉所炼钢中氮、磷、氧等含量高的缺点，曾进行过一系列的改进和研究，如用富氧空气或混入CO2、水蒸气等气体的富氧空气，均未得到满意的结果。1952年氧气顶吹转炉在奥地利投产，促使这些国家探索在托马斯炉上采用氧气炼钢的可能性。底吹转炉采用纯氧吹炼，存在的主要问题是喷嘴的寿命问题。1967年，德国马克西米利安公司与加拿大莱尔奎特公司共同协作，试验成功底吹氧气转炉炼钢。采用同心套管结构的喷嘴，其内管用铜管，通入氧气；铜管外面套无缝钢管，内外管间环缝通入碳氢化合物；利用包围在氧气外面的碳氢化合物的裂解吸热和形成还原性气幕，来冷却保护氧气喷嘴。此法命名为OBM法（Oxygen Bottom Blowing Method）。与此同时，比利时、法国都研制成功了与OBM法相似的工艺方法。法国采用液态燃料油作氧气喷嘴的冷却介质，命名为LWS法。1971年，美国合众钢铁公司引进OBM法对平炉进行改造，并采用喷石灰粉吹炼含磷铁水获得成功，命名为Q-BOP法（Quiet Basic Oxygen Process）。Q-BOP法的试验成功，为底吹转炉的发展开辟了广阔前景。
氧气底吹转炉与顶吹转炉相比较，在炉底耐火材料寿命、喷嘴的维护以及由于吹入碳氢化合物造成钢中含氢量增加等方面，还存在一定的问题。但设备投资低，并适宜于吹炼高磷铁水和对平炉及托马斯炉的改造。我国从1973年开始，先后在唐钢、马钢、首钢等厂的5～8吨转炉上，分别进行了用石灰块和喷石灰粉造渣的氧气底吹转炉炼钢试验，采用轻柴油作喷嘴冷却剂。目前，国外氧气底吹转炉最大容量为250吨（日本川崎钢铁公司千叶厂），供氧强度达3．6m3／t·min。
10．2．1 氧气底吹转炉设备
氧气底吹转炉的炉体结构与氧气顶吹转炉相似，其差别在于前者装有带喷嘴的活动炉底，同时耳轴结构比较复杂，是空心的并有开口，通过此口将输送氧气、保护介质和粉状熔剂的管路引到炉底与分配器相接。另外，因底吹转炉喷溅少，故其炉容比较小，一般为0·6m3／t；炉壳高宽比约为1．0～1．1，几乎呈球形，如图10-21所示（见教材p．181左下）。
底吹转炉炉底包括炉底钢板、炉底塞、喷嘴、炉底固定件和管道固定件等，如图10-22所示（见教材p．181右下）
炉底塞为捣筑于炉底钢板上的耐火材料内衬，呈上小下大的塞状形。喷嘴安装在炉底塞上，当炉底塞打结耐火材料（或砌砖）时，在预定位置埋入钢管，开炉前将套管式喷嘴插入预埋钢管内，用螺纹活接头与炉底钢板连接。关于喷嘴的数目、直径和布置方式，目前还没有一致的定论。图10-23a、b为常见的两种啼嘴布置方式（见教材p．182上）。
套管式喷嘴结构如图10-24所示（见教材p．182左下）。喷嘴为直筒形，由内外两层金属管构成。其材料可用铜管、不锈钢管或碳素钢管。内管吹氧气或氧气加石灰粉的混合物；内外管之间的环缝通入保护介质。保护介质为气体或液体燃料，如丙烷、天然气、柴油、煤油等，其分子式可用CnH2n+2表示。为保持内外管间的环缝尺寸固定不变，并使保护介质均匀分布，可采用多种结构方式，如图10-25所示（见教材p．182右下）。
套管式喷嘴的工作原理是，高压氧气（6～10×105Pa）和保护介质喷入熔池后，流股将膨胀成舌状气袋（见图10-22）（见教材p．181）。氧气进入熔池时的速度为音速，气袋中心的速度最高，沿四周逐渐降低，至边缘处其速度趋于零。氧气离开舌状气袋时，将以气泡形式扩散到熔池内，并与金属液混合参加反应或为熔池吸收。保护介质喷出后，在靠近炉底处包围着氧气袋，并在高温作用下立即吸热裂解成碳和氢，其裂解反应通式为：CnH2n+2 = nC＋（n+1）H2—Q。裂解所生成的碳，一部分沉积于炉底，一部分进入熔池；另一产物氢，则一部分随CO气泡上浮排除，一部分被金属液吸收。保护介质对喷嘴和炉底所以能起到保护作用，一方面是因为它的裂解吸热而使喷嘴和炉底受到冷却；另一方面是由于它包围着氧气袋，使喷嘴附近氧与金属液的反应速度减慢所致。
在吹炼过程中，喷嘴始终淹埋在金属液内，故喷嘴随炉衬的消耗而消耗。 10．2．2 氧气底吹转炉吹炼反应特点
在底吹转炉冶炼中，氧气由分散在炉底上的数支喷嘴由下而上吹入金属熔池，因而使其具有与顶吹转炉明显不同的冶金特性。
（1）熔池搅拌强度剧烈，其搅动力要高于顶吹法10倍。即使在熔池含碳量降到很低时，由炉底吹入的氧流仍在剧烈地搅动熔池。因此，炉内反应的动力学条件优于其它炼钢方法。
（2）由于氧流分散而均匀地吹入熔池，同时又无较强的反向气流作用，因
此，吹炼过程平稳，气-渣-金属间产生强烈搅动、炉内反应迅速而均匀，渣-钢间反应更趋于平衡，渣中氧化铁含量低，吹炼过程基本不喷溅，氧的利用率高，为提高供氧强度、缩短冶炼时间创造了条件。
（3）由于氧气喷嘴埋在铁水下面，高温和面积较大的反应区在炉底喷嘴出口处附近，反应产物需穿过金属液后才能进入炉渣或炉气中，因此，上部渣层对炉内反应的影响较小。
图10-26（见教材p．183）为小型氧气底吹转炉吹炼高磷铁水时，熔池中各元素的变化情况。由图可见，吹炼前期硅、锰迅速氧化，但锰的氧化不完全，且在吹炼后期磷开始氧化时又被还原，其后又有所下降。由于脱碳速度快，前期渣中氧化铁低，故脱磷是在脱碳基本结束后（即吹炼后期）进行的。脱硫主要是在吹炼后半期高碱度炉渣形成后进行的。
底吹转炉中氧气由底部直接吹入熔他，熔池搅拌条件好，金属直接被氧 化，炉内反应的动力学条件极为理想。脱碳反应进行不受任何限制，此时吹入的氧几乎全部用于碳的氧化，因此渣中氧化铁低（平均为8～12％），不能脱磷。在碳氧化基本结束的吹炼后期，渣中氧化铁迅速升高，石灰迅速熔化，炉渣碱度升高，再加上底部吹入的氧流对熔池的强烈搅拌，具备了极好的脱磷热力学与动力学条件，因此底吹转炉后期能迅速脱磷。一般采用单渣法即可处理高磷铁水，这是顶吹转炉所不及的。
后期脱磷虽然是处理高磷铁水的有效方法，但后吹时钢中气体含量增加较快，不利于钢的质量。同时，不能用“拉碳法”控制碳含量，生产含碳较高的钢种时，必须采取在钢包内增碳的方法。底吹转炉能否实现前期脱磷，其关键是能否使前期渣具有一定的（FeO）和碱度。而采用在氧流中加喷石灰粉的方法，改善了化渣条件，成功地实现了底吹转炉的前期脱磷，这就是Q-BOP法的诞生。
随氧流一起向熔池喷入石灰粉，细粉状的石灰具有极大的反应表面，进入反应区即与大量的氧化铁迅速成渣。这种渣以非常细微的悬浮状态缓慢地上升到熔池表面，在上升过程中与磷反应生成稳走的磷酸钙，因而在吹炼前期即能迅速脱磷，使脱磷与脱碳同时进行。
底吹转炉中，由于搅拌条件好，改善了脱硫的动力学条件，渣中氧化铁含量又较低，因此脱硫率较顶吹转炉高。特别是采用Q-BOP法，喷石灰粉提前造渣后，更有利于脱硫反应的进行。
此外，当终点碳相同时，底吹钢水含氧量比顶吹转炉低，因而有利于扩大冶炼钢种，提高钢质，减少钢铁料和脱氧剂的消耗。
10．2．3 氧气底吹转炉与顶吹转炉的比较
顶吹与底吹比较，最突出的问题是顶吹时氧气射流对熔池搅拌不均匀。而氧气射流对熔池搅拌的均匀性是影响转炉吹炼强度和吹炼稳走性的主要因素。
氧气顶吹与底吹转炉炼钢法优缺点的比较，综述于表10-6。
表10-6“顶吹”与“底吹”转炉的比较 顶吹法 底吹法 1工艺简单 1搅拌能力大 2生产率高 2渣一金属间反应改善（P和S） 3废钢熔化率高，适应性强 3没有渣的过氧化，铁损失较少 4成渣易于控制 4合金回收率较高 5吹炼操作灵活 5氮含量较低： 6耐火材料寿命长 6喷溅少，烟尘生成少 7可脱碳加热 8在高含碳量下可较好脱磷 9氧流及其搅拌作用仅仅局部，而且不到冶炼结束 10 熔池成分、温度不均匀 11反应未达平衡 12临界状态下喷溅 13不能达到低于0．01％C 14终渣（FeO）高 15炉渣温度高（不适于脱磷） 16由于没有平衡，过程控制困难 7较易预热废钢 8高重复性 9废钢熔化能力较低（炉子热效率降低） 10炉底材料寿命低 11吹入气体量大 12喷嘴处保护气体吸热以及吸入氢气 13为前期去P，只有通过喷入石灰粉，因而工艺复杂
10．3 顶底复合吹炼转炉
氧气转炉顶底复合吹炼是20世纪70年代中后期国外开始研究的炼钢新工艺。它的出现，可以说是考察了顶吹氧气转炉与底吹氧气转炉炼钢方法的冶金特点之后，所导致的必然结果。所谓顶底复合吹炼炼钢法，就是在顶吹的同时从底部吹入少量气体，以增强金属熔池和炉渣的搅拌并控制熔池内气相中CO的分压，因而克服了顶吹氧流搅拌能力不足（特别是在碳低时）的弱点，使炉内反应接近平衡，铁损失减少，同时又保留了顶吹法容易控制造渣过程的优点，具有顶吹和底吹更好的技术经济指标（见表10-7、表10-8）（见教材p．185），成为近年来氧气转炉炼钢的发展方向。
早在20世纪50年代后半期，欧洲就开始研究从炉底吹入辅助气体以改善氧气顶吹转炉炼钢法的冶金特性。自1973年奥地利人伊杜瓦德（Dr．Eduard）等研试转炉顶底复合吹氧炼钢后，世界各国普遍开始了对转炉复吹的研究工作，出现了各种类型的复合吹炼法。其中大多数已于1980年投入工业性生产，到1981年底，世界上共有复合吹炼转炉81座。由于复吹法在冶金上、操作上以及经济上具有比顶吹法和底吹法都要好的一系列优点，加之改造现有转炉容易，仅仅几年时间就在全世界范围内广泛地普及起来。一些国家如日本已基本淘汰了单纯顶 吹法。
表10-7顶吹与顶底复合吹炼低碳钢成本比较
表10-8 50吨顶吹与顶底复合吹炼转炉指标比较
我国首钢及鞍钢钢铁研究所，分别于1980年和1981年开始进行复吹的试验研究，并于1983年分别在首钢30吨转炉和鞍钢150吨转炉推广使用。目前我国顶底复合吹炼转炉均采用惰性气体、中性气体搅拌熔池，透气砖的寿命有待进一步改进和提高。另外，因制氧机缺乏回收氩气系统，因而底吹气体采用全程吹
氮，发挥不出复吹的优点。所以，解决空气分离过程中回收氩气的问题已 是我国能否尽决发展顶底复合吹炼的关键之一。
10．3．1 顶底复合吹炼法的种类及其特征
顶底复合吹炼转炉，按底部供气的种类主要分为两大类：
（1）顶吹氧气、底吹惰性或中性或弱氧化性气体的转炉。 此法除底部全程恒流量供气和顶吹枪位适当提高外，冶炼工艺制度基本与顶吹法相同。底部供气强度一般等于或小于0．15m3/t·min，属于弱搅拌型。吹炼过程中钢、渣成成分变化趋势也与顶吹法基本相同。但由于底部供气的作用，强化了熔池搅拌，对冶炼过程和终点都有一定影响。图10-27a、b（见教材p．186）分别为顶吹和
复合吹炼转炉吹炼过程中主要元素的浓度变化。
（2）顶、底均吹氧的转炉。 20～40％的氧由底部吹入熔池，其余的氧由顶枪吹入。此法的供气强度可达2m3/t·min以上。
由于顶、底部同时吹入氧气，因而在炉内形成两个火点区，即下部区和上部区。下部火点区，可使吹入的气体在反应区高温作用下体积剧烈膨胀，并形成过热金属的对流，从而增加熔池搅拌力，促进熔池脱碳。上部火点区，主要是促进炉渣的形成和进行脱碳反应。另外，由于底部吹入氧气与熔池中金属发生反应，可以生成两倍于吹入氧气体积的CO气体，从向增大了吹入气体的搅拌作用。研究表明，当底部吹入氧量为10％时，基本上能达到纯氧底吹的主要效果；当底部吹氧量为总氧量的20～30％时，则几乎能达到纯底吹的全部混合效果。
顶、底复合吹炼法在上述两大类的基础上，根据底吹气体种类、数量以及渣料加入方法等的不同，又可组合成各种不同的复合吹炼法。各方法的名称及主要特征见表10-9。
10．3．2 顶底复合吹炼洁的冶金特点
（1）由于增加了底部供气，加强了熔他的搅拌力，使熔他内成分和温度的不均匀性得到了改善。
（2）由于搅拌力增强，改善了渣-金属间的平衡条件，减少了钢和渣的过氧化现象，提高了钢液中的残锰含量，降低了钢液中的磷含量，减少了喷溅。由图10-28和图10-29可看出（见教材p．188），金属中的碳氧更接近于平衡，特别！是在低碳时，对降低钢中的溶解氧有明显效果。这对冶炼低碳钢十分有利。不同复合吹炼法对降低钢中溶解氧量的能力均十分相似。
（3）通过改变顶枪枪位和顶底吹制度，可以控制化渣，有利于充分发挥炉渣的作用。
顶吹氧气转炉通过调整枪位可以使吹入的氧主要用于氧化碳，或主要用于氧化铁，从而控制炉渣的氧化性。当炉底吹入气体后，可通过调节底吹气体流量，达到控制炉渣氧化性及控制冶炼过程物理化学变化的目的。
早期的复合吹炼转炉，在操作控制上与传统的顶吹法大体相同。炉底供气仅仅是为了活跃熔池，供气量是恒定的，或是随供气元件工作状态改变而任其变化。但发展至今，底吹供气已成为控制吹炼的主要手段，而顶枪枪位变化的控制仅为辅助手段。图10-30（见教材p．189）为各种复吹方法底部供气强度和熔池混合时间的关系。由图可看出，底部仅吹情性气体或中性及弱氧化性气体搅拌时，供气强度一般小于或等于0．5m3/t·min；而使用氧气时其底吹强度较高。由图 10-30还可看出，采用底吹法时熔池混合时间约10秒左右；而顶吹法则需要100秒以上。因而足以说明顶吹法对熔池缺乏足够的搅拌，而底吹少量气体将会对熔池起显著的搅拌作用。
但是，采用顶底复合吹炼后，由于减少了Fe、Mn、C等元素的氧化放热，同时吹入的搅拌气体如Ar、N2、CO2等要吸收熔池的显热，以及吹入的CO2代替了部分工业氧，使熔池中元素氧化放热量减少，因此，复吹法熔池的富余热量减少。如不采取专门增加熔池热量的措施，将导致废钢装入量的减少，铁水用量增加。
10．3．3 底吹气体种类及供气元件类型 （1）底吹气体种类及其优缺点。
目前，用来作搅拌钢水的气体有O2、空气、CO2、N2及Ar等。
采用氧气搅拌，不论是用纯氧、氮与氧的混合物或空气，都需要用燃料（天然气、丙烷或油）来进行遮盖保护，以防止与耐火材料接触和起冷却作用。因而使供气元件结构比较复杂，并存在使钢增氢问题，尤其是将降低氧枪寿命及炉底寿命。因此，使用氧气搅拌的并不多，主要用在一些以氧气为载体喷吹石灰粉的方法中。若采用空气搅拌则还有增氮问题。
采用CO2气体搅拌，由于CO2与熔池中碳发生反应（CO2＋C→2CO），所以也是一种搅拌力较强的气体。采用CO2气不会恶化钢质，并具有一定的冷却作用，因此是应用较普遍的气体。由于CO2气体具有一定氧化性以及发生反应
时造成的压力波动，对炉底耐火材料具有一定程度的影响。特别是会相对引起熔池CO分压的增加，不利于超低碳钢的冶炼。另外，由于顶吹氧量的减少，使热效率降低，减少了废钢量。
采用氮作搅拌气体，无需遮盖保护，供气元件结构简单，对炉底耐火材料的蚀损小，而且价格比惰性气体Ar及弱氧化性气体CO2便宜，因而被广泛采用。但它将引起钢中[N]增加，采用全程吹N2时，即便用较小的供氮强度，钢中含［N］量也要增加30～50ppm。如果吹炼终了到出钢期间继续吹N2，则还将增加5～10ppm。
（2）供气元件的类型及特点。常用的供气元件有以下几类：
1）喷嘴型供气元件： 早期使用的是单管式喷嘴型供气元件。因其易造成钢水粘结喷嘴和灌钢等，因而出现由底吹氧气转炉引伸来的双层套管喷嘴。但其外层不是引入冷却介质，而是吹入速度较高的气流，以防止内管的粘结堵塞。实践表明，采用双层套管喷嘴，可有效地防止内管粘结。图10-31为双层套管构造。图10-32为采用双层套管喷嘴的复吹法。（见教材p．190上）
2）砖型供气元件： 最早是由法国和卢森堡联合研制成功的弥散型透气砖，即砖内由许多呈弥散分布的微孔（约100目左右）组成。由于其气孔率高、砖的致密性差、气体绕行阻力大、寿命低等缺点，因而又出现砖缝组合型供气元件。它是由多块耐火砖以不同形式拼凑成各种砖缝并外包不锈钢板而组成的（见图10-33）（见教材p．190下），气体经下部气室通过砖缝进入炉内。由于砖较致密，其寿命比弥散型高。但存在着钢壳开裂漏气，砖与钢壳间缝隙不匀等缺陷，造成供气不均匀和不稳定。
图10-33砖缝式供气元件 图10-34直孔型透气砖
与此同时，又出现了直孔型透气砖（图10-34）（见教材p．190下），砖内分布很多贯通的直孔道。它是在制砖时埋入许多细的易熔金属丝，在焙烧过程中被熔出而形成的。这种砖致密度比弥散型好，同时气流阻力小。
砖型供气元件，可调气量大，具有能允许气流间断的优点，故对吹炼操作有较大的适应性，在生产中得到应用。
3）细金属管多孔塞式： 最早由日本钢管公司研制成功的是多孔塞型供气元件（Mutiple Ho1e P1ug，简称MHP）。它是由埋设在母体耐火材料中的许多不锈钢管组成的（见图10-35）（见教材p．191），所埋设的金属管内径一般为φ0．1～0．3mm（多为φ1．5mm左右）。每块供气元件中埋设的细金属管数通常
为10～150根，各金属管焊装在一个集气箱内。此种供气元件调节气量幅度比较大，不论在供气的均匀性、稳定性和寿命上都比较好。经反复实践并不断改进，研制出的新型细金属管砖式供气元件如图10-36（见教材p．191）所示。由图10-36可以看出，在砖体外层细金属管处，增设一个专门供气箱，因而使一块元件可分别通入两路气体。在用CO2气源供气时，可在外侧通以少量氩气，以减轻多孔砖与炉底接缝处由于CO2气体造成的腐蚀。
细金属管多孔砖的出现，可以说是喷嘴和砖两种基本元件综合发展的结果。它既有管式元件的特点，又有砖式元件的特点。新的类环缝管式细金属管型供气元件（图10-37）（见教材p．191）的出现，使环缝管型供气元件有了新的发展，同时也简化了细金属管砖的制作工艺。细金属管型供气元件，将是最有发展前途的一种类型。
10．4 氧气转炉的新技术
氧气顶吹转炉炼钢法投产已50多年，其炼钢技术已日臻完善。由于设备大型化、机械化，效率进一步提高，人力更加节省，各项技术经济指标达到相当先进的水平。每公称吨位炉容年产量达1．5万吨以上；炉龄一般为20000多炉，最高达4万炉以上（莱钢达43000多炉）；耐火材料单耗2～5kg／t，最先进的达0．57kg/t；工序能耗大大降低，实现了“零能”或“负能”炼钢。普遍采用电子计算机进行冶炼过程的静态和动态控制，使操作达到稳定可靠，并实现了全自动炼钢。冶炼钢种日益扩大，与炉外精炼相结合生产的特殊钢，已占特殊钢总产量的60％以上。当代炼钢技术正朝着大幅度提高生产率、节省能源、扩大品种、改善质量、降低成本、减少按资、增强市场适应性以及改善环境保护和现代化水平方面发展，节资、节能、省力化和无公害化尤其受到重视。
（1）铁水预处理新技术。 为适应科学技术发展对钢质量提出的更高要求，适应提高转炉钢质量的需要，并减轻高炉的负担，普遍对铁水进行预处理。铁水预处理包括对铁水中的硅、锰、磷、硫、氮进行处理。其中为冶炼低硫钢种而进行的铁水预脱硫处理，已被广泛采用。常用的脱硫剂有钙、镁、稀土金属以及Na2CO3、CaO、镁焦、氮化石灰及生石灰等。目前为了生产超低硫钢，采用钝化镁作脱硫剂进行铁水预脱硫，取得了很快的进展，可将铁水中S脱到0．005%～0．002%，甚至更低。为增加渣-钢反应界面，提高脱硫效率，发展了用搅拌进行有效脱硫的方法。图10-38所示为脱硫处理的各种方法（见教材p．192）。
图10-38 预脱硫处理方法
a．——铁流搅拌法；b．——喷吹气体搅拌法（PDS）；C．——摇包脱硫法；d．——混铁车脱硫法；e．——机械搅拌法（Rheinstahl法）；f．——机械搅拌卷入法（KR法）；g．——喷吹气体循环搅拌法；h．——搅拌式连续脱硫法
（2）多段炼钢少渣吹炼新工艺。 随着铁水预处理技术的进步及顶底复合吹炼炼钢法的发展，为解决在炉内进行脱磷必须大量造渣的问题，人们将铁水预处理与转炉复合吹炼相结合，发展了所谓多段炼钢少渣吹炼的新工艺，并已用于工业生产。
所谓多段炼钢少渣吹炼新工艺，就是将炼钢过程分为三个独立的氧化阶段，分设于炼铁和连铸之间。第一阶段是铁水脱硅；第二阶段是铁水脱磷（同时脱硫）；第三阶段是在转炉内少渣吹炼下进行脱碳和提高温度。图10-39为多段炼钢工艺流程示意图。
由于少渣（约相当于原来渣量的1/10），氧的利用率提高，碳的氧化速度快，铁氧化率低，合金元素收得率提高。同时，由于基本上不加渣料，钢中［H］含量低，可经济地生产低[H]钢，终点碳控制容易，命中率高。总之，采用分段精炼少渣吹炼，使炼钢过程变得更为合理和最佳化，使各种钢的生产成本降低和操作改善。可以预计，它将会成为今后炼钢方法发展的主要方向。
（3）提高转炉煤气的回收和有效利用率，实现“零能”和“负能”炼钢。 转炉炼钢过程中排出的烟气，温度高达1260℃左右，含CO约90％，具有很高的显热和潜热，总和超过104．6×104kJ/t钢。因此，回收这部分能量是转炉炼钢节能潜力最大的环节。目前，国外每吨钢可回收煤气60m3左右，不少先进转炉已实现了“零能”和“负能”炼钢。
复习思考题
1．氧气转炉炼钢车间有什么特点？
2．氧气顶吹转炉炉衬由哪儿部分组成？各用什么耐火材料？ 3．什么叫转炉炉龄？
4．氧气顶吹转炉炉型有哪几种？各有什么特点？
5．什么是转炉的公称容量、炉容比和高宽比？炉容比和高宽比对转炉吹炼有什么影响？
6．为什么三孔拉瓦尔喷头能得到广泛应用？
7．氧气转炉的铁水供应方式有哪几种？各有什么优缺点？
8．氧气顶吹转炉的烟气有什么特点？目前对其净化处理的方式有哪两
类？
9．何谓“硬吹”与“软吹”？
10．氧气顶吹转炉吹炼反应的特点是什么？
11．根据什么原则来确定转炉装人的铁水与废钢的配比， 12．供氧制度包括哪些内容？吹炼过程中一般可调节哪些参数？ 13，什么叫供氧强度？
14．成渣速度对LD转炉吹炼有什么重要意义？它和哪些因素有关？ 15．某厂30吨LD炉吹炼35#钢，其成品成分为：
C 0．35％；Si 0．27％；Mn 0．65％；P 0．020％；S 0．020％。 要求浇注温度应高出凝固点60～70℃，出钢及镇静过程中降温约65℃，试确定其出钢温度？
16．转炉吹炼终点控制的目的是什么？通常终点控制方法有几种？各有什么优缺点？
17．镇静钢的脱氧和沸腾钢的脱氧有什么不同？ 18．氧气底吹转炉的结构有什么特点？
19．底吹喷嘴的保护介质有哪几种？它是如何对喷嘴和炉底耐火材料起保护作用的？
20．氧气底吹转炉吹炼反应与顶吹相比有什么特点？ 21． OBM法为什么不能在吹炼前期脱磷？ 22．底吹法与顶吹法相比有什么优缺点？ 23．什么叫顶底复合吹炼转炉？它有什么优点？
24．顶底复吹法有哪几类？常用底吹搅拌气体和供气元件有哪几种？
25．什么叫多段炼钢少渣吹炼工艺？
12．8 炼钢车间的主要技术经济指标
12．8．1 产量方面 （1）年产量 G24nga ，t
T100式中 g——每炉金属料重量，t；
n——年内工作日（24小时为一个工作日）； T－－每炉平均冶炼时间，h； a——合格钢锭收得率，％。
（2）作业率 作业率=
工作日（d）100 ， ％
日历时间（d）日历时间减去停炉时间为总的工作日。 （3）利用系数
转炉利用系数是指每公称吨位的容量每昼夜所产的合格钢锭量，即 转炉利用系数=
合格钢锭量（t） ， t/t·d
公称容量（t）日历天数（d） 电炉利用系数是指每千千伏安变压器容量每昼夜所产合格钢锭量，即 电炉利用系数=
合格钢锭量（t） ， t/1000kVA·d
日历天数（d）变压器容量（kVA）/100012．8．2 质量方面
（1）钢锭收得率 钢锭收得率=
（2）钢锭合格率 钢锭合格率=
合格钢锭量（t）100 ，％
全部钢锭量（t）合格钢锭量（t）100 ，％
金属炉料总重（t） 12．8．3 品种方面 （1） 合金比 合金比=
合格的合金钢钢锭量（t）100 ，％
全部合格钢锭量（t） （2）高合金比 高合金比=
合格高合金钢锭量（t）100 ，％
全部合格钢锭量（t） 高合金钢系指钢中合金元素总量大于10％的钢种。 12．8．4 成本方面 （1）产品成本 产品成本=
各种费用总和（元） , 元/t
合格钢锭量（t）（2）原材料消耗 原材料消耗量=
某种原材料消耗总量（t或kg） ，t/t，或kg/t
合格钢锭量（t） （3）电耗（电炉炼钢车间重要指标） 电耗=
电弧炉用电量（kW•h） ， kW·h/t
电炉合格钢锭量（t）复习思考题
1．为什么电弧炉大都为碱性电弧炉？
2。电弧炉有哪些主要机械设备？
3．电弧炉的电气设备主要由哪几部分组成、各自的任务是什么？ 4．简述变压器的基本原理，电弧炉变压器的最大特点是什么， 5。电炉各部分主要用什么耐火材料砌成？水冷块用在哪几部分？ 6．炉体和炉顶各由哪几部分组成？ 7．如何提高电极的使用寿命？
8．电弧炉用高压电输入一般为多少伏？到电极上一‘般为多少伏？ 9．熔化期的任务是什么？
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