转炉炼钢脱磷工艺的探讨

转炉炼钢脱磷工艺的探讨

【摘要】本文从脱磷的热力学分析入手，对冶炼过程中温度、炉渣碱度、渣中（FeO），等对磷含量的影响进行了探讨。同时探讨了回磷的原因、影响的因素和防止的措施。

【关键词】转炉炼钢；脱磷工艺；探讨

磷在钢中是以【Fe3P】或【Fe2P】形式存在，一般以【P】表示。磷含量高时，会使钢的朔性和韧性降低，即使钢的脆性增加，这种现象低温时更严重，通常把它称为“冷脆”。且这种影响常常随着氧，氮含量的增加而加剧。磷在连铸坯中的偏析仅次于硫，同时它在铁固溶体中扩散速度又很小。不容易均匀化，因而磷的偏析和难消除。由于炼铁过程为还原性气氛，脱磷能力较差。因此脱磷是炼钢过程的重要任务之一。在20世纪90年代中后期，为解决超低磷钢的生产难题，世界上各大钢厂都曾经进行过转炉铁水脱磷实验研究。

1、铁水预处理方法

1.1喷吹苏打粉处理

日本住友公司鹿岛厂开发的“住友碱精炼法”是成功用于工业生产的苏打精炼法。

工艺流程：从高炉流出的铁水先经脱硅处理，即将高炉铁水注入混铁车内，用氮气输送和喷吹烧结矿粉，喷入量为每吨铁水40公斤，最大供粉速度为每分钟400公斤，最大吹氧量为每分钟50立方米，脱硅量约为0.4%。脱硅处理后的铁水硅含量可降到0.1%以下。然后用真空吸渣器吸出脱硅渣，进行脱磷处理，以氮气为载气向铁水中喷入苏打粉，苏打粉用量为每吨18公斤，最大供粉量为每分钟250公斤，最大吹氧量为每分钟50立方米，处理后铁水中【P】≤0.001%，【S】≤0.003%，再用真空吸渣器吸出脱磷渣，并将其送到苏打回收车间，经水浸后可回收约80%的Na2O，最后将处理过的铁水倒入转炉冶炼。

1.2喷吹石灰系熔剂处理

由于石灰系熔剂具有成本低，对环境污染小的优点，因此受到重视，并不断对其深入研究，以使其满足精炼铁水的需要。

工艺流程：向高炉铁沟中加入铁磷进行脱硅处理，加入量为每吨铁水27公斤，处理后铁水含硅量由0.5%降到0.15%，氧的利用率为80%-90%。脱硅后的铁水流入混铁车中，并与混铁车内上一炉脱磷脱硫渣混合，待渣与铁分离后扒渣。然后，向混铁车内铁水中用氮气为载气体，流量为每分钟为3-5立方米，喷入石灰熔剂。处理后温度为13500C左右，处理时间25分钟。将处理后的铁水倒入转炉，在转炉内进一步脱磷，可使钢中【P】≤0.001%。

2、转炉冶炼过程中脱磷

2.1氧化脱磷

磷在钢液中能够无限溶解，。而它的氧化物P2O5在钢液的溶解度却很小，因此，要除去钢中的磷，可设法使磷氧化生成P2O5进入炉渣，并固定在渣中。炼钢过程中的脱磷反应在渣—钢界面和氧气顶吹转炉的乳浊液中，是被渣中FeO 氧化，其反应为：

2【P】+5（FeO）= （P2O5）+5【Fe】

△G0=-1495194+684.92T（J/mol）

生成的P2O5的密度较小，几乎不溶于钢液，所以一旦生成即上浮转入渣相。但由于冶炼初期渣中较多的碱性氧化物是FeO，因此进入炉渣的P2O5仅和FeO 结合成磷酸铁盐。

其反应：

（P2O5）+3（FeO）=（3FeO·P2O5）

△H0=-128030J/mol

根据生成焓△H0判断，渣中（P2O5），（3FeO·P2O5）却不稳定，它们在炼钢过程中随着熔池温度的不断升高而逐渐分解，使磷又回到钢液之中。所以在炼钢温度下，以氧化铁为主的炉渣脱磷能力很低。为了使脱磷过程进行得比较彻底，防止已被氧化的磷大量返回钢液，目前大多工厂的做法是向熔池加入一定量的石灰，增加渣中强碱性氧化物CaO的含量，使五氧化二磷和氧化钙生成较稳定的磷酸钙，从而提高炉渣的脱磷能力。在生产中，随着石灰的变化，炉渣的碱度会逐渐升高，渣中的游离的CaO逐渐增加，此时将发生置换反应：

即：（3FeO·P2O5）+4（CaO）=（4CaO·P2O5）+5【Fe】

所以，碱性氧化渣脱磷的总反应为：

2【P】+5（FeO）+4（CaO）=（4CaO·P2O5）+5【Fe】

转炉冶炼过程中低碳低磷铁水转炉去磷率达到90%以上。

2.1.1影响炉渣脱磷的主要因素：（1）炉渣成分的影响：炉渣成分对脱磷反应的影响主要反应在渣中的FeO含量和炉渣碱度上。渣中的FeO是脱磷的首要条件，如果渣中没有氧化铁或氧化铁含量很低，就不可能使磷氧化。但是，纯氧化铁炉渣只有很小的去磷效果，因为渣中（3FeO·P2O5）在高温下不稳定，它会分解或被硅、锰还原，而渣中（4CaO·P2O5）在17100c的温度下比较稳定，即炼钢温度下它分解的可能性不大，所以CaO是脱磷的必要条件；（2）温度的影响：脱磷反应是强放热反应，升高温度会使其平衡常数的数值减小，去除效率下降。从热力学条件来看，降低温度有利于去P反应进行，但是应该辩证地看待温度的影响，尽管升高温度会使反应的平衡常数K值减少，然而与此同时较高的温度能使炉渣的粘度下降，加速石灰的成渣速度和渣中各组元的扩散速度，强化了磷从金属液向炉渣的转移。其影响可能超过Kp值得降低，温度过高时，Kp值的下降起主导作用，会使炉渣的去P效率下降。钢中的磷含量回升；（3）炉渣粘度的影响：炼钢熔池中的脱P反应主要是在炉渣与金属液两相的界面上进行的，所以反应速度与炉渣粘度有关。通常情况下，炉渣粘度越低，渣中反应物FeO向渣—钢界面的扩散转移速度就越快，渣中反应产物P2O5离开界面溶入炉渣的速度也就越快。因此，在脱P要求的高碱度条件下，应及时加入稀渣剂改善炉渣的流动性，以促进脱P反应的顺利进行；（4）渣量的影响：随着脱磷反应的进行，渣中P2O5的含量不断升高，炉渣脱P能力逐渐下降。在一定条件下，增大渣量必然会使渣中的P2O5含量降低，破坏磷在钢—渣间分配的平衡性，促进脱磷反应的继续进行，使钢中的磷含量进一步降低。所以炉内渣量的多少决定着钢液的脱磷程度。但渣量过大，会使钢液面上渣层过厚而减慢去磷速度，同时还压抑了钢液的沸腾，使气体及夹杂物的排除受到影响。

2.2回磷

2.2.1产生回磷的原因：冶炼终点一般被认为脱P 反应达到平衡，在出钢过程向钢包加入脱氧剂，将使使钢中的氧以及渣中（FeO）下降，脱氧产物（SiO2），（Al2O3）等进入炉渣，使炉渣碱度降低，从而打破了脱磷反应的平衡状态，有利于（P2O5）的分解和还原，磷又重新进入钢液。