寧知常，苗振魯

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司 煉鋼部，山東 日照276805）

1 前言

目前低磷鋼的需求量呈現(xiàn)上升趨勢，各鋼廠均有意識擴(kuò)大低磷鋼種的開發(fā)與生產(chǎn)。本研究通過對轉(zhuǎn)爐脫磷影響因素的分析，制定出前中期快速脫磷期雙渣操作、強(qiáng)化過程溫度控制、終點(diǎn)前采用高拉補(bǔ)吹、控制終點(diǎn)磷等優(yōu)化措施，既可以提高脫磷效率又能避免鋼水過氧化，減緩對爐襯的侵蝕，實(shí)現(xiàn)冶煉轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)磷的大幅度降低，滿足提高低磷鋼生產(chǎn)量的需求。

2 轉(zhuǎn)爐脫磷工藝分析

2.1 轉(zhuǎn)爐脫磷的影響因素分析

1）鋼液脫磷熱力學(xué)基礎(chǔ)。脫磷的基本反應(yīng)是在鋼—渣界面進(jìn)行的，按爐渣分子理論的觀點(diǎn)，由下列反應(yīng)組成：

因此低溫、高堿度、高氧化性有利于脫磷，增加渣量也可以促進(jìn)脫磷。

2）轉(zhuǎn)爐溫度控制對脫磷效果的影響。P的氧化是強(qiáng)放熱反應(yīng)，因此溫度對脫磷有較大影響。根據(jù)文獻(xiàn)［1］介紹，認(rèn)為溫度在1 350～1 450℃時脫磷效果最好。但在此低溫狀態(tài)下，轉(zhuǎn)爐爐渣流動性差、化渣不良，不符合轉(zhuǎn)爐煉鋼的需求。因此需要選擇合適的溫度制度，平衡好渣態(tài)與熔池溫度，從而達(dá)到提高脫磷效果的目的。

3）轉(zhuǎn)爐造渣制度對脫磷效果的影響。轉(zhuǎn)爐脫磷過程中FeO和CaO是參與脫磷的主要氧化物，但由于P2O5與FeO生成的磷酸鐵只能在1 450℃以下的較低溫度穩(wěn)定存在，而實(shí)際煉鋼溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于此溫度，因此更為穩(wěn)定的磷酸鈣是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐脫磷的關(guān)鍵。但渣系過高的堿度又會造成渣的熔點(diǎn)過高，出現(xiàn)“返干”的問題，進(jìn)而又會降低脫磷的實(shí)際效果，并會影響到轉(zhuǎn)爐冶煉的進(jìn)行。

4）轉(zhuǎn)爐動力學(xué)條件對脫磷效果的影響。P從鋼向渣的轉(zhuǎn)移需要一個足夠的時間和合適的動力學(xué)條件，轉(zhuǎn)爐熔池反應(yīng)空間大，同時在底吹、頂吹以及冶煉過程中生產(chǎn)的氣體的攪拌下，鋼液和渣可以得到充分的混合。

轉(zhuǎn)爐脫磷一個復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，既要考慮熱力學(xué)條件和動力學(xué)條件，同時也需要考慮冶煉過程中的動態(tài)變化過程。因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中需要綜合考慮熔池溫度、渣的狀況、氣體攪拌強(qiáng)度等方面，使之合理匹配才能得到較好的效果。

2.2 P在冶煉過程中的變化趨勢

為了研究鋼液中P含量在轉(zhuǎn)爐吹煉過程中的變化［2］，在吹煉過程中每間隔2.5 min，取渣樣、鋼樣并測溫。試驗進(jìn)行了5爐，記錄其吹煉過程中各階段鋼水成分、溫度數(shù)據(jù)（平均值）和所取渣樣分析結(jié)果（平均值），得到在整個吹煉過程鋼中C、P含量，爐渣堿度和爐渣中（FeO）含量及熔池溫度變化趨勢見圖1～5。由圖1～5可知：

1）鐵水中Si、Mn首先被氧化，在吹煉至5 min左右時，Si、Mn基本氧化完。此時，因Si被大量氧化為SiO2進(jìn)入渣中，爐渣堿度較低，脫磷條件較差。當(dāng)吹煉到5 min時，爐內(nèi)溫度達(dá)到1 403℃，反應(yīng)以脫碳、脫磷為主，而受溫度低影響，脫碳速度較慢，相應(yīng)渣中（FeO）含量增加，達(dá)到17.56%。與此同時，造渣料已經(jīng)全部加入，在高（FeO）的條件下，造渣料逐漸熔化，爐渣堿度逐漸升高，達(dá)到1.57。在低溫、高（FeO）的條件下，脫磷反應(yīng)充分進(jìn)行，此時鋼水P含量降到0.039%，脫磷率達(dá)到30%，脫磷速度達(dá)0.008 0%/min。

2）轉(zhuǎn)爐吹煉從5～12.5 min即吹煉中期，隨著溫度不斷升高，碳氧反應(yīng)越來越劇烈，渣中（FeO）消耗增加，渣中（FeO）含量降低，在9%～12%范圍內(nèi)。但此時造渣料全部熔化，堿度較高；脫碳反應(yīng)劇烈，鋼水?dāng)嚢枘芰?qiáng)；如果合適控制槍位，使渣中保持一定（FeO）含量與流動性，爐內(nèi)脫磷反應(yīng)得以繼續(xù)進(jìn)行。吹煉到12.5 min時鋼中P降到0.019%，脫磷率達(dá)到66%，脫磷速度約在0.002 5%/min。

3）到轉(zhuǎn)爐吹煉后期，隨著鋼中C含量降低，脫碳速度降低，渣中（FeO）含量有所增加，達(dá)到13%，爐渣堿度達(dá)到3.3。在高堿度、高（FeO）含量的條件下，鋼水中的P得到進(jìn)一步去除。到吹煉終點(diǎn)，鋼水P達(dá)到0.008%，脫磷率達(dá)到86%，脫磷速度為0.002 8%/min。

脫磷反應(yīng)在整個吹煉過程持續(xù)進(jìn)行，吹煉前期脫磷速度最快，也是脫磷的最佳時期。吹煉中期與后期，脫磷速度略慢，但是脫磷量卻占到了整個脫磷量的65%，是脫磷的重要時期。吹煉前期脫磷是在低溫、高（FeO）及一定堿度的條件下進(jìn)行的，吹煉中期，脫磷是在高堿度、一定的爐渣（FeO）含量和良好的動力學(xué)條件下進(jìn)行的。吹煉后期，脫磷是在高堿度和高（FeO）含量條件下進(jìn)行的。

另外，在現(xiàn)有鐵水條件和生產(chǎn)工藝條件下，轉(zhuǎn)爐常規(guī)冶煉時脫磷率僅為80%～85%，還不具備生產(chǎn)要求轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)P含量＜0.010%、成品鋼中P含量＜0.015%的鋼種。

圖1 鋼中C含量變化趨勢

圖2 鋼中P含量變化趨勢

圖3 爐渣堿度變化趨勢

圖4 渣中（FeO）含量變化趨勢

圖5 熔池溫度變化趨勢

3 脫磷工藝優(yōu)化

3.1 脫磷工藝優(yōu)化設(shè)計

通過試驗分析可知，脫磷反應(yīng)在整個吹煉過程持續(xù)進(jìn)行，根據(jù)這一現(xiàn)象將整個轉(zhuǎn)爐吹煉過程分為快速脫磷期、倒?fàn)t期和強(qiáng)制脫磷冶煉期3個階段，各階段任務(wù)要點(diǎn)見表1。

表1 低磷鋼轉(zhuǎn)爐冶煉工藝設(shè)計

3.2 脫磷工藝試驗結(jié)果及分析

根據(jù)脫磷工藝設(shè)計進(jìn)行了第一輪6爐次試驗，工藝數(shù)據(jù)及結(jié)果見表2，渣樣分析結(jié)果見表3。

1）終點(diǎn)溫度控制對鋼中P含量的影響較大，隨著終點(diǎn)溫度的升高，P含量出現(xiàn)上升趨勢。6爐試驗，其中4爐的出鋼溫度在1 625℃以下，終點(diǎn)P含量在0.006 5%以下，另外2爐出鋼溫度在1 635℃以上，終點(diǎn)P含量在0.008 0%以上。因此，冶煉終點(diǎn)P含量不超過0.005%的超低磷鋼時，出鋼溫度不宜超過1 625℃。

2）冶煉過程動態(tài)變化對脫磷的影響。6爐中，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)脫磷率在93.5%以上的比例達(dá)到了83%，其中1爐脫磷率較低。終點(diǎn)P含量在0.006 0%以下的有3爐，占總爐次的50%。705872爐次由于底吹攪拌時間較長，爐溫較低造成爐渣黏稠，未能倒出爐渣。705497倒渣前吹煉時間短，鋼中的Si沒有徹底氧化，影響了前中脫磷效果，分析鋼成分，鋼中的P含量還很高，脫磷率只有40%。

3）試驗結(jié)果表明，當(dāng)?shù)乖按禑挄r間不足5 min時，由于Si沒有完全氧化，盡管渣中的FeO含量比較高，脫磷效果仍差；而將吹煉時間控制在6～7 min時，盡管渣中（FeO）含量出現(xiàn)下降，但由于鐵水中的Si幾乎完全氧化，渣中堿度也出現(xiàn)了上升，反而能獲得較好的脫磷效果，同時鋼中P向渣中轉(zhuǎn)移也需要一定的時間。冶煉中前期的脫磷效果，除了吹煉時間外，熔池溫度控制也非常重要，低溫更能獲得良好的脫磷效果。

4）采用單一轉(zhuǎn)爐冶煉低磷鋼，溫度的控制是關(guān)鍵，主要是中前期熔池溫度和終點(diǎn)溫度控制，是實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)溫度和P控制的基礎(chǔ)。在整個溫度的控制過程中，控制熔池的均衡升溫，避免熔池溫度的大起大落是控制的基本要求。雙渣時的吹煉時間控制對脫磷效果至關(guān)重要，吹煉時間短，鐵水中的Si還沒有徹底氧化，抑制了脫磷反應(yīng)的進(jìn)行，此時雙渣起不到很好的脫磷效果；若雙渣時吹煉時間太長，渣中（FeO）急劇下降。前期冶煉時間長，熔池溫度太高，脫磷效果也不會太好，而且還會影響到雙渣后的操作。但從試生產(chǎn)結(jié)果看，轉(zhuǎn)爐后期脫磷率下降，甚至出現(xiàn)“回磷”現(xiàn)象。造成這一現(xiàn)象的原因一方面是熔池溫度上升后（＞1 550℃），P在渣－鋼中的分配平衡被打破，出現(xiàn)P向鋼中轉(zhuǎn)移的趨勢；同時也存在由于渣料加入過多降低了渣的活動進(jìn)而影響了脫磷效果。

表2 脫磷工藝第一次優(yōu)化后6爐次試驗情況

表3 脫磷工藝第一次優(yōu)化后渣樣分析結(jié)果

3.3 脫磷工藝進(jìn)一步優(yōu)化

在總結(jié)第一次雙渣脫磷工藝試驗的基礎(chǔ)上，增加以下措施：冶煉前中期，適當(dāng)?shù)状禂嚢鑿?qiáng)度，增加前期渣量，但確?？焖俪稍唤档颓捌谘鯓尩墓┭趿髁?，延長冶煉時間至5～7 min；熔池溫度控制在1 350℃以下。冶煉后期，加大化渣劑用量，在保障快速成渣的基礎(chǔ)上提高渣系堿度；嚴(yán)格控制終點(diǎn)溫度在1 630℃以下。

1）前中期快速脫磷期采用雙渣操作。根據(jù)鐵水［Si］，第一批料加入適量石灰，以確保前期爐渣堿度控制在2.0～2.5；為加速成渣和控制熔池溫度，隨第一批料加入足量礦石及適量助熔劑。采用高槍位化渣，前期槍位控制在1.8～2.0 m，以提高渣中TFe含量，增加爐渣氧化性，提高前期脫磷效率。根據(jù)鐵水［Si］含量，倒出1/3～1/2的前期渣，然后重新加入渣料造渣。

因為經(jīng)過二次造渣，爐渣中（SiO2）含量較低，所以要采取適當(dāng)措施，如提高槍位和加入適量助熔劑的方法，防止?fàn)t渣返干，影響脫磷。具體操作要求如下：吹煉時間5～7 min；爐渣成分要達(dá)到堿度2.0以上，F(xiàn)eO含量8%以上，渣中P含量1.2%以上；雙渣時的溫度控制1 330～1 400℃，控制目標(biāo)溫度（1 360±10）℃。半鋼成分P含量0.035%以下；放渣量占爐渣總量的30%～50%。

2）吹煉過程控制。雙渣后分批次陸續(xù)補(bǔ)加石灰，確保終渣堿度在4.0以上。由于采用雙渣操作后渣中（SiO2）降低，化渣困難，要采取低氧壓高槍位吹煉操作，并加入適量助熔劑，以確保全程化渣，防止回磷。選擇合適的TSC測量時機(jī)，TSC溫度控制在（1 550±10）℃，TSC［C］控制在0.6%±0.1%。

3）采用高拉補(bǔ)吹。高拉補(bǔ)吹是既可以提高后期脫磷效率又能避免鋼水過氧化的有效措施，可以增加后期爐渣的（FeO）含量，促進(jìn)爐渣熔化。TSC測量完畢，再吹氧300 Nm3左右提槍。倒出部分爐渣，根據(jù)TSC［P］含量，加入適量石灰和礦石，降槍吹煉至終點(diǎn)。

4）后期和終點(diǎn)控制目標(biāo)。爐渣堿度4.0～5.0，F(xiàn)eO 18%～25%；終點(diǎn)C含量≤0.05%；終點(diǎn)P含量≤0.006%，目標(biāo)為0.005%以下；出鋼目標(biāo)溫度1 600～1 620℃，嚴(yán)禁終點(diǎn)溫度超過1 630℃；采用多倒終渣的方法，防止出鋼過程爐口下渣；出鋼前用氮?dú)獯祾郀t身和煙道，清理爐身浮渣和煙道粘渣，防止其在出鋼過程脫落掉入鋼包。

5）采用“雙擋”技術(shù)，嚴(yán)格控制出鋼下渣。出鋼前期使用擋渣塞擋住前期渣，冶煉低磷鋼種時使用軟質(zhì)擋渣塞進(jìn)一步提高前期的擋渣效果；出鋼后期使用擋渣棒擋住后期渣，保證擋渣效果，減少下渣回磷。同時維護(hù)好出鋼口的內(nèi)、外口，使鋼流圓滑，提高擋渣的嚴(yán)密性。

6）優(yōu)化合金配比，減少合金回磷。合金中的P含量對成品P影響也較大，加入合金后都要或多或少地增磷。優(yōu)化合金配加方案，減少高磷合金的加入量，以減少合金回磷。

7）采用弱脫氧或不脫氧工藝，優(yōu)化渣洗技術(shù)，提高出鋼過程的脫磷率。采取不脫氧或弱脫氧工藝，在出鋼過程中采用渣洗技術(shù)，充分利用鋼流沖擊和鋼包底吹攪拌的動力學(xué)條件以及出鋼過程鋼水溫度降低的熱力些條件，從轉(zhuǎn)爐出鋼到CAS精煉處理前還能夠脫除鋼水中部分P。

4 結(jié)語

在前中期快速脫磷期，采用雙渣操作；TSC過程溫度控制在1 550～1 570℃，終點(diǎn)前采用高拉補(bǔ)吹，可以有效地控制終點(diǎn)磷，滿足生產(chǎn)低磷鋼的要求。通過對脫磷工藝進(jìn)行優(yōu)化既可以提高脫磷效率又能避免鋼水過氧化，可以有效地減緩對爐襯的侵蝕，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)P≤60×10-6、成品P≤80×10-6的比例達(dá)90%。