第5章 转炉顶底复合吹炼

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第五章 转炉顶底复合吹炼

第一节 复吹的发展

随着氧气制取技术的发展，转炉炼钢开始采用氧气冶炼。1952年奥地利发明了LD新工艺，使炼钢生产进入新阶段。由于LD法在生产率、热效率、脱P、脱S以及钢质量等方面的优越性，在世界上得到了极迅速的发展。

受到LD转炉的启示，托马斯转炉（底吹空气）也开始采用纯氧吹炼试验，但因喷嘴侵蚀严重致使底部供氧工艺受阻。1967年，德国和加拿大共同开发了OBM方法，发明了用碳氢化合物作为冷却剂的氧气喷嘴，使底吹氧气转炉得以产生，解决底部供氧带来的喷嘴侵蚀问题。

这两种炼钢工艺在冶金特性上有各自的优点，也存在自己的不足。从70年代，开始顶底复吹新工艺的开发，1980复吹工艺开始大规模投入工业生产。由于其具有顶吹及底吹的优点，因此得到了迅速推广与发展。我国复吹工艺的发展与世界基本同步，在83年在首钢和鞍钢开始推广使用。但是，在发展初期，由于耐火材料和Ar制备工艺落后，使我国的复吹发展受到限制。为理解复合吹炼的工艺特点，应首先了解顶吹及底吹转炉的冶金特点。 一． 顶吹和底吹转炉特点 1． LD转炉 （1） 冶金特点：

① 脱碳反应在上部乳化区进行。氧气流从顶部吹入熔池，把钢液及炉渣击碎成许多细小液滴，形成三相乳化区，脱碳反应主要在乳化区内进行。

② 反应区在熔池上部，有利脱P和脱S。由于O2与熔池的作用区处于熔池的上部，FeO易于聚集而有利于石灰熔化形成炉渣，使脱P、S与脱C同时进行。同时，调节枪位，可以控制炉渣FeO的聚集及造渣速度。

③ 氧枪射流搅拌作用不大。尤其冶炼后期，脱碳速度迅速降低，使熔池成分及温度的不均匀，特别是对大型转炉更为严重。 ④ C大约10%可以燃烧为CO2 。 （2） 优点：

① 操作控制灵活，实现早去S、P：可以通过调节喷枪高度，控制化渣速度，从而达到

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在吹炼终点前去除P，S。

② 有较高的热效率，可以吃较多的废钢。 ③ 转炉炉龄不受氧枪寿命的约束。 （3） 缺点：

① 喷溅事故多：渣中FeO易聚集，喷溅较大。 ② 均匀性差：熔池成分和温度不均匀。 ③ 烟尘大：反应在熔池上部进行。

④ 金属收得率低：渣中FeO、喷溅、及烟尘损失较大。 ⑤ 合金收得率低：钢中〔O〕含量高，合金收得率低。 2． 底吹氧气转炉 （1） 冶金特点：

① 氧气由底部射入熔池，反应主要发生在熔池底部及内部。

② 氧气利用率高，FeO产生于底部，在上浮过程中，将很快与C等反应。同时也造成渣中FeO聚集量减少，前期成渣和脱P困难。 ③ 气体搅拌力强，比LD高10倍以上。 （2） 优点：

① 冶炼平稳、喷溅少，金属收得率高：渣中FeO低。 ② 熔池搅拌好，温度及成分均匀。 ③ 熔池〔O〕含量低，合金收得率高。 ④ 可提高供氧强度，生产率高。 （3） 缺点

① 前期化渣困难，前期脱磷P能力差，因此不容易实现高拉碳。（但后期P脱磷效率高） ② 废钢用量小：Fe和CO的氧化量小。 ③ 钢中含〔H〕量稍高：冷却剂裂解。 ④ 炉底易损坏，炉龄较低。 3． 复合吹工艺的产生

顶吹及底吹各有其优缺点，并且其优缺点有的正好相互对应。结合两者的优点，就可以更好地发挥氧气转炉炼钢的作用，这就是复合吹炼工艺得以发展的必要性。

同时，由于底部供气元件的不断发展，炉底寿命有了较大提高，甚至可以与炉衬寿命同

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步，从而使得复合吹炼技术的发展成为可能。 二． 复吹工艺的种类

世界各国普遍开展了对复合吹炼的研究，根据具体生产条件和原有的生产设备，出现了各种类型的复合吹炼的工艺方法。主要可归纳为五种类型：P191内容 1． 顶部吹氧，底部供入惰性气体，顶部加入石灰块。

（1） 工艺开发：这种工艺是在LD的基础上，增加底部了底吹惰性气体或弱氧化气体，形

成了复吹工艺。我国的复吹转炉属于这种形式。

（2） 具体工艺：包括LBE，LD－OTB，LD－AB，NK－CB等。各种工艺之间的主要区

别在于供气元件、使用气体及其他辅助操作等的差异。P187，表4-14 （3） 常用气体主要有：Ar、N2、CO2。

（4） 供气量：顶吹氧的供氧强度基本不变；底吹气体的强度一般在0.10~0.30m3t?min。 2． 顶部吹氧90~95%，底部供氧5~10%，顶部加块状石灰。（底部供气小于20%） （1） 工艺开发：此类工艺是在底吹氧气转炉的基础上，增加了顶吹氧枪而成。国内基本上

没有采用此工艺。

（2） 具体工艺：包括LD－OB，LD－HC，以及BSC－BAP等。区别在于底部供氧比例、

喷嘴形式和冷却介质、以及辅助操作差异。

3． 顶部吹氧70~80%，底部吹氧20~30%，底部吹石灰粉 （1） 工艺开发：这类方法是在底吹转炉Q-BOP发展而来。 （2） 具体工艺：包括STB、K－BOP等，强化脱磷。

4． 顶部吹氧60~80%，底部吹氧20~40%，底部吹石灰粉，底部喷入燃料。。 （1） 工艺开发：底吹转炉。

（2） 具体工艺：K-OBM、OBM-S，提高废钢用量和改善脱磷喷吹料。 5． 底部供氧100%，底吹石灰粉，附加氧，顶/低喷吹石灰粉。 （1） 工艺开发：底吹转炉。

（2） 具体工艺：KMS，OBA－S，KS。在底吹的基础上，顶部增加附加氧用于燃烧炉气中

的CO，增加熔池热量以提高废钢比。 ★我国复吹主要是底部吹惰性气体。

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第二节 复吹的冶金特点

我国的顶底复吹工艺是在LD转炉的基础上改造而成，因此冶金特点也主要是以顶吹为比较对象（即与LD相比）来说明。P184~186内容 一． 冶金特点 P184内容 1． 由于增加底部供气，与LD相比，加强熔池搅拌（特别是吹炼末期），使熔池更加均匀。

底吹对熔池搅拌的作用可以从两个方面来体现：①熔池的均匀性（P184图4-49）和②混匀时间（P186图4-55）。★LD熔池均匀需要100S左右，而底吹10S即可均匀，因此认为“底吹的搅拌能力是顶吹的10倍”。→说明底吹使熔池搅拌能力加强。

2． 熔池搅拌增强，改善了钢－渣反应条件使其更接近平衡，过氧化现象降低（渣中FeO和

过剩〔O〕均减少）。P184图4-50和图4-51 3． 底吹惰性气体，使气泡中CO的分压低，有利于脱碳反应。（有利于低C钢及超低C钢

种）P184图4-50和图4-51 4． 通过改变顶枪位置和顶底吹炼制度，可以控制化渣，有利于充分发挥炉渣的作用。 5． 采用复吹方法，使熔池富余热量减少，降低了废钢比（喷吹燃料和炉气燃烧除外）。

★原因：①Ar、N2的吸热；②底部用O2时供入的冷却剂吸热；③CO2脱C是吸热反应；

④Fe、Mn氧化量减少。

二． 优点：（主要是与LD相比，适于我国国情）

1． 吹炼平稳，喷溅减少，金属收得率：渣中FeO降低。P185图4-52 2． 降低夹杂提高质量、延长炉龄：熔池均匀，反应接近平衡，终点氧化性降低。 3． 合金收得率高：（FeO）和〔O〕减少、余Mn高。P185图4-52和4-53。

4． 脱磷能力强，石灰消耗降低：由于钢渣反应条件改善，脱磷接近于平衡，如P185图4-54。 5． 极限终点碳降低，有利于冶炼超低C钢。 6． 提高生产率：喷溅少，与LD相比可以超装一些。

★复吹的经济效益明显，但随各国的具体情况而异：平均可降低成本：西德2～3.6马克/t钢； 美国0.25～1.5美元/T钢；我国83年2.1元/T钢；鞍钢150T炉2.3元/T钢。（早期改造时的数据，现在设计就是复吹）

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★具体的指标影响如P182，表4-12和表4-13所示。 三． 缺点

1． 工艺复杂：尤其是底部吹氧。

2． 底吹O2时，冷却剂将使钢中〔H〕升高。

3． 底吹N2将使钢中的氮升高，末期需要切换Ar气吹炼。全部吹Ar成本高。 4． 废钢比有所降低。

5． 底吹喷嘴寿命低，炉龄降低：由于溅渣护炉和底吹元件的改善，问题基本解决。

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第三节 复合吹炼的工艺影响

一． 对造渣影响

1． LD：在顶吹转炉中，氧从顶部吹入熔池，大量的Fe在熔池上部氧化，特别是喷枪位置较高时，熔池搅拌较弱，元素氧化反应较弱，渣中FeO易于积聚。即便是在脱碳反应激烈的阶段，仍然能及早成渣。可以通过喷枪位置来控制渣中FeO含量，即控制成渣时间。 2． OBM：在氧气底吹转炉中，Fe的氧化在熔池底部，产生的FeO在上浮过程中，很容易被Si、Mn、C等元素还原。同时，由于熔池搅拌强烈，元素化学反应较快，因而，渣中不易积聚FeO。在整个吹炼过程中，炉渣不能形成，只有当吹炼末期，C基本氧化完毕，渣中才能积聚足够的FeO形成流动性好、反应能力强的炉渣。

3． 复吹：复吹转炉中，Fe的氧化主要还是在熔池上部，所以渣中FeO的积聚还是比较容易的。由于少量气体穿越熔池，加强了熔池搅拌，从而加速了Si、Mn、C的氧化反应，使渣中FeO得以控制。即便是喷枪位置较高的条件下，渣中FeO也不会过高，而形成易引起喷溅的泡沫渣。到吹炼末期，仍使C的氧化保持有较顶吹末期更高的速度，因而能避免熔池过氧化现象。即能生成FeO含量较顶吹低的炉渣。如P185图4-52所示。

但是，随着底吹供气量的增加，其成渣的特征就逐步接近于底吹转炉，成渣较为困难。所以，控制底吹气量是复合吹炼工艺控制吹炼的重要手段。 二． 对化学反应的影响 1． 对脱碳反应的影响

（1） LD的特点：吹炼初期及末期脱碳反应速度较低，中期较快。由于中期易形成泡沫渣，

脱碳反应不平稳，易产生爆发性的喷溅。

（2） OBM的特点：底吹转炉较之顶吹初期及末期的脱碳速度为高，中期与LD相近。但

由于没有形成泡沫渣，脱碳反应平稳，因而减少了产生喷溅的可能性。

（3） 复吹的特点：复吹的脱碳具有底吹转炉的特点，吹炼期间由于熔池有较好的搅拌，脱

碳反应能稳定的进行，即便是顶吹喷枪位置很高时，仍可保持平稳，不产生喷溅。此外，复吹的脱碳过程还有如下特点： ① 熔池成分均匀，因而取样更具代表性；

② 临界碳量降低：底吹惰性气体（Ar、N2、CO2）的复吹，由于吹炼末期的气泡中CO分压低，有利于脱碳反应进行。因此可以吹炼超低碳钢而不致使钢水过氧化。例如，

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美国LBE法，使终点碳达0.02%，甚至可达0.01% 。

2． 对Mn氧化反应的影响

Mn的氧化反应与温度及渣中FeO有关：在整个吹炼中，复吹渣中氧化铁较低，因而Mn氧化反应较LD为弱。吹炼末期，仍有较高的脱碳速度，渣中FeO仍较LD为低。因此，钢中余Mn量较高，并且随底吹气量的增加而提高。如P185图4-35所示 3． 对脱磷反应的影响

脱磷是炼钢过程的主要任务之一，因而，脱磷是衡量炼钢工艺的重要标志。渣中FeO含量相同时，复吹钢中〔P〕要比LD的〔P〕低，这主要是由于由于搅拌能力强，脱磷反应更加接近平衡值；而LD由于终期熔池搅拌较弱成分不均，因而脱磷反应远离平衡值。

★如果过早的采用大气量底吹，虽然加强了搅拌，但渣中FeO下降过低，炉渣形成不好，也会降低炉渣的脱磷效率。在复吹工艺中，底吹气量大小是控制脱磷的重要手段。如果要在底吹气量较大的条件下，仍能保持去P，则应采用其它措施，如喷粉。 4． 对脱硫反应的影响

复吹对脱硫的影响，各厂的结果很不一致。我国实践结果表明：S的分配系数?S??S?有所提高。国外试验：有的认为复吹的?S??S?比LD有所提高，有的认为差别不大。但总的来说，复吹对脱硫是有好处的（熔池搅拌加强，增加脱硫动力学条件），如果采用氧化性气体底吹，并同时喷粉，?S??S?就会有明显提高。 三． 对钢中气体含量的影响 1． 对钢中含〔O〕量的影响

由于复吹吹炼期间，特别是吹炼末期，熔池的搅拌得到加强，使渣中FeO降低，从而降低了钢中〔O〕，如P184图4-50和图4-51所示。

★在转炉停吹之后，若继续吹Ar清扫，由于〔C〕与〔O〕的反应使钢中〔O〕进一步降低，钢中〔O〕的降低将使合金收得率提高，钢的质量有所改善。 2． 对钢中含〔N〕量的影响

熔池中〔N〕的实际值与平衡计算值的结果表明，钢中〔N〕并不与大气相平衡，而是与氧气中N的分压相平衡。在冶炼过程中，钢中〔N〕的含量取决于脱碳反应的强弱。强烈的脱碳反应所产生的CO气泡，可以使钢中〔N〕保持在较低的水平上；但吹炼末期，脱碳速度

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降低，钢中〔N〕将迅速提高。

在熔池含碳量较高时（C>0.25%），各种复吹工艺的含〔N〕量相差不多。在含碳量降低后，它们的差别就明显了，这是因为顶底复合吹炼末期的脱碳速度高于LD转炉。一般情况下，熔池终点含〔N〕量规律如下：顶底吹O2 < 顶吹O2+ Ar < LD。

以N2作为底吹搅拌气体时，中期脱碳反应速度大，熔池中〔N〕低，而吹炼末期将大量吸N。同时，由于N在钢液中的活度较低，终点以后用Ar清扫时，〔N〕亦不会降低。因此，在吹炼终点前5分钟，立即将底吹N2切换成Ar，使终点钢水〔N〕将与LD保持相同水平。所以，吹炼后期应提前切换Ar气，避免钢中〔N〕量升高。 （3）对钢中含〔H〕量的影响

复合吹炼采用惰性气体时，终点含〔H〕与LD是处于同一水平。但在底部吹氧采用C-H化合物作为冷却剂时，由于C-H化合物裂解产生的H2将进入钢中，将使终点钢水的〔H〕量增加。为减少终点〔H〕量，在吹炼结束后，可用Ar清扫1～2分钟。由于H在钢中活度较大，〔H〕的清扫比较容易，清扫时间不必太长。

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第四节 底部供气

一． 底部气体

1． 底部供气主要目的：

（1） 加强熔池搅拌，改善冶金效果。 （2） 强化冶炼，提高转炉生产能力。 （3） 增加热源，提高废钢量。

2． 对底部气体要求：（1）气体对钢质量无危害；（2）来源广泛，价格价廉；（3）便于操作。 3． 底部供气种类：不同形式的复吹转炉应用不同的底部气体。常用的有：Ar、N2、CO2、

O2和空气。 4． 特点：

（1） 氧气：优点：①强化冶炼；②搅拌能力大（产生2倍O2体积的CO），低碳时较低。

缺点：①结构复杂（保护）；②炉底寿命低；③冷却剂增H。

（2） CO2：优点：①搅拌能力大（?C???CO2??2?CO?）；②不污染钢水；③冷却作用。

缺点：①氧化性对炉底有一定影响；②不利于超低碳冶炼（但关系不大）；

③成本较高CO2，气体也不易获得（较多用于末期“清扫”目的）。

★鞍钢一直在使用CO2代替Ar，以降低成本。 ★CO也可以用于底部气体，但使用危险。

（3） N2：优点：①来源广成本低；②使用安全；③对炉底侵蚀小；④供气元件简单。

缺点：后期增〔N〕，需要在后期和出钢之间改为其它气体（如Ar和CO2） ★主要用于出钢后至后期前的阶段使用。

（4） Ar：优点：①不危害钢的质量；②使用安全；③对底部炉衬寿命；④供气元件简单。

缺点：①成本高。★Ar搅拌最为理想，仅用于后期至出钢完毕。

二． 底部供气元件

复吹转炉的发展是与底部供气元件的不断改善分不开的，也是复合吹炼技术的关键。不同的复吹工艺采用的供气元件也不相同。

1． 喷嘴型：包括单管式，双层套管式和环缝式三种。

（1） 单管式：最早使用，最为简单的供气元件。目前应用较少。

结构：由一无缝金属管作成，埋入炉底衬砖中，不用任何冷却介质保护。

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特点：①调节幅度小（如果气量过小，喷嘴易灌钢水堵塞）；②用于喷吹非氧化气体；

③后坐严重：气体流股向金属熔池喷射时，会产生非连续性的反冲击，使喷嘴及耐火材料的侵蚀速度加快。

（2） 双层套管式：双层套管式来源于底吹氧气转炉。

结构：如P188图4-56和图4-57所示，底吹气体分成两部分。环缝气体的作用：一是用于熔池搅拌；另一作用是保护内管。

在喷吹惰性气体时，内管和环缝内的气体相同，只是压力和流速不同。环缝气体压力及流速比内管高（P1P2?1~2.5），目的在于防止或减轻内管粘钢。

在喷吹氧气时，内管通O2和石灰粉，而环缝通入冷却剂。图4-57 特点：①气量调节范围不大；②要求内外管保持较好的同心度；③通用性强，可用于惰

性气体、氧气和喷石灰粉。在底吹氧或喷石灰粉时，一般都采用双层套管喷嘴。

（3） 环缝式喷嘴

结构：双层套管的内管被封堵，只有环缝内通气，环缝宽度在0.5～5mm。

特点：①气体量调节范围大；②提高喷嘴及炉衬的寿命；③适用于惰性气体和弱氧化气

体，不适用于喷吹O2；④环缝窄不适于喷粉。目前，环缝管得到较广泛的采用。

2． 砖型：包括弥散透气砖、砖缝组合型和直孔型透气砖三种。 （1） 弥散型透气砖：

结构：由制砖工艺控制，使砖内形成许多弥散分布的微孔（100目左右）。

特点：①供气分布均匀；②气孔不易堵塞，因此气量调节范围大，甚至可以中断或间断

供气；③微孔阻力大，不能大气量供气；④透气砖密度低，耐侵蚀性低，寿命较低；⑤不适于吹氧和石灰喷粉。

★这种供气元件在开始发展复吹时采用较多，现已少用。 （2） 缝砖式：如P189图4-58所示。

结构：用多块耐火砖组成以形式组合各种砖缝，并用钢板包围的组合型供气元件。缝隙

厚度一般为0.3—0.5mm。

特点：①气体调节范围大；②可以间断供气；③不易堵塞；④寿命较高；⑤缺点是外壳

易开裂而造成漏气，使供气不稳；⑥也不适于吹氧和喷粉。 在发展过程中成为弥散型透气砖的一种替代品。

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（3） 直孔透气砖式（多孔塞式）供气元件。如P189图4-59所示

结构：在制砖时埋入许多细的易燃金属丝。焙烧时，金属丝熔化流出，形成许多细孔。

孔径一般在1～3.0mm。孔径过小，阻力太大；过大则成单管，易灌钢。 特点：吸取透气砖的优点，克服其缺点。①致密度高，寿命长；②阻力小；③气流分布

均匀；④不易漏气；⑤不适于吹氧和石灰喷粉。

3． 细金属管多孔塞型：日本钢管公司研制。如P190图4-60所示。

结构：在制砖时，在耐火材料中埋入许多细小不锈钢管。直径0.1~3.0mm（通常为1.5mm），

包含10~150根细钢管。

特点：①密度高；②气体阻力小；③气量调节范围大；④不易堵塞；⑤用于吹惰性气体。 ★发展前景好，应用较普遍。例如，P190图4-61和图4-63所示的改进形式。 三． 底部供气元件的布置

底部供气元件的布置对炉衬寿命、冶金性能和操作稳定性都有较大的影响。特别是以顶吹氧气为主的复吹工艺，是需要注意的问题。我国主要是通过水力学模型实验来研究的，这方面发表的文献很多。

供气元件的布置包括：①元件距炉底中心的距离；②布置对称性；③分布形式。 1． 与炉底中心的距离：表中D为熔池直径。

M．KiAamura 喷咀间距离 0.28D 0.45D 0.55D 0.85D 混匀时间 指数 0.88 0.67 0.58 0.78 日本神户钢铁公司 喜多村实 混匀时间 喷咀间距离 指数 0.20D 0.88 0.40D 0.68 0.60D 0.56 鞍钢6T转炉模型 研究结果 混匀时间 喷咀间距离 指数 0.4D 0.55 0.6D 0.50 ★由此可知，底吹元件的间距在0.55～0.60D之间为好。这个距离一般是顶吹射流所形成的火焰区边缘。 2． 布置对称性

对称布置：熔池的搅拌比较均匀，操作平稳；但均匀混合时间长。

非对称布置：形成单一大回路的不对称分布，混匀时间较短；但对炉衬的冲刷较严重。 ★目前，大多数采用对称布置。但采用管式喷嘴时，一般取样侧不布置喷嘴。

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3． 分布形式

（1） 集中布置，采用少数几个孔径大的喷嘴。

（2） 分散布置：采用许多孔径小的喷嘴，分散在炉底。

研究表明：大量分散气流，使钢液的循环，及搅拌强度较弱；而气流集中在炉底几个部位，可使钢液加快循环，强化搅拌。因而，一般还是采用少数几个供气元件对称布置。

★具体数量和布置形式，与炉子大小有关。一般通过模拟试验来确定。

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