基礎氧氣煉鋼（BOS）是最廣泛使用的初級煉鋼工藝，用于從熱金屬（HM）生產粗鋼。該工藝容器被稱為轉爐。它在綜合鋼廠的粗鋼生產中起著主導作用。該工藝包括在頂槍的幫助下將氧氣（O2）吹過HM，通過氧化降低其碳（C）含量。目前，BOS工藝中采用了混合吹氣，該工藝是在20世紀70年代末開發的。在混合吹氣中，中性氣體、氬氣（Ar）或氮氣（N2）的有限吹氣是通過頂吹轉爐的底部進行的。它提供了一個有效的攪拌。

BOS工藝有兩個特點。首先，該工藝是自生的，意味著不需要外部熱源。吹氧過程中的氧化反應提供了熔化焊劑和廢鋼所需的能量，并達到了所需的鋼液溫度。第二，該工藝以高生產速度精煉HM，用于生產液態鋼。反應速度快是由于可用于反應的表面積大。當O2被注入金屬浴時，會產生大量的氣體。這種氣體與液態爐渣和金屬液滴形成乳狀液，這些液態爐渣和金屬液滴在O2噴射的沖擊下從熔池表面剪切下來。由氣體-金屬-熔渣乳化產生的大表面積增加了精煉反應的速度。

由于雜質溶解在熔融金屬中，雜質和O2之間的反應隨著溶解的O2發生。此外，由于C的氧化發生在較高的溫度下，C氧化為一氧化碳（CO）的可能性很大，因此大部分的C以CO的形式被去除。

在BOS過程中，HM中的雜質，如C、硅（Si）、錳（Mn）、磷（P）等，被氧化除去，以生產液體鋼。氧化是用轉爐中吹出的高純度O2氣體進行的。氧化反應的結果是形成CO、CO2（二氧化碳）、二氧化硅（SiO2）、氧化錳（MnO）和氧化鐵（FeO）。雖然CO和CO2是氣態的，并作為轉爐氣體從轉爐頂部排出，但其他氧化物與加入轉爐的熔劑一起溶解，形成液態爐渣。液態爐渣能夠去除液態金屬中的P和S（硫）。

在BOS工藝中發生的反應可以分為五類。 第一類 "金屬吸收氧氣 "的反應是（i）O2（g）=2O，（ii）（FeO）=Fe+O，（iii）（Fe2O3）=2（FeO）+O，以及（iv）CO2（g）=CO（g）+O。第二類 "金屬中元素的氧化 "的反應是：（i）C + O = CO（g），（ii）Fe + O = （FeO），（iii）Si + 2O = （SiO2），（iv）Mn + O = （MnO），以及（v）2P + 5O = （P2O5）。第三類 "爐渣中化合物的氧化 "的反應是（i）2（FeO）+1/2O2（g）=（Fe2O3）和（ii）2（FeO）+CO2（g）=（Fe2O3）+CO。第四類 "通量反應 "中的反應是（i）MgO(s)=（MgO），和（ii）CaO(s)=（CaO）。第五類 "氣體反應 "中的反應是CO（g）+ ?O2（g）=CO2。

BOS是一個動力學非常高的過程，反應發生在多個地方。噴射液體的相互作用和產生氣態產品的C-O反應對整個過程的動力學有巨大的影響。該工藝的特點是反應速率高，精煉過程通常在12分鐘至15分鐘內完成。為了在這么短的時間內控制工藝的質量和產量，對工藝的動態有一個很好的了解是很重要的。

典型的BOS轉爐由一個圓底的圓柱形筒體和一個圓錐形頂部（25度至30度的半錐角）組成，用于將氣體導入廢氣罩。爐體由稱為耳軸的樞軸支撐，這樣爐子就可以旋轉，用于裝料、取樣、攻絲和除渣。爐子內部通常襯有不同質量和厚度的鎂碳耐火材料，以配合磨損模式。轉爐內部的典型容積是每生產一噸鋼液約1立方米（Cum）。如果爐渣重量為100公斤/噸（kg/t）至120公斤/噸，則非活性槽上方的自由空間超過80％。這可以滿足在典型的吹煉過程中發生的激烈反應。轉爐底部裝有幾個（通常是6到8個）多孔元件，氬氣通過這些元件進行熔池混合并幫助熔渣-金屬反應。錐體下部的一側有一個抽水孔，用于抽出鋼水。爐渣從另一側的口中倒出。

BOS工藝是一個極其快速的精煉過程，需要一個良好的動態控制和動態模型來更好地理解這個過程。該過程的特點是在多個尺度上發生反應，如在金屬浴和熔渣的尺度上以及在液滴和氣泡的尺度上。反應也發生在多個反應點。超音速射流與金屬浴和爐渣層相互作用，在乳化液中產生不同大小的液滴，這些液滴在反應時在其界面上產生大量的氣泡，石灰溶解問題等，使得對該過程的動態描述變得復雜。

由于產生的熱量超過了所需，廢鋼和鐵礦石被用作冷卻劑。在一些鋼鐵熔煉車間，石灰石（CaCO3）被添加為調整最終溫度的冷卻劑。煅燒石灰（CaO）被用作助熔劑，以達到去除P所需的高堿度。廢鋼首先被添加到一個空的轉爐中（在前一次加熱后的熔渣），在此基礎上再添加必要數量的HM。當使用鐵礦石時，通常在吹煉的前半段以分散的方式加入。

部分或全部所需的石灰在加入廢鋼之前加入，以作為沖擊墊，保護襯里不受廢鋼掉落的影響。其余的石灰通常在吹掃過程中以分布式方式加入。一些氧化鎂（MgO）的添加是以煅燒白云石（CaO.MgO）的形式進行的，以盡量減少耐火材料對爐渣的溶解。不同爐料的數量由基于材料和熱量平衡的爐料控制模型進行理論計算，同時考慮到輸入成分、HM溫度以及輸出鋼的成分和溫度。

精煉反應都是氧化反應。這是通過一個裝有3至6個超音速流噴嘴（2.0馬赫至2.1馬赫，與噴槍軸線成一定角度）的頂部噴槍吹送噸位的氧氣來完成的。噴槍的頂端被固定在距離大型轉爐中安靜的金屬槽水平面1.8米到2.5米之間。噴槍高度是控制工藝的操作參數之一。

一個典型的水龍頭到水龍頭的循環包括這里描述的步驟。充電順序是石灰、廢品和HM。一旦轉爐直立起來，O2噴槍就會降到所需的高度（最初是最高值，2.2米到2.5米）并開始吹氣。在吹煉的最初一半時間里，如果有額外的石灰，則加入鐵礦石、煅燒白云石和任何其他添加劑。在吹煉的后半部分，避免添加含水分的材料，以保持生產的鋼中氫氣（H2）較低。高噴槍操作持續進行（通常是3分鐘到4分鐘），直到爐渣有足夠的氧化鐵以促進石灰的溶解。此后，噴槍被逐漸降低，以達到所需的精煉率。根據各個設備的做法，噴槍的高度以3到5級的速度降低。

在吹氣的80%到90%左右（基于O2流量），取樣分析并測量溫度，以便在完成吹氣后，同時達到所需的成分和溫度。取樣和測溫可以通過手動方式進行，即停止吹氣，將轉爐轉到接近水平的位置，通過勺子取樣并測溫，或者通過一個子噴槍降到吹氣轉爐中（吹氣中取樣）。根據樣品分析和溫度，吹煉的剩余部分將以必要的添加物完成。吹煉完成后，轉爐轉到出鋼側，將鋼液倒出，然后轉到另一側進行出渣。在現代實踐中，一些爐渣被保留下來，轉爐被豎起來，加入一些菱鎂礦（MgO），然后通過吹出高速N2將爐渣濺到內表面。定期對空轉爐進行檢查，看是否有耐火材料損壞，可以通過人工或激光掃描器進行檢查。損壞的部分將通過炮擊耐火材料來修復。在這之后，轉爐就可以進行下一次吹煉了。

BOS過程是一個在短時間內發生的復雜過程，隨著過程的進展，可獲得的直接反饋信息非常少。該過程由幾個子過程組成，這些子過程要么不被理解，要么只有半定量的理解。由于該過程是一個自發的過程，即使輸入的HM在1,350攝氏度左右，輸出的鋼在1,650攝氏度至1,700攝氏度時也會有熱量過剩。氧氣是通過超音速噴射進入熱的和充滿灰塵的氣體中或在液態氣體乳化液下被輸送到工藝中，噴射行為受到環境的影響。圖1顯示了BOS工藝的示意圖，其基本特征描述如下：

圖1 基本氧氣煉鋼的示意圖

碳氧化 - 浴液中可用的碳的脫碳是BOS工藝中最廣泛和最重要的反應。在這個脫碳反應中，有三個不同的階段。第一階段發生在吹氣的前幾分鐘，脫碳的速度很慢，因為提供的大部分氧氣都與熔池中的Si反應。在第二階段，即鍍液中的C含量較高時，脫碳的速度較高，并受供氧速度的控制。第三階段發生在浴液中的C含量達到0.3%左右時。在這個階段，脫碳率下降，因為可用于與所有供應的氧氣反應的C較少。在這個階段，脫碳率由C的質量轉移控制，而O2主要與鐵（Fe）反應，形成FeO。在這個階段，由于CO的生成率下降，轉爐口的火焰變得不那么明亮，當C下降到大約0.1%的水平時，實際上就消失了。

硅氧化 - 有利于硅氧化的條件是(i) 低溫，和(ii) 爐渣中的SiO2含量低。堿性爐渣有利于硅的氧化。在堿性爐渣中，由于SiO2與CaO反應，降低了爐渣中SiO2的活性，因此Si氧化實際上發生得很低。由于O2對Si有很強的親和力，幾乎所有的Si都被氧化，并在吹煉初期被清除。在吹煉的前3分鐘到5分鐘，HM的Si被氧化到很低的水平（低于0.005%）。Si向SiO2的氧化是放熱的，它產生大量的熱量，使熔池溫度升高。它還會形成硅酸鹽爐渣，與添加的石灰和煅燒的白云石反應，形成堿性爐渣。由于硅的氧化是主要的熱源，它在HM中的數量決定了可以添加到轉爐中的冷料（廢鋼和生鐵等）的數量。它還決定了爐渣的數量，從而影響到熔池的脫磷和產量。根據經驗法則，較高的渣量會導致較低的P，但產量也較低。

鐵的氧化 - 鐵（Fe）的氧化對BOS工藝最重要，因為它控制（i）爐渣中的FeO含量和鋼中的O2含量，（ii）爐渣中鐵的損失，從而影響煉鋼工藝的生產率，（iii）爐渣的氧化潛能，以及（iv）FeO有助于爐渣中CaO的溶解。

錳的氧化 - BOS工藝中錳的氧化反應相當復雜。在頂吹轉爐中，錳在吹煉的早期階段被氧化成氧化錳，在大部分的Si被氧化后，錳又重新回到熔池金屬中。最后，在吹煉結束時，當有更多的O2可用于氧化時，Mn在熔池金屬中被還原。在轉爐底吹或聯合吹煉的情況下，Mn的氧化也有類似的模式，但轉爐鋼液中的殘余Mn含量比頂吹轉爐高。

磷的氧化--轉爐中的氧化條件有利于金屬浴的脫磷。脫磷反應是由于金屬和爐渣在爐槽中的相互作用而發生的。較低的爐子溫度、較高的爐渣堿性（CaO/SiO2比率）、爐渣中較高的FeO含量、較高的爐渣流動性和良好的爐子攪拌等參數有利于脫磷反應。熔池金屬中的磷含量在噴吹開始時減少，然后在主要的脫碳期，當FeO被減少時，P重新回到熔池金屬中，最后在噴吹結束時再次減少。熔池攪拌改善了金屬和熔渣的混合，有助于提高脫磷的速度。良好的攪拌和添加的助熔劑，如面粉等，也可以通過增加CaO的溶解度來提高P的去除率，從而形成高堿性和流動性的液體渣。

硫磺反應--由于高度氧化的條件，BOS工藝中的S去除不是很有效。S分布比（渣中的S%/金屬中的S%）約為4-8，比二次煉鋼過程中的鋼包（約300-500）低很多。在 BOS 過程中，熔池中大約 10% 到 20% 的 S 直接與 O2 反應，形成 SO2（二氧化硫）。剩余的S通過爐渣-金屬反應去除，S + CaO = CaS + FeO。爐渣對S的去除得益于爐渣的高堿性和低鐵含量。鋼液中的S含量受轉爐中加入的HM和廢鋼中的S影響很大。

在BOS過程中發生的反應是異質性的，并且在不同的長度尺度上。有散裝金屬浴相、散裝渣相和氣相。另一方面，大部分的反應發生在分布在熔渣/金屬/氣體乳化相中的細小液滴和氣泡的尺度上。長度尺度的不同也導致了時間尺度的不同。金屬浴在12分鐘至15分鐘的整個熱循環中發生變化，而液滴在大約一分鐘內就能完成整個精煉循環。因此，根據商業和試點設備的觀察和測量、精心設計的實驗和數學建模，工藝動態圖已經發展了數年。

HM的典型成分為C-4.5%，Si-0.3%至0.5%，Mn-0.2%至0.7%，P-0.1%至0.18%，S-0.02%至0.03%，溫度為1350攝氏度。重要的整體反應可以寫成：（i）[Si] + {O2} = （SiO2），（ii）[Mn] + 1/2 {O2} = （MnO），（iii）[C] + 1/2 {O2} = {CO}，（iv）2[P] + 5/2 {O2} = （P2O5），（v）Fe （l） + 1/2 O2（g） = （FeO）。[-],{-},和(-)分別用來表示溶解在金屬浴中的金屬物、氣體和爐渣中的成分。圖2a給出了200噸轉爐中反應的進展。在不同轉爐進行的測量也顯示了類似的模式。圖2b給出了爐渣成分的相應變化。

圖2 吹煉過程中熔池中碳含量的變化和熔渣成分的變化

金屬成分演變的一個明顯特征是，即使在Si下降到非常低的水平之前，也同時去除大量的C。這也被觀察到的情況所證實，在開始吹氧的短時間內，轉爐口的CO火焰就會升起。這與現在已經過時的貝塞麥轉爐或OBM工藝中的觀察相反，在這兩種工藝中，空氣/氧氣從底部吹出。在這兩個過程中，出現明顯的火焰需要一些時間，這被認為表明C的氧化直到Si下降到相當低的數值才開始。

從熱力學上講，在上述輸入條件下，任何地方的溶質氧化反應的順序是Si、Mn、C和P，也就是說，在吹風的初始部分的條件下，Si在C之前被氧化。此外，在一開始就保持的高堿性條件下，產品SiO2的活性非常低。另一方面，CO分壓幾乎保持在0.1MPa（一個大氣壓）。例如，如果假設SiO2的活性為0.001，那么與4.5%的C和0.5%的Si平衡時的pO2分別為1MPa至1.7MPa和1MPa至1.9MPa。這一特點使得對過程動力學和反應機制的分析變得有趣。

過程的特點

由于來自該過程的反饋信息是有限的，因此有必要從可以獲得的信息中觀察到的特征建立一個過程動力學模型。BOS過程的重要特征描述如下：

反應速率非?？?。在脫碳高峰期，C的去除率約為每分鐘0.3%，也就是說，在200噸轉爐中，每分鐘約有600公斤的C（圖2a）。C反應顯示了三個典型的時期（圖2a），即（i）初始時期，速率不斷增加；（ii）中間時期，速率相對穩定，盡管在此期間熔池中的C含量不斷從3.5%左右下降到4.0%；最后第三個時期，速率逐漸減弱，超過臨界C含量。臨界C含量通常在0.2 %至0.5 %之間。

然而，在相同的吹氣條件下，單個加熱顯示出大多數不可重復性。在輸入和工藝參數相同的情況下，兩次連續的吹煉可以顯示出相當不同的行為，一些吹煉顯示出傾斜（金屬-爐渣-氣體乳液在轉爐口沸騰）或干渣和吐渣（導致噴槍和爐口堆積）。這種不可重復性在BOS工藝的早期更為普遍，當時還沒有加入攪拌氣體的底吹。使用較少的廢料作為冷卻劑，也可以導致更多的可重復性和減少傾斜度。

在對幾個BOS車間進行研究后發現，脫碳峰值的速度與吹氧的速度成正比。在實驗室規模的轉爐吹煉過程中，也顯示出增加吹氧速度和降低噴槍高度對峰值脫碳率的影響是相似的。

在MEFOS（瑞典的一家研究機構）的試驗轉爐的實驗中，已經顯示出沿著頂吹轉爐的高度存在著濃度變化。這表明，盡管頂部噴射的動量很大，但頂吹并不能很好地混合金屬浴。然而，這種差異在從底部吹入極少量的惰性氣體時消失了。

眾所周知，BOS工藝中的爐渣含有相當一部分以渣相中液滴形式存在的金屬。其數量在噴吹過程中有所不同，在噴吹的中間部分最高。估計在10％至25％的范圍內變化。這些液滴很細，大多數小于1毫米到2毫米。乳液中的液滴數量在吹氣結束時下降。與散裝金屬浴相比，這些液滴通常處于更高級的精煉狀態。

在吹煉的大部分時間里，存在著熔渣-金屬-氣體乳化液。在吹煉的三分之一時間里，乳狀液的高度超過了2米左右，因此淹沒了槍頭，并使超音速噴射的聲音變小。有時，乳化液會充滿整個爐子，在爐口處沸騰(slopping)。在熔池中超過臨界C時，乳化液會崩潰，這表明乳化液是過渡性的，需要不斷產生氣體才能生存。

如前所述，C、Mn和P在噴吹的初始階段與Si同時被氧化，這與基于大宗金屬浴的Si反應優先于其他反應的預期相反。Mn和P的反應在一定程度上可以用爐渣中的活動來解釋。C反應無法解釋，除非使用假設，即大宗金屬成分在反應現場不占優勢。

在打擊的中間部分，Mn和P發生了逆轉（圖3a）。這也反映在熔渣路徑上（圖2b）。 然而，很明顯的是，這些反轉與爐渣中的FeO含量相關聯。CaO的溶解幾乎一直持續到最后，盡管石灰是在開始時或在攪拌的早期加入的。C決定了該過程的整體動態，并且該反應發生得很劇烈。圖 3a 顯示了吹煉過程中熔體成分的變化。

圖3 吹煉過程中熔體成分的變化

BOS過程的動態取決于C反應的劇烈程度。完整的動態過程可以分為幾個部分。其他反應可以在這個框架內理解。O2噴射幾乎是純的，分子直接到達浴槽表面，沒有相當大的質量傳遞障礙。當一個分子撞擊時，它可以做以下事情之一。

O2分子在撞擊部位與C發生反應。反應可以是[C] + 1/2{O2} = {CO}，以及[C] + {O2} = {CO2}。它可以作為[O]溶解在金屬中。然后它可以到其他地方與其他可氧化的元素反應，如O2=2[O]。其中一些可以與熔池中的鐵反應，產生FeO，如公式Fe + 1/2{O2} = （FeO）。FeO可以進入渣相，并與其他地方的金屬反應。這些都會導致精煉反應在轉爐中的不同位置發生，從而導致混合后的整體熔池精煉。這些不同的位置在圖4中得到了示意。

圖4 堿性氧氣煉鋼的反應點

需要記住的是，C-O反應是異質的。至少有一個質量轉移步驟可能會限制速度。C必須在金屬中擴散到界面。氣相中的O2、金屬相中溶解的O2或渣相中的FeO的轉移也可能參與其中，這取決于反應的O2來源。溶解的O2可以轉移到金屬槽內的其他部分，并與溶解的C反應，將CO釋放到耐火材料中充滿氣體的孔隙中（現場1）。CO也可以通過異質成核在金屬浴中漂浮的固體顆粒上形成（部位2）。異質成核也可以發生在渣層/金屬浴界面（部位3）。除非CO的過飽和度非常高，否則熔池內的同質成核是非常不可能的。如前所述，CO反應可以直接發生在沖擊部位（部位5）。在撞擊部位或附近形成的一些氧化鐵可以進入金屬浴表面下，并沿著爐渣/金屬界面移動，與C反應產生乳化界面（如部位3）。然而，大部分形成的FeO可能會轉移到渣相中。

這就提供了幾種可能性。在爐渣和金屬浴的界面上，可以發生前面描述的反應（位置3），現在O2來自爐渣相，C來自金屬。如前所述，渣相中含有大量的金屬液滴，是由沖擊部位的噴射動力不斷產生的。因此，爐渣中的FeO可以通過不同的機制與這些液滴發生反應，如（i）CO氣泡可以在界面上異質成核（部位8），（ii）CO可以轉移到與液滴接觸的經過的氣泡中（部位4），以及（iii）如果超飽和度非常高，CO氣泡可以在液滴內均勻成核（部位6）。如果一些金屬液滴被扔到自由板上，它可以直接與氣體中的任何O2或CO2反應（部位7）。

盡管所有這些部位在打擊過程中都會有一定程度的活動，但有必要確定決定整體動態的主要機制?？梢愿鶕^察結果評估這些部位中每一個的貢獻。事實上，在沒有底部氣體注入的情況下，熔池顯示出濃度梯度，與頂部氣流相比，從底部吹出的惰性氣體只有1%，這種梯度就會消失，因此可以認為部位1和部位2的機制并不重要。

撞擊區表面的溫度預計在2120攝氏度以上，因此，化學反應的速率預計會非常高。撞擊點的面積相對較小，O2的到達率非常高。然而，溶質需要擴散到界面，熱量需要傳導到金屬中。新鮮的金屬被帶到界面上，被大的表面速度向外卷起。在這些情況下，可以預期沖擊面被剝奪了溶質，留下了一層與O2反應的鐵。最終，我們可以合理地假設，大量金屬成分的金屬層被完全氧化，凝結相的氧化物被轉移到渣層。當C含量約為5%（20至25摩爾%）時，這個近似值意味著在這個地方約有25%的供給O2被消耗為C（CO和CO2）。根據計算，假設金屬側質量轉移不是控制速率的因素，其貢獻估計約為40％。曾幾何時，它被認為是主要機制（熱區或沖擊區理論）。如前所述，在這個地方向外流動的金屬層也可能被O2所飽和。

乳液中的反應似乎包含了主要的反應位點（位點4、6和8）。乳液中的液滴具有非常大的比表面積。在礦渣中存在合理數量的FeO時，液滴中的所有精煉反應可以在幾十秒內進行，而不是幾分鐘。一個含有4.5%C的3毫米的金屬液滴可以演化出大約3000倍于其體積的CO。當它通過粘稠的爐渣逃逸時，就會將其乳化。乳狀液的形成、液滴的產生、液滴的停留時間等復雜的相互作用在很大程度上促進了整體的動態變化。直接與氣相反應的液滴的反應主要是在噴吹的前幾分鐘，當完整的渣層還沒有形成時，是非常重要的。

要全面了解整個過程的動態，需要了解超音速氣體射流的背景，它們與金屬/渣漿的相互作用，液滴的產生及其停留時間，CaO的溶解，以及渣漿混合等。

氣中射流在其外圍夾帶著環境氣體。擾動層在噴嘴下游幾個直徑處到達射流軸線（潛在的核心區域），在此區域之外，流動變得完全發達，具有自相似的徑向速度曲線。軸向速度與距離成反比，以保持動量守恒。通常情況下，如果環境氣體的密度與射流氣體的密度相同，則射流以大約10度至12度的半錐角擴展。如果環境氣體較輕，由于質量效應，其膨脹就較小。

在超音速噴氣中，可壓縮性因素會影響噴氣膨脹。已經證明，在軸向速度減速到音速（超音速核心）之前，射流不會有太大的膨脹。此后，如圖5所示，射流以亞音速射流的形式膨脹。最近對進入BOS轉換器的O2射流的CFD（計算流體動力學）研究表明，在大約1米的距離內，軸向速度幾乎是恒定的，在這個區域內，軸上的氣體溫度保持在大約-170攝氏度。此后，由于熱氣體的夾帶，溫度會穩步上升。因此，O2噴槍的出口馬赫數約為2，這樣就可以保持一定的距離，并仍能產生良好的射流/金屬互動。

圖5 從匯流-發散型噴嘴流出的氧氣噴射的超音速核心

可以注意到，如果像在BOS轉換器中那樣，O2射流被淹沒在CO的大氣中，那么O2的濃度就會大幅度下降。

當高速射流碰到金屬表面時，會形成一個坑，由于偏轉射流的高速，坑的邊緣非常不穩定，會拋出金屬液滴。在足夠高的數值下，射流變得再入，其中一些液滴被拋入射流本身，導致一個高度不穩定的火山口左右擺動和旋轉。在有礦渣層的情況下，這些液滴被礦渣困住，導致液滴在礦渣中乳化。

可以通過在火山口中心的停滯點進行動量平衡來計算火山口的深度。 在進一步的研究中，基于室溫下各種液體和氣體的實驗，并借助于汞和甘油的二維兩相模型，對乳化現象進行定量研究，結果發現，正如預期的那樣，乳化液中的液滴隨著氣體流速的增加而增加，并與槍頭離液體表面的距離（槍頭高度）成反比變化。在用水的3維模型進行實驗以確定頂層代表礦渣的液滴生成率時，發現有兩個區域，一個是在較低的流速下，液滴生成率隨流速非線性增加，第二個區域液滴生成率幾乎隨流速線性變化。韋伯數已被用來描述流動現象的特征。在實驗中，液滴生成率（公斤/秒）與吹氣數的函數相關聯。實驗表明，同時注入底部氣體可以增加液滴的生成，特別是當它們與頂部噴射幾乎同軸時。渣相的存在可以大大改變生成的速度。

在超音速射流中，例如2馬赫，出口氣體溫度約為-100攝氏度，此后，它將夾帶密度較低的轉爐氣體。氣體的溫度、速度和成分在射流撞擊浴槽時發生變化。因此，這種關聯有很大的不確定性，因為這種關聯在BOS模型中的作用是不充分的。由于沒有其他的相關性，人們通常使用上述相關性來生成液滴，并根據需要對其進行調整。

反應速率也取決于液滴的大小。一些研究已經從工作中的轉化器或實驗室熱模型中獲得了乳液樣品。這些研究發現，一般來說，尺寸在0.05毫米到3毫米之間。在一項用生鐵和O2進行的研究中，有大塊的液體被拋出，這些液體在乳化液中的時間通?？梢院雎圆挥?。盡管這些近似值和相關性顯然是不夠的，但由于缺乏更好的相關性，大多數模型都使用這些近似值。

其中一項研究發現，在高P鐵精煉過程中形成的泡沫渣中含有大量的金屬液滴。另一項研究通過收集從230噸轉爐的龍頭孔噴出的樣品并進行分析，也得出了類似的觀察結果。其他一些研究也進行了類似的觀察。

如前所述，液滴處于不同的高級精煉狀態，其中一些幾乎完全精煉，盡管浴液中仍有相當數量的C。據估計，乳液中的金屬部分很大，幾乎占浴液重量的25%。如果假設液滴的平均尺寸為1毫米，這相當于約40,000平方米（sqm）的表面積。有一項研究提出，轉爐中的精煉主要發生在乳狀液階段，浴液通過回落的液滴稀釋看到精煉（乳狀液理論）。轉爐中的乳化液是指熔渣-金屬-氣體系統。我們可以把它想象成爐渣-氣體泡沫，其中分布著金屬液滴。

還有報告說，一些液滴顯示出高的O2過飽和度，這就推斷出較細的液滴可能是由CO液滴爆裂的均勻成核產生的。一些液滴顯示出附著在氣泡上的證據，有些甚至是空心的。已經有幾個關于磁懸浮和自由下落的液滴與氧化氣體反應的實驗。這些實驗的結果是有趣的。當C含量高時，人們可以看到在表面發生的反應，如CO燃燒所證明的。隨著C含量的下降，小液滴被拋出，表明在表面下成核。C含量再低，液滴有時會爆裂，表明O2過飽和和液滴深處的成核。據報道，在液滴爆裂時，過飽和程度約為5MPa（對于平衡的CO）。

在其中一項研究中，液滴在轉換器中的停留時間是通過放射性金同位素示蹤技術來測量的。處于高級脫碳狀態的液滴的最大停留時間被估計為2分鐘左右。根據自由落體計算的停留時間為幾秒鐘，即使考慮到爐渣被乳化到更高的高度。因此，高停留時間需要一個解釋。

使用X射線觀察在熔融氧化渣中反應的單個Fe-C液滴的幾個實驗表明，一旦脫碳開始，液滴就會被浮起到表面，并停留在表面直到CO氣泡消退。此外，已經表明，液滴的停留時間取決于氣泡的形成，氣泡使液滴漂浮。

關于CO的形成如何保持液滴的浮力有兩種觀點。其中一個研究提出了膨脹液滴理論，即CO在液滴內均勻地形成，這個空心液滴的表觀密度很低，因此它保持浮力。另一種觀點是，氣泡在液滴/礦渣界面上異質地形成，只要氣泡一直附著在液滴上，它們就能保持浮動。X射線透視研究的視覺證據不能清楚地區分這兩種觀點。在劇烈的脫氧過程中，似乎沒有成核障礙，這一點從大量的氣泡演變中可以看出，這表明界面成核。

在高C濃度下，當C在液滴內的質量轉移不受速率控制時，最高的CO過飽和度將出現在液滴表面。因此，可以預計，為了使成核在表面發生異質性，氣泡在脫離之前要在界面上停留一段時間。由于可以有幾個氣泡附著，所以液滴保持浮力。當C下降到低值時，界面上的成核變得零星，在沒有氣泡附著的時期，O2會溶解到金屬中并擴散進來。因此，最高的過飽和度區域向內移動，首先到次表面，然后到液滴內部深處。因此，人們可以看到亞表面成核最初拋出小液滴，然后深入內部。這些均勻的成核事件可能是零星的，具有隨機的性質。

同時，沒有氣泡或只有少量氣泡的液滴的表觀密度很高，它落入金屬槽中。液滴下落時的臨界C含量取決于液滴大小、爐渣的氧化電位（和FeO的質量轉移率），以及液滴表面或內部的零星成核事件。正確預測臨界C含量的經驗性工作是缺乏的。來自懸浮液滴實驗的證據也指向這一系列的事件，盡管由于電磁場的攪拌使得條件與轉換器中的條件不同，特別是在液滴內的質量傳遞方面。

在轉換器的情況下，液滴表面不斷受到氣泡的干擾。這有兩個相互抵消的效果。部分液滴表面被氣泡覆蓋，不能用于從熔渣到液滴的質量轉移。液滴表面也因氣泡的形成和分離而被劇烈攪拌，增強了局部的質量轉移。已經進行了一些間接估計。在其中一項研究中，對于渣中的氧化鐵，在高溫單液滴實驗中的P轉移率進行了間接估計，得到的數值在（10）-5米/秒（m/s）和（10）-4米/秒之間。另一項研究估計了類似的數值。適當的實驗研究，無論是在冷的還是熱的模型中，都有必要在無尺寸變量方面得到合理的關聯。

盡管由于氣體噴射和大量的氣體通過，爐渣在轉爐中被很好地攪拌，但頂吹轉爐中的金屬槽的混合程度相對較低。測量頂吹轉爐中的混合時間（t95，即獲得95%均勻性的時間）可高達150秒至180秒，而底吹OBM轉爐則為10秒至20秒。這對反應動力學產生了影響，因為金屬液滴從頂層被移走，而精制的乳液液滴又從頂層落下。由于大部分熱量也在熔渣中釋放，熔渣和回落的液滴也會變熱。由于底部的廢料慢慢溶解到液態金屬中，也可能出現成分和溫度分層。

高混合時間也對應著混合時間的高度不可重復性，導致在沒有底吹的情況下出現不可重復的打擊行為。例如，含有較高C的液態金屬的大渦流從底部被帶到金屬浴的表面，會突然增加脫碳的速度，導致不穩定。因此，從轉爐底部注入惰性氣體以減少混合時間已成為標準做法。

由于底部氣體注入的速度和引入氣體的多孔元件的位置對反應動力學有影響，因此有必要對混合行為進行量化，以便對成分和溫度的演變進行定量預測。單一的平均t95值不足以納入轉爐的綜合模型，因為兩個不同的混合曲線可以給出相似的t90（獲得90％均勻性的時間）和不同的t95值。因此，折中的辦法是建立一個雙參數模型，基于對兩個混合時間（t90和t95）的估計。然后，我們可以將金屬浴理想化為由兩個攪拌罐反應器（STR）組成，連續交換金屬。底部只看到廢料熔化，頂部看到前面解釋的所有其他現象。這個模型的兩個參數，即反應器大小之比和金屬交換率，然后可以與轉爐在各種操作條件下的混合時間相適應。

爐渣的形成和熔劑的溶解

熔劑（石灰和煅燒過的白云石）在吹煉初期與正在形成的氧化物溶解，形成液態爐渣。這些助熔劑的溶解速度對吹煉過程中發生的熔渣-金屬反應產生強烈影響。在吹煉開始時，噴槍在熔池上方的高度保持較高，這導致最初的熔渣富含SiO2和FeO。在這期間，大量的熔劑被注入轉爐中。然后，噴槍被降低，在吹煉的三分之一處，由于爐渣中FeO的減少和CO的形成，爐渣開始起泡沫。隨著噴吹的進行，CaO在爐渣中溶解，有效爐渣重量增加。在吹煉進行了大約四分之三的時間后，由于脫碳率的降低，爐渣中的FeO含量增加。

在吹煉過程中，鋼液的溫度從大約1350攝氏度逐漸上升到轉爐下行時的1.650攝氏度，而爐渣的溫度比鋼液的溫度高50攝氏度左右。轉爐爐渣中可能含有未溶解的石灰區域，因為石灰的溶解受到硅酸二鈣（2CaO.SiO2）涂層的限制，該涂層在煉鋼溫度下是固體，可以防止快速溶解。助焊劑中氧化鎂的存在削弱了這種涂層。因此，由于石灰的快速溶解，提前加入氧化鎂可以加速爐渣的形成。

轉爐需要保持高堿度（高CaO含量）的良好流體爐渣，這樣才能處理產生的大量CO，并有效地去除P。因此，轉爐操作員試圖使最終爐渣中的CaO/SiO2比率超過3.0。

圖6a顯示了CaO-SiO2-FeO三元圖中的液相輪廓?？梢郧宄乜吹?，該系統在1350攝氏度時可以達到的CaO/SiO2比率，即在吹煉初期，該比率被限制在1.6到1.7左右。通過添加氧化鎂（圖 6b）和一些來自結轉爐渣的 Al2O3，可以稍有改善。在1,650攝氏度的最終爐渣中，25%到30%的FeO，最大的CaO/SiO2仍然低于3.0。爐渣分析也證明了這一點，爐渣分析經常顯示未溶解的石灰。除了CaO在轉爐爐渣中的溶解度問題外，石灰顆粒在高硅質爐渣的存在下會被鈍化。由于氧化鈣的濃度在溶解的石灰顆粒表面是最高的，硅酸二鈣在這里形成。這種化合物不僅是高度耐火的，而且形成了一個粘附層，阻礙了進一步的溶解。

在高溫下長期不溶解的石灰顆粒也會變薄，變得不那么活躍。打破粘附層的方法之一是在礦渣中加入高含量的FeO。這就是為什么在吹煉的前幾分鐘，當FeO積累到25％到35％或更高時，采用提高噴槍吹煉的做法的原因。雖然對CaO的溶解度影響不大（圖6），但這有利于打破粘附的硅酸二鈣層，使其進一步溶解。

像氟石（CaF2）這樣的添加劑可以更有效地實現這一效果，盡管由于各種原因，這在近期不是一個可接受的設備做法。圖6顯示了相圖，圖6a顯示了CaO-SiO2-FeO系統的液相等溫線，圖6b顯示了MgO的添加對液相的影響。

圖6 相位圖

工藝流程和反應動力學

轉爐的內容可以分為幾個重要的區域，如(i)金屬槽，它本身可以分為底部和頂部的部分，它們之間有金屬的交換，(ii)O2噴射和沖擊區域，以及(iii)爐渣區域，大部分是爐渣-金屬-氣體乳化液的形式。在打擊過程中，有三個不同的狀態。初始階段的特點是裸露的金屬浴，上面覆蓋著固體石灰島和前次加熱后留下的一些熔渣。噴射的O2擊中了金屬浴并做了兩件主要的事情。首先，它幾乎氧化了整個金屬層，產生CO、SiO2、MnO、P2O5和大量的FeO。并非所有的O2都在這個位置被消耗掉，因此上面的氣體可能含有高比例的CO2/CO和一些O2，正如在廢氣分析中看到的那樣。噴射器還將液滴拋入氣相中，這些液滴在自由飛行后回落。由于氣體具有氧化性，液滴在飛行過程中被提煉。在液滴的表面，反應的順序是由熱力學決定的。

對于每個溶質來說，反應涉及到質量轉移步驟，如氣相中的CO2/O2和液相中的溶質的質量轉移。在這個溫度下，界面的化學反應預計會非?？?。反應的順序可以通過解決傳質方程和競爭O2的界面反應的自由能最小化來實現。由于飛行時間通常為一秒或更短，液滴回落可能只完成了Si反應的一部分。液滴越小，由于比表面積越大，精煉進行得越遠。由于與液滴的表面積相比，金屬浴表面的其他部分的反應很小。

氣相中的質量傳遞可以很輕松地通過Ranz-Marshall類型的關聯計算出來。在這個過程的初始階段，液滴的溶質含量很高，預計氣相傳質會控制速率。小液滴可以被認為是剛性的，我們可以假設溶質在液滴內的純擴散。當液滴回落時，液滴中的凝結階段的氧化物產物留在浴槽的頂部，并與來自撞擊點的氧化物和添加的助熔劑結合，開始形成液態爐渣。如前所述，在沖擊部位形成了大量的FeO，因此液態爐渣很輕松形成。一段時間后，有一個液態爐渣層覆蓋在金屬浴上。越來越多的液滴被拋向熔渣。噴出到氣相中的液滴在到達金屬槽之前必須通過渣相。因此，進一步的精煉發生在熔渣中。

最初，當渣層很薄，液滴的Si和Mn含量足夠高時，液滴在C反應開始前就會落下，也就是說，沒有氣體演化，特別是對于較大的液滴。然而，含C較高的小液滴可以在早期開始脫碳，釋放出CO，并緩慢地將熔渣乳化。這個早期階段的特點是口部火焰低，因為CO的形成相對較低。一旦金屬浴中的Si下降到一定程度，脫硅就會有很大進展，在液滴下降之前。C反應開始，液滴保持在乳化液中，直到其C含量達到前面解釋的臨界C含量。在渣相中，只要液滴中的C含量足夠高，速度就會被渣相中的FeO質量轉移所控制。一旦液滴中達到臨界C，冒泡就會減慢，然后停止，液滴就會下降。臨界C在很大程度上是由浴液中的FeO含量決定的。乳液很快就建立起來了，乳液中的第二階段反應開始了。轉換器口的火焰變得很大。矛頭被浸入乳劑中。

在第二階段，幾乎所有的液滴都被噴射到乳狀液中，氣相反應變得不重要了。需要注意的是，除非脫碳反應開始，否則靜止的液滴在熔渣中的停留時間只有幾秒鐘的時間。因此，為了最大限度地提高精煉效果，操作者必須在液滴回落之前迅速達到脫碳反應開始的階段。加速反應的一個方法是保持爐渣中FeO的高含量。盡早提高FeO含量的另一個原因是在脫碳率達到最高值時有一個流動的爐渣，因為大量的氣體將迅速從爐渣中排出。否則，乳化液的高度會不受控制地增加，導致溢出和傾斜。

爐渣中的氧化鐵含量是在撞擊點產生的氧化鐵和在乳化液中消耗的氧化鐵之間的一種平衡。氧化鐵的生成可能與噴槍的高度關系不大，而高的噴槍會導致較少的液滴生成，因為噴射器撞擊金屬槽的力較小，反之亦然。因此，提高噴槍的做法，即所謂的軟打擊，會導致爐渣中的氧化鐵含量迅速增加。這有利于CaO的溶解和流體爐渣的形成。最初的軟吹，通常是3分鐘到4分鐘，是設備的正常做法。

在一個最佳的時刻，噴槍被降低，以誘發高反應率。液滴生成率很高，熔池已經脫硅，因此液滴經歷了劇烈的脫碳過程，直到C值下降到低值，然后再回落。在這個脫碳率的高峰期，因此大部分的金屬浴都以液滴的形式留在乳化液中。這些液滴在乳化液中停留的時間不同，因此處于不同的細化階段。精煉的程度也取決于液滴的大小。因此，液滴的特征有兩個變量，即它形成的時間（因此它的年齡）和液滴的大小。當達到一個特征的C含量時，液滴開始回落，這取決于它的大小、礦渣的FeO和溫度。在液滴的這個最后階段，界面上的O2電位也很高，因此如果其他條件有利，P也會被移除。落下的液滴導致金屬浴頂部的明顯細化，混合后導致金屬浴的其余部分的細化。由于一個液滴的細化時間可以達到0.5分鐘到2分鐘，我們可以看到大量金屬樣品中的C、Mn和P下降，即使樣品中的Si仍有相當數量（圖3a）。

在某種程度上，總的反應速率是自我修正的。如果乳化液中的液滴數量減少，速率降低，金屬浴的水平就會增加，導致有效噴槍距離降低，這反過來又導致液滴生成增加。這就是在吹掃的中間部分，脫碳率接近恒定的原因之一。然而，需要注意的是，進入乳化液的液滴的C含量一直在下降，因此其停留時間也在下降。操作員需要通過逐步降低噴槍來相應地提高液滴生成率。圖7a顯示了在一次典型的吹氣過程中噴槍高度的變化。

圖 7 噴槍高度的變化和磷分配率的進展

由于在吹氣的最后階段，浴液中的C含量變得很低，現在的速率受到C在液滴內擴散的限制，甚至當它進入乳狀液時也是如此。CO的生成量很低，無法保持液滴的浮動。停留時間下降到幾秒鐘，因此乳液中的液滴數量減少了，盡管噴槍的高度已經降到了噴槍健康所允許的最低水平。乳狀液消失了。在這個時候，脫碳率下降，爐渣中的氧化鐵快速堆積。由于脫碳率很低，FeO含量和溶解在鋼中的O2的增加遠遠超過了C-O平衡的要求。因此，在這個時期，操作者提高了氬氣的攪拌速度，從而增加了液滴的生成率，而沒有增加額外的O2。這在一定程度上有幫助。

在BOS工藝中，磷的去除有時是一個問題，可能會導致重吹，特別是當熱金屬中輸入的P很高時（約0.2 %）。盡管最終爐渣的條件通常是有利的，具有高鐵氧和高堿度，但如果在整個吹煉過程中不仔細管理爐渣制度，轉爐操作人員可能會陷入不好的局面。P的熱力學是眾所周知的。該反應可以用分子種類或離子形式來寫。反應是2P + 5/2 O2(g) = P2O5(l)，P + 5/4 O2(g) + 3/2 (O)2- = (PO4)3。 在前一種情況下，人們寫出一個平衡常數，并將勞爾森活性系數表示為礦渣成分的函數。如果采用離子形式的方程，則寫出渣的磷酸鹽容量方程，并根據經驗將磷酸鹽容量與渣的成分聯系起來。這兩種方法在概念上是相似的。通過已知的熱力學數據，P和O2的分壓可以很輕松地轉換為溶解在金屬中的百分比或爐渣中FeO的活性。在一些研究中，爐渣數據作為Raoultian活性系數或磷酸鹽容量與成分的函數，已經根據經驗確定。當吹煉過程中的爐渣分析是已知的，可以計算出P在散裝爐渣和散裝金屬之間的分配系數的進展。

在噴吹的初始階段，熔池中的C相當高，而且還含有Si。因此，在爐渣/金屬界面，O2電位仍然很低。因此，預計在散裝金屬/熔渣界面的脫磷率不會很高。另一方面，金屬液滴在1到2分鐘內得到高度精煉，在返回金屬浴之前，在其界面上有很高的O2電位。此外，此時的分配系數很高，因為FeO的含量很高，這是由于軟吹，溫度很低，盡管有一些CaO還沒有溶解。乳液中的液滴數量也非常大。因此，從圖3a中可以看出，脫磷率非常高。在吹掃結束時，爐渣中的條件又是有利的，有高的氧化鐵和高的堿度，盡管現在溫度已經大幅上升了。然而，在這一時期，磷的去除率并不高，因為液滴的數量并不高，表面積相當小，因此所有的反應都很緩慢。

劇烈的氬氣攪拌在這個時間段是有幫助的，在停止氧氣流后的一段時間內也是如此，盡管程度有限。在吹氣的中間部分，操作者有最大的機會進行有效的整體脫磷。在軟吹之后，當噴槍逐漸降低以實現高脫碳率時，爐渣中的氧化鐵含量大幅下降，并保持較低水平，直到乳化液開始崩潰。爐渣變得相對 "干燥"。分離系數變得不利，人們很輕松得到金屬的P反轉。FeO水平越低，反轉就越大。這種逆轉增加了打擊的最后部分的負荷，正如前面解釋的那樣，那里的反應率很低。

因此，如果操作者需要制造低P鋼，就必須在打擊的中間部分密切控制FeO含量。在每個階段過早地降低噴槍會導致很低的氧化鐵含量（低于12%到15%）。FeO含量是由液滴生成率（消耗率）和FeO生成率之間的平衡決定的。然而，需要注意的是，爐渣中非常低的FeO也會降低脫碳率。另一方面，非常高的FeO會導致馬虎的情況。

更高的氧化鐵含量可以通過修改噴槍的做法來實現。中間水平的噴槍高度可以保持比正常水平略高。操作員也可以稍微推遲噴槍的下降時間，注意不要導致不受控制的乳劑堆積。操作員也可以通過在此期間分布式添加礦石來實現這一目標。

這里總結了BOS轉爐煉鋼的化學成分。從O2煉鋼過程的熱力學可以看出，在開始時，吹到HM上的O2最好與溶解的Si反應，形成SiO2，漂浮在金屬表面。從動力學上看，預計一部分吹出的O2會與溶解的C和Fe原子反應。在工藝點火時，CO氣體的形成瞬間發生。煅燒石灰被加入以中和酸渣，酸渣最初包括FexOy和SiO2的液體混合物。在BOS轉爐中發生了一些化學反應。 主要反應是O2從O2氣體中溶解到金屬中，通過溶解的O2進行脫碳，以及Fe、[Si]、[Mn]、[P]、[V]和[Ti]的氧化。固體或液體氧化物是在吹煉過程中形成的反應產物，它們與吹煉開始時加入的石灰結合在一起，在轉爐中形成液態爐渣。由于密集的CO氣體的形成，液態金屬的液滴被引入到爐渣中，而爐渣往往會出現泡沫。因此，在吹氧過程中，轉爐中的爐渣實際上是液態爐渣和金屬液滴的乳液，由于受到氣泡的影響而產生泡沫。乳狀液也是一個有利的反應場所。例如，相當一部分C的氧化可以發生在乳化液中的金屬液滴中，盡管大部分發生在O2噴射器的沖擊區。其余的O2被用來將Fe燒成FexOy。在吹煉過程中，O2滲透到金屬液滴中，并能與CO氣體發生反應?？偟臓t渣-氣體系統表現為泡沫，并迅速上升到轉爐的錐部。因此，必須調整O2的流入量和反應速率，以便泡沫不會從轉爐中溢出。盡管轉爐的內部體積幾乎比非活性金屬和渣浴的體積大九倍，但仍經常發生滑動。