[科普中国]-喷射冶金

概述

在炼钢过程中，用经过压缩的氩、氮等气体把冶金反应剂(钙一硅、氧化钙、镁、炭等粉料)喷吹到钢液里以提高钢的质量的新技术，叫做喷射冶金。简称喷粉。它是强化钢水精炼过程的最有效的方法。所喷射的粉料具有每克约500～2000平方厘米那样大的表面积。当载流气体喷入钢液中时，会分离成许多小气泡，使钢液运动得到加速，并形成射流，射流区附近的钢液不断被吸人力作用区，使钢液呈微滴状态悬浮在气相和固相中，这就大大增加了钢液与粉粒的接触面积。另外，射流的机械能传递给钢液，会产生激烈的搅拌运动，使扩散界面层厚度降到极小，并强化液态体积元素中粒子到界面的输运，增加颗粒湍流碰撞，促进体积元素中粒子长大。在反应区， 粉料具有很高的局部浓度梯度。 所有这些，创造了最佳的传质条件，使钢水脱磷、脱硫、脱氧等精炼反应迅速而充分地进行，夹杂物浮升排除速度大大加快，钢液的质量得以有效地改善，冶炼时间也可以缩短，从而提高生产率，降低能耗。

搅拌带来的极高的传质速度，可使合金粉料高速溶解于钢液之中，这就使合金消耗大幅度降低，使合金收得率几乎接近于100%。特别是高蒸气压，低密度的活性粉料，直接喷入钢液深处后，不但可以经济地生产出高纯度钢种，而且还能有效地改善钢液中夹杂物的类型、形状、大小和分布，同时为钢精确的微合金化开辟新的途径。

封闭式的喷吹系统可使工作环境清洁，而且熔池本身就是一个集尘器。其噪音很小，因此喷射冶金不会对环境污染。

喷粉技术设备简单，投资和成本低廉。它通常由粉料输送装置、贮料罐、输气系统、粉料分配器，喷枪和控制系统等组成。喷粉技术适应性强，灵活多变。喷吹的粉料，可以是还原剂、氧化物，也可以是合金、渣料或脱硫剂、脱氧剂等。它在炉外炉内均可采用。不仅适用于电炉，也可用于转炉。特别是底吹转炉喷吹氧气和石灰粉，造成高碱度、低粘度、高弥散度炉渣，可以达到同时脱磷和脱硫的目的，给氧气转炉炼钢带来革命性变化。

最早（1969年）应有钢包喷射冶金技术的是联邦德国蒂森公司（Thyssen Niederrhein AG），所以有人称钢包喷射冶金技术为TN处理法。随后瑞典、法国等也开展了这一工艺的研究工作，在理论研究、设备和工艺方面也有所发展。80年代初，中国钢铁工业陆续装备了喷射冶金设备，开展了电炉工艺改革、炉外精炼及铁水中有价元素富集等方面的工作。

喷射冶金技术的发展，至今虽然只有十几年的时间，但由于它使传统的火法冶金术取得了突破性的进展，显示出强大的生命力，因而在世界上受到普遍重视和广泛应用。喷射冶金技术近几年在我国也取得了可喜的发展，已从工业性试验阶段逐步过渡到了生产应用阶段。但是，人们对这项新技术的认识还很不够，目前，只知道喷粉可以起到什么作用，还不知道为什么能起到这种作用。因此，要继续大力开展这项技术的研究工作， 使之更好地为冶金工业现代化建设服务。1

动力特性在钛渣熔炼中，直流一空心电极电炉的应用可以说是这一领域发展进程中的一次质的飞跃。当人们的视角从填充床反应器移向全流反应器时就会看到，直流一空心电极电炉熔炼钛渣工艺的高效率和优异的冶金效果，主要是由等离子体一气粉射流通过对熔体做功产生的搅拌作用和由此造就的气泡、液滴、颗粒构筑成的弥散系统及其对冶金反应的强化作用，而这一切正是现代理念上的喷射冶金。

理想反应器从冶金反应工程学角度，可以把多渣熔炼的矿热电炉视为一个工业反应器来研究。反应器的宏观动力学因素是流体的流动，因为传热和传质总是伴随流动而进行的，物质浓度、温度和停留时间的分布都与流动特性有关，从而反应的速度和转化率也与流动有关。反应器中流动和混合属于理想流动即活塞流和混合流的，称为理想反应器，它有如右图所示的三种：间歇式反应器、活塞流反应器和完全混合反应器。活塞流也称平推流，其含义是所有物料在反应器内停留时间相同，不存在返混。由于多渣矿热电炉的装料和熔炼产物放出具有连续或半连续的性质，在达到稳定工况以后，反应物(炉料)的转化率不随时间而变化，尽管各点浓度不一定相同，但径向截面速度分布比较均匀，所以具有活塞流的特点。但不断加入的炉料的熔化和原有物料的迅速混合，又使各处物料的浓度趋于一致，这是一种返混现象，所以又具有返混流即伞混流的特点。

上述的三种理想流动反应器，可以把间断法工艺熔炼钛渣电炉定性在间歇式反应器，连续法工艺的电炉定性在流通式(活塞流和全混流)反应器。但它们实际都算不上完全理想流动，因为在交流电炉中以热压头推动的熔体运动和电磁力引起的熔体运动只限于发生在电极插入深度的区域，电极端下面是“死流”区(参见第4章)。当然，死流也不是绝对静止的，按定义，死流的停留时间为物料平均停留时间的两倍。因此，这样的熔池流动的现象应看作是活塞流一全混流一死流的组合；但增加了气粉射流(等离子体射流)作用的空心电极加料直流电弧炉，由于消除或减少死流区并强化了渣、铁熔体流动，则可认为是全混流区占有很大比例的理想反应器。

射流特性获得动能的气体自喷嘴喷出将形成轴向射流，射流进入静止的周围中，在不受周围空间的限制时，形成自由射流。其结构如右图所示。在气一气喷出体系中，气体起始速 自直径为 的喷嘴喷出，在截面 处，其速度可视为均一的。随着射流沿 轴方向继续运动，周围流体被射流卷吸，使射流加粗，但靠中心部分的速度仍保持从喷嘴流出时的起始速度，这一区域成为势流核心区。由于卷吸的作用，核心区的直径随z的增加而逐渐减小，直至为零。由喷嘴出口截面到射流轴线上速度开始减小处的距离即为核心区的长度势流核心区的外围是混合区，流动速度逐渐降低，至外边界处速度为零，混合区的宽度随的增加而逐渐增加。

这一段为射流发展区，称为起始段，其范围约为(0～6.4)，在这一区域内流股的扩张速度可以用扩张角表示，其数值可由实验获得。对于气一气体系，扩张角为。射流经历起始段后，轴线上的速度开始降低，进入了流股的第二阶段过渡段。

在过渡段内，速度分布趋于均匀，整个区域属混合区，此区域位于(6.4～8.0)之间。从截面开始，射流已充分发展，沿轴方向，轴向的均速度在不同的截面上有类似的形状。当射流中心速度衰减为零时，射流能量完全消耗在周围空间中，此时射流终结。

气流或气粉流喷人高温熔体中的，属于限制射流，或称浸没射流，它与自由射流最大的不同，就是速度的衰减特性。根据气体喷入水中的实验，射流中心线速度开始衰减的距离大大缩短，如有的情况在(1～2)处就开始衰减，这远早于气相中的气体射流。但在(0.8～5)之间，液相中气体射流中心线速度的衰减规律与 5有很大区别，远于5以后，衰减速度明显加快，在20处，液相中气体射流的轴线速度已减至其喷口原始速度的1/10。而气相中气体射流轴线速度衰减到原始速度的1/10所需的距离约为60。

此时，不与液相介质反应的气体射流，在液相中均将形成气泡，气泡浮力是影响射流行为的主要因素。

气粉射流穿透熔体过程固体粉粒喷入熔体是以气体作为载体，以气粉两相射流方式进行的。气固两相射流喷入液体时，根据气体携带固体粉粒密度的不同而具有不同的行为，其两种极限情况如右图所示。右图a是颗粒少而粒径大的情况，颗粒之间相互不影响，各个颗粒被气体单独输送，气体速度 明显大于颗粒速度 ；在右图b的第二种情况中，颗粒相互靠近，以致颗粒周围的气体流动边界层相互重叠，因此气体和颗粒的运动结合起来，二者的速度几乎相同。

等离子体射流的穿透熔体深度气粉射流对熔池的穿透深度，既标志着粉粒的喷吹深度，也决定着熔体流动的速度、范围等。

与喷嘴射流具有类似特性的直流电弧等离子体，是由电磁泵原理产生的阴极射流。电弧本是气体导电的一种现象，在电离度约1%的冶金常用的等离子体中，包含有带正电的丑离子和带负电的电子(或负离子)，因正、负离子数目相同而呈等离子状态。在电场力的作只下，电子朝阳极方向运动，正离子朝阴极方向运动，但电子与正离子虽然密度相同而质量却相差悬殊，以致在二者初速度和受作用力相同的情况下，电子的速度要远大于正离子的运动速度，因此可以认为电弧电流基本上是由电子流构成的。由于电弧电流产生的磁场和电流自身形成的洛伦兹力的作用，在阴极附近，弧柱将以高达数千乃至上万米每秒的速度(指多型电炉)，形成向熔池阳极方向逐渐减速的和约呈倾斜扩张的高速射流。而交流电弧，由于极性的交替变化则形成不了高速射流。有实验测得，碳电弧的阳极发射的气流速度是100m/s，阴极的则可达到10000m/s，即约相差100倍。

与一般的气体或气粉射流的不同点，等离子弧是一个在电场作用下获得的高速射流，它对熔池的冲击作用和炼钢氧气顶吹转炉中氧流股的冲击作用在本质上是相似的。2

基本原理氧气顶吹熔炼过程是依靠氧气喷枪的喷射气流对熔池的强烈搅动作用来实现的，如右图所示。因而，喷射行为对冶金过程是至关重要的。在金川顶吹熔炼炉中使用的非浸没式喷枪结构如右图所示，喷枪由多层同心圆套管组成：中心油管1、氧气管2、冷水进入套管3和冷却水排出套管4。冷却水从套管壁之间通道通过，实现对枪体的冷却。

枪末端是一个可更换的喷嘴，由喷嘴射出超音速氧气流冲击到熔池面上，形成凹坑，产生熔体内的回流运动，造成熔池内气一液一固三相的搅动混合状态，加速炉料的熔化和冶金过程。

氧气流对熔池面的喷射冲击强度是熔炼过程进行好与坏的关键。合适的冲击强度除了使炉料的熔化速度最快，化学反应迅速，铜镏或金属与炉渣的良好分离之外，还应该使熔体对炉衬的冲刷腐蚀最轻、烟尘率最小。投产初期的实践发现，由于氧枪位高，喷射冲击强度不够，造成熔池内的回流微弱，以至产生大面积的“死区”，炉底冻结层达1m之厚。

反之，过强的冲击造成过于激烈的搅动，导致熔池渣线处炉衬迅速损害。铜精矿的氧气顶吹熔炼又不同于顶吹炼钢，后者是氧气射流冲击单相液体面，而前者则是液体面上还有不断加入的精矿炉料，部分固体炉料随液体环流流动，形成液一固一气()的三相混合流。这种现象比单纯的氧气流冲击出的凹坑情况负责的多。3

技术特点

喷射冶金与传统的加入块状料或通过炉内渣层的精炼过程相比，在冶金反应的热力学和动力学条件上有显著改善，其主要特点是：

①载气强烈搅动熔池，使加入的物料在几分钟内达到均匀混合；

②喷入的粉料具有很大的比表面（表面积/容积）,而金属熔体内的组分与粉料的反应速度将随接触面积增大而显著提高；

③粉料与金属熔体组分间的反应区处于熔体内部，这就大大地减轻了炉衬、炉渣和大气对反应过程的影响；在粉料颗粒上浮时，它与金属的接触为瞬时接触(transitory contact)，在顶面渣能够吸收反应产物的条件下，这种接触方式可以使冶金反应在短时间内进行得相当充分，并有可能进行不同程序、不同粉料的喷吹，以控制反应及产物的组成和形态。4

实例喷射冶金的技术特点为某些冶金精炼过程提供了重要条件。以铁水的脱氧、脱硫为例，金属钙是比金属铝更强的脱氧剂，也是比石灰更强的脱硫剂。在钢中加入金属钙，还可与大多数脱氧产物作用，形成复合夹杂物，例如钙铝酸盐，这些夹杂物的变性作用显著改变了夹杂物组成及形态，从而改善了金属材料的性能。钙在钢中的存在还可改善钢的切削性能。但是，由于金属钙的熔点为839±2℃，沸点1484℃,在炼钢温度下,钙蒸气压可以达到1.8大气压，因此,用通常的办法以块状料加到钢液面或出钢流中，都难以保证钙的使用效果。喷入钙或钙基合金粉料，为铁水和钢液的精炼提供了有效手段。金属镁的应用也需要喷射冶金。用喷粉方法向金属中加入稀土材料也已经获得良好效果。

用喷吹法预处理炼钢用铁水时，常用的脱硫粉料为 和苏打粉；载气为氮气或氩气。预处理后的铁水含硫量可以降到 0.005%。钢包精炼常用的粉料有、、、、 和各种合金粉料等，平均粒度为0.1～0.5毫米。每吨钢耗量：2～3公斤；基渣粉为4公斤。一般用氩气载送粉料,供气速度0.5～1.5立方米/分,喷射处理时间为10分钟左右。处理后钢中最低含硫量达0.001～0.005%或更低，经钙基材料处理后的钢中的夹杂物可以球化。4