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基礎(chǔ)氧氣煉鋼（BOS）是最廣泛使用的初級(jí)煉鋼工藝，用于從熱金屬（HM）生產(chǎn)粗鋼。該工藝容器被稱為轉(zhuǎn)爐。它在綜合鋼廠的粗鋼生產(chǎn)中起著主導(dǎo)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(jì)70年代末開發(fā)的。在混合吹氣中，中性氣體、氬氣（Ar）或氮?dú)猓∟2）的有限吹氣是通過頂吹轉(zhuǎn)爐的底部進(jìn)行的。它提供了一個(gè)有效的攪拌。

BOS工藝有兩個(gè)特點(diǎn)。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(yīng)提供了熔化焊劑和廢鋼所需的能量，并達(dá)到了所需的鋼液溫度。第二，該工藝以高生產(chǎn)速度精煉HM，用于生產(chǎn)液態(tài)鋼。反應(yīng)速度快是由于可用于反應(yīng)的表面積大。當(dāng)O2被注入金屬浴時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的氣體。這種氣體與液態(tài)爐渣和金屬液滴形成乳狀液，這些液態(tài)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(chǎn)生的大表面積增加了精煉反應(yīng)的速度。

由于雜質(zhì)溶解在熔融金屬中，雜質(zhì)和O2之間的反應(yīng)隨著溶解的O2發(fā)生。此外，由于C的氧化發(fā)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(zhì)，如C、硅（Si）、錳（Mn）、磷（P）等，被氧化除去，以生產(chǎn)液體鋼。氧化是用轉(zhuǎn)爐中吹出的高純度O2氣體進(jìn)行的。氧化反應(yīng)的結(jié)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(tài)的，并作為轉(zhuǎn)爐氣體從轉(zhuǎn)爐頂部排出，但其他氧化物與加入轉(zhuǎn)爐的熔劑一起溶解，形成液態(tài)爐渣。液態(tài)爐渣能夠去除液態(tài)金屬中的P和S（硫）。

在BOS工藝中發(fā)生的反應(yīng)可以分為五類。 第一類 "金屬吸收氧氣 "的反應(yīng)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(yīng)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(yīng)是（i）2（FeO）+1/2O2（g）=（Fe2O3）和（ii）2（FeO）+CO2（g）=（Fe2O3）+CO。第四類 "通量反應(yīng) "中的反應(yīng)是（i）MgO(s)=（MgO），和（ii）CaO(s)=（CaO）。第五類 "氣體反應(yīng) "中的反應(yīng)是CO（g）+ ?O2（g）=CO2。

BOS是一個(gè)動(dòng)力學(xué)非常高的過程，反應(yīng)發(fā)生在多個(gè)地方。噴射液體的相互作用和產(chǎn)生氣態(tài)產(chǎn)品的C-O反應(yīng)對(duì)整個(gè)過程的動(dòng)力學(xué)有巨大的影響。該工藝的特點(diǎn)是反應(yīng)速率高，精煉過程通常在12分鐘至15分鐘內(nèi)完成。為了在這么短的時(shí)間內(nèi)控制工藝的質(zhì)量和產(chǎn)量，對(duì)工藝的動(dòng)態(tài)有一個(gè)很好的了解是很重要的。

典型的BOS轉(zhuǎn)爐由一個(gè)圓底的圓柱形筒體和一個(gè)圓錐形頂部（25度至30度的半錐角）組成，用于將氣體導(dǎo)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(zhuǎn)，用于裝料、取樣、攻絲和除渣。爐子內(nèi)部通常襯有不同質(zhì)量和厚度的鎂碳耐火材料，以配合磨損模式。轉(zhuǎn)爐內(nèi)部的典型容積是每生產(chǎn)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(fā)生的激烈反應(yīng)。轉(zhuǎn)爐底部裝有幾個(gè)（通常是6到8個(gè)）多孔元件，氬氣通過這些元件進(jìn)行熔池混合并幫助熔渣-金屬反應(yīng)。錐體下部的一側(cè)有一個(gè)抽水孔，用于抽出鋼水。爐渣從另一側(cè)的口中倒出。

BOS工藝是一個(gè)極其快速的精煉過程，需要一個(gè)良好的動(dòng)態(tài)控制和動(dòng)態(tài)模型來更好地理解這個(gè)過程。該過程的特點(diǎn)是在多個(gè)尺度上發(fā)生反應(yīng)，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(yīng)也發(fā)生在多個(gè)反應(yīng)點(diǎn)。超音速射流與金屬浴和爐渣層相互作用，在乳化液中產(chǎn)生不同大小的液滴，這些液滴在反應(yīng)時(shí)在其界面上產(chǎn)生大量的氣泡，石灰溶解問題等，使得對(duì)該過程的動(dòng)態(tài)描述變得復(fù)雜。

由于產(chǎn)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(diào)整最終溫度的冷卻劑。煅燒石灰（CaO）被用作助熔劑，以達(dá)到去除P所需的高堿度。廢鋼首先被添加到一個(gè)空的轉(zhuǎn)爐中（在前一次加熱后的熔渣），在此基礎(chǔ)上再添加必要數(shù)量的HM。當(dāng)使用鐵礦石時(shí)，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(hù)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(jìn)行的，以盡量減少耐火材料對(duì)爐渣的溶解。不同爐料的數(shù)量由基于材料和熱量平衡的爐料控制模型進(jìn)行理論計(jì)算，同時(shí)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(yīng)都是氧化反應(yīng)。這是通過一個(gè)裝有3至6個(gè)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(zhuǎn)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(shù)之一。

一個(gè)典型的水龍頭到水龍頭的循環(huán)包括這里描述的步驟。充電順序是石灰、廢品和HM。一旦轉(zhuǎn)爐直立起來，O2噴槍就會(huì)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(shí)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(chǎn)的鋼中氫氣（H2）較低。高噴槍操作持續(xù)進(jìn)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(jìn)石灰的溶解。此后，噴槍被逐漸降低，以達(dá)到所需的精煉率。根據(jù)各個(gè)設(shè)備的做法，噴槍的高度以3到5級(jí)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(cè)量溫度，以便在完成吹氣后，同時(shí)達(dá)到所需的成分和溫度。取樣和測(cè)溫可以通過手動(dòng)方式進(jìn)行，即停止吹氣，將轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)到接近水平的位置，通過勺子取樣并測(cè)溫，或者通過一個(gè)子噴槍降到吹氣轉(zhuǎn)爐中（吹氣中取樣）。根據(jù)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(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)到出鋼側(cè)，將鋼液倒出，然后轉(zhuǎn)到另一側(cè)進(jìn)行出渣。在現(xiàn)代實(shí)踐中，一些爐渣被保留下來，轉(zhuǎn)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(nèi)表面。定期對(duì)空轉(zhuǎn)爐進(jìn)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(jìn)行檢查。損壞的部分將通過炮擊耐火材料來修復(fù)。在這之后，轉(zhuǎn)爐就可以進(jìn)行下一次吹煉了。

BOS過程是一個(gè)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的復(fù)雜過程，隨著過程的進(jìn)展，可獲得的直接反饋信息非常少。該過程由幾個(gè)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(gè)自發(fā)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(shí)也會(huì)有熱量過剩。氧氣是通過超音速噴射進(jìn)入熱的和充滿灰塵的氣體中或在液態(tài)氣體乳化液下被輸送到工藝中，噴射行為受到環(huán)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(yīng)。在這個(gè)脫碳反應(yīng)中，有三個(gè)不同的階段。第一階段發(fā)生在吹氣的前幾分鐘，脫碳的速度很慢，因?yàn)樘峁┑拇蟛糠盅鯕舛寂c熔池中的Si反應(yīng)。在第二階段，即鍍液中的C含量較高時(shí)，脫碳的速度較高，并受供氧速度的控制。第三階段發(fā)生在浴液中的C含量達(dá)到0.3%左右時(shí)。在這個(gè)階段，脫碳率下降，因?yàn)榭捎糜谂c所有供應(yīng)的氧氣反應(yīng)的C較少。在這個(gè)階段，脫碳率由C的質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制，而O2主要與鐵（Fe）反應(yīng)，形成FeO。在這個(gè)階段，由于CO的生成率下降，轉(zhuǎn)爐口的火焰變得不那么明亮，當(dāng)C下降到大約0.1%的水平時(shí)，實(shí)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(yīng)，降低了爐渣中SiO2的活性，因此Si氧化實(shí)際上發(fā)生得很低。由于O2對(duì)Si有很強(qiáng)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(chǎn)生大量的熱量，使熔池溫度升高。它還會(huì)形成硅酸鹽爐渣，與添加的石灰和煅燒的白云石反應(yīng)，形成堿性爐渣。由于硅的氧化是主要的熱源，它在HM中的數(shù)量決定了可以添加到轉(zhuǎn)爐中的冷料（廢鋼和生鐵等）的數(shù)量。它還決定了爐渣的數(shù)量，從而影響到熔池的脫磷和產(chǎn)量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，較高的渣量會(huì)導(dǎo)致較低的P，但產(chǎn)量也較低。

鐵的氧化 - 鐵（Fe）的氧化對(duì)BOS工藝最重要，因?yàn)樗刂疲╥）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(chǎn)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(yīng)相當(dāng)復(fù)雜。在頂吹轉(zhuǎn)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(jié)束時(shí)，當(dāng)有更多的O2可用于氧化時(shí)，Mn在熔池金屬中被還原。在轉(zhuǎn)爐底吹或聯(lián)合吹煉的情況下，Mn的氧化也有類似的模式，但轉(zhuǎn)爐鋼液中的殘余Mn含量比頂吹轉(zhuǎn)爐高。

磷的氧化--轉(zhuǎn)爐中的氧化條件有利于金屬浴的脫磷。脫磷反應(yīng)是由于金屬和爐渣在爐槽中的相互作用而發(fā)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(dòng)性和良好的爐子攪拌等參數(shù)有利于脫磷反應(yīng)。熔池金屬中的磷含量在噴吹開始時(shí)減少，然后在主要的脫碳期，當(dāng)FeO被減少時(shí)，P重新回到熔池金屬中，最后在噴吹結(jié)束時(shí)再次減少。熔池?cái)嚢韪纳屏私饘俸腿墼幕旌?，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(dòng)性的液體渣。

硫磺反應(yīng)--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(yīng)，形成 SO2（二氧化硫）。剩余的S通過爐渣-金屬反應(yīng)去除，S + CaO = CaS + FeO。爐渣對(duì)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(zhuǎn)爐中加入的HM和廢鋼中的S影響很大。

在BOS過程中發(fā)生的反應(yīng)是異質(zhì)性的，并且在不同的長(zhǎng)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(yīng)發(fā)生在分布在熔渣/金屬/氣體乳化相中的細(xì)小液滴和氣泡的尺度上。長(zhǎng)度尺度的不同也導(dǎo)致了時(shí)間尺度的不同。金屬浴在12分鐘至15分鐘的整個(gè)熱循環(huán)中發(fā)生變化，而液滴在大約一分鐘內(nèi)就能完成整個(gè)精煉循環(huán)。因此，根據(jù)商業(yè)和試點(diǎn)設(shè)備的觀察和測(cè)量、精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)建模，工藝動(dòng)態(tài)圖已經(jīng)發(fā)展了數(shù)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(yīng)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(zhuǎn)爐中反應(yīng)的進(jìn)展。在不同轉(zhuǎn)爐進(jìn)行的測(cè)量也顯示了類似的模式。圖2b給出了爐渣成分的相應(yīng)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(gè)明顯特征是，即使在Si下降到非常低的水平之前，也同時(shí)去除大量的C。這也被觀察到的情況所證實(shí)，在開始吹氧的短時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)爐口的CO火焰就會(huì)升起。這與現(xiàn)在已經(jīng)過時(shí)的貝塞麥轉(zhuǎn)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(gè)過程中，出現(xiàn)明顯的火焰需要一些時(shí)間，這被認(rèn)為表明C的氧化直到Si下降到相當(dāng)?shù)偷臄?shù)值才開始。

從熱力學(xué)上講，在上述輸入條件下，任何地方的溶質(zhì)氧化反應(yīng)的順序是Si、Mn、C和P，也就是說，在吹風(fēng)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(chǎn)品SiO2的活性非常低。另一方面，CO分壓幾乎保持在0.1MPa（一個(gè)大氣壓）。例如，如果假設(shè)SiO2的活性為0.001，那么與4.5%的C和0.5%的Si平衡時(shí)的pO2分別為1MPa至1.7MPa和1MPa至1.9MPa。這一特點(diǎn)使得對(duì)過程動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)機(jī)制的分析變得有趣。

過程的特點(diǎn)

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(gè)過程動(dòng)力學(xué)模型。BOS過程的重要特征描述如下：

反應(yīng)速率非?？臁Ｔ诿撎几叻迤?，C的去除率約為每分鐘0.3%，也就是說，在200噸轉(zhuǎn)爐中，每分鐘約有600公斤的C（圖2a）。C反應(yīng)顯示了三個(gè)典型的時(shí)期（圖2a），即（i）初始時(shí)期，速率不斷增加；（ii）中間時(shí)期，速率相對(duì)穩(wěn)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(gè)時(shí)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(gè)加熱顯示出大多數(shù)不可重復(fù)性。在輸入和工藝參數(shù)相同的情況下，兩次連續(xù)的吹煉可以顯示出相當(dāng)不同的行為，一些吹煉顯示出傾斜（金屬-爐渣-氣體乳液在轉(zhuǎn)爐口沸騰）或干渣和吐渣（導(dǎo)致噴槍和爐口堆積）。這種不可重復(fù)性在BOS工藝的早期更為普遍，當(dāng)時(shí)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(dǎo)致更多的可重復(fù)性和減少傾斜度。

在對(duì)幾個(gè)BOS車間進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，脫碳峰值的速度與吹氧的速度成正比。在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，也顯示出增加吹氧速度和降低噴槍高度對(duì)峰值脫碳率的影響是相似的。

在MEFOS（瑞典的一家研究機(jī)構(gòu)）的試驗(yàn)轉(zhuǎn)爐的實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)顯示出沿著頂吹轉(zhuǎn)爐的高度存在著濃度變化。這表明，盡管頂部噴射的動(dòng)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(shí)消失了。

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

在吹煉的大部分時(shí)間里，存在著熔渣-金屬-氣體乳化液。在吹煉的三分之一時(shí)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(shí)，乳化液會(huì)充滿整個(gè)爐子，在爐口處沸騰(slopping)。在熔池中超過臨界C時(shí)，乳化液會(huì)崩潰，這表明乳化液是過渡性的，需要不斷產(chǎn)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(shí)被氧化，這與基于大宗金屬浴的Si反應(yīng)優(yōu)先于其他反應(yīng)的預(yù)期相反。Mn和P的反應(yīng)在一定程度上可以用爐渣中的活動(dòng)來解釋。C反應(yīng)無法解釋，除非使用假設(shè)，即大宗金屬成分在反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)不占優(yōu)勢(shì)。

在打擊的中間部分，Mn和P發(fā)生了逆轉(zhuǎn)（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(zhuǎn)與爐渣中的FeO含量相關(guān)聯(lián)。CaO的溶解幾乎一直持續(xù)到最后，盡管石灰是在開始時(shí)或在攪拌的早期加入的。C決定了該過程的整體動(dòng)態(tài)，并且該反應(yīng)發(fā)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(dòng)態(tài)取決于C反應(yīng)的劇烈程度。完整的動(dòng)態(tài)過程可以分為幾個(gè)部分。其他反應(yīng)可以在這個(gè)框架內(nèi)理解。O2噴射幾乎是純的，分子直接到達(dá)浴槽表面，沒有相當(dāng)大的質(zhì)量傳遞障礙。當(dāng)一個(gè)分子撞擊時(shí)，它可以做以下事情之一。

O2分子在撞擊部位與C發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)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(yīng)，如O2=2[O]。其中一些可以與熔池中的鐵反應(yīng)，產(chǎn)生FeO，如公式Fe + 1/2{O2} = （FeO）。FeO可以進(jìn)入渣相，并與其他地方的金屬反應(yīng)。這些都會(huì)導(dǎo)致精煉反應(yīng)在轉(zhuǎn)爐中的不同位置發(fā)生，從而導(dǎo)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(yīng)點(diǎn)

需要記住的是，C-O反應(yīng)是異質(zhì)的。至少有一個(gè)質(zhì)量轉(zhuǎn)移步驟可能會(huì)限制速度。C必須在金屬中擴(kuò)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(zhuǎn)移也可能參與其中，這取決于反應(yīng)的O2來源。溶解的O2可以轉(zhuǎn)移到金屬槽內(nèi)的其他部分，并與溶解的C反應(yīng)，將CO釋放到耐火材料中充滿氣體的孔隙中（現(xiàn)場(chǎng)1）。CO也可以通過異質(zhì)成核在金屬浴中漂浮的固體顆粒上形成（部位2）。異質(zhì)成核也可以發(fā)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(nèi)的同質(zhì)成核是非常不可能的。如前所述，CO反應(yīng)可以直接發(fā)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(jìn)入金屬浴表面下，并沿著爐渣/金屬界面移動(dòng)，與C反應(yīng)產(chǎn)生乳化界面（如部位3）。然而，大部分形成的FeO可能會(huì)轉(zhuǎn)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(fā)生前面描述的反應(yīng)（位置3），現(xiàn)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(dòng)力不斷產(chǎn)生的。因此，爐渣中的FeO可以通過不同的機(jī)制與這些液滴發(fā)生反應(yīng)，如（i）CO氣泡可以在界面上異質(zhì)成核（部位8），（ii）CO可以轉(zhuǎn)移到與液滴接觸的經(jīng)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(nèi)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(yīng)（部位7）。

盡管所有這些部位在打擊過程中都會(huì)有一定程度的活動(dòng)，但有必要確定決定整體動(dòng)態(tài)的主要機(jī)制。可以根據(jù)觀察結(jié)果評(píng)估這些部位中每一個(gè)的貢獻(xiàn)。事實(shí)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(huì)消失，因此可以認(rèn)為部位1和部位2的機(jī)制并不重要。

撞擊區(qū)表面的溫度預(yù)計(jì)在2120攝氏度以上，因此，化學(xué)反應(yīng)的速率預(yù)計(jì)會(huì)非常高。撞擊點(diǎn)的面積相對(duì)較小，O2的到達(dá)率非常高。然而，溶質(zhì)需要擴(kuò)散到界面，熱量需要傳導(dǎo)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(yù)期沖擊面被剝奪了溶質(zhì)，留下了一層與O2反應(yīng)的鐵。最終，我們可以合理地假設(shè)，大量金屬成分的金屬層被完全氧化，凝結(jié)相的氧化物被轉(zhuǎn)移到渣層。當(dāng)C含量約為5%（20至25摩爾%）時(shí)，這個(gè)近似值意味著在這個(gè)地方約有25%的供給O2被消耗為C（CO和CO2）。根據(jù)計(jì)算，假設(shè)金屬側(cè)質(zhì)量轉(zhuǎn)移不是控制速率的因素，其貢獻(xiàn)估計(jì)約為40％。曾幾何時(shí)，它被認(rèn)為是主要機(jī)制（熱區(qū)或沖擊區(qū)理論）。如前所述，在這個(gè)地方向外流動(dòng)的金屬層也可能被O2所飽和。

乳液中的反應(yīng)似乎包含了主要的反應(yīng)位點(diǎn)（位點(diǎn)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(shù)量的FeO時(shí)，液滴中的所有精煉反應(yīng)可以在幾十秒內(nèi)進(jìn)行，而不是幾分鐘。一個(gè)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(dāng)它通過粘稠的爐渣逃逸時(shí)，就會(huì)將其乳化。乳狀液的形成、液滴的產(chǎn)生、液滴的停留時(shí)間等復(fù)雜的相互作用在很大程度上促進(jìn)了整體的動(dòng)態(tài)變化。直接與氣相反應(yīng)的液滴的反應(yīng)主要是在噴吹的前幾分鐘，當(dāng)完整的渣層還沒有形成時(shí)，是非常重要的。

要全面了解整個(gè)過程的動(dòng)態(tài)，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(chǎn)生及其停留時(shí)間，CaO的溶解，以及渣漿混合等。

氣中射流在其外圍夾帶著環(huán)境氣體。擾動(dòng)層在噴嘴下游幾個(gè)直徑處到達(dá)射流軸線（潛在的核心區(qū)域），在此區(qū)域之外，流動(dòng)變得完全發(fā)達(dá)，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(dòng)量守恒。通常情況下，如果環(huán)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(kuò)展。如果環(huán)境氣體較輕，由于質(zhì)量效應(yīng)，其膨脹就較小。

在超音速噴氣中，可壓縮性因素會(huì)影響噴氣膨脹。已經(jīng)證明，在軸向速度減速到音速（超音速核心）之前，射流不會(huì)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(duì)進(jìn)入BOS轉(zhuǎn)換器的O2射流的CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）研究表明，在大約1米的距離內(nèi)，軸向速度幾乎是恒定的，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，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(huì)穩(wěn)步上升。因此，O2噴槍的出口馬赫數(shù)約為2，這樣就可以保持一定的距離，并仍能產(chǎn)生良好的射流/金屬互動(dòng)。

圖5 從匯流-發(fā)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(zhuǎn)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(huì)大幅度下降。

當(dāng)高速射流碰到金屬表面時(shí)，會(huì)形成一個(gè)坑，由于偏轉(zhuǎn)射流的高速，坑的邊緣非常不穩(wěn)定，會(huì)拋出金屬液滴。在足夠高的數(shù)值下，射流變得再入，其中一些液滴被拋入射流本身，導(dǎo)致一個(gè)高度不穩(wěn)定的火山口左右擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。在有礦渣層的情況下，這些液滴被礦渣困住，導(dǎo)致液滴在礦渣中乳化。

可以通過在火山口中心的停滯點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)量平衡來計(jì)算火山口的深度。 在進(jìn)一步的研究中，基于室溫下各種液體和氣體的實(shí)驗(yàn)，并借助于汞和甘油的二維兩相模型，對(duì)乳化現(xiàn)象進(jìn)行定量研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，正如預(yù)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)以確定頂層代表礦渣的液滴生成率時(shí)，發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)是在較低的流速下，液滴生成率隨流速非線性增加，第二個(gè)區(qū)域液滴生成率幾乎隨流速線性變化。韋伯?dāng)?shù)已被用來描述流動(dòng)現(xiàn)象的特征。在實(shí)驗(yàn)中，液滴生成率（公斤/秒）與吹氣數(shù)的函數(shù)相關(guān)聯(lián)。實(shí)驗(yàn)表明，同時(shí)注入底部氣體可以增加液滴的生成，特別是當(dāng)它們與頂部噴射幾乎同軸時(shí)。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(zhuǎn)爐氣體。氣體的溫度、速度和成分在射流撞擊浴槽時(shí)發(fā)生變化。因此，這種關(guān)聯(lián)有很大的不確定性，因?yàn)檫@種關(guān)聯(lián)在BOS模型中的作用是不充分的。由于沒有其他的相關(guān)性，人們通常使用上述相關(guān)性來生成液滴，并根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。

反應(yīng)速率也取決于液滴的大小。一些研究已經(jīng)從工作中的轉(zhuǎn)化器或?qū)嶒?yàn)室熱模型中獲得了乳液樣品。這些研究發(fā)現(xiàn)，一般來說，尺寸在0.05毫米到3毫米之間。在一項(xiàng)用生鐵和O2進(jìn)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(shí)間通?？梢院雎圆挥?jì)。盡管這些近似值和相關(guān)性顯然是不夠的，但由于缺乏更好的相關(guān)性，大多數(shù)模型都使用這些近似值。

其中一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，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(xiàng)研究通過收集從230噸轉(zhuǎn)爐的龍頭孔噴出的樣品并進(jìn)行分析，也得出了類似的觀察結(jié)果。其他一些研究也進(jìn)行了類似的觀察。

如前所述，液滴處于不同的高級(jí)精煉狀態(tài)，其中一些幾乎完全精煉，盡管浴液中仍有相當(dāng)數(shù)量的C。據(jù)估計(jì)，乳液中的金屬部分很大，幾乎占浴液重量的25%。如果假設(shè)液滴的平均尺寸為1毫米，這相當(dāng)于約40,000平方米（sqm）的表面積。有一項(xiàng)研究提出，轉(zhuǎn)爐中的精煉主要發(fā)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(zhuǎn)爐中的乳化液是指熔渣-金屬-氣體系統(tǒng)。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(bào)告說，一些液滴顯示出高的O2過飽和度，這就推斷出較細(xì)的液滴可能是由CO液滴爆裂的均勻成核產(chǎn)生的。一些液滴顯示出附著在氣泡上的證據(jù)，有些甚至是空心的。已經(jīng)有幾個(gè)關(guān)于磁懸浮和自由下落的液滴與氧化氣體反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是有趣的。當(dāng)C含量高時(shí)，人們可以看到在表面發(fā)生的反應(yīng)，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(shí)會(huì)爆裂，表明O2過飽和和液滴深處的成核。據(jù)報(bào)道，在液滴爆裂時(shí)，過飽和程度約為5MPa（對(duì)于平衡的CO）。

在其中一項(xiàng)研究中，液滴在轉(zhuǎn)換器中的停留時(shí)間是通過放射性金同位素示蹤技術(shù)來測(cè)量的。處于高級(jí)脫碳狀態(tài)的液滴的最大停留時(shí)間被估計(jì)為2分鐘左右。根據(jù)自由落體計(jì)算的停留時(shí)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(shí)間需要一個(gè)解釋。

使用X射線觀察在熔融氧化渣中反應(yīng)的單個(gè)Fe-C液滴的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，一旦脫碳開始，液滴就會(huì)被浮起到表面，并停留在表面直到CO氣泡消退。此外，已經(jīng)表明，液滴的停留時(shí)間取決于氣泡的形成，氣泡使液滴漂浮。

關(guān)于CO的形成如何保持液滴的浮力有兩種觀點(diǎn)。其中一個(gè)研究提出了膨脹液滴理論，即CO在液滴內(nèi)均勻地形成，這個(gè)空心液滴的表觀密度很低，因此它保持浮力。另一種觀點(diǎn)是，氣泡在液滴/礦渣界面上異質(zhì)地形成，只要?dú)馀菀恢备街谝旱紊?，它們就能保持浮?dòng)。X射線透視研究的視覺證據(jù)不能清楚地區(qū)分這兩種觀點(diǎn)。在劇烈的脫氧過程中，似乎沒有成核障礙，這一點(diǎn)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(dāng)C在液滴內(nèi)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移不受速率控制時(shí)，最高的CO過飽和度將出現(xiàn)在液滴表面。因此，可以預(yù)計(jì)，為了使成核在表面發(fā)生異質(zhì)性，氣泡在脫離之前要在界面上停留一段時(shí)間。由于可以有幾個(gè)氣泡附著，所以液滴保持浮力。當(dāng)C下降到低值時(shí)，界面上的成核變得零星，在沒有氣泡附著的時(shí)期，O2會(huì)溶解到金屬中并擴(kuò)散進(jìn)來。因此，最高的過飽和度區(qū)域向內(nèi)移動(dòng)，首先到次表面，然后到液滴內(nèi)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(nèi)部。這些均勻的成核事件可能是零星的，具有隨機(jī)的性質(zhì)。

同時(shí)，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(shí)的臨界C含量取決于液滴大小、爐渣的氧化電位（和FeO的質(zhì)量轉(zhuǎn)移率），以及液滴表面或內(nèi)部的零星成核事件。正確預(yù)測(cè)臨界C含量的經(jīng)驗(yàn)性工作是缺乏的。來自懸浮液滴實(shí)驗(yàn)的證據(jù)也指向這一系列的事件，盡管由于電磁場(chǎng)的攪拌使得條件與轉(zhuǎn)換器中的條件不同，特別是在液滴內(nèi)的質(zhì)量傳遞方面。

在轉(zhuǎn)換器的情況下，液滴表面不斷受到氣泡的干擾。這有兩個(gè)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(zhì)量轉(zhuǎn)移。液滴表面也因氣泡的形成和分離而被劇烈攪拌，增強(qiáng)了局部的質(zhì)量轉(zhuǎn)移。已經(jīng)進(jìn)行了一些間接估計(jì)。在其中一項(xiàng)研究中，對(duì)于渣中的氧化鐵，在高溫單液滴實(shí)驗(yàn)中的P轉(zhuǎn)移率進(jìn)行了間接估計(jì)，得到的數(shù)值在（10）-5米/秒（m/s）和（10）-4米/秒之間。另一項(xiàng)研究估計(jì)了類似的數(shù)值。適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)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(guān)聯(lián)。

盡管由于氣體噴射和大量的氣體通過，爐渣在轉(zhuǎn)爐中被很好地?cái)嚢瑁敶缔D(zhuǎn)爐中的金屬槽的混合程度相對(duì)較低。測(cè)量頂吹轉(zhuǎn)爐中的混合時(shí)間（t95，即獲得95%均勻性的時(shí)間）可高達(dá)150秒至180秒，而底吹OBM轉(zhuǎn)爐則為10秒至20秒。這對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生了影響，因?yàn)榻饘僖旱螐捻攲颖灰谱?，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?huì)變熱。由于底部的廢料慢慢溶解到液態(tài)金屬中，也可能出現(xiàn)成分和溫度分層。

高混合時(shí)間也對(duì)應(yīng)著混合時(shí)間的高度不可重復(fù)性，導(dǎo)致在沒有底吹的情況下出現(xiàn)不可重復(fù)的打擊行為。例如，含有較高C的液態(tài)金屬的大渦流從底部被帶到金屬浴的表面，會(huì)突然增加脫碳的速度，導(dǎo)致不穩(wěn)定。因此，從轉(zhuǎn)爐底部注入惰性氣體以減少混合時(shí)間已成為標(biāo)準(zhǔn)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(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)有影響，因此有必要對(duì)混合行為進(jìn)行量化，以便對(duì)成分和溫度的演變進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。單一的平均t95值不足以納入轉(zhuǎn)爐的綜合模型，因?yàn)閮蓚€(gè)不同的混合曲線可以給出相似的t90（獲得90％均勻性的時(shí)間）和不同的t95值。因此，折中的辦法是建立一個(gè)雙參數(shù)模型，基于對(duì)兩個(gè)混合時(shí)間（t90和t95）的估計(jì)。然后，我們可以將金屬浴理想化為由兩個(gè)攪拌罐反應(yīng)器（STR）組成，連續(xù)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(xiàn)象。這個(gè)模型的兩個(gè)參數(shù)，即反應(yīng)器大小之比和金屬交換率，然后可以與轉(zhuǎn)爐在各種操作條件下的混合時(shí)間相適應(yīng)。

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(tài)爐渣。這些助熔劑的溶解速度對(duì)吹煉過程中發(fā)生的熔渣-金屬反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)烈影響。在吹煉開始時(shí)，噴槍在熔池上方的高度保持較高，這導(dǎo)致最初的熔渣富含SiO2和FeO。在這期間，大量的熔劑被注入轉(zhuǎn)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(jìn)行，CaO在爐渣中溶解，有效爐渣重量增加。在吹煉進(jìn)行了大約四分之三的時(shí)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(zhuǎn)爐下行時(shí)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(zhuǎn)爐爐渣中可能含有未溶解的石灰區(qū)域，因?yàn)槭业娜芙馐艿焦杷岫}（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(zhuǎn)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(chǎn)生的大量CO，并有效地去除P。因此，轉(zhuǎn)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(tǒng)在1350攝氏度時(shí)可以達(dá)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(jié)轉(zhuǎn)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(diǎn)，爐渣分析經(jīng)常顯示未溶解的石灰。除了CaO在轉(zhuǎn)爐爐渣中的溶解度問題外，石灰顆粒在高硅質(zhì)爐渣的存在下會(huì)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(gè)粘附層，阻礙了進(jìn)一步的溶解。

在高溫下長(zhǎng)期不溶解的石灰顆粒也會(huì)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(dāng)FeO積累到25％到35％或更高時(shí)，采用提高噴槍吹煉的做法的原因。雖然對(duì)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(jìn)一步溶解。

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

圖6 相位圖

工藝流程和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

轉(zhuǎn)爐的內(nèi)容可以分為幾個(gè)重要的區(qū)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(qū)域，以及(iii)爐渣區(qū)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(gè)不同的狀態(tài)。初始階段的特點(diǎn)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(gè)金屬層，產(chǎn)生CO、SiO2、MnO、P2O5和大量的FeO。并非所有的O2都在這個(gè)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(yīng)的順序是由熱力學(xué)決定的。

對(duì)于每個(gè)溶質(zhì)來說，反應(yīng)涉及到質(zhì)量轉(zhuǎn)移步驟，如氣相中的CO2/O2和液相中的溶質(zhì)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移。在這個(gè)溫度下，界面的化學(xué)反應(yīng)預(yù)計(jì)會(huì)非?？?。反應(yīng)的順序可以通過解決傳質(zhì)方程和競(jìng)爭(zhēng)O2的界面反應(yīng)的自由能最小化來實(shí)現(xiàn)。由于飛行時(shí)間通常為一秒或更短，液滴回落可能只完成了Si反應(yīng)的一部分。液滴越小，由于比表面積越大，精煉進(jìn)行得越遠(yuǎn)。由于與液滴的表面積相比，金屬浴表面的其他部分的反應(yīng)很小。

氣相中的質(zhì)量傳遞可以很輕松地通過Ranz-Marshall類型的關(guān)聯(lián)計(jì)算出來。在這個(gè)過程的初始階段，液滴的溶質(zhì)含量很高，預(yù)計(jì)氣相傳質(zhì)會(huì)控制速率。小液滴可以被認(rèn)為是剛性的，我們可以假設(shè)溶質(zhì)在液滴內(nèi)的純擴(kuò)散。當(dāng)液滴回落時(shí)，液滴中的凝結(jié)階段的氧化物產(chǎn)物留在浴槽的頂部，并與來自撞擊點(diǎn)的氧化物和添加的助熔劑結(jié)合，開始形成液態(tài)爐渣。如前所述，在沖擊部位形成了大量的FeO，因此液態(tài)爐渣很輕松形成。一段時(shí)間后，有一個(gè)液態(tài)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(dá)金屬槽之前必須通過渣相。因此，進(jìn)一步的精煉發(fā)生在熔渣中。

最初，當(dāng)渣層很薄，液滴的Si和Mn含量足夠高時(shí)，液滴在C反應(yīng)開始前就會(huì)落下，也就是說，沒有氣體演化，特別是對(duì)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(gè)早期階段的特點(diǎn)是口部火焰低，因?yàn)镃O的形成相對(duì)較低。一旦金屬浴中的Si下降到一定程度，脫硅就會(huì)有很大進(jìn)展，在液滴下降之前。C反應(yīng)開始，液滴保持在乳化液中，直到其C含量達(dá)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(huì)被渣相中的FeO質(zhì)量轉(zhuǎn)移所控制。一旦液滴中達(dá)到臨界C，冒泡就會(huì)減慢，然后停止，液滴就會(huì)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(yīng)開始了。轉(zhuǎn)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(yīng)變得不重要了。需要注意的是，除非脫碳反應(yīng)開始，否則靜止的液滴在熔渣中的停留時(shí)間只有幾秒鐘的時(shí)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(dá)到脫碳反應(yīng)開始的階段。加速反應(yīng)的一個(gè)方法是保持爐渣中FeO的高含量。盡早提高FeO含量的另一個(gè)原因是在脫碳率達(dá)到最高值時(shí)有一個(gè)流動(dòng)的爐渣，因?yàn)榇罅康臍怏w將迅速從爐渣中排出。否則，乳化液的高度會(huì)不受控制地增加，導(dǎo)致溢出和傾斜。

爐渣中的氧化鐵含量是在撞擊點(diǎn)產(chǎn)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(guān)系不大，而高的噴槍會(huì)導(dǎo)致較少的液滴生成，因?yàn)閲娚淦髯矒艚饘俨鄣牧^小，反之亦然。因此，提高噴槍的做法，即所謂的軟打擊，會(huì)導(dǎo)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(shè)備的正常做法。

在一個(gè)最佳的時(shí)刻，噴槍被降低，以誘發(fā)高反應(yīng)率。液滴生成率很高，熔池已經(jīng)脫硅，因此液滴經(jīng)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(gè)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(shí)間不同，因此處于不同的細(xì)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(gè)變量，即它形成的時(shí)間（因此它的年齡）和液滴的大小。當(dāng)達(dá)到一個(gè)特征的C含量時(shí)，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(gè)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(huì)被移除。落下的液滴導(dǎo)致金屬浴頂部的明顯細(xì)化，混合后導(dǎo)致金屬浴的其余部分的細(xì)化。由于一個(gè)液滴的細(xì)化時(shí)間可以達(dá)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(dāng)數(shù)量（圖3a）。

在某種程度上，總的反應(yīng)速率是自我修正的。如果乳化液中的液滴數(shù)量減少，速率降低，金屬浴的水平就會(huì)增加，導(dǎo)致有效噴槍距離降低，這反過來又導(dǎo)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(jìn)入乳化液的液滴的C含量一直在下降，因此其停留時(shí)間也在下降。操作員需要通過逐步降低噴槍來相應(yīng)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(jìn)展

由于在吹氣的最后階段，浴液中的C含量變得很低，現(xiàn)在的速率受到C在液滴內(nèi)擴(kuò)散的限制，甚至當(dāng)它進(jìn)入乳狀液時(shí)也是如此。CO的生成量很低，無法保持液滴的浮動(dòng)。停留時(shí)間下降到幾秒鐘，因此乳液中的液滴數(shù)量減少了，盡管噴槍的高度已經(jīng)降到了噴槍健康所允許的最低水平。乳狀液消失了。在這個(gè)時(shí)候，脫碳率下降，爐渣中的氧化鐵快速堆積。由于脫碳率很低，F(xiàn)eO含量和溶解在鋼中的O2的增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了C-O平衡的要求。因此，在這個(gè)時(shí)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(shí)是一個(gè)問題，可能會(huì)導(dǎo)致重吹，特別是當(dāng)熱金屬中輸入的P很高時(shí)（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(gè)吹煉過程中不仔細(xì)管理爐渣制度，轉(zhuǎn)爐操作人員可能會(huì)陷入不好的局面。P的熱力學(xué)是眾所周知的。該反應(yīng)可以用分子種類或離子形式來寫。反應(yīng)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(gè)平衡常數(shù)，并將勞爾森活性系數(shù)表示為礦渣成分的函數(shù)。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(jù)經(jīng)驗(yàn)將磷酸鹽容量與渣的成分聯(lián)系起來。這兩種方法在概念上是相似的。通過已知的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，P和O2的分壓可以很輕松地轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)作為Raoultian活性系數(shù)或磷酸鹽容量與成分的函數(shù)，已經(jīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。當(dāng)吹煉過程中的爐渣分析是已知的，可以計(jì)算出P在散裝爐渣和散裝金屬之間的分配系數(shù)的進(jìn)展。

在噴吹的初始階段，熔池中的C相當(dāng)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(yù)計(jì)在散裝金屬/熔渣界面的脫磷率不會(huì)很高。另一方面，金屬液滴在1到2分鐘內(nèi)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(shí)的分配系數(shù)很高，因?yàn)镕eO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(shù)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(jié)束時(shí)，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(xiàn)在溫度已經(jīng)大幅上升了。然而，在這一時(shí)期，磷的去除率并不高，因?yàn)橐旱蔚臄?shù)量并不高，表面積相當(dāng)小，因此所有的反應(yīng)都很緩慢。

劇烈的氬氣攪拌在這個(gè)時(shí)間段是有幫助的，在停止氧氣流后的一段時(shí)間內(nèi)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(jī)會(huì)進(jìn)行有效的整體脫磷。在軟吹之后，當(dāng)噴槍逐漸降低以實(shí)現(xiàn)高脫碳率時(shí)，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(duì) "干燥"。分離系數(shù)變得不利，人們很輕松得到金屬的P反轉(zhuǎn)。FeO水平越低，反轉(zhuǎn)就越大。這種逆轉(zhuǎn)增加了打擊的最后部分的負(fù)荷，正如前面解釋的那樣，那里的反應(yīng)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(gè)階段過早地降低噴槍會(huì)導(dǎo)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(huì)降低脫碳率。另一方面，非常高的FeO會(huì)導(dǎo)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(shí)現(xiàn)。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(shí)間，注意不要導(dǎo)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

這里總結(jié)了BOS轉(zhuǎn)爐煉鋼的化學(xué)成分。從O2煉鋼過程的熱力學(xué)可以看出，在開始時(shí)，吹到HM上的O2最好與溶解的Si反應(yīng)，形成SiO2，漂浮在金屬表面。從動(dòng)力學(xué)上看，預(yù)計(jì)一部分吹出的O2會(huì)與溶解的C和Fe原子反應(yīng)。在工藝點(diǎn)火時(shí)，CO氣體的形成瞬間發(fā)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(zhuǎn)爐中發(fā)生了一些化學(xué)反應(yīng)。 主要反應(yīng)是O2從O2氣體中溶解到金屬中，通過溶解的O2進(jìn)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(yīng)產(chǎn)物，它們與吹煉開始時(shí)加入的石灰結(jié)合在一起，在轉(zhuǎn)爐中形成液態(tài)爐渣。由于密集的CO氣體的形成，液態(tài)金屬的液滴被引入到爐渣中，而爐渣往往會(huì)出現(xiàn)泡沫。因此，在吹氧過程中，轉(zhuǎn)爐中的爐渣實(shí)際上是液態(tài)爐渣和金屬液滴的乳液，由于受到氣泡的影響而產(chǎn)生泡沫。乳狀液也是一個(gè)有利的反應(yīng)場(chǎng)所。例如，相當(dāng)一部分C的氧化可以發(fā)生在乳化液中的金屬液滴中，盡管大部分發(fā)生在O2噴射器的沖擊區(qū)。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(fā)生反應(yīng)?？偟臓t渣-氣體系統(tǒng)表現(xiàn)為泡沫，并迅速上升到轉(zhuǎn)爐的錐部。因此，必須調(diào)整O2的流入量和反應(yīng)速率，以便泡沫不會(huì)從轉(zhuǎn)爐中溢出。盡管轉(zhuǎn)爐的內(nèi)部體積幾乎比非活性金屬和渣浴的體積大九倍，但仍經(jīng)常發(fā)生滑動(dòng)。