转炉单渣留渣法脱磷工艺研究

转炉单渣留渣法脱磷工艺研究
史庭坚
【摘要】为解决单渣留渣法脱磷难度大的问题,天钢进行了单渣留渣法脱磷工艺研究.生产实践表明:在碱度3.5～4.4、炉渣循环次数5～6炉、采取“铁质”成渣路线、冶炼阶段控制氩气流量等工艺条件下,转炉单渣留渣工艺脱磷效率较常规单渣工艺提高3％.
【期刊名称】《天津冶金》
【年(卷),期】2018(000)0z1
【总页数】4页(P18-20,26)
【关键词】单渣留渣法;炉渣循环;“铁质”成渣
【作者】史庭坚
【作者单位】天津钢铁集团有限公司,天津300301
【正文语种】中文
0 引言
天津钢铁集团有限公司（以下简称天钢）炼钢车间拥有3座120t顶底复吹转炉，炼钢冶炼方法多采用单渣法和双渣留渣法。

单渣法具有工艺简单、冶炼周期短的特点，但由于转炉单渣法脱P效果稍差，因此，冶炼Q235、20号等普通钢种通常采用单渣法。

我们在生产过程中对常规单渣工艺冶炼的转炉终渣进行成分分析时，发现终渣中尚有较大的P容量空间，且渣中含有回收利用价值较大的Fe。

为了进
一步挖掘钢铁料的回收空间并降低辅料消耗，天钢进行了单渣留渣工艺研究，通过将单渣法与留渣法结合，使炼钢工艺具有单渣法冶炼周期短优点的同时，又能获得留渣法辅料消耗低、Fe回收率高的优点，最终实现降低钢材成本的目的。

综合得：
式中，K为脱磷反应的化学平衡常数；T为钢水温度。

由公式（5）计算得到的K 值如表1所示。

理论分析和生产实践表明，单渣留渣法在生产过程中需要突破的最大难点是转炉终渣P负荷随着炉渣循环次数的增加会越来越高，难以保持较高的脱P率，因此天钢对单渣留渣脱P工艺进行了理论研究和生产实践。

1 脱P原理研究
1.1 脱P热力学分析
渣-铁界面的氧化脱磷反应主要为公式（1）～（4）[1]。

表1 不同温度下K值T／℃1400 1500 1600 K 7.8×108 3.5×107 2.1×106
由表1可知，随着温度的升高，K值大幅度减少。

又因ΔHθ=384KJ／mol，因此反应（4）是一个强放热反应。

将熔渣中4CaO·P2O5的活度系数和熔渣中αCaO的活度系数都看成一个近似为l 的数值，再通过CaO-SiO2-FeO渣系的FeO活度曲线查出αFeO活度系数，可得到公式（6）：
于是，P的分配比可用下式表示：
由公式（7）可得出脱P受温度、炉渣碱度、（FeO）含量的影响。

其中：（1）温度的影响
由表1可知当温度升高时，K值减小，又由式（7）可知P的分配比与K成正比。

因此，分配比随着温度的升高而降低。

由此可知，当温度降低时，式（7）向右进行。

但当温度过低时容易导致炉渣粘稠，加大倒渣难度。

因此，为使脱P达到最高效率，温度不是越低越好，需要选择一个合适的范围。

（2）炉渣碱度的影响
CaO是使γP205降低的主要因素，提高炉渣碱度，式（7）向右进行，从而使得脱 P 效率提高【2】。

但当炉渣碱度提高到一定程度时会影响炉渣流动性，反而不利，因此炉渣碱度也许在合理范围之内。

（3）（FeO）的影响
渣中（FeO）在脱磷过程中起双重作用：一方面作为氧化剂氧化磷；另一方面与（P2O5）结合成（3FeO·P2O5）。

随着炉渣（FeO）含量的增加，αFeO增大，脱P反应向右进行。

因此，为提高脱P效率，应使含（FeO）渣量大。

综上所述，根据脱P热力学的条件，结合单渣留渣炼钢工艺，炼钢过程中应选择低温、碱度适中、大渣量的模式。

1.2 脱P动力学分析
脱P动力学主要分析反应速度和反应历程，从而为人们进行过程控制理论依据。

钢-渣界面脱P反应速度的限制性环节主要是反应物或生成物的扩散速度，即磷从钢液内部向界面扩散速度或生成物（P2O5）离开界面向渣相扩散速度[1]。

应用双膜理论得到炉渣脱磷反应的速率式：
式中，km为钢的传质系数；ks为炉渣的传质系数。

根据上式，可分析脱P反应的限制性环节：
（1）当时很大时，公式（8）可简化为：
此时，金属液中磷的扩散速度是限制性环节。

为提高脱P效率，应当加强溶池的
搅拌，以增大钢渣接触面积。

（2）当时，式（8）可简化为：
此时，（P2O5）在渣中的传质速度为限制性环节，为提高脱P效率，应加强熔池搅拌，增大渣量、并进行换渣操作来改善（P2O5）扩散的动力学条件。

因此，根据脱P动力学的条件，结合单渣留渣炼钢工艺，炼钢过程中应选择温度
适中、大渣量且炉渣流动性较好的模式。

1.3 炉渣成渣路线研究
转炉炼钢一般用CaO-FeO-SiO2三元相图来研究冶炼过程中的成渣路线，其它次要组分可按性质归入这3个组分中，图1为CaO-FeO-SiO2三元相图的1600℃
截面图。

图1 转炉冶炼过程中炉渣成分的变化
研究表明，“铁质”成渣路线（AB’C）脱 P 效果更好[4]，单渣留渣具有炉渣氧
化性较强，FeO含量高的特点。

因此，单渣留渣操作工艺选择“铁质”成渣路线
更加合理。

“铁质”成渣路线即图1中的AB’C路线。

采用此种成渣路线时，（FeO）含量较高，石灰溶解较快，吹炼初期、中后期就能很好地完成脱磷。

但也因此炉渣氧化性较强，炉渣泡沫化严重，容易产生喷溅，同时炉渣对炉衬侵蚀较为严重。

操作过程中应注意熔池变化，通过适当改变枪位和氧枪流量避免发生喷溅。

2 生产实践
根据脱P热力学和动力学以及成渣路线的研究，明确了炼钢过程中碱度、炉渣循
环次数、枪位及布料控制、氩气流量等技术参数的大致方向。

按照单渣留渣炼钢工艺的主要技术参数设定，进行了小批次的生产试验，目的是更合理地设置技术参数。

在确定了合理的设置参数后，又进一步生产了500炉，并与常规工艺对比脱P效
率。

2.1 碱度
碱度在转炉冶炼过程对脱P效果起到至关重要的作用，设置目标前进行了100炉
单渣留渣工艺试验，碱度对脱P效率的影响见图2。

图2 碱度与脱P效率的关系
从图2可以看出，炉渣碱度适合在3.5～4.4之间。

2.2 炉渣循环次数
单渣留渣工艺留渣次数越多，渣中的P含量越富集，当炉渣循环利用次数超过一
定范围时，脱P较为困难，甚至要增加辅料消耗进行脱P，此时渣量较大，冶炼困难，因此炉渣循环次数在该工艺中也至关重要。

图3为循环次数与炉渣中P2O5
含量的关系图，图4为循环次数与渣量的关系图。

图3 循环次数与P2O5含量的关系图
图4 循环次数与渣量的关系图
从图3、图4中可以看出，当炉渣循环次数在5炉及以上时，渣中（P2O5）含量趋于稳定，因此可得出炉渣最佳循环次数为5～6炉。

2.3 枪位及布料控制
为了达到良好的脱P效果，在实际冶炼过程中通过选择“高-低-高-低”枪位，以
实现“铁质”成渣路线的目的。

同时，布料操作模式选择如下：将加料分 3～4批料加完，头批料加入总量的 1／2，剩下的 1／2再分2～3批加入，避免加料过于集中造成的过程温度突然下降，保证碳氧反应正常进行，防止FeO的过分积累。

并在吹炼9 min之前将辅料加完，若加料太晚，会造成渣料不易完全熔化，产生
冶炼后期低温。

2.4 氩气流量控制
研究表明，钢水吹氩作为一种常用的精炼手段，在不同冶炼时期作用和目的的不同，
对操作的要求也不同[5]。

综合考虑脱P热力学和动力学条件，吹炼前期选用1320NL/min的大氩气流量进行底吹搅拌，以保证渣-液接触良好；吹炼中期，剧烈的CO反应产生大量气泡，钢液得到了充分搅拌，此时选用600NL/min氩气流量即可满足脱P动力学条件；吹炼后期，脱P效果较差，“返P”反应常常伴随发生，因此应调小压气流量，降低搅拌速度。

综合考虑钢水均匀性，后期选用值为200NL/min。

2.5 批量试验结果
对500炉实际生产数据进行统计对比显示，常规工艺和单渣留渣工艺下终点P含量最大值为0.026%，较常规工艺的最大值0.031%降低了0.005%，平均P含量由0.017%降至0.014%，完全可以满足Q235、10、20等普通钢种的要求。

由图5可以看出，单渣留渣法与常规工艺脱P效率从85%提升至88%，提高了3%。

图5 脱P效率对比图
3 结论
（1）单渣留渣法工艺炉渣碱度适合在3.5～4.4之间，炉渣最佳循环次数为5～6炉。

（2）单渣留渣法工艺枪位为“高-低-高-低”，并需严格控制布料。

冶炼过程中，采取阶段吹氩操作，从而有效提高脱P效率。

（3）通过严格控制冶炼工艺参数和操作，单渣留渣法工艺不仅降低了辅料和钢铁料消耗，而且使得脱P效率较常规工艺提高了3%，取得了显著的经济效益。

参考文献
【相关文献】
[1]葛允宗，张本亮，王辉.180t复吹转炉单渣法冶炼低磷钢SPHD工艺实践[J].宽厚板，2014，20（2）：24-26.
[2]万雪峰，李德钢，曹东，等.180t复吹转炉单渣法深脱磷工艺的研究[J].鞍钢技术，2011（12）：13.
[3]郭上型.BaO基熔剂钢液二次精炼脱磷的试验研究[J].炼钢，2002（3）：31-34.
[4]吴伟，刘浏，邹宗树，等.冶炼中磷铁水最佳复吹模式的探讨[J].钢铁研究学报，2005，40（6）：33-35.
[5]李道明.吹氩技术在炉外精炼中的作用[J].山西冶金，2007（4）：55.。