任茂勇

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司煉鋼廠(chǎng)，天津 300301）

轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷影響因素的分析

任茂勇

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司煉鋼廠(chǎng)，天津 300301）

磷在鋼中作為一種有害元素，必須在冶煉過(guò)程中將其去除。脫磷是轉(zhuǎn)爐冶煉最重要的任務(wù)之一。低磷鋼的冶煉對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉工藝提出了更為嚴(yán)格的要求。在理論分析的基礎(chǔ)之上，通過(guò)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中數(shù)據(jù)的匯總，分析了溫度、爐渣堿度、碳含量、爐渣氧化性、留渣操作及雙渣操作等因素對(duì)轉(zhuǎn)爐脫磷效果的影響，為提高天鋼轉(zhuǎn)爐的脫磷效果提供了參考。結(jié)果表明，保持相對(duì)較低的熔池溫度、造高堿度的爐渣、保持一定的爐渣氧化性以及留渣和雙渣操作等，都有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。

轉(zhuǎn)爐 脫磷 堿度 爐渣 氧化性

1 引言

磷是鋼中的有害元素之一，只有在極特殊的鋼中才作為有用的元素加入[1]。磷使鋼具有冷脆性，增加鋼對(duì)脆性斷裂的傾向。另外，磷對(duì)鋼的焊接性能也有不利影響，其夾雜物在鋼中的偏析度較大，而且偏析度很難消除。對(duì)于高級(jí)別鋼需要將磷含量控制在很低水平。由于煉鐵過(guò)程為還原性氣氛，幾乎沒(méi)有脫磷能力，因此脫磷是煉鋼過(guò)程中的重要任務(wù)之一[2]。

隨著石油、天然氣、汽車(chē)、電子等工業(yè)的發(fā)展，用戶(hù)對(duì)鋼材質(zhì)量的要求越來(lái)越高。很多優(yōu)質(zhì)鋼種都要求磷含量低于0.015%，一些特殊用途的鋼種甚至要求磷含量在0.005%以下。深化脫磷已經(jīng)成為很多冶金企業(yè)急需解決的問(wèn)題[3]。高爐冶煉不能控制鐵水的含磷量，礦石中的磷幾乎全部進(jìn)入鐵水中，致使鐵水的含磷量高達(dá)0.1%以上。而從脫磷的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件來(lái)看，轉(zhuǎn)爐煉鋼有著巨大的優(yōu)勢(shì)，因此目前許多廠(chǎng)家的脫磷任務(wù)還主要是在轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中完成的。

本文通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中脫磷反應(yīng)機(jī)理分析和實(shí)際生產(chǎn)中部分爐次的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，分析得出轉(zhuǎn)爐冶煉脫磷的影響因素，為提高產(chǎn)品質(zhì)量提供參考。

2 脫磷的反應(yīng)機(jī)理

在轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中，熔池的成分、溫度以及爐渣的成分變化都有一些基本規(guī)律。通常把冶煉過(guò)程分為3個(gè)階段，即冶煉前期，冶煉中期和冶煉后期。磷對(duì)氧的親和力比較大，通過(guò)氧化進(jìn)入爐渣，使冶煉前期鋼液中的磷快速降低。脫磷反應(yīng)是在渣-鋼界面進(jìn)行的。按照熔渣分子理論，脫磷反應(yīng)由（FeO）與[P]在鋼渣界面發(fā)生氧化反應(yīng)并放出大量的熱，其反應(yīng)式為：

生成物（P2O5）密度小，幾乎不溶于鋼液，但溶于爐渣，一旦生成即轉(zhuǎn)入渣相，即：

但是，（P2O5）和（3FeO·P2O5）都是不穩(wěn)定的氧化物，隨著反應(yīng)的進(jìn)行容易使磷返回到鋼液中。因此，在煉鋼溫度下以（FeO）為主的爐渣脫磷能力很低[4]。

為了最大限度地去磷，使已被氧化的磷不大量返回鋼液，就需要向爐渣中加入強(qiáng)堿性氧化物CaO，使（P2O5）和CaO生成穩(wěn)定的磷酸鈣，從而提高爐渣氧化脫磷的能力。其反應(yīng)式為：

因此，脫磷的整個(gè)反應(yīng)如下：

通過(guò)上述反應(yīng)式，可得出脫磷反應(yīng)的平衡常數(shù)：

通過(guò)上式可以得到：

啟普曼認(rèn)為脫磷反應(yīng)的平衡常數(shù)和溫度之間的關(guān)系式為：

根據(jù)上式，從熱力學(xué)的角度來(lái)看，脫磷的基本條件是：渣中有較高的（FeO）含量，較高的堿度，合適的渣量和合適的溫度條件。

熔渣結(jié)構(gòu)的分子理論認(rèn)為，磷在渣鋼間的分配系數(shù)和渣中的（FeO）和（CaO）的活度有直接的關(guān)系，渣中（FeO）的作用在于將鋼液中的磷氧化成為（P2O5），是脫磷的必要條件。而渣中（CaO）的作用則是和（P2O5）結(jié)合生成穩(wěn)定的磷酸鹽，將脫磷產(chǎn)物穩(wěn)定在爐渣中，是保證脫磷效果的重要條件。

3 轉(zhuǎn)爐脫磷效果影響因素的分析

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中冶煉數(shù)據(jù)，對(duì)爐渣堿度、爐渣氧化性、熔池溫度、碳含量、留渣及雙渣操作等影響轉(zhuǎn)爐脫磷的因素進(jìn)行了分析。

3.1 爐渣堿度對(duì)脫磷效果的影響

堿度的定義為爐渣中的（CaO）含量與（SiO2）的比值。轉(zhuǎn)爐在冶煉過(guò)程中通過(guò)加入白灰來(lái)造堿度合適的爐渣，使?fàn)t渣中的（CaO）與鋼液中的[P]反應(yīng)生成（4CaO·P2O5），以達(dá)到去磷的目的。磷在熔渣和液態(tài)金屬間的分配比是評(píng)價(jià)熔渣脫磷能力的一個(gè)重要參數(shù)，它是熔渣中磷的質(zhì)量百分濃度與鋼液中磷的質(zhì)量百分濃度的比值。通過(guò)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中261爐終渣渣樣數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，得出爐渣堿度與磷分配系數(shù)的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 爐渣堿度對(duì)磷分配系數(shù)的影響

通過(guò)圖1可以看出，磷的分配系數(shù)先是隨著堿度的提高而增大到一定的數(shù)值，隨后又降低。初期隨著（CaO）的濃度的增大，熔渣的堿度提高，使脫磷反應(yīng)向著有利脫磷的方向進(jìn)行，并生成穩(wěn)定的脫磷產(chǎn)物。如果繼續(xù)提高堿度，當(dāng)熔渣中（CaO）達(dá)到一定含量時(shí)，未溶的（CaO）含量增加，熔渣的流動(dòng)性變差，使得爐渣的脫磷效果降低。由于脫磷反應(yīng)在渣-鋼界面進(jìn)行，從而造成磷分配系數(shù)的降低。從圖1中可以看出，堿度在2.5～3.5的范圍內(nèi)，脫磷效果最佳。

3.2 爐渣氧化性對(duì)脫磷效果的影響

在轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中，各反應(yīng)是通過(guò)氧槍向熔池高效供氧實(shí)現(xiàn)的。而向熔池供氧是通過(guò)熔渣傳遞的，熔渣中（FeO）的含量，反應(yīng)了熔渣的氧化性強(qiáng)弱。通過(guò)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中爐渣組成數(shù)據(jù)的匯總分析，得出爐渣氧化性與磷分配系數(shù)的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 終渣（FeO）含量對(duì)磷分配系數(shù)的影響

通過(guò)圖2可以看出，磷的分配系數(shù)隨著爐渣中（FeO）含量的升高而增大。從脫磷反應(yīng)式可以看出，（FeO）含量的升高，爐渣的氧勢(shì)增加，促進(jìn)鋼中磷的氧化，有利于反應(yīng)向脫磷方向進(jìn)行。另外，增加渣中的（FeO）含量可以加速石灰渣化，從而改善熔渣的流動(dòng)性。由于脫磷反應(yīng)在渣-鋼界面進(jìn)行，流動(dòng)性良好的熔渣有利于熔渣和鋼液的接觸，因此較高的（FeO）含量有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。這也是在冶煉過(guò)程中，出現(xiàn)“返干”現(xiàn)象后，終點(diǎn)磷含量較高的原因。在冶煉過(guò)程中，可以通過(guò)加入固體氧化劑（鐵礦石或鐵皮）或使用高槍位向熔池供氧以增大（FeO）的活度。

3.3 溫度對(duì)脫磷效果的影響

在冶煉過(guò)程中，隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，大量的物理熱和化學(xué)熱使熔池溫度在較短的時(shí)間內(nèi)升至適合出鋼的溫度。圖3反映了溫度對(duì)磷分配系數(shù)的影響。

圖3 溫度對(duì)磷分配系數(shù)的影響

從圖3可以看出，磷的分配系數(shù)隨著溫度的升高而減小。脫磷反應(yīng)為放熱反應(yīng)，因此相對(duì)較低的溫度條件下，更有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。冶煉中后期隨著熔池溫度的升高，抑制了脫磷反應(yīng)的進(jìn)行，在更高的溫度下容易產(chǎn)生回磷現(xiàn)象，這是由于熔渣中的脫磷產(chǎn)物不穩(wěn)定，較高的溫度為脫磷產(chǎn)物的還原創(chuàng)造了條件，極易使脫磷產(chǎn)物分解而回到鋼液中。因此在冶煉前期，不應(yīng)使熔池升溫太快，保持較低的前期溫度更符合脫磷的熱力學(xué)條件，有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。

3.4 碳含量對(duì)脫磷效果的影響

為達(dá)到最佳的冶煉效果，根據(jù)鋼種的不同，需要控制不同的終點(diǎn)碳含量。高拉碳可以有效降低熔渣中的（FeO）含量，減少鋼水中的氧化夾雜。因此高拉碳對(duì)于鋼液的潔凈度有著重要影響。然而，較高的終點(diǎn)碳含量在降低氧化性的同時(shí)，對(duì)脫磷效果產(chǎn)生一定的影響。圖4反映了終點(diǎn)碳含量對(duì)脫磷效果的影響。

圖4 碳含量對(duì)磷分配系數(shù)的影響

通過(guò)圖4可以看出，隨著鋼液碳含量的升高，磷的分配系數(shù)呈減小的趨勢(shì)。在一定溫度下，熔池的碳氧濃度的乘積為一定值，碳含量越高，與之相平衡的氧含量越低，相應(yīng)的熔渣中的（FeO）含量越低。而熔渣氧化性的高低，直接影響著脫磷效果。因此，在冶煉低碳鋼時(shí)相對(duì)容易得到低磷含量的終點(diǎn)鋼水。

3.5 留渣及雙渣操作對(duì)脫磷效果的影響

留渣操作主要是利用余渣中較高的（FeO）含量和堿度滿(mǎn)足脫磷的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件。留渣操作可以促進(jìn)冶煉前期的化渣，使熔渣中保持較高的（FeO）含量，提高前期渣中（FeO）和（CaO）的活度，加速脫磷反應(yīng)的進(jìn)行，進(jìn)而達(dá)到早期脫磷的目的。

雙渣操作是在脫硅完成之后，將部分爐渣倒出，重新向熔池加入造渣料以強(qiáng)化脫磷的冶煉模式。即將初期渣中的（SiO2）以及冶煉前期形成的脫磷產(chǎn)物等倒出，在重新造渣的過(guò)程中快速形成高堿度的熔渣，相當(dāng)于增大了過(guò)程渣量，降低了爐渣中脫磷產(chǎn)物的活度，從而達(dá)到高效脫磷的目的。除上述因素外，操作過(guò)程中的布料、槍位、底吹流量等對(duì)脫磷效果也有一定的影響。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)爐脫磷的理論分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐總結(jié)，認(rèn)為：磷的分配系數(shù)隨堿度的提高而增大，但堿度超過(guò)一定值后，脫磷效率下降。堿度在2.5～3.5范圍內(nèi)，脫磷效果最佳。磷的分配系數(shù)隨熔渣中（FeO）含量的提高而增大。在冶煉過(guò)程中，磷的分配系數(shù)隨著熔池溫度的升高而降低。終點(diǎn)碳含量間接影響著磷的分配系數(shù)，拉碳偏低爐次以及低碳鋼的脫磷效果相對(duì)較好。留渣操作及雙渣操作可以起到強(qiáng)化脫磷的效果。

綜上所述，高堿度、高的（FeO）含量、低溫、大渣量為轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中的強(qiáng)化脫磷提供了良好的條件。

[1]楊文遠(yuǎn)，鄭叢杰.大型轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷的研究[J].煉鋼，2002（1）：30.

[2]杜書(shū)波，陶傳俊.轉(zhuǎn)爐脫磷效果影響因素分析[J].山東冶金，2003（3）：121.

[3]李濤，齊振亞.轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷工藝研究[J].首鋼科技，2001（4）：10-13.

[4]張叔和.復(fù)吹轉(zhuǎn)爐脫磷工藝之反應(yīng)工程學(xué)探討[J].煉鋼，1985（2）：7.

Analysis on Influencing Factor at Converter Dephosphorization

REN Mao-yong
Steel-making Plant,Tianjin Iron and Steel Group Company Limited,Tianjin 300301,China

As a detrimental element in steel,phosphor must be removed during smelting and dephosphorization is one of the most important tasks in converter smelting.Low phosphorous steel smelting proposes stricter requirement onconverter smelting process.On basis of theoretical analysis,the author summarizes production data,analyzes the influence of factors of temperature,slag basicity,carbon content,slag oxidizability, hot heel operation and double slag operation on converter dephosphorization effect and provides a reference for improving dephosphorization effect at TISCO converter.Actual results indicate that dephosphorization reaction is favored by maintaining low bath temperature,building high basic slag,keeping slag with certain oxidizability and adopting hot heel and double slag operation.

converter;dephosphorization;basicity;slag;oxidizability

任茂勇（1971—），湖南岳陽(yáng)人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事轉(zhuǎn)爐及電爐煉鋼的生產(chǎn)、技術(shù)及管理工作。

（收稿 2012-05-15 編輯 崔建華）