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轉(zhuǎn)爐煉鋼中的吹氧

在煉鋼過程中，氧氣（O2）被吹到轉(zhuǎn)爐的熱金屬上，以去除碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）和磷（P）等雜質(zhì)。 一個(gè)水冷噴槍被用來以非常高的速度向液態(tài)槽中注入氧氣以生產(chǎn)鋼。在20世紀(jì)50年代，當(dāng)頂吹轉(zhuǎn)爐工藝被商業(yè)化，并且轉(zhuǎn)爐的規(guī)模被限制在50噸以內(nèi)時(shí)，一個(gè)帶有單孔槍頭的噴槍被用于在轉(zhuǎn)爐中吹制氧氣。隨著時(shí)間的推移，轉(zhuǎn)爐規(guī)模不斷擴(kuò)大。這就需要增加槍頭的孔數(shù)，以使O2更好地分布在轉(zhuǎn)爐中更大的熔池表面。

隨著對生產(chǎn)高質(zhì)量、低雜質(zhì)鋼的要求越來越高，轉(zhuǎn)爐煉鋼需要非常高純度的O2。煉鋼所需的O2至少要有99.5%的純度，最好是99.7%至99.8%的純度。其余部分為0.005%至0.01%的氮?dú)猓∟2），其余為氬氣（Ar）。

在頂吹式轉(zhuǎn)化器中，O2以超音速噴射，在水冷噴槍的頂端有聚合發(fā)散的噴嘴。強(qiáng)勁的氣體射流穿透熔渣并撞擊到液態(tài)槽的表面以精煉鋼。今天，大多數(shù)轉(zhuǎn)爐都使用含有3至6個(gè)噴嘴的槍頭。甚至8個(gè)噴嘴的槍頭也在使用中。多孔槍頭中每個(gè)噴嘴的軸線相對于槍頭軸線是傾斜的，并在槍頭周圍等距分布。噴槍頭由銅制成，焊接在噴槍鋼管上。

表1中給出了不同尺寸轉(zhuǎn)換器的O2流速和O2流速與噴槍管尺寸的關(guān)系

在轉(zhuǎn)爐煉鋼中，超音速的O2被吹到熱金屬上以去除C、Si、Mn和P等雜質(zhì)。在吹氣過程中，噴槍的高度會(huì)降低，以使O2能夠進(jìn)入熔池去除C。水龍頭到水龍頭的時(shí)間在50到60分鐘之間，取決于O2的流速、熱金屬成分、噴槍的輪廓和鋼的化學(xué)成分。值得注意的是，吹氧時(shí)間和分接時(shí)間并不明顯取決于轉(zhuǎn)爐的容量。

轉(zhuǎn)爐中的O2是通過水冷噴槍（近8米至10米長）以高壓（約11-14公斤/平方厘米）和超音速（馬赫數(shù)大于1）的方式吹出。從噴嘴噴出的超音速O2有助于提高液槽中O2的夾帶率。在吹氣過程中，形成了由熔渣/金屬液滴/氣泡組成的三相分散體。噴槍最重要的部分是噴嘴頭。它被設(shè)計(jì)為產(chǎn)生非凝聚的自由O2射流。噴嘴的功能如下：

氧氣的供應(yīng)和分配

產(chǎn)生氣態(tài)射流

導(dǎo)致浴液攪拌

產(chǎn)生金屬液滴

在之前的熱量被挖掘出來，渣子被排出后，檢查襯里。廢料和熱金屬被注入。轉(zhuǎn)換器被傾斜到垂直位置，噴槍在容器中被放下，開始吹氧。開始時(shí)噴槍高度的選擇應(yīng)使熔池水平的力量集中，不致造成微小的鐵顆粒噴出（火花），同時(shí)使O2噴射覆蓋最大的熔池表面區(qū)域。

最初，通過保持較高的噴槍高度來吹軟O2，以促進(jìn)熔渣的形成并避免小顆粒的噴出，因?yàn)闊峤饘贈(zèng)]有被熔渣覆蓋。通常在吹氣開始時(shí)和吹氣過程中加入石灰。通過逐步降低噴槍的高度，吹氧大約15到20分鐘，這樣渣子的發(fā)泡就會(huì)得到控制，氧化反應(yīng)就會(huì)不間斷地發(fā)生。

自由氣體噴射形式的O2供應(yīng)是轉(zhuǎn)爐煉鋼的一個(gè)重要特征，包括頂吹和不同類型的聯(lián)合吹煉轉(zhuǎn)爐。在這種形式的O2供應(yīng)中，吹制O2的總時(shí)間幾乎與轉(zhuǎn)爐容量、O2吹制率和底部攪拌無關(guān)。這反映在對30噸至400噸不同轉(zhuǎn)爐容量的無量綱動(dòng)量流量與吹氣時(shí)間/總吹氣時(shí)間的比率進(jìn)行評估。

可以看出，無量綱動(dòng)量流速描述了在不同噴槍高度下由恒定體積流量的O2產(chǎn)生的自由O2射流的作用。無量綱動(dòng)量流率數(shù)字隨著噴管高度的降低而增加。噴管高度的降低使吹氣變硬，噴管高度的增加使吹氣變軟。可以認(rèn)為，噴槍的輪廓在開始時(shí)產(chǎn)生柔軟的吹氣，隨著吹氣的進(jìn)行，吹氣逐漸變硬。

在所有轉(zhuǎn)爐煉鋼中，對噴槍輪廓的基本要求是在初始階段形成富含F(xiàn)eO（氧化鐵）的熔渣，然后通過逐步增加熔池中的氧氣供應(yīng)來去除C和P，避免熔渣過度氧化。第一個(gè)要求是通過 "軟吹"（噴射的淺層滲透）來實(shí)現(xiàn)的，另一個(gè)要求是通過逐步加強(qiáng)吹氣（噴射深入熔池）來實(shí)現(xiàn)。因此，無論轉(zhuǎn)爐容量和轉(zhuǎn)爐煉鋼方式（純頂吹或聯(lián)合吹煉）如何，軟吹和硬吹都是熱金屬精煉的基本要求，因此，總的吹氧時(shí)間或多或少保持不變。

氧氣的可用性

在轉(zhuǎn)爐精煉過程中，O2的能量是可用的。O2的能量可用性是通過將一定流量的O2通過噴嘴獲得的。

在轉(zhuǎn)爐煉鋼中，O2是通過拉瓦爾噴嘴吹出的。拉瓦爾噴嘴也被稱為收斂-發(fā)散型噴嘴，其特點(diǎn)是流動(dòng)通道的橫截面積沿流動(dòng)方向減少，達(dá)到最小橫截面積，然后沿流動(dòng)方向進(jìn)一步增加。流動(dòng)通道的最小橫截面積被稱為噴嘴的喉部。拉瓦爾噴嘴可以將氣體加速到超音速（馬赫數(shù)大于1）。事實(shí)上，出口處的氣體速度相當(dāng)于2.0至2.4左右的馬赫值。

自由氣體射流的行為

當(dāng)氣體從一個(gè)拉瓦爾噴嘴流出時(shí)，其在由空氣組成的周圍的行為表明，氣體從噴嘴流出時(shí)在周圍擴(kuò)散，被稱為 "自由氣體射流"，因?yàn)閿U(kuò)散不受限制。周圍自由射流的特點(diǎn)是潛在核心長度（PCL）和超音速核心長度（SCL）。在潛在核心中，不會(huì)發(fā)生周圍的夾帶現(xiàn)象，因此，氣體在軸向和徑向的速度都是出口值的速度。在潛在核心之外，由于周圍環(huán)境的影響，徑向和軸向的速度都開始下降。然而，在自由氣體射流中達(dá)到了一個(gè)點(diǎn)，氣體速度達(dá)到了音速值（M=1）。在超音速核心長度內(nèi)，氣體速度在徑向和軸向都高于超音速值。在超音速核心長度之外，氣體速度為亞音速。因此，自由氣體射流的主要特征是徑向擴(kuò)散和軸向速度衰減，超過了潛在的核心。

由于擴(kuò)散，射流的質(zhì)量增加，這意味著在平面P=0處的氣體濃度由于周圍的夾帶作用而減少了。如果O2流經(jīng)噴嘴，平面P2處的O2濃度低于P1處和P=0處的濃度。射流的軸向速度是一個(gè)從噴嘴出口測量的軸向距離的函數(shù)。

自由射流的一個(gè)重要特性是它攜帶的動(dòng)量流率，在撞擊液體時(shí)被轉(zhuǎn)化為力并滲透到液體中。射流內(nèi)的動(dòng)量流率是守恒的。這是射流的一個(gè)重要屬性，因?yàn)樗蝗Q于上游的變量，如壓力、噴嘴的數(shù)量和直徑。它不取決于下游的條件。

由多噴嘴尖端產(chǎn)生的射流的行為取決于噴嘴的數(shù)量和每個(gè)噴嘴與噴槍軸線的傾斜角度。轉(zhuǎn)爐煉鋼中的噴嘴數(shù)量隨轉(zhuǎn)爐產(chǎn)能而變化，但一般在3-6個(gè)之間。三孔槍頭的每個(gè)噴嘴的傾角通常為10至12度，五至六孔槍頭的傾角一般為15至16度。

在給定的上游壓力和氣體流速下，噴嘴下游的多自由氣體射流能否凝聚取決于傾角和噴嘴的數(shù)量。凝聚的射流與單一射流相似。 當(dāng)三孔噴槍的傾角為10-12度時(shí)，多射流在噴嘴下游一定距離內(nèi)不會(huì)凝聚。不凝聚的射流在撞擊液體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與射流數(shù)量相等的滲透力。

軸向速度衰減和徑向擴(kuò)散取決于周圍的密度/O2射流的密度的比率。如果O2射流的密度大于周圍的密度，那么這種射流就會(huì)在周圍緩慢擴(kuò)散。擴(kuò)散的速度取決于比率的數(shù)值。因此，射流的速度在周圍下游的任何距離上都衰減得比較慢。在這種情況下，冷射流在熱金屬的周圍排出，潛在核心的長度PCL和超音速核心的長度SCL比周圍密度/O2射流密度的比率為1時(shí)要長。如果周圍的密度/O2射流的密度之比小于1，那么O2射流就比周圍的輕，O2射流擴(kuò)散得更快，這就導(dǎo)致勢核心PCL的長度和超音速核心SCL的長度降低。在這種情況下，冷氧射流被排入爐渣。

自由氧射流的作用

自由氧射流的速度是很重要的。由于周圍環(huán)境的夾帶，軸向速度隨著噴嘴下游距離的增加而降低。在轉(zhuǎn)爐中，當(dāng)吹氣開始時(shí)，氧氣射流的周圍是熱大氣。隨著噴吹的繼續(xù)，射流周圍從一氧化碳（CO）變成了熔渣。在大部分時(shí)間里，射流被淹沒在熔渣中。轉(zhuǎn)爐內(nèi)的環(huán)境是動(dòng)態(tài)的。射流的速度取決于上游的壓力、下游的軸向距離和周圍的環(huán)境。當(dāng)周圍環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，很難計(jì)算出射流速度，但射流內(nèi)的動(dòng)量流速與噴嘴下游的距離無關(guān)，可以計(jì)算。

射流攜帶的動(dòng)量流率在撞擊水浴時(shí)被轉(zhuǎn)化為力。因此，自由射流的作用可以用無量綱流率數(shù)來描述。無量綱流速數(shù)隨著噴管高度的降低而增加。因此，無量綱流速數(shù)是用來描述噴管高度的動(dòng)態(tài)變化的。無量綱動(dòng)量流速數(shù)表示O2射流在噴管高度對浴槽的作用，與重力作用相反。

射流的穿透性

無量綱流速數(shù)描述了噴管高度對射流滲透性的影響。在較高的噴槍高度獲得的淺層射流滲透是 "軟射流"，而在較低的噴槍高度獲得的深層滲透射流則被稱為 "硬射流"。

這意味著，在恒定壓力下提供的恒定體積流量的氧氣通過噴嘴排出時(shí)，可以使其打在浴盆上，成為 "軟 "的，并可以逐漸變得更硬。因此，在轉(zhuǎn)爐煉鋼實(shí)踐中，通過 "自由噴射 "供應(yīng)氧氣的方法在物理-化學(xué)反應(yīng)方面非常有效。

反應(yīng)性的軟沖擊O2射流擊中液態(tài)金屬浴時(shí)引起的影響是：（i）鐵（Fe）的氧化，（ii）淺層滲透，（iii）渣/金屬反應(yīng)，以及（iv）增強(qiáng)渣的形成，從而促進(jìn)P的去除。

反應(yīng)性的硬性沖擊O2射流擊中液態(tài)金屬浴時(shí)引起的影響是：(i)浴槽深處有O2，(ii)增強(qiáng)C的氧化和損害P的去除，(iii)CO演化到浴槽深處并通過浴槽逸出，攪動(dòng)浴槽，以及(iv)產(chǎn)生液滴，然后乳化在熔渣中。

圖1顯示了O2射流的類型和它們的影響。

圖1 氧氣噴射器的類型和它們的影響

轉(zhuǎn)爐中的反應(yīng)

在氧氣煉鋼中，C型飽和熱金屬以超音速的方式被吹入純氧。反應(yīng)和混合都很激烈。O2與溶解的Si、溶解的Mn和Fe本身發(fā)生反應(yīng)，形成含F(xiàn)eO的液態(tài)爐渣。O2還與溶解的C反應(yīng)，釋放出CO氣體，從而使鐵脫碳。在煉鋼過程中，這些元素（C、Si等）的氧化路徑是將O2吹入鐵液中，使其在液態(tài)槽中的濃度超過特定雜質(zhì)元素所允許的平衡水平。溶解的O2和溶解的雜質(zhì)元素然后結(jié)合形成CO氣體（對于C來說）或液體硅（對于Si來說是SiO2）。由于這兩種產(chǎn)品[CO（氣體）和SiO2（液體）]在液態(tài)鐵中的溶解度非常有限，它們迅速形成各自的獨(dú)立相，凝結(jié)、合并，并在工藝的強(qiáng)烈攪拌作用下浮出。

另外，在煉鋼的強(qiáng)烈O2吹氣過程中，一些液態(tài)鐵本身被氧化成FeO，然后與液態(tài)金屬浴激烈混合成乳狀液，并能與鐵水中溶解的雜質(zhì)直接按照以下反應(yīng)進(jìn)行反應(yīng)。

2Fe（熔融）+O2（氣體）=2FeO（液態(tài)爐渣）

FeO（液態(tài)爐渣）+C（溶解在鐵液中）=CO（氣體）+Fe（熔體）

2FeO（液態(tài)爐渣）+Si（溶解在液態(tài)鐵溶液中）=SiO2（液態(tài)）+Fe（熔融）。

這些氧化反應(yīng)是高度放熱的。Si和其他雜質(zhì)氧化釋放的熱量，加上鐵本身氧化產(chǎn)生的焓值，被用來熔化冷廢鋼，以增加轉(zhuǎn)爐的熱量大小，以及提高下游操作的鋼液溫度。在煉鋼轉(zhuǎn)爐的熔池中，除了微量的二氧化碳，從來不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳。CO2（如果它曾經(jīng)形成）通過與任何剩余的溶解C反應(yīng)迅速變成CO。因此，CO2在煉鋼溫度下是一種氧化劑。根據(jù)吉布斯自由能的計(jì)算，鐵或溶解在鐵中的C被CO2氧化的平衡反應(yīng)產(chǎn)物強(qiáng)烈地傾向于CO，并有微量的CO2。根據(jù)上述方程式，C對FeO起著還原劑的作用，是另一個(gè)可以減緩（或干擾）鐵氧化的因素。

在煉鋼過程中，一些鐵被氧化，以至于增加了液態(tài)渣相中的液態(tài)FeO的百分比，而液態(tài)渣相在轉(zhuǎn)爐中與金屬共存。如果O2被吹得超過了雜質(zhì)氧化的終點(diǎn)，鐵的氧化就會(huì)過度。這表現(xiàn)為鐵在爐渣中的可測量的產(chǎn)量損失，使?fàn)t渣中的液態(tài)氧化鐵（FeO）的濃度可預(yù)測、可計(jì)算、可提高。一旦C被氧化成CO，任何額外的O2就會(huì)與Fe結(jié)合，在爐渣中產(chǎn)生FeO。