转炉渣起泡机理、影响因素与控制策略详解

转炉(BOF)炼钢将超音速氧流喷吹至热金属表面，浴中 C、Si、Mn、P 等杂质被氧化生成 CO、CO₂、SiO₂、MnO、P₂O₅、铁氧化物。气态氧化物(90% CO、10% CO₂)携少量 FeO、CaO 粉尘从炉顶逸出；液态氧化物与熔剂熔融形成液渣，促进精炼。起泡是气体吹入粘性液体常见现象，对 BOF 有益：增大精炼反应界面、隔绝熔池与大气、增强反应动力学/传热/能效、提供后燃烧传热介质、保护耐材延长寿命、吸收 Mn/Si/P 氧化物、防止熔池氧化控制成分、热绝缘减少能量损失。但 BOF 起泡须控制在有限体积以获益。

起泡基本条件与现象

起泡两要件：(i) 产生微小气泡的反应/过程，(ii) 维持稳定泡沫的渣性能。化学反应气体倾向小气泡稳定泡沫；气相喷吹(O₂、Ar)产大气泡、泡沫不稳定。BOF 吹炼推进中，渣量和生成气体增加，起泡加剧。起泡过量溢出转炉口称“溅渣”，有害危险，须严控以保证连续高效生产。深入理解泡沫机理是优化控制、最小化溅渣的前提。

渣是精炼氧化产物(SiO₂、MnO、P₂O₅、FeO)与熔剂(石灰、烧结白云石)熔融形成的非金属物，含氧化物化合物、溶解气体、溶解耐材、未熔熔剂/析出氧化物固体颗粒。渣密度低浮于熔池。主要功能：收集氧化杂质氧化物；成分温度助推精炼反应；遮蔽熔池隔绝空气、延缓耐材溶蚀、控温。渣系(CaO-MgO-SiO₂-FeO-Al₂O₃)成分直接影响粘度、导热、密度等性质，进而影响除杂能力。渣高粘低密浮于熔池，物理性质使其捕获化学反应和喷吹 O₂ 产生的气泡形成渣泡沫(图 1)。

图 1 BOF 转炉熔池脱碳主要反应原理

渣泡沫由 CO 生成并被渣捕获形成。脱碳是起泡气源。O₂ 流冲击熔面剥离金属液滴进入泡沫，形成渣-气-金属液滴乳浊液。乳浊液中渣与大量金属液滴接触，强化反应动力学；无乳浊液工艺将显著延长。乳浊液对工艺至关重要，需适当渣成分控制起泡水平(过高过低均不利)。停留时间决定渣与乳浊液中运动液滴的可能反应时间。

气体生成速率与起泡演变

气体生成速率主导泡沫形成增长。气体源于脱碳：

1. 热点金属表面直接氧化：[C] + ½O₂(g) = CO(g)
2. 泡沫中 FeO 与金属液滴间接反应：[C] + (FeO) = CO(g) + {Fe}，FeO 由纯 O₂ 氧化 Fe 生成：{Fe} + ½O₂(g) = (FeO)
3. 熔池内溶解 O 与 C 反应：[C] + [O] = CO(g)

反应(1) 和 Fe 氧化(2)第二式随吹炼即时开始持续，但(1) 因表面 C 连续减少而减速。Fe 氧化速率较恒定，但渣中 FeO 最终因(2)第一式消耗增加而下降。吹末 FeO 分压随其参与脱碳减少(熔池 C 低)而回升。吹终极控制脱碳为熔池内 C 与溶解 O 反应(3)。末期脱碳速率取决于 C 从下向上、溶解 O 反向的传质。图 1 右侧显示：最大脱碳速率/气体生成率达吹炼 25–30% 处，主要在泡沫中按(2)第一式进行，水平取决于 FeO 可用性和 O₂ 冲击区喷出液滴供给。吹炼 ~80% 时因熔池 C 低气体生成率骤降。

工艺变量对起泡的影响

渣成分、表气速、熔池温度、气泡尺寸、碱度、密度、粘度、表面张力。表气速(m/s)=真实气速×气体体积分数。渣成分是最重要变量，随吹炼演变普遍利于起泡，因理化性质(密度、粘度、表面张力、碱度)随成分变化。BOF 高表气速(>1 m/s)下液体被气流托持，空隙率(VF)强依赖表气速、弱依赖渣液物性；气滞留形成受重力和气体对液体阻力支配。渣泡沫捕获喷吹/反应生成气体。气体捕获量用 VF(气体分数)度量，典型 0.7–0.9。图 2 示典型泡沫柱分层结构。吹炼中渣理化性质演变利于泡沫稳定，配合前半程高脱碳率，泡沫体积急增。

图 2 典型泡沫柱分层结构

起泡指数 (FI)

FI = 泡沫高度 / 表气速，单位秒(典型 0.6–1.3 s)，表征气体垂直通过泡沫层时间。恒定 O₂ 供率下气速可视为主脱碳期常数，泡沫高度正比 FI。乳浊液表观粘度对 FI 关键：粘度越高 FI 越高→泡沫越高→足够高时溢出即溅渣。固体颗粒分数强烈影响表观粘度：研究显示固相分数增 10% 致表观粘度增 50%，泡沫高度至少同比增。

渣成分实验研究

CaO-SiO₂-FeO 渣 1250–1400℃ 下 Ar 喷吹起泡实验，用 FI 表征(首用于水系)。FI = Δh/ΔVg，Vg=Qg/A。不同成分冶金渣 FI 0.3–56 s。该关系适用于 VF 与泡沫高度无关的稳态。动态 FI 需考虑气体生成和渣成分动态性：FI(d)=f(r)·FI，f(r)=(气体生成率+渣体积变化率)/渣体积变化率。FI 是随吹炼时变并经历最大值的渣属性。另一研究证实 FI 与渣物性相关：随粘度增大而增，随密度和表面张力增大而减。

表气速影响

CaO-SiO₂-FeO 渣 Ar 喷吹实验：泡沫高度随表气速线性增加。冶金还原工艺表气速 0.3–3.0 m/s。高表气速(>1 m/s)泡沫为膨胀渣：液体全体均匀湍流膨胀，混合高度和 VF 随气速增大，停气即刻坍塌。低表气速(0.01–0.1 m/s)泡沫似肥皂泡，停气渐变坍塌。无未熔氧化物改变粘度时，上述结论适用高表气速冶金还原工艺。另有研究指出 BOF 高表气速(>1 m/s)下液体被气流托持，VF 强依赖表气速、弱依赖物性，气滞留受重力和气体阻力支配。

渣成分影响

CaO-SiO₂-FeO 1400℃ Ar 起泡研究：加 P₂O₅ 微降 FI，加 S 边际降 FI；加 CaF₂ 显著降 FI，加 MgO 显著增 FI。FeO 和 MgO 对 CaO-SiO₂-FeO-MgO 渣 FI 影响：FeO 增至 ~20% 时 FI 降，至 ~32% 则平稳；MgO 对 35%CaO-35%SiO₂-30%FeO 渣显类似趋势。MnO 和 P₂O₅ 对 CaO-SiO₂-30FeO-MgO 饱和渣：MnO 增加微降 FI；P₂O₅ 增至 3% 升 FI，再增则降。

温度影响

1400–1550℃ 研究：温升降低 35%CaO-35%SiO₂-30%FeO-10%MgO 渣 FI。归因于表面张力正温度系数、粘度负温度系数。表面张力增大破坏泡沫、粘度增大稳定泡沫，综合致 FI 随温升降低。

气泡尺寸影响

起泡与气泡尺寸反比：大气泡泡沫更早坍塌。多孔喷嘴(平均直径 7.5 mm)产生泡沫高度比单孔(13.5 mm)高 ~70%。单孔喷吹 Ar 产多面体大气泡；界面反应生成 CO 细球形气泡，泡沫更稳定。两者均呈气泡直径与 FI 反比(图 3)。解释：大气泡增加排液，波普边横截面积大加快排液。BOF 中渣泡沫主要捕获渣层 CO，气泡尺寸主受 CO 生成速率/量、湍流、表面张力影响。

图 3 气泡直径对 FI 影响

渣碱度影响

CaO-SiO₂-FeO 渣研究：FI 随碱度增大经历极小值。初期碱度增大致粘度降、表面张力增，FI 下降。CaO 极小值对应液相线成分，超出则析出固体 2CaO·SiO₂ 颗粒，增粘稳定泡沫。

渣密度影响

渣密度随 FeO、MnO、MgO 累积增大，随 SiO₂ 和温升减小(图 4)。FI 随 FeO/MnO/MgO 累积减小，随 SiO₂ 增大增大。FeO 增加也降粘。多研究证实 FI 与密度反比，尽管影响程度不同。

图 4 渣密度变化曲线

渣粘度影响

渣粘度由网络形成体 SiO₂ 主导，FeO、MgO、MnO、CaO 等金属氧化物破坏网络结构降粘。溅渣常发生在吹炼前几分钟：因低温和未熔石灰颗粒致粘度高，叠加高脱碳率。渣温跌破液相线析出第二相微粒(比泡沫小)，增粘稳定泡沫。但粘度增大仅至临界值利于起泡，超临界则气体通道化不成泡沫。多研究证实 FI 随粘度增大而增。粘度作用于泡沫膜排液和破裂：增粘增厚膜延缓气泡聚并、减少液体经波普边向下排流。

渣表面张力影响

液体表面张力源于内聚力，致液滴形成、阻分子逸出。BOF 中渣表面张力影响渣/金属乳浊液和泡沫形成，显著影响渣-金属传质。纯液态铁 1550℃ 表面张力 ~1.8 N/m(水 25 倍)；纯液态氧化物/渣极低 0.20–0.70 N/m。渣表面张力随温度成分变化。非金属 S、P、O₂、N₂ 在液铁中表面活性强弱不同。氧化物中 SiO₂、P₂O₅、MnO 降渣表面张力，Al₂O₃ 微增。渣-金属界面张力同样重要，影响乳浊液形成和传质。低界面张力促进界面传质和泡沫/乳浊液形成(有利)，但也促使金属捕获渣滴、渣金属强粘附，出钢分离困难。添加元素普遍降液铁界面张力。BOF 中 O₂ 和 S 是金属中最强表面活性元素，显著降界面张力；FeO、MnO 是渣中表面活性氧化物，降渣-金属界面张力。起泡需表面活性组分(P₂O₅、CaF₂、Fe₂O₃、V₂O₅、Na₂O)，其降粘降表面张力使渣捕气起泡。表面/界面张力决定渣/金属界面生成气泡尺寸：增大张力增大气泡直径破坏泡沫；金属表面张力增大产生小气泡稳定泡沫；已成泡沫膜随表面张力增大排液加快(膜曲率增大增强向波普边吸液)。