国内氧气转炉炼钢的
几个技术问题
钢铁研究总院工艺所
杨文远 2009-4-1
1．转炉的生产能力及容量分布
我国2008年底的炼钢能力约为6.6亿吨/年，其中转炉炼钢能力约为5.6亿吨，电炉钢1.0亿吨（15%），不同容量转炉的分布如表1。
表1 国内转炉的容量分布
表2 国内大型转炉（200~300吨）的吨位及座数
共计12个炼钢厂，34座转炉，总计8910公称吨。
我国转炉的总吨位及炉子总座数都是世界第一，但炉子的平均吨位为71.7吨/炉，远低于世界上工业发达国家。近年来我国新建了很多大、中型转炉，但同时新建了更多的小型转炉，使得我国转炉平均吨位近17年内仅增加了29.1吨/炉（1992年转炉148座，总容量6305吨，平均42.6吨/炉）。在我国小型转炉中，多数小于50吨。
近几年新建的转炉多数在100吨以上，其中包括鞍钢、武钢、马钢、京唐等大型转炉厂，这部分钢厂的装备条件属于当前世界上的先进水平，在今后炼钢生产中将起到重要作用。
我国转炉炼钢的年产能力大约过剩1.4亿吨，首先应该关停小转炉，大、中型转炉中的陈旧设备也应部分关闭。
近十几年国外钢铁企业都在淘汰落后设备，炉子的平均容量加大，数目减少。
例如德国自1970年以来转炉由45座减少到22座，电炉减少60座，平炉全部淘汰。法国的转炉由29座减少到9座，淘汰了全部平炉。日本改造了一些落后的转炉厂，如和歌山厂采用了新工艺由6座转炉减为3座转炉，其钢产量不变。美国的转炉数目减少部分原因是被电炉短流程代替。
近十几年来国外新建大型转炉厂不多，主要是俄罗斯几个钢厂的平炉改成200~300吨的大型转炉。巴西和印度新建了几座中型转炉。国外主要产钢国家转炉平均吨位为200吨/座。我国转炉平均吨位为发达国家的1/3。 2．转炉高效吹氧技术
采用转炉高效吹氧技术的目的是提高转炉生产率，降低成本和淘汰落后设备。 自1996年以来钢铁研究总院在唐钢、涟源钢厂、海鑫钢厂、太钢、首钢、宝钢、武钢等22个钢厂进行了强化转炉供氧操作的研究。通过提高转炉供氧强度和优化造渣操作，使转炉炼钢的吹氧时间缩短1.5~3分/炉，钢产量提高8~15%。
在进行转炉强化供氧研究中，通常进行以下工作：①测量氧气管道压力损失。②设计高供氧强化的喷头。③测量喷头射流流场特性和进行氧射流与熔池作用的水模试验。④制订新的供氧、造渣工艺制度，并通过在转炉上进行吹炼试验加以完善。在试验当中对于化渣、喷溅、脱磷、脱硫等项目都要研究。为了系统地了解成渣过程与化渣状况，还对炉渣的流动温度、岩相进行了系统的检测。通过上述研究，使转炉炼钢的供氧、造渣操作达到基本上合理。
转炉设备系统的改造通常包括加大氧枪直径、提高转炉风机的排烟能力和烟气净化系统的能力。
转炉进行强化供氧的设备改造和工艺研究的同时，还应使铁水、氧气、石灰等原料供应、连铸的生产能力等与转炉的炼钢能力的提高相适应。
近两年宝钢与钢铁研究总院合作进行的“大型转炉低硅铁水高效吹炼技术研究”取得了良好效果。通过改进氧枪喷头参数，加入合成渣等措施，解决了低硅铁水炼钢化渣困难，脱磷率低，粘枪、粘烟罩等问题。同时，将转炉的氧流量由5万Nm 3/h提高到6万Nm 3/h，缩短了供氧时间，提高了生产率。2005年在宝钢一炼钢进行的高效吹氧技术研究，将氧流量由6万Nm 3/h提高到6.9Nm 3/h，供氧强度达到3.83Nm 3/t钢。使吹氧时间保持在14.5min/炉左右。而且化渣、脱磷效果良好。使供氧强度达到国际先进水平。图1是转炉高效吹氧的技术方案示意图。
图1 高效吹氧技术方案示意图
表3是几个大、中型钢厂采用高效吹氧技术的效果。
表3 采用转炉高效吹氧技术的效果
各转炉钢厂的其它技术经济指标也得到了适当改善，如宝钢二炼钢金属收得率提高0.3%；太钢二炼钢脱磷率提高7.9%；首钢三炼钢金属收得率提高0.26kg/t钢，石灰消耗减少1.23kg/t钢。
转炉氧枪喷头参数的选择：
转炉氧枪喷头参数的选择是转炉高效吹氧的关键技术，由于氧枪喷头参数较
多，各钢厂的原材料、生产品种、操作习惯等方面都有较大的差别。所以对于不同吨位的转炉只能给出一个选择喷头参数的大致范围，在生产中试用，再逐步进行参数优化。表4的数据供参考。
表4 不同吨位转炉喷头参数范围
氧枪喷头设计所需的公式是由热力学和流体力学中一维可压缩流推导出来的。对于氧气可给出下列公式：
T/TO =（1 + M2/5）-1 （1） ρ/ρO =（1 + M2/5）-5/2 （2） P/PO =（1 + M2/5）-7/2 （3） A/A* =0.578/M（1 + M2/5）3 （4）
Q O 2=17. 5P 0A */0
（5）
各式中T ：绝对温度，K ︒，A ：管道截面积，cm 2，ρ：气体密度，kg/m3，M ：马赫数=气体速度/音速，Q O2：氧气流量，Nm 3/min，P ：绝对压力，kg/cm2
下标符号：O ——指滞止状态，*——指音速喉道状态，该处M=1。 供氧制度主要包括氧流量、工作氧压及枪位曲线的制定。氧流量根据每炉钢的供氧时间而定。当喷头参数确定之后氧流量与氧压是线性关系，在氧压、流量确定后，枪位高度决定氧射流对熔池的穿透深度。几个钢厂的穿透深度与熔池深度之比见表5。
表5 几个钢厂转炉吹炼过程的L/L0
测量氧枪的管道压力损失：
钢铁研究总院已为20多个钢厂进行管道压力损失测定。部分测定结果见表6。
表6 管道压力损失测定值（MPa ）及氧气流速（m/s）
美国规定氧枪内管氧气的M 值
图2 氧气管道压力损失测定系统图
目前转炉枪位控制有以下几种方式：
（1）静态模型+副枪动态控制
吹炼前期和中期，枪位高度和渣料加入量按静态模型所设定的方式进行。吹炼到总供氧量85%时用副枪测量钢水温度和含碳量，用动态模型修正吹氧量和冷却剂加入量。目前国内、外大型转炉多用这种方法控制枪位。图3是宝钢一炼钢的枪位及加料图示。
图3 典型操作过程
（2）用炉气定碳法控制吹炼枪位
当转炉钢厂的原料条件好，计量装置精度高，计算机容量足够时，可以根据炉气定碳法所测得的数据结合物料平衡计算，来控制渣中氧所蓄积的体积（与渣中氧化铁含量相对应）使其维护在适当的数值，这时可以防止喷溅和炉渣返干。当炉渣中蓄积的氧气体积超出预定值时，应降低枪位，以减少渣中氧化铁。反之，则应提高枪位。这是转炉吹氧操作的动态控制技术，称为Oxymetrie 。渣中蓄积氧气体积的控制范围是根据吹炼过程氧平衡计算和现场观察相结合而制定的。图4是法国Solmer 厂300吨转炉枪位控制曲线。
（3）用声纳仪、氧枪振动仪控制枪位
开始吹炼吹氧枪喷出的超音速射流产生的噪音强度很高，当渣层厚度增加，一部分氧气流股浸入渣层之后噪音强度下降。当喷头完全埋入渣层之后，渣层厚度与噪音强度之间的关系就不明显了。声纳仪最早应用于欧洲。柳州钢厂由卢森堡阿尔贝德公司引进了这种设备。上海工大也成功开发了声纳仪，并在国内一些钢厂加以推广。声纳仪用于控制转炉吹炼初期的成渣过程效果明显。
日本川崎公司开发的氧枪振动仪用于渣层已高于氧枪喷头时防止喷溅较为有效。法国蒙德威勒钢厂把它和声纳仪结合起来应用取得了良好效果。一般讲，氧枪加速计用于渣量大的转炉效果更为明显。图5是蒙德威勒厂应用声纳仪与氧枪振动仪结合控制氧枪高度的记录。
（4）人工经验控制枪位
图4 Solmer 钢厂300t 转炉供氧控制曲线
图5 声纳-氧枪振动仪控制氧操作示意图
熔池脱碳速度：
熔池脱碳速度快是转炉高效吹氧的特点，吹炼过程中熔池脱碳速度在不同阶段相差很大。图6是300吨转炉实测的熔池脱碳曲线。吹炼前期由于熔池中Si 、Mn 氧化，脱碳速度很低（0.13~0.20%C/min）；吹炼中期可达0.33%C/min。曲线中个别阶段脱碳速度达到0.4%C/min。这是往炉内加入矿石所致。Solmer 厂的脱碳速度曲线是用炉气定碳法测定的。宝钢的脱碳曲线是用副枪取样测定的。这是大型转炉有代表性的脱碳曲线。图7和图8是用倒炉取样的方法由80吨转炉所测定的熔池脱碳速度曲线。两炉的曲线形状相近。这两炉吹炼中期平均脱碳速度分别为0.43%C/min和0.48%C/min。这是中、小型转炉采用高效吹氧时都能达到的脱碳速度（比一般吹炼时脱碳速度提高约0.1~0.12%C/min）。转炉脱碳速度加快，使脱碳期炉口的气体平均速度由25.7m/s增加到35.0m/s。当吹炼平稳，这种脱碳速度并不会造成喷溅。喷溅往往是由于枪位高，渣中蓄积了超过平衡值的大量氧化铁。当条件具备时，渣中过量的氧化铁与熔池中碳发生激烈的脱碳作用，形成爆发式喷溅。其脱碳速度至少超过正常脱碳速度的3倍。托马斯转炉用空气吹炼，每炉钢的吹炼时间与LD 转炉相近。其炉口气体速度可以达到80m/s（高温状态），达到LD 转炉正常吹炼炉口烟气3.2倍，正常情况下吹炼过程中并不发生大的喷溅。
图6 吹炼过程中脱碳速度的变化
表7 转炉熔池脱碳速度（%C/min）
图7 20261平均脱碳速度
图8 20262平均脱碳速度
表8 钢铁研究总院完成的转炉炼钢用氧技术项目
10
11
3．转炉溅渣护炉与复合吹炼技术
转炉溅渣护炉最早由美国LTV 公司印第安纳港钢厂于1991年开始用于工业生产，1999年炉龄达到15658次。转炉作业率由78%提高到97%。在国内1994年原冶金部立项支持承钢与钢铁研究总院合作开发溅渣护炉技术。1996年11月国家经贸委资助国内19个钢厂开展溅渣护炉工作。经过两年的实践，1998年国内有65座转炉采用，其中宝钢的300吨大型转炉炉龄达到14001炉，太钢中型转炉炉龄8580次，三明小型转炉炉龄达到7047次。到本世纪初国内全部转炉都已采用了溅渣护炉技术，最高炉龄已超过3万炉。
转炉溅渣护炉技术对于我国提高转炉钢产量和降低耐火材料消耗起到了重要作用。采用溅渣护炉技术之前我国转炉寿命一般在2000炉左右，转炉作业制度一般采用3吹2。采用溅渣护炉后炉龄平均可达15000炉，转炉基本上采用了3吹3的作业制度，转炉炉衬的使用周期可达1~2年，采用溅渣护炉之前的炉衬使用周期为40天左右。转炉的作业率提高约30%，每吨钢的镁碳砖消耗。
溅渣护炉终渣氧化镁的控制：
溅渣护炉要求转炉终渣有合适的MgO 含量，使溅渣层有足够的耐火度。图9是毕晓普（Bishop ）等绘制的CaO-SiO 2-FeO-MgO 四元系中MgO 的熔解度曲线。从图中可以看出，炉渣碱度对渣中MgO 的熔解度影响最大。渣中FeO 为15%时，炉渣碱度1.5，MgO 熔解度约为14%；碱度为3.0时，MgO 熔解度为8%。
图9 CaO-SiO 2-FeO-MgO 渣系中MgO 的溶解度(1600℃)
吹炼过程中炉渣的碱度氧化铁变化很大，渣中氧化镁的熔解度变化也很大。图10是根据吹炼过程中用副枪所取渣样的化渣成分，渣量得出的渣中MgO 量的变化曲线。渣中MgO 未熔量是根据加入MgO 总量减去渣中MgO 熔解量而得出的（此数据取自宝钢300吨转炉）。
图10 吹炼过程炉渣中MgO 重量变化
吹炼3min 取样炉渣碱度0.92，FeO=19.3%，渣中MgO 熔解度高达25%；吹炼7min 炉渣碱度1.43，MgO 熔解度约15%；吹炼10min 时炉渣碱度1.79，渣中MgO 熔解度约11%；终渣碱度3.02，渣中FeO=27%，渣中MgO 熔解度约8.1%。根据渣中氧化镁熔解度的情况，吹炼初期的酸性渣MgO 熔解度很高，随着渣中碱度升高，MgO 熔解度下降，到吹炼终点时MgO 的熔解度降到8%左右。溅渣护炉的MgO 材料在吹炼开始时全部加入，在渣中存在着过剩的MgO ，这MgO 有减少炉渣对炉衬MgO 熔解的作用。
溅渣护炉的喷吹动力来自氧枪喷出的氮气射流，通常氮气流量与炼钢用氧的流量相同或稍高一些。枪位在溅渣过程中有一定幅度的变化，使炉衬各部分溅渣层厚度更均匀。溅渣时间一般在3min 左右，时间过长炉渣温度过低，容易凝结在炉底上造成上涨。时间过短溅渣层厚度不够，溅渣层厚度15~20mm即可。
正常情况下转炉终渣成分（T 、TFe 、MgO ）应可以直接溅渣而不需要进行调整，这样可以减少调渣材料和缩短溅渣时间，如果炉渣过稀可加些轻烧白云石。
在正常情况下，转炉炉衬每年更换一次，与设备检修同时进行。对于小型转炉，炉龄约为15000~20000炉；对于大、中型转炉约为7000~10000炉。炉龄过长在炉役后期喷补料消耗大，炉衬过薄热损失大，炉壳易变形。转炉的机电设备也需定期检修，过分地延长炉龄并不合理。
溅渣操作结束后炉内剩余的粘渣有的倒入渣罐后运到渣场处理，有的留在炉内，开始一下炉的装料操作。这种留渣操作在安全上并无问题，这时炉渣很粘，加入废钢后其表层已凝固，兑入铁水也不会产生激烈反应。吹氧开始后熔池温度升高，炉渣逐渐熔化，有加速石灰溶解的作用，对于下一炉成渣有好处。
目前转炉钢厂采用的炉渣滚筒法处理过程中，希望炉渣有较好的流动性，使炉渣顺利地流入滚筒中。在转炉溅渣之前，先把终渣倒出一部分，留在炉内的渣量应满足溅渣的要求，这时的炉渣过热度高，有利于渣的粒化处理。
转炉顶底复合吹炼技术：
转炉顶底复合吹炼是上世纪70~80年代开发并广泛应用的一项新技术。复合吹炼技术可使转炉生产低碳钢时降低渣中氧化铁和钢中熔解氧，减少渣-钢反应，偏离平衡的程度，使转炉炼钢的金属收得率提高，铁合金消耗降低和提高钢的洁净度。
转炉复吹所用的底吹气体有氮、氩、CO 2、O 2+油保护、空气等。供气元件有单管、套管和毛细管多微孔透气砖。底吹供气强度差别也很大，从0.06~0.20Nm3/t.min。
复吹转炉中顶吹氧枪的搅拌能可用公式（6）计算。
Q t 3⨯M 6. 32⨯10-7 εvt = （6） C o θs 2
3
V L n ⨯D e ⨯H 式中εvt ：顶吹射流搅拌能量（W/m3），V L ：金属体积（m 3） Q t ：氧流量（Nm 3/min）， n ：喷孔个数，M ：氧分子量（kg ） De ：喷孔出口直径（m ），θ：喷孔倾角（度），H ：枪位高度（m ） 底吹搅拌能用公式（7）计算。 εvB =6. 18
Q B T L V L
⎡ρL ⋅h ⎫⎛T a ⎫⎤⎛21303lg 1+1-⎪ ⎪+ ⎢⎥ （7） ⎪P ⎭⎝T L ⎭⎦⎝⎣
式中εvB ：底吹气体搅拌能量（W/m3），T L ：熔池金属温度（︒K ） T a ：吹入惰性气体温度（︒K ）， ρ：金属密度（kg/m3） P ：炉膛压力（kg/m2），h ：熔池深度（m ） 熔池混匀时间用公式（8）计算。
τ = （L 0/0.125）2/3 ⨯（7/1）1/3 ⨯ 540（0.1εvt + εvB ）-0.5 （8）
：熔池混匀时间（秒），L 0：熔池深度（m ）
各种不同方法的转炉顶底复合吹炼熔池混匀时间与底部供气强度之间的关系如图11所示。
图11 熔池混匀时间与底部供气强度之间的关系
由图11可见，底吹气体流量低时熔池混匀时间的缩短受底吹气体流量影响较大，当供气强度超过0.2Nm 3/t.min时，底吹流量增加对于混匀时间缩短的影响作用变得不明显。
上世纪80年代原冶金部曾组织了转炉顶底复合吹炼多方面的研究工作，如供气元件的开发，复吹水模和热模试验，复吹冶金效果，复吹炉衬和供气元件的侵蚀及维护等。对于复吹的理论知识也有较为广泛的普及。当时由于我国大型转炉冶炼低碳深冲钢还很少，对于复吹技术深入研究还不够。
近十几年我国新建了一大批大型转炉（见表1），冶炼钢种增加，其中包括批量生产低碳、低磷的深冲钢、硅钢等，通过生产实践对于复吹技术的了解深度有很大提高，可以根据生产中出现的问题提出有效地解决措施，目前这个过程仍在进行中。对于转炉复吹技术中几个工艺参数提出以下建议：
（1）底吹供气强度和气源
吹炼前期、中期0.04Nm 3/t.min，吹炼后期0.06~0.12%。根据我国目前的情况，吹炼前期、中期喷吹氮气，吹炼后期切换为氩气，全程吹氮的供气方式不应提倡。全程吹氮钢中不增氮的报导不可靠。底部喷吹CO 2，对供气元件侵蚀较快。
底吹喷吹转炉煤气的主要问题是不安全，有很多人做过研究工作，其冶金效果良好，来源也无问题，价格也不贵，但至今未有工业性应用。氧气-蒸汽用于冶炼不锈钢，太钢和泰山钢厂冶炼不锈钢由国外引进了这种工艺。氧气-油（天然气）喷嘴用于生产低碳钢的钢厂（Solmer ），这种喷嘴不易堵塞，喷嘴数量少（2个），供气系统简单。底吹气体的选择要根据冶炼钢种、气体来源、操作习惯和价格而具体决定。
（2）供气元件的数目
供气元件的数目一般情况下随着转炉吨位加大而增加，表9给出的数据供参考。
表9 供气元件数目与转炉吨位关系
供气元件数目少可以简化供气设备，但数目过少每个元件的供气量过大，会使供气元件加快侵蚀。如果采用供气元件更换技术，供气元件数目少是有利的。宝钢和日本钢厂复吹转炉供气元件数目较少（300吨转炉4~8个元件）。供气元件数目多可以减少每个供气元件的气体流量，炉龄较短，不采用更换供气元件的欧洲钢厂其供气元件数目较多。我国由欧洲引进复吹技术的钢厂也如此。例如武钢250吨转炉的供气元件16个。供气元件数目多，使供气元件系统设备复杂，供气元件维护和更换难度大。正常情况其调节范围8~10倍即可满足生产的需要。
转炉铁水脱磷预处理的底吹供气强度要求达到0.25Nm 3/t.min。对于300吨转炉其流量为4500 Nm3/h。虽然铁水脱磷预处理过程温度较低，但供气元件的磨损速度还是较高的。目前只是采取加长供气元件的措施。我国目前还缺乏这种冶炼工艺的经验。
（3）复吹转炉的冶金效果
上世纪80年代冶金部科技司组织技术人员翻译4册国外复吹文集，出版3册国内复吹文集。对于复吹冶金效果很多钢厂都发了文章，这里引用R.Henrion 关于LBE 复吹资料。
图12表示C%与O%的乘积从0.0036降低到0.0018，当金属含碳0.06%
时，钢中氧300ppm 。对于铝镇静钢铝消耗降低0.35kg/t钢。钢的洁净度有所改善。
● LBE 法可使超低碳钢中碳降低到0.015~0.025%。
● 当熔池含碳相同时，LBE 法渣中铁降低3~5%，可提高铁收得率
0.3~1.0%。
● 钢中残锰提高0.05~0.1%，可明显降低锰铁消耗。
● LBE 法的搅拌作用使渣-钢反应更接近平衡，见图13。生产超低碳钢时
LBE 法较LD 法磷可降低0.005%，硫可降低0.002%。
图12 喷吹惰性气体对金属中%C和%O的影响
图13 喷吹惰性气体对磷和硫偏离平衡的影响
（4）复吹转炉的炉龄
我国大、中型转炉和部分小型转炉都安装复吹系统。复吹技术的实际应用情况可分为三种。
宝钢、武钢、鞍钢、马钢等大型转炉钢厂生产深冲钢板、硅钢等低碳、低磷品种，每炉钢都需要有效地进行复吹。这些转炉吹炼终点钢中碳在0.040~0.050%，磷0.0030%，复吹效果微弱，接近顶吹转炉[C][O]=0.0032~0.0035。
台湾中钢250吨转炉复吹炉龄约5000炉（中钢冶炼工程师在座谈会上提供资料），日本转炉采用优质镁碳砖的一些钢厂在炉役中期更换一次透气砖，复吹炉龄可达8000炉。欧洲转炉炉龄一般不大于4000炉，炉衬材质为普通镁碳砖。欧洲转炉厂不采用溅渣护炉工艺。日本转炉钢厂（新日铁）采用溅渣护炉技术，其目的是节省喷补料，底部供气元件仍保持正常工作状况，其寿命约为4000次左右。美国转炉厂采用溅渣护炉技术较多，他们对复吹作用并不特别强调，这可能和美国转炉所用铁水含磷低（0.04~0.06%）有关。采用P0.06%的低磷铁水炼钢，转炉终渣氧化铁比采用0.10%P铁水炼钢（生产相同含磷量的钢水）终渣氧化铁可以低4~6%，钢中氧含量也相应降低。
我国大型转炉的复吹供气强度偏低，对提高钢的清洁度是不利的，特别是在生产低碳、低磷、低氧钢方面还存在困难。产品质量与国外先进钢厂还有差距。重点是增加底吹供气强度，延长透气砖寿命和提高复吹冶金效果。
中、小型钢厂的复吹应用状况：
这些钢厂主要生产条形钢材和部分板材。板材钢吹炼终点时碳低（C
上在20000炉的炼钢过程中有相当比例的炉次复吹冶金效果是很微弱的，而且炉役后期的冶金效果也明显低于炉役初期。从修炉时拆下的透气砖看其中至少1/3的毛细管已经碳化并完全堵塞。
还有一部分中、小型转炉基本上全部生产条形钢（螺纹钢筋、线材、小型圆钢、角钢等）。生产这些钢种有无复吹都可以。有的钢厂为了防止炉底漏钢，规定开炉200炉以后炉底必须复盖200mm 以上的炉渣。终点钢中[C][O]≥0.0030。这些钢厂的生产人员对于提高复吹冶金效果、透气砖的合理使用及维护知识也很不足。在这种情况下复吹技术不起作用，其复吹寿命也无实际意义。
当前转炉复吹寿命见表10。
表10 国内复吹转炉寿命情况
4．转炉炼钢的脱磷、脱硫
除非采用低磷铁水（P ≤0.06%）炼钢，脱磷仍然是当前转炉炼钢中难度较大的技术问题。
到目前为止对于炼钢过程的脱磷反应仍然是以早期Chipman 和Winkler 的著作为基础，通常把脱磷反应写成以下公式：
2[P] + 5（FeO ）+ 4（CaO ）= Ca4P 2O 9 + 5[Fe] （9） △G °= -204450 + 83.55T 平衡常数：K = lgK =
αCa P O
（10） 245
[P ]⋅αCaO ⋅αFeO
425
44700
T - 18.26 （11）
上面的热力学理论公式应用于平衡状态，其结果是正确的。有的学者对Chipman 等人的工作进行验证，认为其结果是正确的。在工业生产中的炉渣是非平衡状态，把化学成分分析结果直接用上述公式进行计算经常出现较大的偏差。对于工业炉渣很多研究者提出了一些半经验公式来估算磷在渣-钢之间的分配。G .W.Healy 以Chipman 的工作为基础，应用炉渣离子理论，结合Ward 、Turkdogan 等人的研究成果提出下面估算磷在渣-钢之间的分配公式：
（%P）22350lg [%P]= T - 16.0 + 0.08(%CaO) + 2.51g(%TFe) （12） 这个公式计算简便，计算结果很直观，应用较广。其缺点是准确度稍低，修正的巴拉耶瓦公式的表达形式如下（用日本人水渡的数据进行修正）：
lgK=8.42lg[(%CaO)+0.3(%MgO)-0.05(%FeO)]+22740/T-28.0 （13） 法国钢铁研究院H.Gaye 、J.Grosjean 等人根据相图理论计算出给定温度下炉渣中液相和固相的成分及数量。在此基础上应用热力学平衡公式计算出钢中的实际含磷量。这个程序的计算结果比W.Healy 公式与实际状况符合程度更高。钢铁研究总院在上世纪80年代引进了这套程序。本课题组在研究转炉渣-钢反应中多年应用此程序，其效果较好。
宝钢300吨大型转炉吹炼过程中钢中磷含量的情况见图14。
图14 吹炼过程金属含磷量的变化
图14中的数据是用副枪取样得出的。由图14可见吹炼过程中基本上没有回磷现象。仅HT60炉在吹炼到13min 时钢中磷稍有回升。如吹炼中枪位控制不当，渣中氧化铁含量低（
高，铁的氧化损失大。吹炼终点磷在渣-钢之
间的分配状况如表11及图15。
表11 终点渣-钢间磷的分配值
图15 吹炼终点P 的平衡状况 表中[P]r 是钢中实际含磷量，[P]e
是钢中含磷的平衡值，由R 、(TFe)、温度等决定。[P]r
/ [P]e 是钢中磷含量实际值与平衡值的偏离程度。由化渣早晚、终点前降枪状况等决定。它表明炉渣脱磷能力的利用程度。根据最近的研究情况，减小[P]r / [P]e 值主要措施是提高底吹供气量，改善渣-钢反应的动力学条件。因为目前顶吹降枪已接近极限，枪位再低将缩短喷头寿命，顶吹氧流量已达68000Nm 3/h（3.78Nm 3/t.min），提高顶吹供氧强度增加熔池搅拌能的幅度也不大。提高底吹供气强度与透气砖的寿命有矛盾，这是今后要解决的技术问题。
吹炼终点钢中磷含量受R 、(TFe)、温度、渣量多种因素的影响，任何一个工艺参数对终点[P]的影响都难以定量表达。通常采用多元回归分析的方法来处理此种问题。
吹炼低硅铁水（Si=0.15~0.30%）时终点[P]与各工艺参数的关系如下：
1[P]j = -1.16436+0.34972 log(t)+0.007223(1/P2O 5)+0.03404( R )+0.054518(1/WSC )
+0.212625[P]Iron + 0.48706(1/WSlag ) + 0.030953[C] （14）
[P]j ：终点钢中磷含量计算值（%）
(P2O 5) ：终渣P 2O 5含量（%）
W SC ：废钢装入量（t/炉）
W Slag ：渣量（t/炉）
t ：终点钢水温度（℃）
R ：终渣碱度（CaO/SiO2）
[P]Iron ：铁水含磷量（%）
[C]：终点钢水碳含量（%）
R=0.731 n=110 图16 回归计算值与钢中实际含磷关系
转炉铁水脱磷预处理+转炉脱碳的双联方法适用于生产低磷钢（出钢前钢中磷低于0.08%）。这种工艺是由日本和歌山钢厂开发的。如生产一般钢种，其生产成本增加。其优点是可以保证低磷钢的炼成率，钢的质量也较好。出钢前钢中氧含量由700ppm 降低到600ppm ，成品磷平均0.010%，成品S 平均0.005%。这种方法的缺点是热损失和金属喷溅大，调度复杂。双联法炼钢厂的布置如图17。图中的脱磷炉氧流量21000Nm 3/h，脱碳炉80000 Nm3/h。两种炉子的供氧和除尘系统分别设计。和歌山钢厂有1座脱磷转炉，2座脱碳炉，2座RH ，有板坯和大方坯连铸机各一台。脱磷炉底吹气体流量 0.4Nm 3/t.min。炉渣碱度1.8~2.8，以2.0~2.2为好。为减少金属喷溅，采用不等径多孔交错脱碳喷头，见图18。这种氧枪在国内已开发成功。
图17 和歌山炼钢厂布置图
图18 和歌山厂两种氧枪示意图
我国高磷矿资源利用是一个未解决的问题。湖北鄂西长阳一带有17亿吨（目前查明储量）高磷铁，含铁35~50%，P 0.8~1.1%，脉石有SiO 2和CaO ，可配成自熔矿，这部分矿石目前仍未开采。其主要原因是我国高磷生铁炼钢技术未掌握。西欧采用喷石灰粉法冶炼高磷生铁很成功（LD-AC 法和OLP 法），在上一世纪70年代用高磷铁水炼钢年产量越过5000万吨，所生成钢种和用普通铁水相同。每吨钢可生产180kg 磷肥（P 2O 5 17~20%），其成本比用普通铁水高5%，由政府给予补贴。法国gandrang 钢厂的顶吹OLP 法转炉容量达260吨，Sollac 厂底吹喷粉转炉容量达240吨，2座转炉年产量300万吨钢，他们的产品如重轨、马口铁在全世界都有名。
大型转炉冶炼高磷生铁的喷粉设备，冶炼工技术可从国外引进。喷石灰粉法脱磷很有效。日本为用高拉碳法生产汽车零件，就从阿尔贝德公司引进了LD-AC 设备，使用效果良好。
我国目前探明含中、高磷铁矿石约35亿吨。建议国家重视这部分资源的利用，减少对国外铁矿石的依赖程度。冶金部以往曾对高磷矿利用组织过有关单位进行研究，并制定了开发计划，但未执行。
京唐钢厂有2座脱磷炉，3座脱碳炉，5个炉子都是按炼钢转炉设计的。如果双联法不能正常应用，5座转炉都可炼钢。这个钢厂已投产，其效果还待今后评定。近代转炉钢厂都有铁水脱硫设备，根据所炼钢种要求脱硫后铁水含硫量在0.001~0.01%范围内变化。如生产低硫钢，应用本厂返回废钢。外购废钢硫含量高，难于控制。图19是宝钢300吨转炉冶炼过程中钢中硫含量的变化曲线，图20是脱硫率变化曲线。
图19 吹炼过程中熔池[S]含量的变化
图20 吹炼过程中脱硫率的变化
由图19可见，三炉的硫含量曲线变化规律基本相同。吹炼前期、中期金属中硫含量一直在增加，这主要是废钢熔化和加入渣料中的硫进入铁水中。吹炼后期由于炉渣碱度提高和渣量加大，钢中硫含量有所降低。但吹炼终点时钢中硫但仍高于脱硫铁水的硫含量。根据31炉的统计，吹炼过程中脱硫率约31%。由图20可见这三炉的脱硫率变化趋势也相近。转炉脱硫主要在吹炼后期，吹炼终点用Belaf 程序计算的渣-钢间硫的分配比数据见表12及图21。
表12 吹炼终点渣-钢间硫的平衡状况
图21 吹炼终点S 的平衡状况
由表12可见吹炼终点渣-钢反应未达到平衡，钢中实际含硫量与平衡偏离的程度低于脱磷反应。吹炼终点硫的平衡如表13。
表13 HT26炉硫的物料平衡
由表13可知在生产中应尽量减少脱硫渣进入转炉和使用含硫高的废钢。在所研究的炼钢条件下，炉渣脱硫是主要的，气化脱硫所占比例很小（
[S]r =8.137⨯10-2-4.186⨯10-3t+0.282[S]I +1.457⨯10-4(TFe)-7.33⨯10-4R-9.663⨯10-5(Ws )
+4.732⨯10-2(S) （15） 式中：t ：钢水温度（℃），(Ws)：渣量，(S)：渣中硫含量，[S]I ：铁水含硫。
5．转炉除尘
转炉未燃烧法除尘可分湿法和干法。湿法除尘使用较早，也很普遍。我国只是近几年才从国外引进干法除尘。
5.1 未燃法湿法除尘
我国未燃法湿法除尘是1965年在上钢一厂5吨转炉上开始进行试验的。对于湿法除尘中的重要问题都分别进行了专题研究。如微差压的应用，氮幕与微差压的比较，对于灰尘量、成分、粒度、煤气成分变化都进行了测定。对于有关未燃法的安全问题也进行了研究。5吨转炉的试验为上钢一厂30吨转炉的工业试验提供了依据。通过30吨转炉的工业性试验，我国掌握了未燃法湿法除尘技术。在以后的转炉钢钢厂建设中不再采用燃烧法。我国第一个转炉厂（首钢30吨转炉）采用燃烧法湿式除尘，其缺点是烟气量大，粉尘颗粒小，难于净化，除尘系统动力消耗大。各国的设备制造厂根据自己的经验开发了多种未燃式湿法除尘，如图22~24(戴云阁) 。
5.2 未燃法干法除尘（静电）
转炉未燃法干法除尘系统是上一世纪80年代德国鲁奇公司与蒂森公司共同开发的，简称LT 法。宝钢二炼钢2座250吨转炉首先由国外引进了未燃法干法除尘装置。莱钢炼钢厂建有3座120t 顶底复吹式转炉，设计产量500万t/a，三吹三生产，现实际生产达到300万t/a，均采用干法除尘技术。工艺流程见图25。该厂LT 系统主体设备除部分主体设备在国内制造外（如电除尘器、蒸发冷却器本体），系统关键设备如蒸发冷喷嘴、静电除尘器高压电气设备、ID 轴流风机及控制系统、煤气回收切换站等均从德国鲁奇公司引进。工程于2004年7月建成投产。其工艺过程为：
约1550℃的转炉烟气在LT 系统ID 风机的抽引作用下，经过烟气冷却系统
标准部件（活动烟罩、热回收装置及气化冷却烟道），温度降低到800~1200℃进入蒸发冷却器，蒸发冷却器内采用12个双介质雾化冷却喷嘴，对烟气进行降温、调质、粗除尘，烟气温度降低到150~200℃，同时约有40%的粉尘在蒸发冷却器的作用下被捕获，形成粗颗粒粉尘通过链式输送机、双板阀进入粗灰料仓由汽车外运；经冷却、粗除尘和调质后的烟气进入有4个电场的圆形电除尘器。烟气经静电除尘器后烟气含尘量降至10mg/Nm3以下。静电除尘器收集下的细灰，经过扇形刮板器、底部链板输送机和细灰输送装置排到细烟尘仓由汽车外运至烧结厂重复利用。经过电除尘器精除尘的烟气由切换站进行回收或放散的切换，合格烟气经过煤气冷却器降温到70~80℃后进入煤气柜，不合格烟气通过火炬装置放散。整套系统采用自动控制，与转炉的控制相联系。
由于LT 法系统阻力很小，引风机采用轴流风机，有利于系统的泄爆。风机设变频调速，可实现流量跟踪调节，以保证煤气回收的数量与质量，可大大节约能源，经济效益显著。
图25 工艺流程图
建议：
（1）从综合指标比较，转炉干法除尘与湿法除尘相比有较多的优点，但设备和使用要求技术条件较高。推广此项技术应首先选择条件较好的转炉厂，可以较快地取得效果。如果钢厂装备和技术条件满足不了干法除尘的要求，不必勉强推广。推广技术难度较高的项目要正确估计工厂的接近能力，以免达不到预期效果，对今后的工作反而增加困难。
（2）国内一些电炉采用高比例铁水（>50%）炼钢，采用燃烧法干式（布袋）烟气处理技术，废气量增加很多，原设计的除尘系统不适应。是否可以改为未燃法干式除尘。
（3）有的单位在研究对于未燃法烟气净化系统，粗除尘（大颗粒）用干法，精除尘（细粉尘）用湿法（文式管）。和全部湿法相比，污泥和污水处理量有所减少，但设备和操作都简单。
30
国内氧气转炉炼钢的
几个技术问题
钢铁研究总院工艺所
杨文远 2009-4-1
1．转炉的生产能力及容量分布
我国2008年底的炼钢能力约为6.6亿吨/年，其中转炉炼钢能力约为5.6亿吨，电炉钢1.0亿吨（15%），不同容量转炉的分布如表1。
表1 国内转炉的容量分布
表2 国内大型转炉（200~300吨）的吨位及座数
共计12个炼钢厂，34座转炉，总计8910公称吨。
我国转炉的总吨位及炉子总座数都是世界第一，但炉子的平均吨位为71.7吨/炉，远低于世界上工业发达国家。近年来我国新建了很多大、中型转炉，但同时新建了更多的小型转炉，使得我国转炉平均吨位近17年内仅增加了29.1吨/炉（1992年转炉148座，总容量6305吨，平均42.6吨/炉）。在我国小型转炉中，多数小于50吨。
近几年新建的转炉多数在100吨以上，其中包括鞍钢、武钢、马钢、京唐等大型转炉厂，这部分钢厂的装备条件属于当前世界上的先进水平，在今后炼钢生产中将起到重要作用。
我国转炉炼钢的年产能力大约过剩1.4亿吨，首先应该关停小转炉，大、中型转炉中的陈旧设备也应部分关闭。
近十几年国外钢铁企业都在淘汰落后设备，炉子的平均容量加大，数目减少。
例如德国自1970年以来转炉由45座减少到22座，电炉减少60座，平炉全部淘汰。法国的转炉由29座减少到9座，淘汰了全部平炉。日本改造了一些落后的转炉厂，如和歌山厂采用了新工艺由6座转炉减为3座转炉，其钢产量不变。美国的转炉数目减少部分原因是被电炉短流程代替。
近十几年来国外新建大型转炉厂不多，主要是俄罗斯几个钢厂的平炉改成200~300吨的大型转炉。巴西和印度新建了几座中型转炉。国外主要产钢国家转炉平均吨位为200吨/座。我国转炉平均吨位为发达国家的1/3。 2．转炉高效吹氧技术
采用转炉高效吹氧技术的目的是提高转炉生产率，降低成本和淘汰落后设备。 自1996年以来钢铁研究总院在唐钢、涟源钢厂、海鑫钢厂、太钢、首钢、宝钢、武钢等22个钢厂进行了强化转炉供氧操作的研究。通过提高转炉供氧强度和优化造渣操作，使转炉炼钢的吹氧时间缩短1.5~3分/炉，钢产量提高8~15%。
在进行转炉强化供氧研究中，通常进行以下工作：①测量氧气管道压力损失。②设计高供氧强化的喷头。③测量喷头射流流场特性和进行氧射流与熔池作用的水模试验。④制订新的供氧、造渣工艺制度，并通过在转炉上进行吹炼试验加以完善。在试验当中对于化渣、喷溅、脱磷、脱硫等项目都要研究。为了系统地了解成渣过程与化渣状况，还对炉渣的流动温度、岩相进行了系统的检测。通过上述研究，使转炉炼钢的供氧、造渣操作达到基本上合理。
转炉设备系统的改造通常包括加大氧枪直径、提高转炉风机的排烟能力和烟气净化系统的能力。
转炉进行强化供氧的设备改造和工艺研究的同时，还应使铁水、氧气、石灰等原料供应、连铸的生产能力等与转炉的炼钢能力的提高相适应。
近两年宝钢与钢铁研究总院合作进行的“大型转炉低硅铁水高效吹炼技术研究”取得了良好效果。通过改进氧枪喷头参数，加入合成渣等措施，解决了低硅铁水炼钢化渣困难，脱磷率低，粘枪、粘烟罩等问题。同时，将转炉的氧流量由5万Nm 3/h提高到6万Nm 3/h，缩短了供氧时间，提高了生产率。2005年在宝钢一炼钢进行的高效吹氧技术研究，将氧流量由6万Nm 3/h提高到6.9Nm 3/h，供氧强度达到3.83Nm 3/t钢。使吹氧时间保持在14.5min/炉左右。而且化渣、脱磷效果良好。使供氧强度达到国际先进水平。图1是转炉高效吹氧的技术方案示意图。
图1 高效吹氧技术方案示意图
表3是几个大、中型钢厂采用高效吹氧技术的效果。
表3 采用转炉高效吹氧技术的效果
各转炉钢厂的其它技术经济指标也得到了适当改善，如宝钢二炼钢金属收得率提高0.3%；太钢二炼钢脱磷率提高7.9%；首钢三炼钢金属收得率提高0.26kg/t钢，石灰消耗减少1.23kg/t钢。
转炉氧枪喷头参数的选择：
转炉氧枪喷头参数的选择是转炉高效吹氧的关键技术，由于氧枪喷头参数较
多，各钢厂的原材料、生产品种、操作习惯等方面都有较大的差别。所以对于不同吨位的转炉只能给出一个选择喷头参数的大致范围，在生产中试用，再逐步进行参数优化。表4的数据供参考。
表4 不同吨位转炉喷头参数范围
氧枪喷头设计所需的公式是由热力学和流体力学中一维可压缩流推导出来的。对于氧气可给出下列公式：
T/TO =（1 + M2/5）-1 （1） ρ/ρO =（1 + M2/5）-5/2 （2） P/PO =（1 + M2/5）-7/2 （3） A/A* =0.578/M（1 + M2/5）3 （4）
Q O 2=17. 5P 0A */0
（5）
各式中T ：绝对温度，K ︒，A ：管道截面积，cm 2，ρ：气体密度，kg/m3，M ：马赫数=气体速度/音速，Q O2：氧气流量，Nm 3/min，P ：绝对压力，kg/cm2
下标符号：O ——指滞止状态，*——指音速喉道状态，该处M=1。 供氧制度主要包括氧流量、工作氧压及枪位曲线的制定。氧流量根据每炉钢的供氧时间而定。当喷头参数确定之后氧流量与氧压是线性关系，在氧压、流量确定后，枪位高度决定氧射流对熔池的穿透深度。几个钢厂的穿透深度与熔池深度之比见表5。
表5 几个钢厂转炉吹炼过程的L/L0
测量氧枪的管道压力损失：
钢铁研究总院已为20多个钢厂进行管道压力损失测定。部分测定结果见表6。
表6 管道压力损失测定值（MPa ）及氧气流速（m/s）
美国规定氧枪内管氧气的M 值
图2 氧气管道压力损失测定系统图
目前转炉枪位控制有以下几种方式：
（1）静态模型+副枪动态控制
吹炼前期和中期，枪位高度和渣料加入量按静态模型所设定的方式进行。吹炼到总供氧量85%时用副枪测量钢水温度和含碳量，用动态模型修正吹氧量和冷却剂加入量。目前国内、外大型转炉多用这种方法控制枪位。图3是宝钢一炼钢的枪位及加料图示。
图3 典型操作过程
（2）用炉气定碳法控制吹炼枪位
当转炉钢厂的原料条件好，计量装置精度高，计算机容量足够时，可以根据炉气定碳法所测得的数据结合物料平衡计算，来控制渣中氧所蓄积的体积（与渣中氧化铁含量相对应）使其维护在适当的数值，这时可以防止喷溅和炉渣返干。当炉渣中蓄积的氧气体积超出预定值时，应降低枪位，以减少渣中氧化铁。反之，则应提高枪位。这是转炉吹氧操作的动态控制技术，称为Oxymetrie 。渣中蓄积氧气体积的控制范围是根据吹炼过程氧平衡计算和现场观察相结合而制定的。图4是法国Solmer 厂300吨转炉枪位控制曲线。
（3）用声纳仪、氧枪振动仪控制枪位
开始吹炼吹氧枪喷出的超音速射流产生的噪音强度很高，当渣层厚度增加，一部分氧气流股浸入渣层之后噪音强度下降。当喷头完全埋入渣层之后，渣层厚度与噪音强度之间的关系就不明显了。声纳仪最早应用于欧洲。柳州钢厂由卢森堡阿尔贝德公司引进了这种设备。上海工大也成功开发了声纳仪，并在国内一些钢厂加以推广。声纳仪用于控制转炉吹炼初期的成渣过程效果明显。
日本川崎公司开发的氧枪振动仪用于渣层已高于氧枪喷头时防止喷溅较为有效。法国蒙德威勒钢厂把它和声纳仪结合起来应用取得了良好效果。一般讲，氧枪加速计用于渣量大的转炉效果更为明显。图5是蒙德威勒厂应用声纳仪与氧枪振动仪结合控制氧枪高度的记录。
（4）人工经验控制枪位
图4 Solmer 钢厂300t 转炉供氧控制曲线
图5 声纳-氧枪振动仪控制氧操作示意图
熔池脱碳速度：
熔池脱碳速度快是转炉高效吹氧的特点，吹炼过程中熔池脱碳速度在不同阶段相差很大。图6是300吨转炉实测的熔池脱碳曲线。吹炼前期由于熔池中Si 、Mn 氧化，脱碳速度很低（0.13~0.20%C/min）；吹炼中期可达0.33%C/min。曲线中个别阶段脱碳速度达到0.4%C/min。这是往炉内加入矿石所致。Solmer 厂的脱碳速度曲线是用炉气定碳法测定的。宝钢的脱碳曲线是用副枪取样测定的。这是大型转炉有代表性的脱碳曲线。图7和图8是用倒炉取样的方法由80吨转炉所测定的熔池脱碳速度曲线。两炉的曲线形状相近。这两炉吹炼中期平均脱碳速度分别为0.43%C/min和0.48%C/min。这是中、小型转炉采用高效吹氧时都能达到的脱碳速度（比一般吹炼时脱碳速度提高约0.1~0.12%C/min）。转炉脱碳速度加快，使脱碳期炉口的气体平均速度由25.7m/s增加到35.0m/s。当吹炼平稳，这种脱碳速度并不会造成喷溅。喷溅往往是由于枪位高，渣中蓄积了超过平衡值的大量氧化铁。当条件具备时，渣中过量的氧化铁与熔池中碳发生激烈的脱碳作用，形成爆发式喷溅。其脱碳速度至少超过正常脱碳速度的3倍。托马斯转炉用空气吹炼，每炉钢的吹炼时间与LD 转炉相近。其炉口气体速度可以达到80m/s（高温状态），达到LD 转炉正常吹炼炉口烟气3.2倍，正常情况下吹炼过程中并不发生大的喷溅。
图6 吹炼过程中脱碳速度的变化
表7 转炉熔池脱碳速度（%C/min）
图7 20261平均脱碳速度
图8 20262平均脱碳速度
表8 钢铁研究总院完成的转炉炼钢用氧技术项目
10
11
3．转炉溅渣护炉与复合吹炼技术
转炉溅渣护炉最早由美国LTV 公司印第安纳港钢厂于1991年开始用于工业生产，1999年炉龄达到15658次。转炉作业率由78%提高到97%。在国内1994年原冶金部立项支持承钢与钢铁研究总院合作开发溅渣护炉技术。1996年11月国家经贸委资助国内19个钢厂开展溅渣护炉工作。经过两年的实践，1998年国内有65座转炉采用，其中宝钢的300吨大型转炉炉龄达到14001炉，太钢中型转炉炉龄8580次，三明小型转炉炉龄达到7047次。到本世纪初国内全部转炉都已采用了溅渣护炉技术，最高炉龄已超过3万炉。
转炉溅渣护炉技术对于我国提高转炉钢产量和降低耐火材料消耗起到了重要作用。采用溅渣护炉技术之前我国转炉寿命一般在2000炉左右，转炉作业制度一般采用3吹2。采用溅渣护炉后炉龄平均可达15000炉，转炉基本上采用了3吹3的作业制度，转炉炉衬的使用周期可达1~2年，采用溅渣护炉之前的炉衬使用周期为40天左右。转炉的作业率提高约30%，每吨钢的镁碳砖消耗。
溅渣护炉终渣氧化镁的控制：
溅渣护炉要求转炉终渣有合适的MgO 含量，使溅渣层有足够的耐火度。图9是毕晓普（Bishop ）等绘制的CaO-SiO 2-FeO-MgO 四元系中MgO 的熔解度曲线。从图中可以看出，炉渣碱度对渣中MgO 的熔解度影响最大。渣中FeO 为15%时，炉渣碱度1.5，MgO 熔解度约为14%；碱度为3.0时，MgO 熔解度为8%。
图9 CaO-SiO 2-FeO-MgO 渣系中MgO 的溶解度(1600℃)
吹炼过程中炉渣的碱度氧化铁变化很大，渣中氧化镁的熔解度变化也很大。图10是根据吹炼过程中用副枪所取渣样的化渣成分，渣量得出的渣中MgO 量的变化曲线。渣中MgO 未熔量是根据加入MgO 总量减去渣中MgO 熔解量而得出的（此数据取自宝钢300吨转炉）。
图10 吹炼过程炉渣中MgO 重量变化
吹炼3min 取样炉渣碱度0.92，FeO=19.3%，渣中MgO 熔解度高达25%；吹炼7min 炉渣碱度1.43，MgO 熔解度约15%；吹炼10min 时炉渣碱度1.79，渣中MgO 熔解度约11%；终渣碱度3.02，渣中FeO=27%，渣中MgO 熔解度约8.1%。根据渣中氧化镁熔解度的情况，吹炼初期的酸性渣MgO 熔解度很高，随着渣中碱度升高，MgO 熔解度下降，到吹炼终点时MgO 的熔解度降到8%左右。溅渣护炉的MgO 材料在吹炼开始时全部加入，在渣中存在着过剩的MgO ，这MgO 有减少炉渣对炉衬MgO 熔解的作用。
溅渣护炉的喷吹动力来自氧枪喷出的氮气射流，通常氮气流量与炼钢用氧的流量相同或稍高一些。枪位在溅渣过程中有一定幅度的变化，使炉衬各部分溅渣层厚度更均匀。溅渣时间一般在3min 左右，时间过长炉渣温度过低，容易凝结在炉底上造成上涨。时间过短溅渣层厚度不够，溅渣层厚度15~20mm即可。
正常情况下转炉终渣成分（T 、TFe 、MgO ）应可以直接溅渣而不需要进行调整，这样可以减少调渣材料和缩短溅渣时间，如果炉渣过稀可加些轻烧白云石。
在正常情况下，转炉炉衬每年更换一次，与设备检修同时进行。对于小型转炉，炉龄约为15000~20000炉；对于大、中型转炉约为7000~10000炉。炉龄过长在炉役后期喷补料消耗大，炉衬过薄热损失大，炉壳易变形。转炉的机电设备也需定期检修，过分地延长炉龄并不合理。
溅渣操作结束后炉内剩余的粘渣有的倒入渣罐后运到渣场处理，有的留在炉内，开始一下炉的装料操作。这种留渣操作在安全上并无问题，这时炉渣很粘，加入废钢后其表层已凝固，兑入铁水也不会产生激烈反应。吹氧开始后熔池温度升高，炉渣逐渐熔化，有加速石灰溶解的作用，对于下一炉成渣有好处。
目前转炉钢厂采用的炉渣滚筒法处理过程中，希望炉渣有较好的流动性，使炉渣顺利地流入滚筒中。在转炉溅渣之前，先把终渣倒出一部分，留在炉内的渣量应满足溅渣的要求，这时的炉渣过热度高，有利于渣的粒化处理。
转炉顶底复合吹炼技术：
转炉顶底复合吹炼是上世纪70~80年代开发并广泛应用的一项新技术。复合吹炼技术可使转炉生产低碳钢时降低渣中氧化铁和钢中熔解氧，减少渣-钢反应，偏离平衡的程度，使转炉炼钢的金属收得率提高，铁合金消耗降低和提高钢的洁净度。
转炉复吹所用的底吹气体有氮、氩、CO 2、O 2+油保护、空气等。供气元件有单管、套管和毛细管多微孔透气砖。底吹供气强度差别也很大，从0.06~0.20Nm3/t.min。
复吹转炉中顶吹氧枪的搅拌能可用公式（6）计算。
Q t 3⨯M 6. 32⨯10-7 εvt = （6） C o θs 2
3
V L n ⨯D e ⨯H 式中εvt ：顶吹射流搅拌能量（W/m3），V L ：金属体积（m 3） Q t ：氧流量（Nm 3/min）， n ：喷孔个数，M ：氧分子量（kg ） De ：喷孔出口直径（m ），θ：喷孔倾角（度），H ：枪位高度（m ） 底吹搅拌能用公式（7）计算。 εvB =6. 18
Q B T L V L
⎡ρL ⋅h ⎫⎛T a ⎫⎤⎛21303lg 1+1-⎪ ⎪+ ⎢⎥ （7） ⎪P ⎭⎝T L ⎭⎦⎝⎣
式中εvB ：底吹气体搅拌能量（W/m3），T L ：熔池金属温度（︒K ） T a ：吹入惰性气体温度（︒K ）， ρ：金属密度（kg/m3） P ：炉膛压力（kg/m2），h ：熔池深度（m ） 熔池混匀时间用公式（8）计算。
τ = （L 0/0.125）2/3 ⨯（7/1）1/3 ⨯ 540（0.1εvt + εvB ）-0.5 （8）
：熔池混匀时间（秒），L 0：熔池深度（m ）
各种不同方法的转炉顶底复合吹炼熔池混匀时间与底部供气强度之间的关系如图11所示。
图11 熔池混匀时间与底部供气强度之间的关系
由图11可见，底吹气体流量低时熔池混匀时间的缩短受底吹气体流量影响较大，当供气强度超过0.2Nm 3/t.min时，底吹流量增加对于混匀时间缩短的影响作用变得不明显。
上世纪80年代原冶金部曾组织了转炉顶底复合吹炼多方面的研究工作，如供气元件的开发，复吹水模和热模试验，复吹冶金效果，复吹炉衬和供气元件的侵蚀及维护等。对于复吹的理论知识也有较为广泛的普及。当时由于我国大型转炉冶炼低碳深冲钢还很少，对于复吹技术深入研究还不够。
近十几年我国新建了一大批大型转炉（见表1），冶炼钢种增加，其中包括批量生产低碳、低磷的深冲钢、硅钢等，通过生产实践对于复吹技术的了解深度有很大提高，可以根据生产中出现的问题提出有效地解决措施，目前这个过程仍在进行中。对于转炉复吹技术中几个工艺参数提出以下建议：
（1）底吹供气强度和气源
吹炼前期、中期0.04Nm 3/t.min，吹炼后期0.06~0.12%。根据我国目前的情况，吹炼前期、中期喷吹氮气，吹炼后期切换为氩气，全程吹氮的供气方式不应提倡。全程吹氮钢中不增氮的报导不可靠。底部喷吹CO 2，对供气元件侵蚀较快。
底吹喷吹转炉煤气的主要问题是不安全，有很多人做过研究工作，其冶金效果良好，来源也无问题，价格也不贵，但至今未有工业性应用。氧气-蒸汽用于冶炼不锈钢，太钢和泰山钢厂冶炼不锈钢由国外引进了这种工艺。氧气-油（天然气）喷嘴用于生产低碳钢的钢厂（Solmer ），这种喷嘴不易堵塞，喷嘴数量少（2个），供气系统简单。底吹气体的选择要根据冶炼钢种、气体来源、操作习惯和价格而具体决定。
（2）供气元件的数目
供气元件的数目一般情况下随着转炉吨位加大而增加，表9给出的数据供参考。
表9 供气元件数目与转炉吨位关系
供气元件数目少可以简化供气设备，但数目过少每个元件的供气量过大，会使供气元件加快侵蚀。如果采用供气元件更换技术，供气元件数目少是有利的。宝钢和日本钢厂复吹转炉供气元件数目较少（300吨转炉4~8个元件）。供气元件数目多可以减少每个供气元件的气体流量，炉龄较短，不采用更换供气元件的欧洲钢厂其供气元件数目较多。我国由欧洲引进复吹技术的钢厂也如此。例如武钢250吨转炉的供气元件16个。供气元件数目多，使供气元件系统设备复杂，供气元件维护和更换难度大。正常情况其调节范围8~10倍即可满足生产的需要。
转炉铁水脱磷预处理的底吹供气强度要求达到0.25Nm 3/t.min。对于300吨转炉其流量为4500 Nm3/h。虽然铁水脱磷预处理过程温度较低，但供气元件的磨损速度还是较高的。目前只是采取加长供气元件的措施。我国目前还缺乏这种冶炼工艺的经验。
（3）复吹转炉的冶金效果
上世纪80年代冶金部科技司组织技术人员翻译4册国外复吹文集，出版3册国内复吹文集。对于复吹冶金效果很多钢厂都发了文章，这里引用R.Henrion 关于LBE 复吹资料。
图12表示C%与O%的乘积从0.0036降低到0.0018，当金属含碳0.06%
时，钢中氧300ppm 。对于铝镇静钢铝消耗降低0.35kg/t钢。钢的洁净度有所改善。
● LBE 法可使超低碳钢中碳降低到0.015~0.025%。
● 当熔池含碳相同时，LBE 法渣中铁降低3~5%，可提高铁收得率
0.3~1.0%。
● 钢中残锰提高0.05~0.1%，可明显降低锰铁消耗。
● LBE 法的搅拌作用使渣-钢反应更接近平衡，见图13。生产超低碳钢时
LBE 法较LD 法磷可降低0.005%，硫可降低0.002%。
图12 喷吹惰性气体对金属中%C和%O的影响
图13 喷吹惰性气体对磷和硫偏离平衡的影响
（4）复吹转炉的炉龄
我国大、中型转炉和部分小型转炉都安装复吹系统。复吹技术的实际应用情况可分为三种。
宝钢、武钢、鞍钢、马钢等大型转炉钢厂生产深冲钢板、硅钢等低碳、低磷品种，每炉钢都需要有效地进行复吹。这些转炉吹炼终点钢中碳在0.040~0.050%，磷0.0030%，复吹效果微弱，接近顶吹转炉[C][O]=0.0032~0.0035。
台湾中钢250吨转炉复吹炉龄约5000炉（中钢冶炼工程师在座谈会上提供资料），日本转炉采用优质镁碳砖的一些钢厂在炉役中期更换一次透气砖，复吹炉龄可达8000炉。欧洲转炉炉龄一般不大于4000炉，炉衬材质为普通镁碳砖。欧洲转炉厂不采用溅渣护炉工艺。日本转炉钢厂（新日铁）采用溅渣护炉技术，其目的是节省喷补料，底部供气元件仍保持正常工作状况，其寿命约为4000次左右。美国转炉厂采用溅渣护炉技术较多，他们对复吹作用并不特别强调，这可能和美国转炉所用铁水含磷低（0.04~0.06%）有关。采用P0.06%的低磷铁水炼钢，转炉终渣氧化铁比采用0.10%P铁水炼钢（生产相同含磷量的钢水）终渣氧化铁可以低4~6%，钢中氧含量也相应降低。
我国大型转炉的复吹供气强度偏低，对提高钢的清洁度是不利的，特别是在生产低碳、低磷、低氧钢方面还存在困难。产品质量与国外先进钢厂还有差距。重点是增加底吹供气强度，延长透气砖寿命和提高复吹冶金效果。
中、小型钢厂的复吹应用状况：
这些钢厂主要生产条形钢材和部分板材。板材钢吹炼终点时碳低（C
上在20000炉的炼钢过程中有相当比例的炉次复吹冶金效果是很微弱的，而且炉役后期的冶金效果也明显低于炉役初期。从修炉时拆下的透气砖看其中至少1/3的毛细管已经碳化并完全堵塞。
还有一部分中、小型转炉基本上全部生产条形钢（螺纹钢筋、线材、小型圆钢、角钢等）。生产这些钢种有无复吹都可以。有的钢厂为了防止炉底漏钢，规定开炉200炉以后炉底必须复盖200mm 以上的炉渣。终点钢中[C][O]≥0.0030。这些钢厂的生产人员对于提高复吹冶金效果、透气砖的合理使用及维护知识也很不足。在这种情况下复吹技术不起作用，其复吹寿命也无实际意义。
当前转炉复吹寿命见表10。
表10 国内复吹转炉寿命情况
4．转炉炼钢的脱磷、脱硫
除非采用低磷铁水（P ≤0.06%）炼钢，脱磷仍然是当前转炉炼钢中难度较大的技术问题。
到目前为止对于炼钢过程的脱磷反应仍然是以早期Chipman 和Winkler 的著作为基础，通常把脱磷反应写成以下公式：
2[P] + 5（FeO ）+ 4（CaO ）= Ca4P 2O 9 + 5[Fe] （9） △G °= -204450 + 83.55T 平衡常数：K = lgK =
αCa P O
（10） 245
[P ]⋅αCaO ⋅αFeO
425
44700
T - 18.26 （11）
上面的热力学理论公式应用于平衡状态，其结果是正确的。有的学者对Chipman 等人的工作进行验证，认为其结果是正确的。在工业生产中的炉渣是非平衡状态，把化学成分分析结果直接用上述公式进行计算经常出现较大的偏差。对于工业炉渣很多研究者提出了一些半经验公式来估算磷在渣-钢之间的分配。G .W.Healy 以Chipman 的工作为基础，应用炉渣离子理论，结合Ward 、Turkdogan 等人的研究成果提出下面估算磷在渣-钢之间的分配公式：
（%P）22350lg [%P]= T - 16.0 + 0.08(%CaO) + 2.51g(%TFe) （12） 这个公式计算简便，计算结果很直观，应用较广。其缺点是准确度稍低，修正的巴拉耶瓦公式的表达形式如下（用日本人水渡的数据进行修正）：
lgK=8.42lg[(%CaO)+0.3(%MgO)-0.05(%FeO)]+22740/T-28.0 （13） 法国钢铁研究院H.Gaye 、J.Grosjean 等人根据相图理论计算出给定温度下炉渣中液相和固相的成分及数量。在此基础上应用热力学平衡公式计算出钢中的实际含磷量。这个程序的计算结果比W.Healy 公式与实际状况符合程度更高。钢铁研究总院在上世纪80年代引进了这套程序。本课题组在研究转炉渣-钢反应中多年应用此程序，其效果较好。
宝钢300吨大型转炉吹炼过程中钢中磷含量的情况见图14。
图14 吹炼过程金属含磷量的变化
图14中的数据是用副枪取样得出的。由图14可见吹炼过程中基本上没有回磷现象。仅HT60炉在吹炼到13min 时钢中磷稍有回升。如吹炼中枪位控制不当，渣中氧化铁含量低（
高，铁的氧化损失大。吹炼终点磷在渣-钢之
间的分配状况如表11及图15。
表11 终点渣-钢间磷的分配值
图15 吹炼终点P 的平衡状况 表中[P]r 是钢中实际含磷量，[P]e
是钢中含磷的平衡值，由R 、(TFe)、温度等决定。[P]r
/ [P]e 是钢中磷含量实际值与平衡值的偏离程度。由化渣早晚、终点前降枪状况等决定。它表明炉渣脱磷能力的利用程度。根据最近的研究情况，减小[P]r / [P]e 值主要措施是提高底吹供气量，改善渣-钢反应的动力学条件。因为目前顶吹降枪已接近极限，枪位再低将缩短喷头寿命，顶吹氧流量已达68000Nm 3/h（3.78Nm 3/t.min），提高顶吹供氧强度增加熔池搅拌能的幅度也不大。提高底吹供气强度与透气砖的寿命有矛盾，这是今后要解决的技术问题。
吹炼终点钢中磷含量受R 、(TFe)、温度、渣量多种因素的影响，任何一个工艺参数对终点[P]的影响都难以定量表达。通常采用多元回归分析的方法来处理此种问题。
吹炼低硅铁水（Si=0.15~0.30%）时终点[P]与各工艺参数的关系如下：
1[P]j = -1.16436+0.34972 log(t)+0.007223(1/P2O 5)+0.03404( R )+0.054518(1/WSC )
+0.212625[P]Iron + 0.48706(1/WSlag ) + 0.030953[C] （14）
[P]j ：终点钢中磷含量计算值（%）
(P2O 5) ：终渣P 2O 5含量（%）
W SC ：废钢装入量（t/炉）
W Slag ：渣量（t/炉）
t ：终点钢水温度（℃）
R ：终渣碱度（CaO/SiO2）
[P]Iron ：铁水含磷量（%）
[C]：终点钢水碳含量（%）
R=0.731 n=110 图16 回归计算值与钢中实际含磷关系
转炉铁水脱磷预处理+转炉脱碳的双联方法适用于生产低磷钢（出钢前钢中磷低于0.08%）。这种工艺是由日本和歌山钢厂开发的。如生产一般钢种，其生产成本增加。其优点是可以保证低磷钢的炼成率，钢的质量也较好。出钢前钢中氧含量由700ppm 降低到600ppm ，成品磷平均0.010%，成品S 平均0.005%。这种方法的缺点是热损失和金属喷溅大，调度复杂。双联法炼钢厂的布置如图17。图中的脱磷炉氧流量21000Nm 3/h，脱碳炉80000 Nm3/h。两种炉子的供氧和除尘系统分别设计。和歌山钢厂有1座脱磷转炉，2座脱碳炉，2座RH ，有板坯和大方坯连铸机各一台。脱磷炉底吹气体流量 0.4Nm 3/t.min。炉渣碱度1.8~2.8，以2.0~2.2为好。为减少金属喷溅，采用不等径多孔交错脱碳喷头，见图18。这种氧枪在国内已开发成功。
图17 和歌山炼钢厂布置图
图18 和歌山厂两种氧枪示意图
我国高磷矿资源利用是一个未解决的问题。湖北鄂西长阳一带有17亿吨（目前查明储量）高磷铁，含铁35~50%，P 0.8~1.1%，脉石有SiO 2和CaO ，可配成自熔矿，这部分矿石目前仍未开采。其主要原因是我国高磷生铁炼钢技术未掌握。西欧采用喷石灰粉法冶炼高磷生铁很成功（LD-AC 法和OLP 法），在上一世纪70年代用高磷铁水炼钢年产量越过5000万吨，所生成钢种和用普通铁水相同。每吨钢可生产180kg 磷肥（P 2O 5 17~20%），其成本比用普通铁水高5%，由政府给予补贴。法国gandrang 钢厂的顶吹OLP 法转炉容量达260吨，Sollac 厂底吹喷粉转炉容量达240吨，2座转炉年产量300万吨钢，他们的产品如重轨、马口铁在全世界都有名。
大型转炉冶炼高磷生铁的喷粉设备，冶炼工技术可从国外引进。喷石灰粉法脱磷很有效。日本为用高拉碳法生产汽车零件，就从阿尔贝德公司引进了LD-AC 设备，使用效果良好。
我国目前探明含中、高磷铁矿石约35亿吨。建议国家重视这部分资源的利用，减少对国外铁矿石的依赖程度。冶金部以往曾对高磷矿利用组织过有关单位进行研究，并制定了开发计划，但未执行。
京唐钢厂有2座脱磷炉，3座脱碳炉，5个炉子都是按炼钢转炉设计的。如果双联法不能正常应用，5座转炉都可炼钢。这个钢厂已投产，其效果还待今后评定。近代转炉钢厂都有铁水脱硫设备，根据所炼钢种要求脱硫后铁水含硫量在0.001~0.01%范围内变化。如生产低硫钢，应用本厂返回废钢。外购废钢硫含量高，难于控制。图19是宝钢300吨转炉冶炼过程中钢中硫含量的变化曲线，图20是脱硫率变化曲线。
图19 吹炼过程中熔池[S]含量的变化
图20 吹炼过程中脱硫率的变化
由图19可见，三炉的硫含量曲线变化规律基本相同。吹炼前期、中期金属中硫含量一直在增加，这主要是废钢熔化和加入渣料中的硫进入铁水中。吹炼后期由于炉渣碱度提高和渣量加大，钢中硫含量有所降低。但吹炼终点时钢中硫但仍高于脱硫铁水的硫含量。根据31炉的统计，吹炼过程中脱硫率约31%。由图20可见这三炉的脱硫率变化趋势也相近。转炉脱硫主要在吹炼后期，吹炼终点用Belaf 程序计算的渣-钢间硫的分配比数据见表12及图21。
表12 吹炼终点渣-钢间硫的平衡状况
图21 吹炼终点S 的平衡状况
由表12可见吹炼终点渣-钢反应未达到平衡，钢中实际含硫量与平衡偏离的程度低于脱磷反应。吹炼终点硫的平衡如表13。
表13 HT26炉硫的物料平衡
由表13可知在生产中应尽量减少脱硫渣进入转炉和使用含硫高的废钢。在所研究的炼钢条件下，炉渣脱硫是主要的，气化脱硫所占比例很小（
[S]r =8.137⨯10-2-4.186⨯10-3t+0.282[S]I +1.457⨯10-4(TFe)-7.33⨯10-4R-9.663⨯10-5(Ws )
+4.732⨯10-2(S) （15） 式中：t ：钢水温度（℃），(Ws)：渣量，(S)：渣中硫含量，[S]I ：铁水含硫。
5．转炉除尘
转炉未燃烧法除尘可分湿法和干法。湿法除尘使用较早，也很普遍。我国只是近几年才从国外引进干法除尘。
5.1 未燃法湿法除尘
我国未燃法湿法除尘是1965年在上钢一厂5吨转炉上开始进行试验的。对于湿法除尘中的重要问题都分别进行了专题研究。如微差压的应用，氮幕与微差压的比较，对于灰尘量、成分、粒度、煤气成分变化都进行了测定。对于有关未燃法的安全问题也进行了研究。5吨转炉的试验为上钢一厂30吨转炉的工业试验提供了依据。通过30吨转炉的工业性试验，我国掌握了未燃法湿法除尘技术。在以后的转炉钢钢厂建设中不再采用燃烧法。我国第一个转炉厂（首钢30吨转炉）采用燃烧法湿式除尘，其缺点是烟气量大，粉尘颗粒小，难于净化，除尘系统动力消耗大。各国的设备制造厂根据自己的经验开发了多种未燃式湿法除尘，如图22~24(戴云阁) 。
5.2 未燃法干法除尘（静电）
转炉未燃法干法除尘系统是上一世纪80年代德国鲁奇公司与蒂森公司共同开发的，简称LT 法。宝钢二炼钢2座250吨转炉首先由国外引进了未燃法干法除尘装置。莱钢炼钢厂建有3座120t 顶底复吹式转炉，设计产量500万t/a，三吹三生产，现实际生产达到300万t/a，均采用干法除尘技术。工艺流程见图25。该厂LT 系统主体设备除部分主体设备在国内制造外（如电除尘器、蒸发冷却器本体），系统关键设备如蒸发冷喷嘴、静电除尘器高压电气设备、ID 轴流风机及控制系统、煤气回收切换站等均从德国鲁奇公司引进。工程于2004年7月建成投产。其工艺过程为：
约1550℃的转炉烟气在LT 系统ID 风机的抽引作用下，经过烟气冷却系统
标准部件（活动烟罩、热回收装置及气化冷却烟道），温度降低到800~1200℃进入蒸发冷却器，蒸发冷却器内采用12个双介质雾化冷却喷嘴，对烟气进行降温、调质、粗除尘，烟气温度降低到150~200℃，同时约有40%的粉尘在蒸发冷却器的作用下被捕获，形成粗颗粒粉尘通过链式输送机、双板阀进入粗灰料仓由汽车外运；经冷却、粗除尘和调质后的烟气进入有4个电场的圆形电除尘器。烟气经静电除尘器后烟气含尘量降至10mg/Nm3以下。静电除尘器收集下的细灰，经过扇形刮板器、底部链板输送机和细灰输送装置排到细烟尘仓由汽车外运至烧结厂重复利用。经过电除尘器精除尘的烟气由切换站进行回收或放散的切换，合格烟气经过煤气冷却器降温到70~80℃后进入煤气柜，不合格烟气通过火炬装置放散。整套系统采用自动控制，与转炉的控制相联系。
由于LT 法系统阻力很小，引风机采用轴流风机，有利于系统的泄爆。风机设变频调速，可实现流量跟踪调节，以保证煤气回收的数量与质量，可大大节约能源，经济效益显著。
图25 工艺流程图
建议：
（1）从综合指标比较，转炉干法除尘与湿法除尘相比有较多的优点，但设备和使用要求技术条件较高。推广此项技术应首先选择条件较好的转炉厂，可以较快地取得效果。如果钢厂装备和技术条件满足不了干法除尘的要求，不必勉强推广。推广技术难度较高的项目要正确估计工厂的接近能力，以免达不到预期效果，对今后的工作反而增加困难。
（2）国内一些电炉采用高比例铁水（>50%）炼钢，采用燃烧法干式（布袋）烟气处理技术，废气量增加很多，原设计的除尘系统不适应。是否可以改为未燃法干式除尘。
（3）有的单位在研究对于未燃法烟气净化系统，粗除尘（大颗粒）用干法，精除尘（细粉尘）用湿法（文式管）。和全部湿法相比，污泥和污水处理量有所减少，但设备和操作都简单。
30