[科普中国]-供氧强度

简介

供氧工艺参数是转炉炼钢的重要参数，包括供氧压力、供氧强度、喷头结构和氧枪高度控制等，它影响着钢水的搅拌程度、脱碳速度、升温速度、造渣速度、渣中TFe含量及磷分配比、氧气消耗等，并对转炉冶炼的平稳进行有重要作用。提高供氧强度能加快脱碳速度，缩短每炉钢的供氧时间，减少氧气消耗，降低吨钢成本，提高产能，使转炉冶炼与连铸浇铸相匹配，最大限度地发挥高拉速连铸的作用。在提高供氧强度的同时，需考虑管道压力损失，重新确定合适的氧枪枪体直径、喷头喉口直径、喷孔夹角、喷孔数目、喷孔布置、马赫数、氧枪冷却水流量、滞止压力等参数，以稳定操作，保证冶炼效果1。

供氧强度的确定供氧强度是转炉炼钢过程中单位时间内向熔池中每1吨钢水(或钢铁料)的供氧量。为确定供氧强度，需先求出每吨钢铁料的用氧量。按化学反应求出每吨钢铁料中碳、硅、锰、磷、铁的氧化需氧量，然后再根据氧气的纯度和氧气利用率进行修正，最后扣除冶炼过程加入的铁矿石或氧化铁皮带入的氧，即得出每吨钢铁料的实际用氧量。

供氧强度大小的选择主要取决于转炉的喷溅情况，同时还应考虑原料状况、冶炼钢种、炉容比、转炉排烟能力等条件。通常应在基本上不产生喷溅的情况下使用较大的供氧强度。提高供氧强度可以成比例地缩短转炉吹氧时间。

自1997年以来，钢铁研究总院与各大钢厂合作，在提高转炉供氧强度方面进行了深入研究。

我国中、小型转炉供氧强度平均为3.75m³/(min· t)，大、中型转炉的供氧强度在2.6 ～ 3.6m³/(min· t)。

提高供氧强度对转炉冶炼的影响1 氧气射流与熔池的作用

氧射流冲击到熔池液面上，当这个冲击力大于维持液面静平衡状态的炉内压力时，就会把钢水挤开而形成凹坑。氧射流对熔池搅拌作用的强弱和均匀程度用凹坑深度(冲击深度)和凹坑面积(冲击面积)来衡量。冲击深度取决于氧射流冲击液面时的速度和密度。

在转炉装入量不变的情况下，提高供氧强度意味着氧气流量的增加。对于相同喷孔数目、相同尺寸的氧枪喷头，在同一枪位下，氧流量的增加使得氧射流(滞止点处)中心轴线上的速度增加，从而加大了射流对熔池的冲击深度。对于喷孔数目不同的氧枪喷头，在相同枪位、相同总喷出量时，喷孔数目的增加会使中心流股的衰减速度加快，射程变短，从而减小射流冲击力，降低对熔池的冲击深度。

另外，提高供氧强度能增加氧射流对熔池的搅拌能量，缩短熔池混匀时间，增强吹炼过程中渣钢之间的乳化过程 ，改善熔池反应动力学条件，使得炼钢反应更接近于平衡状态，降低吹炼终点碳氧积，提高钢水质量。

2 脱碳速度

转炉内钢水氧化反应速度几乎和供氧量成正比例增加。在相同的供氧强度下，前期的脱碳速度主要与铁水硅含量和铁水温度有关，铁水硅含量和铁水温度越高，脱碳速度就越快;中期的脱碳速度差别不大。提高供氧强度一方面会使硅、锰的氧化加速，熔池温度得以迅速提升，使得脱碳反应提前并加快，吹氧时间减少。另一方面，碳氧激烈反应产生大量CO气泡，使渣被乳化成为高度弥散系统，吹炼反应达到非常迅猛的程度，脱碳速率和升温速度大幅升高。在脱碳期，脱碳速率达到最高且不随时间变化，这时供氧是脱碳的限制性环节，只要增大供氧强度，脱碳就可以加速。由于供氧强度的提高，吹炼过程中会出现渣液面上涨，增加了喷溅的可能性，但只要保证脱碳反应能平稳进行，尤其是对于冶炼含磷钢种，如耐候钢，由于过程渣量少，吹炼过程就能保持稳定。

3 成渣速度及脱磷、脱硫效果

国内很多钢厂还未采用转炉双联法脱磷炼钢工艺，因此转炉承担着脱碳、脱磷、脱硫的任务，特别是冶炼中磷铁水，转炉的脱磷任务更重，因此要确定合适的造渣制度，快速成渣。提高供氧强度后，一方面单位时间内供氧量增加，另一方面对熔池的冲击深度提高、搅拌条件改善，从热力学和动力学角度看，都有利于硅、锰氧化反应向右边进行，从而使得硅、锰氧化和熔池升温速度加快，有助于石灰等造渣料的熔解和传质，减少渣中未熔石灰，快速形成具有适当的碱度、过热度、氧化性和流动性的炉渣，促进渣—钢之间的反应，从而具备良好的脱磷、脱硫能力。

对于40t转炉，在提高供氧强度后，吹氧3min时炉渣碱度可以达到1.5 ～ 2.0，在CaO-SiO2 -FeO三元相图中，已进入硅酸二钙饱和区，炉渣岩相组成中2CaO· SiO2 可达50%，镁橄榄石(Ca3MgSi2O4)30%～ 35%，RO相约为10%，TFe大于10%。吹炼中期，炉渣碱度上升到2.55，渣中氧化铁含量适当，炉渣仍具有较好的流动性。吹炼末期，炉渣碱度上升到3.35，炉渣在三元相图中进入硅酸三钙区域，矿物组织主要是2CaO· SiO2 (30% ～ 35%)，3CaO·SiO2(35% ～ 40%)，RO相(15%左右)。这表明，提高供氧强度后，成渣速度加快，冶炼全程炉渣能保持较高的碱度和流动性，具有较强的脱磷、脱硫能力。

梅钢也对供氧强度提高后的脱磷效果进行过研究。冶炼含磷耐候钢时，供氧强度调整前，转炉终点磷含量均值为0.087 8%，供氧强度调整后，终点磷含量均值为0.088 8%，从中可以看出，对于冶炼含磷耐候钢而言，供氧强度的提高对于终点磷含量的影响不大。

4 熔池升温速度

由于提高供氧强度后，Si、Mn、C等元素的氧化反应加快，使得熔池升温速度发生变化，因此会对冷却剂的加入时机和转炉的平稳冶炼产生影响。

全炉吹炼过程中平均升温速度为34.6℃ /min，普通供氧强度的升温速度为25 ～ 30℃ /min。在高供氧强度吹炼时钢水过热度仍处于正常范围。升温速度的提高有利于化渣、废钢熔化和加速熔池化学反应。

5 氧气消耗

供氧强度的提高使得熔池升温速度和化学反应速度加快，对熔池的搅拌能力增强，有利于提高氧气的利用率。梅钢炼钢厂把氧气流量从30 000m³/h增加到31 500m³/h后，氧气消耗量平均每炉减少93.94m³。

6 对炉龄的影响

在高供氧强度吹炼时，转炉吹炼时间缩短，热效率提高，减少渣、钢对炉衬的侵蚀。另外，供氧强度的提高使得起渣早、渣化得透，改善了造渣条件，也有利于提高炉龄2。

总结(1)提高供氧强度，能缩短吹炼时间，增加转炉钢产量。

(2)提高供氧强度会对转炉的冶炼过程产生影响。高供氧强度吹炼时，能强化氧射流与熔池的作用，加快脱碳速度、成渣速度和熔池升温速度，减少氧气消耗。

(3)冶炼含磷耐候钢时，供氧强度的提高对于终点磷含量的控制影响不大3。