·148· 工程科学学报，第38卷，增刊1 量.胡凌标▣研究了[%C]、[%C]和温度之间的关 C0,+0 出气孔 取样孔 系，指出常压下转炉法适合治炼碳质量分数为2.0% 阀门 炉盖一 ,刚玉炉管 的中碳铬铁产品，其终点温度约为1750℃，而当碳质 石英管 量分数降到1.0%时，吹炼温度需高达1920℃，会严重 减压阀 柜 保温层 损毁炉衬.这就要求在转炉治炼中低碳铬铁的过程中 要合理控制温度，既实现良好的脱碳保铬，又能够有效 热电偶 熔体 保护炉衬.因此，可将C02与02混合，通过调节C02 与O2比例来控制熔池温度，防止过热，起到保护炉衬 的作用 ~加热体 1.2工艺原理 Ar保护 炉底 引入C0,转炉治炼中低碳铬铁的主要特点是在 图1实验装置示意图 吹氧系统中引入C02,用其代替部分氩气和氮气作为 Fig.1 Schematic plot of the experimental apparatus 氩氧混吹脱碳过程的惰性稀释气体. 原料在氩气保护下熔化后，将石英管穿过炉盖上 在吹炼的过程中，高压氧气和二氧化碳气流会以 的开孔向熔体内喷吹氧气、二氧化碳或其混合气体 很高的速度冲击熔池，形成凹坑状的气流作用区.在 为使气泡在铬铁熔体中停留时间更长，应将石英管插 作用区内的气液界面处，02和C02会迅速与C发生反 入铬铁熔体底部.冶炼时，熔体体积不应超过坩埚总 应生成C0.同时，由于高速气流与金属熔体的摩擦作 容积的13，防止治炼时熔体发生喷溅，对炉管造成污 用，气流将动能传给铁液，引起熔体的循环运动，起到 染和损害。具体实验方案见表3. 机械搅拌的作用.此外，在气液界面处被氧化的C,O3 和F0也可以作为氧的载体在熔体中与碳反应，生成 3 实验结果与讨论 的C0不仅加强了熔池的搅拌，还使得金属液、炉渣和 3.1喷吹C02对铬铁熔体温度的影响 气泡之间的接触面积增加，从而极大地改善了传质的 采用感应炉进行1、2、3实验，研究C02对治炼 动力学条件，使化学反应迅速进行，在短时间内冶炼出 温度的影响，同时比较喷吹不同气体流量引起的熔体 合格的铁水，同时能够降低铬的氧化损失.如果二氧 温度变化，结果如图2所示. 化碳和氧气配比得当，还能够避免熔体过热而造成浇 图2(a)为C02和02气体在瞬时流量均为3.0L· 铸前等待时间过长的问题 min时熔体温度随吹炼时间的变化.由图可知喷吹 2C0,吹炼铬铁实验 02时熔体温度随吹气时间的延长呈上升趋势，尤其是 吹炼20~30min之间的温度升高较迅速(1710~1740 根据以上CO,与熔体中元素反应的热力学和动 ℃)：然而喷吹C0,时，尽管有感应炉供电加热，熔体 力学探讨，可以初步判定CO,能够完成脱碳保铬的任 温度仍然下降明显，熔池温度由初始的1742℃持续迅 务，并且有可能通过对温度的控制起到保护炉衬的作 速下降到1670℃，降幅达72℃.这与理论分析的结果 用.在此分析的基础上设计实验进行验证，探究不同 相符.当喷吹O2时，02会与熔池中的C、Cr、Fe、Si等 CO,喷吹比例对熔池温度及脱碳保铬效果的影响 元素发生氧化反应释放热量，从而使熔体升温：而当 2.1实验装置 C02吹入熔池后，其与C、Si反应虽然放热，但CO2与 实验主要在管式炉中进行，实验装置如图1所示 C、Fe的反应为吸热反应，吸热反应的吸热量大于放热 实验前检查装置的气密性，确保实验精度 反应放出的热量，这会使熔体温度下降.由理论计算 2.2实验方案 和实验结果可知，采用C02代替部分02对熔池进行 为保证本实验具有较高的工业应用价值，采用工 温度控制具有可行性.通过调节喷吹过程中C02和 业高/中碳铬铁作为实验的初始原料，其成分见表2 O,的比例，能够降低火点温度，实验观察发现这可以 实验过程中用到的气体主要有氩气、氧气和二氧化碳， 减少烟尘的产生量，这与此前的文献报道相符网，同时 纯度均为99.9% 能够减少高温对炉衬造成的侵蚀. 表2高/中碳铬铁成分（质量分数） 图2(b)为C02气体瞬时流量分别为3.0和4.5L· Table 2 Main compositions of HCFeCr and MCFeCr min时熔体温度的变化.从图中可以看出，在不同的 原料标号C Cr S其他（主要是F)合计 A 8.4851.580.04 39.9 100 CO,流量下，熔体温度均呈现出下降趋势，但CO,的流 B 6.0050.000.11 43.89 100 量越大，降温速度越快.通过计算可知，引起这个现象 C 3.5050.000.11 46.39 100 的原因是在这两炉次的实验中，CO,的供应量不足，气工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 量． 胡凌标［13］研究了［% C］、［% Cr］和温度之间的关 系，指出常压下转炉法适合冶炼碳质量分数为 2. 0% 的中碳铬铁产品，其终点温度约为 1750 ℃，而当碳质 量分数降到 1. 0% 时，吹炼温度需高达 1920 ℃，会严重 损毁炉衬． 这就要求在转炉冶炼中低碳铬铁的过程中 要合理控制温度，既实现良好的脱碳保铬，又能够有效 保护炉衬． 因此，可将 CO2 与 O2 混合，通过调节 CO2 与 O2 比例来控制熔池温度，防止过热，起到保护炉衬 的作用． 1. 2 工艺原理 引入 CO2 转炉冶炼中低碳铬铁的主要特点是在 吹氧系统中引入 CO2，用其代替部分氩气和氮气作为 氩氧混吹脱碳过程的惰性稀释气体． 在吹炼的过程中，高压氧气和二氧化碳气流会以 很高的速度冲击熔池，形成凹坑状的气流作用区． 在 作用区内的气液界面处，O2 和 CO2 会迅速与 C 发生反 应生成 CO． 同时，由于高速气流与金属熔体的摩擦作 用，气流将动能传给铁液，引起熔体的循环运动，起到 机械搅拌的作用． 此外，在气液界面处被氧化的 Cr2O3 和 FeO 也可以作为氧的载体在熔体中与碳反应，生成 的 CO 不仅加强了熔池的搅拌，还使得金属液、炉渣和 气泡之间的接触面积增加，从而极大地改善了传质的 动力学条件，使化学反应迅速进行，在短时间内冶炼出 合格的铁水，同时能够降低铬的氧化损失． 如果二氧 化碳和氧气配比得当，还能够避免熔体过热而造成浇 铸前等待时间过长的问题． 2 CO2 吹炼铬铁实验 根据以上 CO2 与熔体中元素反应的热力学和动 力学探讨，可以初步判定 CO2 能够完成脱碳保铬的任 务，并且有可能通过对温度的控制起到保护炉衬的作 用． 在此分析的基础上设计实验进行验证，探究不同 CO2 喷吹比例对熔池温度及脱碳保铬效果的影响． 2. 1 实验装置 实验主要在管式炉中进行，实验装置如图 1 所示． 实验前检查装置的气密性，确保实验精度． 2. 2 实验方案 为保证本实验具有较高的工业应用价值，采用工 业高/中碳铬铁作为实验的初始原料，其成分见表 2． 实验过程中用到的气体主要有氩气、氧气和二氧化碳， 纯度均为 99. 9% ． 表 2 高/中碳铬铁成分( 质量分数) Table 2 Main compositions of HCFeCr and MCFeCr % 原料标号 C Cr S 其他( 主要是 Fe) 合计 A 8. 48 51. 58 0. 04 39. 9 100 B 6. 00 50. 00 0. 11 43. 89 100 C 3. 50 50. 00 0. 11 46. 39 100 图 1 实验装置示意图 Fig． 1 Schematic plot of the experimental apparatus 原料在氩气保护下熔化后，将石英管穿过炉盖上 的开孔向熔体内喷吹氧气、二氧化碳或其混合气体． 为使气泡在铬铁熔体中停留时间更长，应将石英管插 入铬铁熔体底部． 冶炼时，熔体体积不应超过坩埚总 容积的 1 /3，防止冶炼时熔体发生喷溅，对炉管造成污 染和损害． 具体实验方案见表 3． 3 实验结果与讨论 3. 1 喷吹 CO2 对铬铁熔体温度的影响 采用感应炉进行 1# 、2# 、3# 实验，研究 CO2 对冶炼 温度的影响，同时比较喷吹不同气体流量引起的熔体 温度变化，结果如图 2 所示． 图 2( a) 为 CO2 和 O2 气体在瞬时流量均为 3. 0 L· min － 1时熔体温度随吹炼时间的变化． 由图可知喷吹 O2 时熔体温度随吹气时间的延长呈上升趋势，尤其是 吹炼 20 ～ 30 min 之间的温度升高较迅速( 1710 ～ 1740 ℃ ) ; 然而喷吹 CO2 时，尽管有感应炉供电加热，熔体 温度仍然下降明显，熔池温度由初始的 1742 ℃ 持续迅 速下降到 1670 ℃，降幅达 72 ℃ ． 这与理论分析的结果 相符． 当喷吹 O2 时，O2 会与熔池中的 C、Cr、Fe、Si 等 元素发生氧化反应释放热量，从而使熔体升温; 而当 CO2 吹入熔池后，其与 Cr、Si 反应虽然放热，但 CO2 与 C、Fe 的反应为吸热反应，吸热反应的吸热量大于放热 反应放出的热量，这会使熔体温度下降． 由理论计算 和实验结果可知，采用 CO2 代替部分 O2 对熔池进行 温度控制具有可行性． 通过调节喷吹过程中 CO2 和 O2 的比例，能够降低火点温度，实验观察发现这可以 减少烟尘的产生量，这与此前的文献报道相符［6］，同时 能够减少高温对炉衬造成的侵蚀． 图 2( b) 为 CO2 气体瞬时流量分别为 3. 0 和 4. 5 L· min － 1时熔体温度的变化． 从图中可以看出，在不同的 CO2 流量下，熔体温度均呈现出下降趋势，但 CO2 的流 量越大，降温速度越快． 通过计算可知，引起这个现象 的原因是在这两炉次的实验中，CO2 的供应量不足，气 · 841 ·