摘要：文章在脫磷反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，從磷在煉鋼過程總的氧化還原原理出發(fā)，進行了轉(zhuǎn)爐脫磷的影響因素分析，同時還概述了目前國內(nèi)外轉(zhuǎn)爐脫磷工藝的發(fā)展情況和操作方式。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐脫磷；影響因素；轉(zhuǎn)爐脫磷工藝

中圖分類號：TF704 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）01-0071-04

1 概述

磷、硫是鋼鐵冶煉中常見的雜質(zhì)元素，其中磷元素是煉鋼過程中必須考慮并加以控制的元素。在絕大多數(shù)鋼種中磷是有害元素，為提高鋼的純凈度，必須盡量降低鋼液中的磷含量。通常認為，磷在鋼中以[Fe2P]或[Fe3P]的形式存在，為方便起見，本文均用[P]表示。

由于煉鐵過程為還原性氣氛，煉鐵原料中的磷幾乎全部進入鐵水中，而轉(zhuǎn)爐以其自身的氧化性和爐渣特點為脫磷創(chuàng)造了良好的環(huán)境，有著較好的脫磷效果，能達到85%，鋼中的磷主要是在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中被去除的，因此轉(zhuǎn)爐終點磷控制直接影響產(chǎn)品磷含量。由于脫磷反應(yīng)是在鋼-渣界面進行的，因此控制和調(diào)整好轉(zhuǎn)爐內(nèi)爐渣的成分和性質(zhì)是轉(zhuǎn)爐脫磷的重要條件，其中爐渣堿度、爐渣氧化性和煉鋼熔池溫度是影響脫磷的主要因素。本文將重點分析轉(zhuǎn)爐脫磷的影響因素和國內(nèi)外轉(zhuǎn)爐脫磷工藝的發(fā)展情況。

2 轉(zhuǎn)爐脫磷的熱力學(xué)理論分析

轉(zhuǎn)爐脫磷反應(yīng)是在金屬液與熔渣界面上進行的，針對脫磷的熱力學(xué)平衡，國內(nèi)外學(xué)者均做了研究，其主要的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

鋼液/熔渣界面反應(yīng)：

（1）

熔渣中的反應(yīng)：

（2）

式（1）+式（2）得：

（3）

從反應(yīng)式可以看出，反應(yīng)在相界面上進行，在高氧化鐵的條件下，磷可以得到有效的去除。在煉鋼的熔渣制度下，（P2O5）并不穩(wěn)定，必須和堿性氧化物結(jié)合才能被脫除，而FeO和CaO是生成穩(wěn)定磷酸鹽的最主要的氧化物。吹煉前期，生成的（P2O5）主要與（FeO）生成較穩(wěn)定的（3FeO·P2O5）（）。但碳氧反應(yīng)的進行，吹煉溫度不斷上升，在1400℃～1620℃時，（3FeO·P2O5）逐漸分解，使磷又回到鋼液當(dāng)中。為了有效地徹底脫磷，必須用石灰造高堿度鋼渣，使磷在高堿度下生成更穩(wěn)定的磷酸鹽渣3CaO·（P2O5）或4CaO·（P2O5），其中4CaO·（P2O5） （）更穩(wěn)定，3CaO·（P2O5）次之，但通常達到平衡時的反應(yīng)產(chǎn)物是4CaO·（P2O5）。其反應(yīng)式如下：

（4）

式（3）+式（4）得：

（放熱） （5）

煉鋼過程中的脫磷示意圖見圖1：

圖1 脫磷反應(yīng)過程示意圖

在煉鋼條件下，脫磷效果可用熔渣與金屬中磷濃度的比值來表示，稱之為磷的分配系數(shù)LP，其表示方法有3種，分別是：LP=（%P2O5）/[%P]或LP=（%P2O5）/[%P]2或LP=（%4CaO·P2O5）/[%P]2，這三種表達方式均可以表示爐渣脫磷能力的大小，LP越大，代表脫磷越完全，此外鋼渣量的多少也影響著LP。本文以LP=（%P2O5）/[%P]2表示爐渣的脫磷能力。

由式（5）可得：

（6）

從式（6）可知，平衡常數(shù)KP與溫度成反比，并得出

式（7）：

（7）

因此，LP=（%P2O5）/[%P]2=KP，欲

提高轉(zhuǎn)爐的脫磷能力，必須增大KP、aFeO、aCaO、fp和降低等熱力學(xué)條件。

良好的熱力學(xué)條件是能夠進行脫磷的前提，但是為了保證脫磷快速有效的進行，也需要創(chuàng)造有利的脫磷動力學(xué)條件，而轉(zhuǎn)爐脫磷過程中的熱力學(xué)條件和動力學(xué)條件是一個互相制約的過程，動力學(xué)條件好（渣的流動性好，堿度高）則熱力學(xué)條件差（溫度比較高），反之亦然。在轉(zhuǎn)爐脫磷處理初期，鋼液中磷含量高、溫度低，熱力學(xué)條件較好，但渣的流動性差、爐渣堿度較低，需要通過加快化渣速度提高爐渣氧化性和堿度等措施來改善鋼液動力學(xué)條件加快脫磷；在轉(zhuǎn)爐脫磷處理后期，鋼水磷含量低，渣的動力學(xué)條件較好，但鋼液溫度較高，不利于脫磷反應(yīng)往正方向進行，此時可以通過提高爐渣的堿度來改善熱力學(xué)

條件。

3 轉(zhuǎn)爐吹煉過程中脫磷全過程分析

吹煉前期：在轉(zhuǎn)爐吹煉前期較低的溫度下，當(dāng)吹氧和加入氧化劑脫磷時，鋼水中氧和硅的親和力比碳、磷大，硅比碳、磷優(yōu)先氧化，此時熔池溫度低，渣中（FeO）含量高，石灰還未大量熔化，同時[Si]大量氧化為（SiO2）進入渣中并與CaO結(jié)合成牢固的穩(wěn)定化合物2CaO·SiO2，降低了熔渣堿度，平均堿度為2.0左右。因此，初渣基本上是高氧化性、低堿度、低流動性的渣，爐渣脫磷能力相對較低，磷氧化形成的P2O5與（FeO）生成較穩(wěn)定的（3FeO·P2O5）。

吹煉中期：隨著鋼液中硅氧、錳氧放熱氧化反應(yīng)的進行，轉(zhuǎn)爐熔池溫度逐步升高，石灰不斷溶解，爐渣中CaO含量不斷上升，形成高堿度爐渣。鐵水中的碳開始大量氧化，熔池攪動比前期強烈，促進脫磷反應(yīng)的進行，但碳氧化反應(yīng)消耗較多的（FeO），由于（FeO）具有化渣作用，此時如果熔渣的氧化劑（FeO）因鋼液脫碳被消耗，致使含量降低，進而降低石灰熔化速度，甚至出現(xiàn)未被熔化的固體石灰，最終形成堿度低的爐渣。此時，爐渣容易返干，在碳大量氧化溫度升高時易產(chǎn)生回磷，脫磷效率下降。

吹煉末期：隨著鋼液脫碳反應(yīng)的持續(xù)進行，鋼中含碳量大大降低，脫碳反應(yīng)下降，熔渣中FeO含量再次回升，同時鋼水溫度也較高，有利于化渣，爐渣堿度繼續(xù)增加，達到3.0左右，同時爐渣渣量較大，流動性也較好，鋼水中的[P]得到進一步的去除。

脫磷反應(yīng)在整個吹煉過程持續(xù)進行。（1）吹煉前期脫磷是在低溫、高（FeO）及較低的堿度和流動性的條件下進行的，脫磷速度較低，因此吹煉前期需要盡快早化渣，創(chuàng)造有利的動力學(xué)條件盡可能多地降低磷含量。（2）吹煉中期，脫磷是在有一定（FeO）含量、爐渣堿度較高、流動性較好的條件下進行，脫磷效率較高，是脫磷的最佳時期。但為避免氧化劑（FeO）濃度太低，爐渣返干，應(yīng)靈活調(diào)節(jié)槍位氧壓或加入礦石適當(dāng)調(diào)整渣中（FeO）含量，減緩C-O反應(yīng)速度。（3）吹煉末期，脫磷是在高溫、比較高的（FeO）含量、高堿度的條件下進行的，脫磷效率較低。endprint

總之，吹煉中后期脫磷量占到整個脫磷量的65%，是脫磷的重要時期。

4 轉(zhuǎn)爐脫磷的影響因素理論分析

4.1 溫度的影響

溫度對脫磷反應(yīng)的影響應(yīng)從兩個方面來考慮：

4.1.1 熔池溫度低對脫磷效果的影響。從脫磷反應(yīng)的速率方程可以看出，平衡常數(shù)KP與溫度成反比。熔池溫度低，有利于脫磷反應(yīng)正常進行。因此從熱力學(xué)的角度，低溫脫磷比較有利，但是溫度太低，石灰易在表面形成冷凝外殼，并未熔化，化渣和流動性情況差，堿度太低，又影響脫磷。

4.1.2 熔池溫度高對脫磷效果的影響。一方面，熔池溫度升高，會使磷的分配比降低，加劇脫碳反應(yīng)的進行，渣中（FeO）隨即顯著降低，并且在石灰塊的表面會形成高熔點的硅酸二鈣殼，阻礙石灰的進一步熔化，容易造成爐渣的“返干”現(xiàn)象。同時溫度過高會使轉(zhuǎn)爐熔池反應(yīng)劇烈，易發(fā)生噴濺，使倒渣困難，不利于脫磷。另一方面，熔池溫度升高，石灰溶解加速，降低了爐渣的粘度，熔渣的堿度和流動性得到提高，從而使LP增大，有利于磷從金屬向爐渣的轉(zhuǎn)移。

生產(chǎn)實踐表明，在1300℃～1350℃的溫度范圍內(nèi)，脫磷效果最佳。因此，需要根據(jù)鋼水溫度的不同，來采取合理的操作制度。當(dāng)鋼水溫度低于1250℃時，可以采用低槍位吹氧，來快速提高熔池溫度，促進石灰的快速熔解，及早化渣，充分利用爐渣FeO含量高、爐溫低的有利條件，快速脫磷。當(dāng)鋼水溫度高于1350℃時，可以適當(dāng)采用高槍位操作，控制爐溫的升溫速率，延長在1550℃以下的冶煉運行時間。

實踐證明，雖然冶煉終點溫度較高，會降低LP，但終渣的控制是轉(zhuǎn)爐脫磷的關(guān)鍵，溫度對脫磷效果的影響不如FeO和爐渣堿度影響的顯著。

4.2 堿度的影響

P2O5屬于酸性氧化物，鋼渣中的堿性氧化物CaO、MgO、MnO、FeO能夠降低它的活度，其中CaO的脫磷能力最強，且生成的磷酸鈣在煉鋼溫度下比較穩(wěn)定，MgO次之，而MnO和FeO則最弱。因此，CaO是使P2O5活度降低的主要因素，不與酸性氧化物結(jié)合的自由CaO濃度的增加，有利于（P2O5）生成穩(wěn)定的4CaO·（P2O5），使鋼中[P]含量降低，提高了LP。脫磷效率隨著堿度的提高而顯著升高，但當(dāng)堿度達到3.5左右，堿度的提高對脫磷效率影響不大，此時脫磷效果達到飽和。

如果CaO的量加入過大，導(dǎo)致CaO顆粒不能完全熔化，爐渣固相增多，增大了爐渣的粘度，使爐渣的流動性減弱，脫磷反應(yīng)動力學(xué)條件變差，最終使脫磷效率降低。在實際操作中會經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，雖然石灰加入量很多，終點[P]含量仍然較高，因此終點爐渣堿度可控制在3.0～3.5左右。

4.3 （FeO）含量的影響

渣中FeO含量也是影響脫磷效率高低的主要因素。FeO既可以作為氧化劑起到氧化磷的作用，又可以將P2O5結(jié)合成較穩(wěn)定的3FeO·P2O5化合物起到脫磷的作用。但由于3FeO·P2O5的穩(wěn)定性較差，隨著煉鋼熔池溫度的上升，3FeO·P2O5難以穩(wěn)定存在，而只有生成穩(wěn)定的4CaO·P2O5才能徹底去磷。在冶煉過程中，隨著（FeO）含量的升高，磷在爐渣和鋼水中的分配比隨爐渣氧化性的增強而增大，同時（FeO）的升高會促進（CaO）在渣中的溶解，有利于

脫磷。

當(dāng)FeO很低時，石灰不能很好熔化，因此既不能氧化脫磷，也不能生成穩(wěn)定的磷酸鹽化合物。特別是中期隨著脫碳反應(yīng)的劇烈進行，ω（FeO）降低，爐渣極易“返干”，鋼水易回磷，若ω（FeO）較低影響石灰熔化，導(dǎo)致有效CaO降低，可以通過加入適量的螢石或礦石促進石灰熔化，以提高自由CaO濃度。但FeO含量太高，將使爐渣堿度降低，同時鐵的損失率也增高。因此吹煉前期，ω（FeO）含量一般控制在8%～10%，終渣ω（FeO）含量應(yīng)為20%左右。

FeO和堿度往往對脫磷效果起著綜合影響。實踐表明，爐渣堿度在2.8～3.5、ω（FeO）在18%～20%時，脫磷效率可以達到85%以上，最高可達90%。

4.4 渣量的影響

渣量并不影響脫磷的分配比LP，但在一定的LP下，渣量的增加導(dǎo)致（P2O5）的濃度降低，（4CaO·P2O5）含量也隨之降低，對脫磷有利。但渣量太大會影響鋼水溫度，影響化渣效果，惡化脫磷動力學(xué)條件，同時會導(dǎo)致冶煉成本增加。渣量太少造成磷容量不足，從而影響脫磷率。因此從經(jīng)濟的角度上來將，噸鋼渣量控制在90kg/t為宜。另外，在實際操作中要控制適當(dāng)大的渣量，分批造渣要比一次性大渣量的脫磷效果更好。

吹煉各期脫磷速度的變化規(guī)律及其與主要影響因素之間的關(guān)系見表1。

5 國內(nèi)外轉(zhuǎn)爐脫磷工藝應(yīng)用情況及主要工藝簡介

5.1 國內(nèi)外轉(zhuǎn)爐脫磷工藝應(yīng)用情況

為了滿足用戶對低磷鋼和超低磷鋼中磷含量嚴格控制的要求，并解決低磷、超低磷鋼的生產(chǎn)難題，早于20世紀70年代末期至80年代初期，日本各大鋼鐵企業(yè)相繼開發(fā)了混鐵車鐵水三脫（脫硅、脫硫、脫磷）爐外預(yù)處理技術(shù)，并均實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。該技術(shù)主要有日本住友堿精煉SARP（Soda Ash Refining Process）法、新日鐵ORP（Optimizing Refining Process）法、NRP（New Refining Process）法。由于鐵水罐或混鐵車脫磷存在一些難以解決的實踐問題，到了20世紀90年代中后期，日本一些鋼鐵公司和科研機構(gòu)結(jié)合具體的生產(chǎn)條件，對轉(zhuǎn)爐內(nèi)鐵水脫磷進行了研究，又相繼開發(fā)了轉(zhuǎn)爐脫磷工藝，如住友的專用復(fù)吹轉(zhuǎn)爐SRP工藝、神戶的頂吹“H爐”（頂吹）、JFE的LD-ORP工藝、川崎的底吹轉(zhuǎn)爐Q-BOP等。此外，德國蒂森公司、法國索拉克鋼廠和韓國浦項光陽廠等也在轉(zhuǎn)爐脫磷新工藝方面做了大量研究，并在實踐中加以應(yīng)用，取得了良好的脫磷效果。

我國也在轉(zhuǎn)爐脫磷工藝研究方面做出了大量的研究。2002年，寶鋼一煉鋼2號300t轉(zhuǎn)爐自主開發(fā)了轉(zhuǎn)爐脫磷工藝BRP（Baosteel BOF Refining Process），該工藝采用少渣冶煉技術(shù)，成功冶煉出成分合格的超低磷鋼，脫磷爐的終點磷平均含量可以控制在0.015%以下，最低可達0.003%。萊鋼和首鋼京唐公司也都應(yīng)用了轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法煉鋼工藝，并取得了較好的實際效果。此外，太鋼、鞍鋼等企業(yè)也對轉(zhuǎn)爐脫磷新工藝進行了探索和工業(yè)化應(yīng)用。endprint

5.2 轉(zhuǎn)爐脫磷主要工藝簡介

轉(zhuǎn)爐由于具有容積大、反應(yīng)速度快、效率高等優(yōu)點，往往成為生產(chǎn)超低磷鋼的主要設(shè)備。目前使用轉(zhuǎn)爐脫磷已是鋼鐵界脫磷的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)在常見的轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷技術(shù)有三種：單渣法、雙渣法和轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法，其中轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法是目前生產(chǎn)超低磷鋼的最先進轉(zhuǎn)爐煉鋼法。另外也可通過改變轉(zhuǎn)爐氧槍槍位、氧槍噴頭數(shù)量、氧氣流量控制、渣料控制、轉(zhuǎn)爐吹煉方式（頂吹氧、底吹氧、頂?shù)讖?fù)吹氧和頂吹氧、底吹惰性氣體等）的控制等優(yōu)化操作工藝，來進行有效的脫磷，這些技術(shù)紛紛在生產(chǎn)應(yīng)用，并取得了良好的效果。下面簡要介紹上述三種工藝：

單渣法（一次造渣法）：轉(zhuǎn)爐吹氧至拉碳前、倒爐、放渣、點吹、出鋼的整個過程。采用單渣法，冶煉前期盡可能早成渣，成好渣，保持較高的熔渣堿度，充分利用前期脫磷的有利條件脫磷。當(dāng)鋼水中[P]含量低于0.050%或者[Si]含量在0.4%～0.6%以下時，轉(zhuǎn)爐脫磷可以采用單

渣法。

雙渣法（在一座轉(zhuǎn)爐內(nèi)兩次造渣法）：在吹煉初期采用渣料分多次小批量加入，在吹氧6～12min之間倒掉前期渣（一次倒爐），此后再加入造渣劑重新造新渣，吹氧拉碳、倒爐、放渣（二次倒爐），點吹出鋼。進行雙渣脫磷是轉(zhuǎn)爐少渣操作的有效途徑之一，單對脫磷而言，無論是從脫磷能力極限還是從脫磷效率比較，雙渣脫磷比單渣脫磷有一定的優(yōu)勢。當(dāng)鋼水中[Si]高于0.6%或者[P]含量>0.05%時，在冶煉時往往采用雙渣法來提高轉(zhuǎn)爐的脫磷率。其中新日鐵開發(fā)的在同一轉(zhuǎn)爐上進行鋼水脫碳和脫磷吹煉工藝—MURC（多功能轉(zhuǎn)爐脫磷）工藝，就類似傳統(tǒng)煉鋼的“雙渣法”，終點磷的質(zhì)量分數(shù)可控制在0.012%以下。

轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法：即是使用2個轉(zhuǎn)爐分別進行脫碳和脫磷操作。脫磷轉(zhuǎn)爐用合適的爐渣進行脫磷，并將產(chǎn)生的脫磷渣排掉，脫碳爐將脫磷爐的低磷鋼水脫碳，可進行少渣或者是無渣脫磷，冶煉過程中產(chǎn)生的爐渣可送至脫磷爐作為脫磷劑，降低了石灰的使用量，保證了脫碳和脫磷的高效去除。典型的雙聯(lián)法工藝流程為：高爐鐵水→鐵水預(yù)脫硫→轉(zhuǎn)爐脫磷→轉(zhuǎn)爐脫碳→二次精煉→連鑄。轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法的反應(yīng)動力學(xué)條件均比單渣法和雙渣法優(yōu)越，可將鋼水中的[P]含量降至0.010%。類似的工藝有：新日鐵的LD-ORP工藝、住友金屬的SRP工藝、神戶的頂吹“H爐”（頂吹）、JFE的LD-NRP法以及寶鋼的BRP工藝等。

生產(chǎn)實踐證明，轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法是生產(chǎn)超低磷鋼的最先進轉(zhuǎn)爐煉鋼法，采用轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法脫磷新工藝，大大降低了低磷鋼和超低磷鋼的生產(chǎn)成本和技術(shù)難度。

6 結(jié)語

（1）欲提高轉(zhuǎn)爐的脫磷能力，必須增大KP、aFeO、aCaO、和降低等熱力學(xué)條件。與此同時，還得創(chuàng)造良好的爐渣動力學(xué)條件。

（2）吹煉前期盡快早化渣，利用前期有利條件盡可能多地脫磷。吹煉中期脫磷效率較高，是脫磷的最佳時期，但要防止爐渣返干。吹煉后期，脫磷在高堿度、高（FeO）、高溫的條件下繼續(xù)進行，但脫磷效率較低?？傊禑捴泻笃诿摿琢空嫉秸麄€脫磷量的65%，是脫磷的重要時期。

（3）控制和調(diào)整好轉(zhuǎn)爐內(nèi)爐渣的成分和性質(zhì)是轉(zhuǎn)爐脫磷的重要條件，其中爐渣堿度、爐渣氧化性和煉鋼熔池溫度以及渣量是影響脫磷的主要因素，直接決定脫磷的

效果。

（4）目前使用轉(zhuǎn)爐脫磷已是鋼鐵界脫磷的發(fā)展趨勢。常見的轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷技術(shù)有三種：單渣法、雙渣法和轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法。實踐證明，采用轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法脫磷新工藝，大大降低了低磷鋼和超低磷鋼的生產(chǎn)成本和技術(shù)難度。

總之，轉(zhuǎn)爐脫磷工藝在各國冶金工作者的共同努力下不斷地發(fā)展進步，目前我國正處于鋼鐵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)設(shè)備更新?lián)Q代的重要時期，緊緊跟隨世界主流先進脫磷工藝，結(jié)合我國鋼企的具體國情進行引進消化吸收，并實現(xiàn)自主創(chuàng)新，實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐脫磷技術(shù)提升和改進，努力提高鋼材的純凈度水平和附加值，才能使我國的鋼材質(zhì)量更具有世界競爭力。

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作者簡介：余立志（1985—），男，湖北黃岡人，北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院研究生，碩士，研究方向：冶金工程。endprint

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[22] 卓偉偉.復(fù)吹轉(zhuǎn)爐脫磷及影響因素分析[D].武漢科

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作者簡介：余立志（1985—），男，湖北黃岡人，北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院研究生，碩士，研究方向：冶金工程。endprint

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作者簡介：余立志（1985—），男，湖北黃岡人，北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院研究生，碩士，研究方向：冶金工程。endprint