顶底复吹转炉底吹CO2-N2的冶金特性

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1991.05.002 北京科技大学学报 第13卷第5(1)期 Vo1.13No.5(I) 1991年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sept.1991 顶底复吹转炉底吹C02-N2的治金特性 郭木星·陈襄武· 肖清安·段丽· 刘越生 摘要：在60kg顶底复吹转炉上进行了底吹C02、N2、CO2+N2、CO2+Ar4种 气体的实验，通过比较不同底吹气体的实验结果，对复欧转炉底吹不同性质气体的治金特 性进行了研究。主要讨论了底吹不同性质气体对熔池氧化性、影碳反应和钢中氯的行为等 的影响。 关键词：复吹转炉，治金特性，培池氟化性 Metallurgical Character of Bottom Blowing CO2-N2 Gas in Combined-Blown Converter Guo Muxing Chen Xiangwu Xiao Qingan' Duan Li Liu Yuesheng ABSTRACT:The bottom-blowing experiment with CO2,Na,CO2+Na and CO2+Ar in 60kg combined blown converter has been conducted.By comparing each experimental results,the metallurgical character of bottom blowing differ- ent gas is studied,The effect of different.gas on the bath oxidation,decarbu- rization and behavior of nitrogen is mainly discussed, KEY WORDS:combined blown converter,metallurgical character;oxidation of bath 用于复吹转炉的理想底吹气体应满足廉价，不污染钢液，使用方便等要求。从经济角度 考虑，N,和CO2是比较理想的1。然而工业应用实践表明，它们分别存在钢液吸氮和侵蚀 底喷嘴问题。为了克服这些缺点，人们注意到使用CO2+N,混合气体时，设想通过Nz和CO2 1991一01一12收稿 ·治金系(Department of Metallurgy) 410

知 卷第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 ，。 年 百月 。 。 顶底复吹转炉底吹 一 的冶金特性 郭木星 陈襄武 ’ 肖清安 ’ 丽 ’ 刘越生 ’ 段 护 摘 要 在 顶底复吹转炉上进行了底 吹 、 、 种 气体 的实验 ， 通过 比较不 同底吹气体的实验结果 ， 对复吹转炉底吹不 同性质 气 体 的冶金特 性进行了研究 。 主 要讨论 了底吹不 同性质 气体对熔池氧化性 、 脱碳 反 应 和钢中氮的行为等 的影响 。 关键 饲 复吹转炉 ， 冶金特性 ， 熔池氧化性 一 一 口 叮 “ 夕 ， 夕切 “ ‘ ” 称 ， “ ‘ 一 ， ， 。 ， 五 五 五 ， ， 用于复吹转炉 的理想底吹气体应满足 廉价 ， 不污染钢液 ， 使用方便等要求 。 从经济 角度 考虑 ， 和 是 比较 理想 的 “ ’ 。 然而 工业应 用实践表明 ， 它 们分别存在 钢液吸氮和侵蚀 底喷嘴 问题 。 为 了克服 这些 缺点 ， 人 们注意到使用 混合气体时 ，设想通过 和 一 一 收稿 冶金 系 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1991．05．002

互相稀释来减轻钢液吸氮和底喷嘴的侵蚀。 另一方面，对于使用CO:的复吹转炉，炉底受严重侵蚀是技术上的限制环节。已有的研 究主要侧重于探讨C02对底喷嘴侵蚀机理2,3)，并将C02当作惰性搅拌气体来讨论熔池内 的传质和对熔池反应的影响4,5)。这显然不能完全反映底吹C02的冶金特性。 本文通过分析比较在60kg顶底复吹转炉上底吹CO2、N2、CO2+N2、CO2+Ar4种气 体条件下的实验结果，讨论了底吹不同气体时的治金特性，为完善和改进在复吹转炉上进行 底吹CO2和N2气的工艺提供理论指导。 1实验方法 实验是在感应加热的60kg顶底复吹熔炉的热模型上进行的，实验的条件为： 底吹气强度(Nm3/h):0.10~0.25 枪位(mm):1203 炉渣碱度：2~4； 炉容量(kg):60: 渣量(kg):3~4; 熔池温度（℃）：1550 实验时，装入生铁55kg,渣料8~4kg(其中活性石灰2.5~3.5kg,萤石0.5kg),通电熔 化后进行取样、测温度、测a。然后开始顶底复合吹炼，并且每隔3~5min进行取样和测 温度及ao。当熔池脱碳至CC)≤0.2%时停止顶吹O2,进行底吹搅拌5mi后，取样、测温 度和ao,出钢。 为了得到熔池中·。的分布，在熔池纵向中心线不同深度上和熔池底部中心及中心距炉壁 1/2处测ao。为了得到底吹不同气体时的治金特性，分别进行了底吹C02、N2、CO2+N2、 CO2+Ar4种气体的实验。各炉底吹气体种类及流量见表1。 表1不同炉次的底吹气体种类及流量 Table 1 Kinds of bottom blow gas and its flow rate No 吹气种类 流量(Nm3/h) No 吹气种类 液量(Nm3/h) N2 0,13-0.23 6 CO2+Ar 0.15 (21) CO2 0.20 C02 0.25 C02+N2 0.35 8 N2 0.25 (1:1) 4 C02+N2 0,15 9 CO2+N2 0.15 (2:1) (1:2) 5 N2 0.25 10 C02 0.15 2实验结果 2.1熔池中ao分布特征 实验中测得治炼初期和末期钢液的。沿熔池纵向中心线的分布，结果如图1所示。从图 1可以看出，在吹炼初期，底吹CO2时熔池下部aco,高于上部a(o;底吹N2时熔池下部ao) 低于上部a:o);混吹CO2+N2时沿熔池纵向aco)几乎相同。在吹炼术期无论吹何种气体，熔 411

互相稀释来减轻钢液吸氮和底喷嘴 的侵蚀 。 另一方面 ， 对于使 用 的复吹转炉 ， 炉底受严重 侵蚀是技术上的限 制环节 。 已 有的研 究主要侧重于探讨 对底喷嘴侵蚀机理 〔 ’ ” ’ ， 并将 当 作惰性搅拌气体 来 讨 论熔池 内 的 传质和对熔池反应 的影响 〔 ’ “ ’ 。 这 显然不能完全反映底吹 的冶金特性 。 本文通过分析比较在 顶底复吹转沪上底 吹 、 、 、 种气 体条 件下 的实验 结果 ， 讨 论 了底吹 不 同气体 时的冶 金特性 ， 为完善和 改进在 复吹转炉上 进行 底吹 和 气的工艺提供理论指导 。 实 验 方 法 实验是在感应加热的 顶 底复吹熔炉 的热模型上进行 的 ， 实验 的条件为 底吹 气强 度 。 。 枪位 。 ， 炉渣碱 度 一 炉容量 渣量 熔池 温度 ℃ 实验 时 ， 装入生铁 ， 渣料 一 其 中活性石灰 。 ， 萤石 。 。 ， 通电熔 化后进行取样 、 测温 度 、 测 。 。 然后开始顶底复合吹炼 ， 并且每 隔 一 进行 取样和测 温 度及。 。 。 当熔池脱碳至 〔 〕蕊 。 时停止顶吹 ， 进行底 吹 搅 拌 后 ， 取 样 、 测温 度和 。 ， 出 钢 。 为了得到熔池 中。 。 的分布 ， 在熔池纵向 中心线不 同深 度上 和熔池底部中心及 中心距炉壁 处测 。 。 为 了得 到底吹 不 同气体 时的冶金特性 ， 分别进行 了底吹 、 、 、 十 种 气体的实验 。 各炉底吹 气体种类及流量 见 表 。 表 不 同 炉次 的底吹气 体种 类 及流最 。 吹气种 类 流量 。 吹气种类 优量 句 ‘ · · ‘ 一 · 少 ‘ ” ， ” · ， “ 食片 ’ 。 ’ ‘ ‘ ” ’ 奋 · “ ， 后 ” · 一 实 验 结 果 熔池 中。 。 分布特征 实验 中测得冶炼初期和 末期钢液的 。 。 浩愉池纵向中心线的分布 ， 结果如图 所示 。 从图 可 以看 出 ， 在吹炼初期 ， 底 吹 时熔池下 部 。 〔 。 〕 高于上部 〔 。 〕 底 吹 时熔池下部 。 。 。 〕 低于上部 。 。 。 混吹 十 时沿熔池纵向 。 。 。 几乎相 同 。 在吹炼末期无 论吹何种气体 ， 熔

池上部a:o,均高于下部a:o),并且随气体中C02比例的增大熔池下部a(o有增大的趋势。这 表明：①底吹CO2有使下部aco:增高的作用；②治炼末期炉渣的氧化性对上部aco,起主要作 用。 2.2熔池中〔C)和〔0)的关系 1500 底吹不同性质的气体时，熔池aco,随〔% 1200 C)的变化如图2所示。图2是在取样时同时测 ao,得到的结果。从图2可以看出，在同一 900 〔%C)时，底吹CO:的aco,最大；底吹CO2+Nz 600 时，a01介于底吹C02或N2之间，并接近于底是 300 吹N2的a(o,值。由此可见，混合吹人C02+合 N2能有效地降低CO2增强熔池aco)的作用。 160 2.3底吹气量对aco,的影响 120 底吹气量与aco,的关系如图3所示。在脱 80 碳速度大的高碳区，α：o)与底吹气量的关系不 40 明显，看不出增大底吹气量能使a:o,向平衡值 逼近的趋势。在脱碳速度小的低碳区，αco,随 底吹气量的增加而减低，增大底吹气量有使 Down Middle Upper aco,向平衡值逼近的趋势。由此推测，在低碳 Deep of bath 区熔池搅拌以底吹气体为主要动力；在〔%C) 图1吹炼不同时期a〔0]沿培池深度变化 <0.05时，为使aco达到同碳的平衡值，则底 A-治炼未期：1-CO2:N2=1:1； 吹气量应大于0.4Nm8/h,即0.1Nm3/mint。 2-C02:N2=2:1y3-C02 4-CO3:hr=2:1s5-N2 2,4熔池的脱碳行为 B-治金初期：1-C02,2-C02:N2=1:1 3-C0g:N2=1:2 对实监数据进行回归分析，得到底吹不同 4-Ar,5-N3 气体时钢液中碳含量随吹炼时间(t)的变化规 Fig.I The change of ato]with deep of 律。分析表明，在高碳区〔%C)与t具有线性关 bath at diffcreat blowing time 系，在低碳区[%C)与t其有曲线关系（图4）。 将〔%C)-t的回归方程对时间求导，得出图5所示的脱碳速度与碳含量的关系。由图5可得 出： 在高碳区： (1) 在低碳区： (r%C2）>(r%2）e,>(c92） (2) 上述结果说明，在相同的底吹强度的条件下，高碳区底吹CO2时，α：0)和熔池搅拌程度 均比底吹CO2+N2、N:时有所增强，即有利于氧的传质，其脱碳速度最大。在低碳区底吹 CO2+Nz混合气体的脱碳效果最好，其原因在于，混合气体中的Nz降低了Pco；CO2的脱碳 412

池上部 。 。 。 均高子下部 。 〔 。 〕 ， 并且随气体中 比例的增大熔池下部 。 。 。 。 有增大的趋势 。 这 表明 ①底吹 有使下部 。 。 。 增高 的作用 ②冶炼 末期炉 渣的氧 化性对上部 。 。 。 〕 起主要作 。 熔池 中〔 〕和 〔 〕的 关系 底吹 不同性 质的 气体 时 ， 熔 池 〔 。 〕 随 〔 〕 的变化如 图 所示 。 图 是 在取样时 同时测 〔 。 〕 得 到 的结果 。 从 图 可 以看 出 ， 在 同 一 〔 肠 〕 时 ， 底 吹 的 。 。 最大 底吹 时 ， 〔 。 ， 介于底 吹 或 之 间 ， 并接近于底 吹 的 〔 。 〕 值 。 由此 可见 ， 混合 吹 人 能有效地降低 增强熔池 。 。 。 ， 的作用 。 三 嘴 分 柳迎 勺三门口。 如即 底吹气且对 〔 。 。 的影响 底吹气量与 〔 。 〕 的关 系如 图 所示 。 在脱 碳速度大的高碳 区 ， 。 〕 与底 吹气量 的关系不 明显 ， 看不 出增大底 吹气量能使 。 。 〕 向平衡值 逼近的趋势 。 在脱碳速 度小 的低碳区 ， 。 〔 。 〕 随 底吹气量 的增加而减低 ， 增大底 吹 气 量 有 使 〔 。 〕 向平衡值 逼近的趋势 。 由此推测 ， 在低碳 区熔池搅拌以底吹气体为主要动力 在 〔 〕 。 时 ， 为使 〔 。 〕 达到 同碳的平衡值 ， 则底 吹气量应大于 “ ， 即 “ 。 · 。 史幸一 乓华升 ， 曰口代尸 弋 ‘ 洲洲产 尸一一气 ’ 已 伙 ，、 ‘ ‘ ‘ 日知“ 奋 ， 二毓制…油衅 熔池的脱碳行 为 对 实验数据进行 回 归分 析 ， 得 到底吹不 同 气体时钢液 中碳含量随吹炼时 间 的变化规 律 。 分析表明 ， 在高碳 区〔 写 〕与 具有线性关 系 在低碳 区〔 〕与 具有曲线关 系 图 。 匕 图 吹炼不 同时期红 。 〕沿熔池深度变化 一冶炼末期 一 一 ， 一 一 一 二 一 一冶金初期 一 一 二 ， 一 召一 一 一 〔 〕 将 〔 〕 一 的回归 方程对 时间求导 ， 得 出图 所示 的脱碳 速度与碳含量的关系 。 由图 可得 出 在高碳 区 碑 怨黔 。 。 一 旦镖卑 。 。 十 、 匹黔 二 在低碳 区 一 丝黔 。 。 匹杀鱼 。 。 黑 旦二 上 述结果 说 明 ， 在相 同的底 吹强 度的条件下 ， 高碳 区底 吹 时 ， 。 〔 。 。 和熔池搅拌程 度 均 比底 吹 十 、 时 有所增强 ， 即 有利于氧 的传质 ， 其脱碳速 度最大 。 在 低 碳 区底 吹 十 混合气体 的脱碳效 果最好 ， 其原因在于 ， 混合气体 中的 降低 了 。 。 的脱碳

1500 1600 olc]Z0.058 ●c02 G[c]=0.068-0.5 1200 oN2 1200 o[c]>1.70% oC02+吃 900 wdd 800 600 350 300 250 50 50 09 0.0.050.100.501.02.03.0 0.10.150.200.250.300.350.40 [C%] Qg/Nm3.h1 图2底吹气源种类对格池氧化性的彩响 图3底吹气体流量对熔池氧化性的影响 Fig.2 The effect of bottom blowing gas 1,2,3各指C%C)为0.05,0.1,1.7时的平衡值 on the oxidation of bath Fig.3 The effect of bottom blowing gas rate on the oxidation of bath 0.75 0.5 -CO 0.60 0.4 C02+N2 0.46 0.3 0.30 0.2 0.15 ●N2 0C02+N5 0.1 0 *Crit 0 0.30.60.91.92.93.9 0 7.08.09.010.0 12.0 14.0 L%C] t/min 图4低碳区碳含量随时间的变化 图5底吹不同气体时的脱碳速度曲线 Fig.4 The change of carbon content with Fig.5 The decarbonrization curves at blowing time at low carbon rangc diffcreat bottom blowing gas 1-〔%C]=129c-0.s97‘, 2-〔%C)=221.4e-0.828t, 3-〔%C)=211.9c-0.53: 作用加强了熔池搅拌。由于底吹CO2+N,混合气体能较好地满足低碳区〔C)和〔O)反应的动 力学（即克服脱碳扩散的限制）和热力学（即降低Pc。)两方面条件，因此其脱碳速度最 大，临界碳含量值较低。 2.5钢中氯的行为 吹炼过程中〔N门的变化如图6所示。由图6可以看出，治炼初期CN)基本上保持不变， 在CC)<0,5%时熔池中CN)逐渐增高。在底吹N2时[N)增加程度明显比底吹CO2+N2与底 413

通 贬 处 一 凡之 铎巩 帕、 、 。 〔 〕之。 ，， ‘ 〕 二 ， 叭、 火 。 〕 ， 、 、 、 三 、 山 司 …芥 宁 变 白 澳 内 己卜 门 一 卜 “ ‘ 一 一呀一兮 一、 一万一 一 门 。 、 劝︺。 」 图 底吹 气源种类对 熔池氧化 性的影响 。 盯咖， 忙 图 底吹 气体流量 对熔 池氧化性 的影响 ， ， 。 各指〔 〕为 。 ， 。 ， 时的平 衡值 乱 ， 红 。 ’ 一 入 八 〕 才 二 一言丙梦二 诩乏 平 ︵二提︶决 刁夕‘ ︺一 陌仁 且 目门刃曰 例一丫 。 一 夕 一钾 曰次口 。 多 〔 黯 了 才川 恤 图 低碳 区碳 含量随时 间的变化 一〔 〕 二 一 · “ ‘ ， 一〔 〕 二 。 一 · ‘ 才 一 〔写 〕 二 。 一 · 了 ‘ 图 底吹不 同气体时 的脱碳速度曲线 名 作用加强了熔池搅拌 。 由子底吹 ， ， 力学 即克服脱碳扩散 的限 制 和 热 力学 大 ， 临 界碳含量值较低 。 混合气体能较好地满足低碳 区〔 〕和〔 〕 反应的动 即降低 。 。 两 方面条件 ， 因此其 脱 碳 速 度 最 。 钢 中氮的行 为 吹炼过程 中〔 〕 的变化如 图 所示 。 由图 可以看出 ， 冶炼初期〔 〕 基本上保持不变 ， 在〔 〕 时熔池 中〔 〕逐渐增 高 。 在底 吹 时 〔 〕增加程 度明显 比 底 吹 十 与底

160 0C02 150 ●Nz 110 9C0:+N7 125 60 100 0⊙ 46 wdd/ 75 30 50 25 00.050.10.30.5·203.55.6 0 20406080100 c],% 刀N,g 图6冶炼过程中氨的变化 图7终点氯与底吹气体中含氯百分比的关系 Fig,6 The change of〔N)with〔C)at Fig.7 Relation of (N)at end point and blowing time N2 in bottom blowing gas 吹C02高，而后两者相当。 底吹气体中N2%与终点〔N)的关系如图7，可见底吹含33%N2的CO2+N2混合气体与 底吹CO2比较，〔N)终仅高出10Ppm,比底吹N,时约低70PPm。 3讨 论 3.1C02在熔池中反应模式 复吹转炉中用CO2为底吹气体，通常按下式反应 C0ze)+C=2C0(g)△G°=144700-129.5TJ/mol (3) 并考虑底吹CO,的冷却、搅拌和氧化作用。但从铁液对吹入气体的吸收及潜流传质角度分 析()，更应注意CO2对熔池的间接氧化作用，即首先按反应(4)进行，随着Fe,Oc1)的扩散 进行(5)、(6)反应。 C02(g)+tFe(1)=C0(g)+Fe,0(1)△G0=49200-41.30TJ/mol (4) Fe,0(1)+C=tfe(1)+C0(a)AG0=95500-88.17TJ/mol (5) Fe,O(1)=tFe(1)+0△G0=117700-49.83TJ/mol (6) 可以设想，本文所述热模型实验相当于模拟实际转炉一个底喷嘴出口的局部地区的物理 化学反应状态。由图1、图2和图5，可将CO2在熔池中反应模式归结为下列要点： (1)在吹炼初期熔池温度较低并有大量〔Si)、〔Mn)等元素存在时，CO2优先同〔Si)、 CM)等作用，使熔池氧化性保持在较低的水平， (2)在吹炼中期脱碳速度最大，此时CO2将主要同〔C)反应，直到临界碳含量以后，熔 池氧化性才逐渐升高： (3)在吹炼未期熔池温度高，含碳量低，CO主要与F〔I)作用，同时增大渣和钢的氧 化性； 414

’仍助乃知 之目自曰 ， 比给二 · 飞 奶刃巧 污之︺ 尹 ’ ， · ， 亡 〕 。 ， ， 梦产 图 冶炼过 程 中氮的变化 〔 〕 〔 〕 刀 乏 夕 一 ， 图 终点氮与底吹气体 中含氮百分比 的 关系 〔 〕 吹 高 ， 而 后两者相 当 。 底 吹 气体中 与 终点 〔 〕的关系如 图 ， 可见底吹含 的 十 混合气体与 底 吹 比较 ， 〔 〕 终 仅高出 ， 比底吹 时约低 。 讨 论 。 在熔 池 中反 应模式 复吹转炉 中用 为底吹 气体 ， 通常按下 式反应 二 口 一 并考虑底吹 的冷却 、 搅拌和氧化作用 。 但从铁液对 吹人气体的吸收及 潜 流 传 质角度分 析 〔 ” ， 更应注意 对熔 池 的间接氧化作 用 ， 即首 先按反应 进行 ， 随着 ， 、 的扩 散 进行 、 反应 。 ， 一 ， 旦 、 。 一 加 ， ， 旦 △ 。 一 可以设想 ， 本文 所述热模型实验 相 当于模拟实际转炉一个底喷嘴出 口 的局部地区 的物理 化学反应状态 。 由图 、 图 和 图 ， 可将 在熔池 中反应模式归结为下 列要点 在吹炼初 期熔他温度较低并有大量 〔 〕 、 〔 〕等元素存 在时 ， 优 先 同〔 〕 、 〔 〕等作 用 ， 使熔 池氧化性保持在较低 的水平 在 吹炼 中期脱碳速 度最大 ， 此 时 将主要 同〔 〕 反应 ， 直 到临 界碳含量 以后 ， 熔 池氧 化性才逐渐升高 在吹炼末期熔池温度高 ， 含碳量 低 ， ，主要与 〕 作用 ， 同时 增大 渣和钢 的氧 化性