顶吹转炉的工艺特点

顶吹转炉吹炼工艺3-1装入制度包括哪些内容?装入制度是确定转炉合理的装入量，合适的铁水废钢比。转炉的装入量是指主原料即铁水和废钢的装入数量。3-2什么是转炉的炉容比，影响转炉炉容比的因素有哪些?新转炉砌砖完成后的容积称为转炉的工作容积，也称有效容积，以“V”表示，公称吨位用“T”表示，两者之比值“V／T”称之为炉容比，单位为(m3／t)。一定公称吨位的转炉，都有一个合适的炉容比，即保证炉内有足够的冶炼空间，从而能获得较好的技术经济指标和劳动条件。炉容比过大，会增加设备重量、厂房高度和耐火材料消耗量，因而使整个车间的费用增加，成本提高，对钢的质量也有不良影响；而炉容比过小，炉内没有足够的反应空间，势必引起喷溅，对炉衬的冲刷加剧，操作恶化，导致金属消耗增高，炉衬寿命降低，不利于提高生产率。因此在生产过程中应保持设计时确定的炉容比。影响炉容比的因素有：(1)铁水比和铁水成分。随着铁水比和铁水中Si、P、S含量增加，炉容比应相应增大。若采用铁水预处理工艺时，可以小些。(2)供氧强度。供氧强度增大时，脱碳速度较快，为了不引起喷溅就要保证有足够的反应空间，炉容比应增大些。(3)冷却剂的种类。若使用以铁矿石或氧化铁皮为主的冷却剂，成渣量大，炉容比也需相应增大些；若使用以废钢为主的冷却剂，成渣量小，则炉容比可适当小些。炉容比还与氧枪喷嘴的结构有关。转炉的炉容比一般在0.85～1.0m3／t，为减少喷溅，炉容比应不低于0.90m3／t。3-3确定装入量的原则是什么?在确定合理的装入量时，除了考虑转炉要有一个合适的炉容比外，还应保持合适的熔池深度。以保证炉底不受氧气射流的冲声，熔池深度必须超过氧流对熔池的最大穿透深度。对于模铸工艺，装入量还应与锭型相配合。装入量减去吹损及浇注必要损失后的钢水量，应是各种锭型的整数倍，尽量减少注余。对连铸车间，转炉装入量可根据实际情况在一定范围内波动。此外，确定装入量时，既要考虑发挥现有设备潜力，又要防止片面不顾实际的盲目超装，以免造成事故和浪费。3-4生产中应用的装入制度有哪几种类型，各有什么特点？氧气顶吹转炉的装入制度有：定量装入制度、分阶段定量装入制度和定深装入制度。其中定深装入制度是每炉装入量均使熔池深度保持不变，由于生产组织的制约，实际上难以实现。(1)定量装入制度。在整个炉役期间，每炉的装入量保持不变。这种装入制度的优点是：发挥了设备的最大潜力，生产组织、操作稳定，有利于实现过程自动控制。但炉役前期熔池深、后期熔池变浅，只适合大、中型转炉。国内外大型转炉已广泛采用定量装入制度。(2)分阶段定量装入制度。在一个炉役期间，按炉膛扩大的程度划分为几个阶段，每个阶段为定量装入。这样既大体上保持了整个炉役中具有比较合适的炉容比和熔池深度，又保持了各个阶段中装入量的相对稳定；既能增加装入量，又便于组织生产。这是适应性较强的一种装入制度。我国各中、小型转炉普遍采用这种装入制度。3-5供氧制度包括哪些内容，它有什么重要性?供氧制度的主要内容包括确定合理的喷头结构、供氧强度、氧压和枪位控制。氧气顶吹转炉炼钢的供氧制度是使氧气射流最合理地供给熔池，创造良好的物理化学反应条件。它是控制整个吹炼过程的中心环节，直接影响吹炼效果和钢的质量。供氧是保证杂质去除速度、熔池升温速度、造渣速度、控制喷溅和去除钢中气体与夹杂物的关键操作。此外，它还关系终点碳和温度的控制以及炉衬寿命；对转炉强化冶炼、扩大钢的品种和提高质量也有重要影响。3-6什么是拉瓦尔型喷头，它有什么特点?拉瓦尔喷头是收缩—扩张型喷孔，当出口氧压与进口氧压之比p出/pO0.528时才能够形成超音速射流。在拉瓦尔喷头中，气流在喉口处速度等于音速，在出口处达到超音速。由于氧气是可压缩流体，当高压低速氧气流经拉瓦尔管收缩段时，氧流速度提高，在到达音速时若继续缩小管径，氧流速度并不再增高，只会造成氧气密度增大；此时要继续提高氧流速度，只能设法增大管径，使其产生绝热膨胀过程，氧压降低，密度减小、体积膨胀。当氧压与外界气压相等时，就可以获得超音速的氧射流，压力能转变为动能。扩大管径。拉瓦尔型喷头能够把压力能(势能)最大限度地转换成速度能(动能)，并能获得比较稳定的超音速射流，在相同射流穿透深度的情况下，它的枪位可以高些，这就有利于改善氧枪的工作条件和炼钢的技术经济指标，因此拉瓦尔型喷头被广泛应用。3-7氧气自由射流的运动规律是怎样的?气体从喷孔向无限大的空间喷出后，喷出气体与空间气体的物理性质相同时，所形成的气流称为自由射流或自由流股。氧气从喷孔喷出后，形成超音速射流。从喷孔喷出的氧气射流，在一段长度内其流速不变为等速段。由于射流边缘与周围介质气体发生摩擦，卷入部分介质气体并与之混合而减速；随着射流向前运动，到达一定距离后，射流中心轴线上的某一点速度等于音速，即马赫数Ma=1，在这点以前的区域，包括等速段，称为射流的超音速核心段，又称为首段。首段长度大约是喷孔出口直径的6倍。此点以后的区域，氧流的速度低于音速，称为亚音速射流段，又称为尾段。当射流截面上的速度与周围介质一样时，射流就沉没在周围介质之中。在超音速区域内，等速段以后射流周围有亚音速气流，射流的扩张角较小，为10°～12°；亚音速区域内无超音速气流，射流的扩张角较大，为22°～26°。超音速核心段的长度一般随出口马赫数成正比例增加。超音速核心段的长度是决定氧枪高度的基础，也关系到射流对熔池的冲击能量。高速氧气从喷孔喷出后，形成的射流与周围的气体相接触，由于射流内气体的静压低于外界静止气体的压强，周围的气体被卷入。距喷孔出口的距离越远，被卷入的气体数量越多。因此射流的流量不断增加，横截面不断扩大，同时流速不断降低，此现象称做射流的衰减。在同一横截面上速度的分布特点是射流中心轴线上的速度最大，离中心轴线越远，各点的速度逐渐降低一直到零。在速度等于零的部位是射流的界面。射流中心速度的减小速率也称射流的衰减率，射流截面直径增大速率也称射流扩展率，这两个参数是自由射流的基本特征。3-8多孔喷头氧气射流运动有什么特点?从多孔喷头喷出的氧气流是多股的，增加了与熔池的接触面积，使氧气逸出更均匀，吹炼过程更平稳。多孔喷头的每一股氧流在与其他各股氧流相汇交之前，保持着自由射流的特性。当各股氧流开始相交后，就有了动量的交换，相互混合，这种混合从射流的边缘逐渐向中心轴线发展，各单股氧流所具有的自由射流特性逐渐消失。如果多股氧流在汇合前就与熔池液面相接触，对熔池的冲击力减小，冲击面积增大，枪位操作稳定，利于吹炼。多股氧流是从其内侧开始混合的，混合后的射流内侧边缘卷入周围介质气体的数量比外侧少，内侧氧流速度降低慢，外侧氧流速度降低快，于是每股氧流的最大速度点就偏离了氧流的几何中心轴线位置，偏向氧枪的轴线。这样就出现了各股氧流的轴线逐渐向氧枪中心线靠拢的趋势。若喷孔与中心线夹角过小，多股氧射流过早汇合，就与单个自由射流一样，减小了对熔池的冲击面积，对吹炼不利。因此在设计多孔喷头时，要合理选择每个拉瓦尔喷孔与氧枪中心轴线的夹角，保证各股氧流在到达熔池液面以前，基本上不汇合，这样就能充分发挥多孔喷头的优越性。多孔喷头有三孔、四孔、五孔、六孔、七孔、甚至八孔等类型。小型转炉使用三孔拉瓦尔喷头；而中型和大型转炉普遍采用四孔、五孔及五孔以上喷头。与单孔喷头相比，多孔喷头有许多突出优点：如可以提高供氧强度和冶炼强度，可以增大冲击面积，利于成渣，操作平稳不易喷溅。但是，多孔喷头端面的中心区域(俗称鼻子尖部位)冷却效果较差，吹炼过程中该区域气压较低，钢液和熔渣易被吸入并黏附到喷头上而被烧坏。为了加强这个区域的冷却，采用中心水冷铸造喷头，可延长多孔喷头的使用寿命。锻压组合式氧枪喷头能有效地改善喷孔之间的冷却效果，提高喷头寿命。3-9什么是氧气流量，确定氧气流量的依据是什么?氧气流量(Q)是指在单位时间(t)内向熔池供氧的数量(体积)V，常用标准状态下体积(标态)量度，其单位是m3/min或m3/h。氧气流量是根据吹炼每吨金属料所需要的氧气量、金属装入量、供氧时间等因素确定的。式中：Q——氧气流量(标态)，m3/min或m3/h；V——炉钢的氧气耗量(标态)，m3；t——炉钢吹炼时间，min或h。氧流量过大，就会使化渣、脱碳失去平衡，造成喷溅。氧流量过小，会延长吹炼时间，降低生产率。对于一定的原料成分、造渣工艺及供氧制度，应根据冶炼实践总结出氧流量最佳控制范围。3-10什么是供氧强度，确定供氧强度的依据是什么?供氧强度是单位时间内每吨钢的氧耗量，它的单位(标态)是Nm3/(t•min)，可由下式确定：式中I——供氧强度(标态)，Nm3/(t•min)；Q——氧气流量(标态)，Nm3/(t•min)；T——出钢量，t。供氧强度的大小应根据转炉的公称吨位、炉容比来确定。供氧强度过大，会造成严重的喷溅，供氧强度过小延长吹炼时间。通常在不产生喷溅的情况下，尽可能采用较大的供氧强度。目前国内中、小型转炉的供氧强度(标态)为2.5～4.5Nm3/(t•min)，大于120t转炉的供氧强度(标态)为2.8～3.6Nm3/(t•min)；国外转炉供氧强度(标态)波动在2.5～4.0Nm3/(t•min)之间。3-11如何确定每吨金属料的氧气耗量?吹炼1t金属料所需要的氧气量可以通过计算求出来。其步骤是：首先计算出熔池各元素氧化所需氧气量和其他氧耗量，然后再减去铁矿石或氧化铁皮带给熔池的氧量。3-12如何确定氧压，氧压过高或过低对氧气射流有何影响?炼钢操作氧压是测定点的氧压，以p用表示；氧气经过管道、金属软管及氧枪中心管，才能到达喷头喷孔前沿，氧气从测定点到喷头喷孔前这段距离，会有一定的氧压损失。其氧压损失数值是可以测定出来的。喷孔前的氧压用po表示，出口氧压用p出表示。po和p出都是喷头设计的重要参数。喷孔最佳操作氧压应等于或稍大于设计氧压，绝对不能在低于设计氧压下吹炼。在设计压力下操作时，喷孔出口的氧压p出等于炉内环境压力，可以获得稳定的射流，不会产生激波。如果操作氧压高于设计氧压过多，则气流在到达喷孔出口时，尚未完成膨胀过程，仍然具有一定的压力能没有转换，这时氧流离开喷孔出口后继续进行膨胀，形成膨胀波系，射流会产生激波，使得氧流很不稳定，射流的能量损失比较大，不利于吹炼。导致这种情况的喷头叫做“膨胀不足的喷头”。如果操作氧压低于设计氧压，氧流未到达出口之前就完成膨胀，且气流离开喷孔管壁，这时出口氧压小于环境压力，射流能量在喷孔内部由于激波的产生而损失比较大，氧流出喷孔后形成收缩波系使射流轴心速度衰减加快，导致这种情况的喷头叫做“过度膨胀喷头”。喷孔前氧压po的值由出口马赫数确定。通常选取出口马赫数Ma=1.9～2.1，可以根据公式算出加值。出口氧压p出应稍高于或等于炉内环境压力。操作氧压最好是在等于或稍高于设计氧压下吹炼，当操作氧压过高时，造成化渣不好，喷溅增加；如果操作氧压超过设计氧压20%上时，能量损失增加，氧流也不稳定，所以不能用过高的氧压操作。操作氧压过低时，熔池搅拌减弱，渣中TFe含量过高，氧气利用率降低。3-13确定氧枪枪位应考虑哪些因素，枪高在多少合适？调整氧枪枪位可以调节氧射流与熔池的相互作用，从而控制吹炼进程。因此氧枪枪位是供氧制度的一个重要参数。确定合适的枪位主要考虑两个因素：一是要有一定的冲击面积；二是在保证炉底不被损坏的条件下，有一定的冲击深度。枪位过高射流的冲击面积大，但冲击深度减小，熔池搅拌减弱，渣中TFe含量增加，吹炼时间延长。枪位过低，冲击面积小，冲击深度加大，渣中TFe含量减少，不利化渣，易损坏炉底。因此应确定合适的枪位。氧枪枪位是以喷头端面与平静熔池面的距离来表示。氧枪枪位(H／mm)与喷头喉口直径(d喉/mm)的经验关系式为：多孔喷头H=(35～50)d喉根据生产中的实际吹炼效果再加以调整。通常冲击深度L与熔池深度Lo之比为：L/L0=0.70左右，若冲击深度过浅，脱磷速度和氧气利用率降低；若冲击深度过深，易损坏炉底，造成严重喷溅。3-14氧枪枪位对熔池搅动、渣中TFe含量、熔池温度有什么影响？A枪位与熔池搅拌的关系采用硬吹时，