轉爐煉鋼中的吹氧

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

隨著對生產高質量、低雜質鋼的要求越來越高，轉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%的氮氣（N2），其余為氬氣（Ar）。

在頂吹式轉化器中，O2以超音速噴射，在水冷噴槍的頂端有聚合發散的噴嘴。強勁的氣體射流穿透熔渣并撞擊到液態槽的表面以精煉鋼。今天，大多數轉爐都使用含有3至6個噴嘴的槍頭。甚至8個噴嘴的槍頭也在使用中。多孔槍頭中每個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換器的O2流速和O2流速與噴槍管尺寸的關系

在轉爐煉鋼中，超音速的O2被吹到熱金屬上以去除C、Si、Mn和P等雜質。在吹氣過程中，噴槍的高度會降低，以使O2能夠進入熔池去除C。水龍頭到水龍頭的時間在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成分。值得注意的是，吹氧時間和分接時間并不明顯取決于轉爐的容量。

轉爐中的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。它被設計為產生非凝聚的自由O2射流。噴嘴的功能如下：

氧氣的供應和分配

產生氣態射流

導致浴液攪拌

產生金屬液滴

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。開始時噴槍高度的選擇應使熔池水平的力量集中，不致造成微小的鐵顆粒噴出（火花），同時使O2噴射覆蓋最大的熔池表面區域。

最初，通過保持較高的噴槍高度來吹軟O2，以促進熔渣的形成并避免小顆粒的噴出，因為熱金屬沒有被熔渣覆蓋。通常在吹氣開始時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，這樣渣子的發泡就會得到控制，氧化反應就會不間斷地發生。

自由氣體噴射形式的O2供應是轉爐煉鋼的一個重要特征，包括頂吹和不同類型的聯合吹煉轉爐。在這種形式的O2供應中，吹制O2的總時間幾乎與轉爐容量、O2吹制率和底部攪拌無關。這反映在對30噸至400噸不同轉爐容量的無量綱動量流量與吹氣時間/總吹氣時間的比率進行評估。

可以看出，無量綱動量流速描述了在不同噴槍高度下由恒定體積流量的O2產生的自由O2射流的作用。無量綱動量流率數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?？梢哉J為，噴槍的輪廓在開始時產生柔軟的吹氣，隨著吹氣的進行，吹氣逐漸變硬。

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

氧氣的可用性

在轉爐精煉過程中，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-發散型噴嘴，其特點是流動通道的橫截面積沿流動方向減少，達到最小橫截面積，然后沿流動方向進一步增加。流動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（馬赫數大于1）。事實上，出口處的氣體速度相當于2.0至2.4左右的馬赫值。

自由氣體射流的行為

當氣體從一個拉瓦爾噴嘴流出時，其在由空氣組成的周圍的行為表明，氣體從噴嘴流出時在周圍擴散，被稱為 "自由氣體射流"，因為擴散不受限制。周圍自由射流的特點是潛在核心長度（PCL）和超音速核心長度（SCL）。在潛在核心中，不會發生周圍的夾帶現象，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到了一個點，氣體速度達到了音速值（M=1）。在超音速核心長度內，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散和軸向速度衰減，超過了潛在的核心。

由于擴散，射流的質量增加，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從噴嘴出口測量的軸向距離的函數。

自由射流的一個重要特性是它攜帶的動量流率，在撞擊液體時被轉化為力并滲透到液體中。射流內的動量流率是守恒的。這是射流的一個重要屬性，因為它只取決于上游的變量，如壓力、噴嘴的數量和直徑。它不取決于下游的條件。

由多噴嘴尖端產生的射流的行為取決于噴嘴的數量和每個噴嘴與噴槍軸線的傾斜角度。轉爐煉鋼中的噴嘴數量隨轉爐產能而變化，但一般在3-6個之間。三孔槍頭的每個噴嘴的傾角通常為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量。凝聚的射流與單一射流相似。 當三孔噴槍的傾角為10-12度時，多射流在噴嘴下游一定距離內不會凝聚。不凝聚的射流在撞擊液體時，會產生與射流數量相等的滲透力。

軸向速度衰減和徑向擴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，那么這種射流就會在周圍緩慢擴散。擴散的速度取決于比率的數值。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射流擴散得更快，這就導致勢核心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。由于周圍環境的夾帶，軸向速度隨著噴嘴下游距離的增加而降低。在轉爐中，當吹氣開始時，氧氣射流的周圍是熱大氣。隨著噴吹的繼續，射流周圍從一氧化碳（CO）變成了熔渣。在大部分時間里，射流被淹沒在熔渣中。轉爐內的環境是動態的。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境。當周圍環境發生變化時，很難計算出射流速度，但射流內的動量流速與噴嘴下游的距離無關，可以計算。

射流攜帶的動量流率在撞擊水浴時被轉化為力。因此，自由射流的作用可以用無量綱流率數來描述。無量綱流速數隨著噴管高度的降低而增加。因此，無量綱流速數是用來描述噴管高度的動態變化的。無量綱動量流速數表示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，可以使其打在浴盆上，成為 "軟 "的，并可以逐漸變得更硬。因此，在轉爐煉鋼實踐中，通過 "自由噴射 "供應氧氣的方法在物理-化學反應方面非常有效。

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

反應性的硬性沖擊O2射流擊中液態金屬浴時引起的影響是：(i)浴槽深處有O2，(ii)增強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，攪動浴槽，以及(iv)產生液滴，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

轉爐中的反應

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。反應和混合都很激烈。O2與溶解的Si、溶解的Mn和Fe本身發生反應，形成含FeO的液態爐渣。O2還與溶解的C反應，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，使其在液態槽中的濃度超過特定雜質元素所允許的平衡水平。溶解的O2和溶解的雜質元素然后結合形成CO氣體（對于C來說）或液體硅（對于Si來說是SiO2）。由于這兩種產品[CO（氣體）和SiO2（液體）]在液態鐵中的溶解度非常有限，它們迅速形成各自的獨立相，凝結、合并，并在工藝的強烈攪拌作用下浮出。

另外，在煉鋼的強烈O2吹氣過程中，一些液態鐵本身被氧化成FeO，然后與液態金屬浴激烈混合成乳狀液，并能與鐵水中溶解的雜質直接按照以下反應進行反應。

2Fe（熔融）+O2（氣體）=2FeO（液態爐渣）

FeO（液態爐渣）+C（溶解在鐵液中）=CO（氣體）+Fe（熔體）

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

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

在煉鋼過程中，一些鐵被氧化，以至于增加了液態渣相中的液態FeO的百分比，而液態渣相在轉爐中與金屬共存。如果O2被吹得超過了雜質氧化的終點，鐵的氧化就會過度。這表現為鐵在爐渣中的可測量的產量損失，使爐渣中的液態氧化鐵（FeO）的濃度可預測、可計算、可提高。一旦C被氧化成CO，任何額外的O2就會與Fe結合，在爐渣中產生FeO。