19世纪，英国H.贝塞麦就有用纯氧炼钢的设想，因制氧技术的限制而未能实现。20世纪20年代后期，空气液化和分馏制氧技术开发成功。从1929年起，德国柏林工业大学的R.杜雷尔^[注]开始进行实验室试验。1948年在2.5吨的试验炉上成功实现纯氧炼钢，并且在吹氧、造渣、炉衬等方面的研究中积累了许多经验。1949年奥地利钢铁联合公司（VAI）注意到杜雷尔的研究，在林茨钢厂开始进行中间生产试验（图1），首先是在2吨的炉子上进行试验，继而用15吨的炉子进行了多方面的研究试验，炼成的钢的品质优良，试验获得成功。在此基础上，建成世界第一个氧气顶吹转炉，并于1952年在林茨（Linz）投产。1953年第二个30吨氧气顶吹转炉工厂在奥地利多纳维兹（Donawitz）建成投产。因而在欧洲称该炼钢方法为LD法。1954年在平炉用氧炼钢的经验基础上，美国和加拿大各建成一座35吨氧气顶吹转炉炼钢厂，在北美称为BOF（basic oxygen furnace）法。之后氧气顶吹转炉炼钢在世界范围内得到迅速推广，成为现代炼钢的主要技术方法。80年代后，氧气顶吹转炉炼钢熔池增加底吹气体搅拌，形成了顶底复合吹炼转炉炼钢技术。

图1 氧气顶吹转炉的发源地——奥地利林茨钢厂

由转炉炉体、转炉倾动机构、加料系统、供氧系统，以及烟气净化与煤气回收系统组成。其中转炉炉体包括炉壳、炉衬、耳轴和托圈。转炉倾动机构有落地式、半悬挂式和全悬挂式。加料系统主要包括铁水、废钢、散状材料及铁合金等材料的供应装置。供氧系统由制氧机、加压机、中压储气箱、输氧管、控制闸阀、测量仪表及氧枪等主要设备组成。烟气净化与煤气回收系统包括烟气的净化和煤气的回收两部分。

氧气顶吹转炉炼钢以热铁水和废钢为原料，热铁水约为金属料量的70%～85%。按照配料要求，先把废钢等装入炉内，然后倒入铁水，并加入适量的造渣材料（如生石灰等）。加料后，氧枪从顶部垂直向下将高压（0.8～1.2兆帕）纯氧（含氧99.5%以上）吹向熔池，使氧直接跟高温的铁水发生氧化反应。铁水中的硅、锰、碳和磷等元素被氧化，并通过造渣脱磷、脱硫（图2）。各元素氧化产生热量，加热熔池。当钢水的成分和温度都达到要求时，停止吹炼，提升喷枪，取样分析和测量温度，合格后即可出钢（图3）。出钢时使炉体倾斜，钢水从出钢口注入钢水包，同时加入脱氧剂进行脱氧和调节成分。炼钢炉的吹氧时间一般为15～20分钟，冶炼周期（从出钢到下次出钢的时间）一般为30～45分钟。采用铁水预处理和提高供氧强度，冶炼周期可缩短至30分钟以内。

图2 氧气顶吹转炉示意图

图3 氧气顶吹转炉进程示例

在吹炼过程中，氧气射流从喷头喷出后高速冲击熔池，产生一定的冲击深度和冲击面积，起到搅拌作用并引起熔池的循环运动。搅拌作用越强烈、越均匀，冶金反应越快。影响冲击深度和冲击面积的主要因素是枪位和氧压。枪位是喷头到熔池液面的距离。氧气射流的速度随射程而逐渐衰减，所以调整枪位可以控制射流对熔池的冲击力和冲击面积。炼钢操作按氧气射流对熔池的作用有软吹和硬吹两种工作状况。在吹炼过程中熔池运动状况对杂质的氧化成渣，金属熔池成分、温度、喷溅和炉龄等都有很大影响。

①软吹操作。枪位较高或氧气压力较低，氧气射流的动能较小，只能在熔池表面冲击出一个浅坑，凹坑附近的金属液向上运动，离凹坑较远处的金属液向下运动（图4），这种工况又称浅吹。软吹对熔池的搅拌能力较弱，金属熔池的氧化速率较慢，脱碳速率较低，因此渣中氧化铁含量较高，有利于化渣。

图4 软吹示意图

②硬吹操作。枪位较低或氧气压力较高，氧气射流的动能较大，将熔池冲击出一个深坑。一部分金属液被冲击形成小液滴，大部分随反射气流飞溅到炉渣中；另一部分金属液滴被卷入氧气射流中被氧化。同时，射流流股冲击金属液面形成气泡。金属液滴和氧气气泡以高速冲入金属熔池，共同参与熔池的循环运动。在熔池中心凹坑处的金属液向下运动，凹坑周围的金属液被反射气流带动和泡沫渣上浮而向上运动，靠近炉衬的金属液又重新向下运动（图5），这种工况又称深吹。硬吹工况中金属液循环运动强烈，脱碳反应速率快，但渣中氧化铁含量低，不利于化渣。

硬吹或软吹只是相对而言，并无严格的划分界限。调节氧气射流对熔池的作用状态，例如调整氧枪喷口和液面的相对位置，是控制氧气顶吹转炉吹炼过程的重要手段。

图5 硬吹示意图

在氧流和金属凹坑表面及其附近，氧化反应激烈，释放出大量热量，使该处温度高达2000～2600℃，称为一次反应区或称火点。整个转炉炉膛内充满由炉渣-金属液滴-气泡组成的乳浊液(通俗称泡沫渣)。从生产中的转炉取样表明，沿炉体高度方向，在靠近炉底处有少量单相金属液体，向上炉渣液滴和气泡数量逐渐增加，越接近炉口，乳浊液中的金属滴越少。

氧气顶吹转炉吹炼过程中，由于一次反应区的温度很高，吹炼初期铁水中的碳就会被氧化。由于氧气顶吹转炉能调整氧枪枪位、改变吹炼工况、有效控制成渣状况和渣中氧化铁含量，从而能调节脱碳操作和脱磷操作的先后顺序，这是氧气顶吹转炉炼钢的优点之一（图6）。

图6 氧气顶吹转炉吹炼过程中的成分变化

炼钢过程的热量来源中，铁水的物理热和化学热约各占50%。化学热主要是硅和碳的氧化，其次是铁的氧化。氧气顶吹转炉的总热效率高于70%。烟气带走相当一部分物理热，烟气中一氧化碳所含有的化学热，在炼钢过程中也未能利用。转炉烟气的回收和利用是节能的重要课题。

氧气顶吹转炉冶炼操作分为单渣法、双渣法和留渣法。单渣法是吹炼过程只造一次渣，中途不扒渣、不放渣，直到终点出钢，适用于吹炼磷、硫、硅含量较低的铁水或对磷、硫含量要求不高的钢种；双渣法是在冶炼过程中倒出或扒出部分前期炉渣（约1/2～2/3），然后重新加造渣料造渣，适用于磷、硫、硅含量高的铁水或冶炼低磷的中、高碳钢，以及需要在炉内加入大量易氧化元素的合金钢的冶炼；留渣法是将上一炉的炉渣留一部分在炉内，以利用其热量和渣中的氧化铁和氧化钙，主要适用于吹炼含磷较高铁水。

氧气顶吹转炉炼钢主要优点有：①吹炼时间短，生产效率高。②产品品种多，质量好。③热效率高，不需要外部热源。④炼钢生产工序成本低。⑤对原材料的适应性强，能吹炼低、中磷铁水，还能吹炼含钒、钛等特殊成分的铁水。⑥有利于开展综合利用和实现自动化。⑦氧气顶吹转炉炼钢属于高频率的快速间歇式操作，有可能和连续铸钢协调配合形成准连续式操作。主要缺点有：①吹损较大，包括氧化损失、烟尘损失、渣中三氧化二铁和氧化铁的损失等，金属收得率较低。金属吹损率一般为10%左右。②顶吹的氧气射流对熔池的搅拌不均匀，熔池内成分温度不均匀，特别在吹炼后期更严重，使供氧强度和生产率的进一步提高受到限制。