自贝塞麦发明酸性空气底吹转炉炼钢法起，开始了转炉大量生产钢水的历史，如图3所示。上世纪50年代用氧气代替空气炼钢是炼钢史上的一次重大变革，70年代出现的氧气底吹转炉和顶吹复合转炉，是氧气转炉在发展和完善通路上取得的丰硕成果，如图4所示。
一、吹炼过程元素氧化规律
（一）炉钢吹炼过程和元素的氧化规律
1）冶炼过程概述
从装料到出钢，倒渣，转炉一炉钢的冶炼过程包括装料、吹炼、脱氧出钢、溅渣护炉和倒渣几个阶段，如图5所示。一炉钢的吹氧时间通常为12－18min，冶炼周期为30min左右。
上炉钢出完钢后，倒净炉渣，堵出钢口，兑铁水和加废钢，降枪供氧，开始吹炼。在送氧开吹的同时，加入第一批渣料，加入量相当于全炉总渣量的三分之二，开吹4－6分钟后，第一批渣料化好，再加入第二批渣料。如果炉内化渣不好，则许加入第三批萤石渣料。吹炼过程中的供氧强度：
小型转炉为2.5－4.5m3/(t?min)；120t以上的转炉一般为2.8－3.6m3/(t?min)。
◆开吹时氧枪枪位采用高枪位，目前是为了早化渣，多去磷，保护炉衬；
◆在吹炼过程中适当降低枪位的保证炉渣不“返干”，不喷溅，快速脱碳与脱硫，熔池均匀升温为原则；
◆在吹炼末期要降枪，主要目的是熔池钢水成分和温度均匀，加强熔池搅拌，稳定火焰，便于判断终点，同时使降低渣中fe含量，减少铁损，达到溅渣的要求。
◆当吹炼到所炼钢种要求的终点碳范围时，即停吹，倒炉取样，测定钢水温度，取样快速分析[c]、[s]、[p]的含量，当温度和成分符合要求时，就出钢。
◆当钢水流出总量的四分之一时，向钢包中的脱氧合金化剂，进行脱氧，合金化，由此一炉钢冶炼完毕。
（1）硅的氧化规律
在吹炼初期，铁水中的[si]和氧的亲和力大，而且[si]氧化反应为放热反应，低温下有利于此反应的进行，因此，[si]在吹炼初期就大量氧化。
[si]+o2=(sio2)(氧气直接氧化)
[si]+2[o]=(sio2)(熔池内反应)
[si]+(feo)=(sio2)+2[fe](界面反应)
2(feo)+(sio2)=(2feo?sio2)
随着吹炼的进行石灰逐渐溶解，2feo?sio2转变为2cao?sio2，即sio2与cao牢固的结合为稳定的化合物，sio2活度很低，在碱性渣中feo的活度较高，这样不仅使[si]被氧化到很低程度，而且在碳剧烈氧化时，也不会被还原，即使温度超过1530c，[c]与[o]的亲和力也超过[si]与[o]的亲和力，终因（cao）与（sio2）结合为稳定的2cao?sio2，[c]也不能还原（sio2）。
硅的氧化对熔池温度，熔渣碱度和其他元素的氧化产生影响：
?[si]氧化可使熔池温度升高；
?[si]氧化后生成（sio2），降低熔渣碱度，熔渣碱度影响脱磷，脱硫；
?熔池中[c]的氧化反应只有到[%si]<0.15时，才能激烈进行。
影响硅氧化规律的主要因素：[si]与[o]的亲和力，熔池温度，熔渣碱度和feo活度。
（2）锰的氧化规律
在吹炼初期，[mn]也迅速氧化，但不如[si]氧化的快。其反应式可表示为：
[mn]+[o]=(mno)（熔池内反应）
[mn]+[o2]=(mno)（氧气直接氧化反应）
[mn]+(feo)=(mno)+[fe](界面反应)
(sio2)+(mno)=mno?sio2
余锰或残锰：
锰的氧化产物是碱性氧化物，在吹炼前期形成(mno?sio2)。但随着吹炼的进行和渣中cao含量的增加，会发生
（mno?sio2)+2（cao）=（2cao?sio2）+（mno）
（mno）呈自由状态，吹炼后期炉温升高后，（mno）被还原，即
（mno）+[c]=[mn]+[co]或（mno）+[fe]=（feo）+[mn]
吹炼终了时，钢中的锰含量也称余锰或残锰。残锰高，可以降低钢中硫的危害，但冶炼工业纯铁，则要求残锰越低越好。
影响残锰的因素：
◆炉温高有利于（mno）的还原，残锰量高；
◆碱度升高，可提高自由(mno)浓度，残锰量增加；
◆降低熔渣中（feo）含量，可提高残锰含量;
◆铁水中锰含量高，单渣操作，钢水残锰也会高些。
（3）碳的氧化规律
影响碳氧化速度的变化规律的主要因素有：熔池温度、熔池金属成分、熔渣中(∑feo)和炉内搅拌强度。在吹炼的前、中、后期，这些因素是在不断发生变化，从而体现出吹炼各期不同的碳氧化速度，如图6所示。
吹炼前期：熔池平均温度低于1400－1500c，[si]、[mn]含量高且与[o]亲和力均大于[c]－[o]的亲和力，(∑feo)较高，但化渣、脱碳消耗的(feo)较少，熔池搅拌、碳的氧化速度不如中期高。
吹炼中期：熔池温度高于1500c，[si]、[mn]含量降低，[p]－[o]亲和力小于[c]－[o]亲和力，碳氧化消耗较多的（feo），熔渣中(∑feo)有所降低，熔池搅拌强烈，反应区乳化较好，结果此期的碳氧化速度高。
吹炼后期，熔池温度很高，超过1600c，[c]含量较低，(∑feo)增加，熔池搅拌不如中期，碳氧化速度比中期低。
（4）磷的变化规律
磷的变化规律主要表现为吹炼过程中的脱磷速度。脱磷速度的变化规律，主要受熔池温度，熔池中金属[p]含量，熔渣中(∑feo)，熔渣碱度，熔池的搅拌强度或脱碳速率的影响。
表1顶吹转炉吹炼各期的特点
因素时期
熔池温度
(%∑feo)
炉渣碱度
降碳速度
前期
较低
较高
低
低于中期
中期
较高
较低
较高
高于初期
后期
高
高
高
低于中期
前期不利于脱磷的因素是炉渣碱度比较低，因此，为及早形成碱度较高的炉渣，是前期脱磷的关键。
中期不利于脱磷的因素是（∑feo）较低，因此，如何控制渣中(∑feo)达10%－20%，避免炉渣“返干”是中期脱磷的关键。
后期不利于脱磷的热力学因素是熔池温度高。
（5）硫的变化规律
硫的变化规律也主要表现在吹炼过程中的脱硫速度，脱硫速度变化规律的主要影响因素与脱磷的类似。不同时期，其表现是不相同。
吹炼前期，由于温度和碱度较低，（feo）较高，渣的流动性差，因此脱硫能力较低，脱硫速度很慢；
吹炼中期，熔池温度逐渐升高，（feo）比前期有所降低，碱度因大量石灰熔化而增大，熔池乳化比较好，是脱硫的最好时期；
吹炼后期，熔池温度已升至出钢温度，（feo）回升，比中期高，碱度高熔池搅拌不如中期，因此，脱硫速度低于或稍低于中期。
2)炉渣成分和温度的变化规律
转炉吹炼过程中熔池内的炉渣成分和温度影响着元素的氧化和脱除规律，而元素的氧化和脱除又影响着炉渣成分和熔池温度的变化。
（1）炉渣中(feo)的变化规律
炉渣中（feo）的变化取决于它的来源和消耗两方面。（feo）的来源主要与枪位、加矿量有关，（feo）的消耗主要与脱碳速度有关。
◆枪位：枪位低时，高压氧气流股冲击熔池，熔池搅拌剧烈，渣中金属液滴增多，形成渣、金乳浊液，脱碳速度加快，消耗渣中（feo）降低。枪位高时，脱碳速度低，渣中（feo）增高。
◆矿石：渣料中加矿石多，则渣中（feo）增高。
◆脱碳速度：脱碳速度高，渣中（feo）低；脱碳速度低，渣中（feo）高。
氧气顶吹转炉通过改变枪位可达到化渣、降碳的不同目的，这是它与其他炼钢方法相比，具有操作灵活的特点。
（2）炉渣碱度的变化规律
炉渣碱度的变化规律取决于石灰的熔解、渣中(sio2)和熔池温度。
吹炼初期，熔池温度不高，渣料中石灰还未大量熔化。吹炼一开始，[si]迅速氧化，渣中(sio2)很快提高，有时可达到30%。因此，初期炉渣碱度不高，一般为1.8－2.3，平均为2.0左右。
吹炼中期，熔池的温度比初期提高，促进大量石灰熔化，熔池中[si]已氧化完了，sio2来源中断。中期脱磷速度，熔池搅拌均比前期强，这些因素均有利于形成高碱度炉渣。
吹炼后期,熔池的温度比中期进一步提高,接近出钢温度,有利于石灰渣料熔化,在中期炉渣碱度较高的基础上,吹炼后期,仍能得到高碱度,流动性良好发炉渣。
（3）熔池温度的变化规律
熔池温度的变化与熔池的热量来源和热量消耗有关。
吹炼初期，兑入炉内的铁水温度一般为1300c左右，铁水温度越高，带入炉内的热量就越高，[si]、[mn]、[c]、[p]等元素氧化放热，但加入废钢可使兑入的铁水温度降低，加入的渣料在吹炼初期大量吸热。综合作用的结果，吹炼前期终了，熔池温度可升高至1500c左右。
吹炼中期，熔池中[c]继续大量氧化放热，[p]也继续氧化放热，均使熔池温度提高，可达1500－1550c以上。
吹炼后期，熔池温度接近出钢温度，可达1650－1680c左右，具体因钢种、炉子大小而异。在整个一炉钢的吹炼过程中，熔池温度约提高350c左右。
综上所述，顶吹氧气转炉开吹以后，熔池温度、炉渣成分、金属成分相继发生变化，它们各自的变化又彼此相互影响，形成高温下多相、多组元同时进行的极其复杂的物理化学变化。
冶炼过程概述：从装料到出钢，倒渣，转炉一炉钢的冶炼过程包括装料、吹炼、脱氧出钢、溅渣护炉和倒渣几个阶段。
炉钢的吹氧时间通常为12－18min，，如图7所示，冶炼周期为30min左右。
转炉一炉钢的基本冶炼过程。顶吹转炉冶炼一炉钢的操作过程主要由以下六步组成：
（1）上炉出钢、倒渣，检查炉衬和倾动设备等并进行必要的修补和修理；
（2）倾炉，加废钢、兑铁水，摇正炉体（至垂直位置）；
（3）降枪开吹，同时加入第一批渣料（起初炉内噪声较大，从炉口冒出赤色烟雾，随后喷出暗红的火焰；3～5min后硅锰氧接近结束，碳氧反应逐渐激烈，炉口的火焰变大，亮度随之提高；同时渣料熔化，噪声减弱）；
（4）3～5min后加入第二批渣料继续吹炼（随吹炼进行钢中碳逐渐降低，约12min后火焰微弱，停吹）；
（5）倒炉，测温、取样，并确定补吹时间或出钢；
（6）出钢，同时（将计算好的合金加入钢包中）进行脱氧合金化。
上炉钢出完钢后，倒净炉渣，堵出钢口，兑铁水和加废钢，降枪供氧，开始吹炼。在送氧开吹的同时，加入第一批渣料，加入量相当于全炉总渣量的三分之二，开吹3－5分钟后，第一批渣料化好，再加入第二批渣料。如果炉内化渣不好，则许加入第三批萤石渣料。
吹炼过程中的供氧强度：
小型转炉为2.5－4.5m3/(t?min)；120t以上的转炉一般为2.8－3.6m3/(t?min)。
◆开吹时氧枪枪位采用高枪位，目前是为了早化渣，多去磷，保护炉衬；
◆在吹炼过程中适当降低枪位的保证炉渣不“返干”，不喷溅，快速脱碳与脱硫，熔池均匀升温为原则；
◆在吹炼末期要降枪，主要目的是熔池钢水成分和温度均匀，加强熔池搅拌，稳定火焰，便于判断终点，同时使降低渣中fe含量，减少铁损，达到溅渣的要求。
◆当吹炼到所炼钢种要求的终点碳范围时，即停吹，倒炉取样，测定钢水温度，取样快速分析[c]、[s]、[p]的含量，当温度和成分符合要求时，就出钢。
◆当钢水流出总量的四分之一时，向钢包中的脱氧合金化剂，进行脱氧，合金化，由此一炉钢冶炼完毕。
o转炉冶炼五大制度
装料制度
供氧制度
造渣制度
温度制度
终点控制及合金化制度
二、装料制度
（一）装料次序
◆对使用废钢的转炉，一般先装废钢后装铁水。先加洁净的轻废钢，再加入中型和重型废钢，以保护炉衬不被大块废钢撞伤，而且过重的废钢最好在兑铁水后装入。
◆为了防止炉衬过分急冷，装完废钢后，应立即兑入铁水。炉役末期,以及废钢装入量比较多的转炉也可以先兑铁水,后加废钢。
（二）装入量
装入量指炼一炉钢时铁水和废钢的装入数量，它是决定转炉产量、炉龄及其他技术经济指标的主要因素之一。装入量中铁水和废钢配比是根据热平衡计算确定。通常，铁水配比为70%－90%，其值取决于铁水温度和成分，炉容比、冶炼钢种、原材料质量和操作水平等。
确定装入量时，考虑的因素：
o炉容比：它是指转炉内自由空间的容积与金属装入量之比(m3/t)，通常在0.7－1.0波动，我国转炉炉容比一般0.75。
o熔池深度：合适的熔池深度应大于顶枪氧气射流对熔池的最大穿透深度，以保证生产安全，炉底寿命和冶炼效果。
o炉子附属设备：应与钢包容量、浇注吊车起重能力、转炉倾动力矩大小、连铸机的操作等相适应。
控制装入量的方法。目前国内采用三种即定量装入量、定深装入量和分阶段定量装入法。
◆定量装入量指整个炉役期间，保证金属料装入量不变；
◆定深装入量指整个炉役期间，随着炉子容积的增大依次逐渐增大装入量，保证每炉的金属熔池深度不变；
◆分阶段定量装入法指将整个炉按炉膛的扩大程度划分为若干阶段，每个阶段实行定量装入法。分阶段定量装入法兼有两者的优点，是生产中最常见的装入制度。
表2国内一些企业顶吹转炉的炉容比
厂名
宝钢
首钢
鞍钢
本钢
攀钢
首钢
太钢
吨位/t
300
210
180
120
120
80
50
炉熔比/m3?t－1
1.05
0.97
0.86
0.91
0.90
0.84
0.97
装料操作：目前，国内的大中型转炉均采用混铁炉（转炉容量的15～20倍）供应铁水，即高炉来的铁水储存在混铁炉中，用时倒入铁水罐天车兑入（解决高炉出铁与转炉用铁不一致的矛盾，同时保证铁水的温度稳定，成分波动小）；废钢则是事先按计算值装入料斗，用时天车加入。
为减轻废钢对炉衬的冲击，装料顺序一般是先兑铁水后加废钢，炉役后期尤其如此。兑铁水时，应炉内无渣（否则加石灰）且先慢后快，以防引起剧烈的碳氧反应，将铁水溅出炉外而酿成事故。目前国内各厂普遍采用溅渣护炉技术，因而多为先加废钢后兑铁水，可避免兑铁喷溅。但补炉后的第一炉钢应采用前法，如图8所示。
简述一炉钢的冶炼过程。
三、供氧制度
供氧制度的主要内容包括确定合理的喷头结构、供氧强度、氧压和枪位控制。供氧是保证杂质去除速度、熔池升温速度、造渣制度、控制喷溅去除钢中气体与夹杂物的关键操作，关系到终点的控制和炉衬的寿命，对一炉钢冶炼的技术经济指标产生重要影响。
1）氧枪
氧枪是转炉供氧的主要设备，它是由喷头、枪身和尾部结构组成。
喷头是用导热性良好的紫铜经锻造和切割加工而成，也有用压力浇铸而成的。喷头的形状有拉瓦尔型、直筒型和螺旋型等。目前应用最多的是多孔的拉瓦尔型喷头。拉瓦尔型喷头是收缩―扩张收缩型喷孔，当出口氧压与进口氧压之比p出/p0<0.528时形成超音速射流，如图9所示。
2）供氧制度
枪身：它由三层同心套管构成，中心管道氧气，中间管是冷却水的进水通道，外层管是出水通道。喷头与中心套管焊接在一起。
枪尾部：枪尾部接供氧管，进水管和出水管。
o在顶吹氧气转炉吹炼过程中，特别是吹炼过程剧化的开始阶段，有时炉渣会起泡并从炉口溢出，这就是吹炼过程中发生的典型的乳化和泡沫现象。
o由于氧射流对熔池的强烈冲击和co气泡的沸腾作用，使熔池上部金属、熔渣和气体三相剧烈混合，形成了转炉内发达的乳化和泡沫状态，如图10所示。
图10转炉内的泡沫现象示意图
1－氧枪；2－气－钢－渣乳化相；3－co气泡；4－金属熔池；5－火点；
6－金属液滴；7－co气流；8－飞溅出的金属液滴；9－烟尘
乳化（emulsification）是指金属液滴或气泡弥散在炉渣中，若液滴或气泡数量较少而且在炉渣中自由运动，这种现象称为渣钢乳化或渣气乳化。
若炉渣中仅有气泡，而且气泡无法自由运动，这种现象称炉渣泡沫化（slagfoaming）。由于渣滴或气泡也能进入到金属熔体中，因此转炉中还存在金属熔体中的乳化体系。渣钢乳化是冲击坑上沿流动的钢液被射流撕裂或金属滴所造成的。通过对230tld转炉乳液取样分析，发现其中金属液滴比例很大：吹氧6－7min时占45%－80%；10－12min时占40%－70%；15－17min时占30%－60%。可见，吹炼时金属和炉渣密切相混。
研究表明，金属液滴比金属熔池的脱碳、脱磷、脱锰更有效。金属液滴尺寸愈小，脱除量愈多。而金属液滴的含硫量比金属熔池的含硫量高，金属液滴尺寸愈小，含硫量愈大。生产实践表明，冶炼中期硬吹时，由于渣内富有大量co气泡以及渣中氧化铁被金属液滴中的碳所还原，导致炉渣的液态部分消失而“返干”。
软吹时，由于渣中（feo）含量增加，并且氧化位（即fe3+/fe2+）升高，持续时间过长就会产生大量起泡沫的乳化液，乳化的金属量非常大，生成大量气体，容易发生大喷或溢渣。因此，必须正确调整枪位和供氧量，使乳化液中是金属保持某一百分比。
◆供氧压力：
保证射流出口速度达到超音速，并使喷头出口处氧压稍高于炉膛内炉气压力。对三孔喷头，供氧压力可由下式经验计算：
◆氧气流量：指在单位时间内向熔池供氧的数量，常用标准状态下体积量度，其单位为m3/min或m3/h。
氧气流量是根据吹炼每吨金属料所需要的氧气量、金属装入量、供氧时间等因素决定。即
◆供氧强度：指在单位时间内每吨钢的氧耗量，它的单位是m3/(t?min)。供氧强度的大小根据转炉的公称吨位、炉容比来确定。小型转炉的供氧强度为2.5－4.5m3/(t?min)，120t以上的转炉一般为2.8－3.6m3/(t?min)。
3）供氧操作
供氧操作是指调节氧压或枪位，达到调节氧气流量、喷头出口气流压力及射流与熔池的相互作用程度，以控制化学反应进程的操作。
供氧操作分为恒压变枪、恒枪变压和分阶段恒压变枪几种方法。国内多采用第三种操作法。
枪位及其控制：
所谓枪位，是指氧枪喷头端面距静止液面的距离，常用h表示，单位是m。目前，一炉钢吹炼中的氧枪操作有两种类型，一种是恒压变枪操作，一种是恒枪变压操作。比较而言，恒压变枪操作更为方便、准确、安全，因而国内钢厂普遍采用。
枪位的变化范围和规律：
关于枪位的确定，目前的做法是经验公式计算，实践中修正。一炉钢冶炼中枪位的变化范围可据经验公式确定：
h=（37～46）pxd出
式中：
p―供氧压力，mpa；
d―喷头的出口直径，mm；
h―枪位，mm。
具体操作中，枪位控制通常遵循“高－低－高－低”的原则：
（1）前期高枪位化渣但应防喷溅。吹炼前期，铁水中的硅迅速氧化，渣中的（sio2）较高而熔池的温度尚低，为了加速头批渣料的熔化（尽早去p并减轻炉衬侵蚀），除加适量萤石或氧化铁皮助熔外应采用较高的枪位，保证渣中的（feo）达到并维持在25～30%的水平；否则，石灰表面生成c2s外壳，阻碍石灰溶解。当然，枪位亦不可过高，以防发生喷溅，合适的枪位是使液面到达炉口而又不溢出。
（2）中期低枪位脱碳但应防返干。吹炼中期，主要是脱碳，枪位应低些。但此时不仅吹入的氧几乎全部用于碳的氧化，而且渣中的（feo）也被大量消耗，易出现“返干”现象而影响s、p的去除，故不应太低，使渣中的（feo）保持在10～15%以上。
（3）后期提枪调渣控终点。吹炼后期，c－o反应已弱，产生喷溅的可能性不大，此时的基本任务是调好炉渣的氧化性和流动性继续去除硫磷，并准确控制终点碳（较低），因此枪位应适当高些。
（4）终点前点吹破坏泡沫渣。接近终点时，降枪点吹一下，均匀钢液的成分和温度，同时降低炉渣的氧化铁含量并破坏泡沫渣，以提高金属和合金的收得率。
枪位的调节。生产条件千变万化，因此具体操作中还应根据实际情况对枪位进行适当的调节：
（1）铁水温度：若遇铁水温度偏低，应先压枪提温，而后再提枪化渣，以防渣中的（feo）积聚引发大喷，即采用低－高－低枪位操作。
（2）铁水成分：铁水硅、磷高时，若采用双渣操作，可先低枪位脱硅、磷，倒掉酸性渣；若单渣操作，由于石灰加入量大，应较高枪位化渣。铁水含锰高时，有利于化渣，枪位则可适当低些。
（3）装入量变化：炉内超装时，熔池液面高，枪位应相应提高，否则，不仅化渣困难而且易烧坏氧枪。
（4）炉内留渣：采用双渣留渣法时，由于渣中（feo）高，有利于石灰熔化，因此吹炼前期的枪位适当低些，以防渣中（feo）过高引发泡沫喷溅。
（5）供氧压力：高氧压与低枪位的作用相同，故氧压高时，枪位应高些。