转炉脱磷影响因素分析及其工艺应用

转炉脱磷影响因素分析及其工艺应用

作者：李家通

来源：《中国新技术新产品》2017年第01期

摘要：本文简单阐述了目前我国的转炉脱磷工艺，通过具体分析溶池温度、炉渣碱度、渣量以及FeO含量等影响因素对转炉脱磷的影响与工艺发展概况，为转炉脱磷工艺发展提供了技术参考。

关键词：转炉脱磷；碱度；温度；FeO含量；炉渣

中图分类号：TF714 文献标识码：A

磷是钢铁产品中属于有害杂质（特殊情况除外），钢铁产品中的磷元素会使钢的韧性和可塑性大打折扣，使其在低温情况尤其容易冷脆断裂。在大部分优质的钢铁产品中，其对钢中磷含量的要求非常严格，只有这样才能保证其高韧性，防止冷脆断裂的现象发生。随着科学技术水平的提高，现代工业中对低磷钢、超低磷钢的使用需求日渐增长，因此本文就溶池温度、炉渣碱度、渣量以及FeO含量等影响因素分析如何提高转炉脱磷技术，以期为我国转炉脱磷工艺发展提供经验参考。

1.转炉脱磷工艺概述

转炉脱磷工艺主要包括：SRP工艺、多功能转炉脱磷工艺、COMI炼钢工艺脱磷工艺以及复吹转炉深脱磷工艺，其中复吹转炉深脱磷工艺又包括两路双联工艺、单渣工艺以及单炉新双渣工艺。

在炼铁过程中，原料中的磷几乎全部浸会入铁水中，转炉和炉渣为脱磷提供了良好的脱磷环境。在转炉冶炼过程中，可以通过控制主要脱磷影响因素达到良好的脱磷效果。通常在转炉脱磷初期阶段，溶池温度较低，磷含量较高，热力学条件较好，但是由于此阶段炉渣的流动性较弱、炉渣碱度较低，动力学条件较差，因此需要通过改善动力学条件来配合热力学条件来加速脱磷，即提高炉渣流动性、炉渣碱度等；在转炉脱磷处理后期，钢水磷经过前阶段的脱磷之后，磷含量降低，炉渣流动性较高，具备良好的动力学条件，然而溶池温度较高，热力条件较差，不利于脱磷的进行，此时可以通过提高炉渣的碱度来改善热力学条件。

2.转炉脱磷影响因素分析

2.1 温度的影响

通常转炉脱磷中的“温度”专指“溶池温度”，一般情况下，需要从两方面考虑温度对转炉脱磷效果的影响。一方面，当熔池温度较低时，从热力学原理上分析，低温将有助于脱磷反应正常进行，但是当温度过低时，石灰在表面容易形成一层冷凝外壳，并未熔化，并降低化渣速度

和炉渣流动速度，碱度降低，最终降低脱磷反应速度；另一方面，熔池温度升高过程中也会对脱磷效果产生影响。当熔池温度升高时，磷的分配比率会降低，脱碳反应的速度加快，炉渣中氧化铁含量随之减少，并且形成硅酸二钙覆盖在石灰表面，其熔点较高会阻碍石灰的进一步熔化，导致出现炉渣的“返干”现象。同时，时温度过高会使转炉熔池反应剧烈，易发生喷溅，使倒渣困难，不利于脱磷。相反的是，当熔池温度升高时，熔渣的碱度和流动性相应提高，动力学条件良好，加速脱磷反映。

根据生产实践可知，要使脱磷效果达到最佳状态，温度一般需要控制在1300℃～1350℃范围内。因此，高效率的转炉脱磷需要根据溶池不同的温度，来决定使用何种操作机制较为科学。当溶池温度低于1250℃时，需要通过低枪位吹氧方式来使熔池温度快速达到有效温度，加速石灰熔解以及炉渣的形成，充分利用高炉渣氧化铁含量、低炉温的有利条件，加速转炉脱磷。当钢水温度超过1350℃时，高枪位操作有助于抑制炉温，延长在极限高温下的冶炼运行时间。但是实践证明，终渣的控制才是转炉脱磷的关键环节，FeO含量和炉渣碱度对转炉脱磷效果影响更显著，溶池温度控制对脱磷效果的影响较弱。

2.2 碱度的影响

五氧化二磷属于酸性氧化物，钢渣中氧化钙、氧化镁、氧化锰、氧化铁等碱性氧化物，一定程度上降低五氧化二磷的活度，其中氧化钙的脱磷能力最强。在炼钢温度下，氧化钙反应生成的磷酸钙稳定性较高，氧化镁次之，而氧化锰和氧化铁则最弱。因此，氧化钙是控制五氧化二磷活性的主要因素，氧化钙浓度的增加，且不与酸性氧化物发生反应，有助于降低磷含量。脱磷效率会随着炉渣碱度的增减而升降，当炉渣碱度升高到3.5数值左右时，脱磷效果处于饱和状态，炉渣碱度的提高对脱磷效率作用不再显著。如果氧化钙含量过多，导致氧化钙颗粒不能完全熔化，炉渣随之增加，炉渣的黏度也大大提升，此时炉渣的流动性减弱，脱磷反应动力学条件变差，最终使脱磷效率降低。因此，在实际操作中，炉渣碱度一般被控制在3.0～3.5数值左右。

2.3 FeO含量的影响

炉渣中FeO含量是转炉脱磷技术的主要影响因素之一。FeO既可以作为氧化剂加速磷的氧化，又可以将五氧化二磷结合成较稳定的磷酸盐化合物从而起到脱磷的作用。在冶炼过程中，随着炉渣FeO含量的升高，炉渣氧化性也会增强，炉渣与钢水中磷含量的分配比也会随之增大，此时，CaO在渣中的溶解速度会随着FeO的升高而加快，有助于加快脱磷速度。当FeO 含量较低时，石灰不容易被熔化，无法生成稳定的磷酸盐化合物，不利于脱磷的进行。脱碳反应在转炉脱磷的中期会更剧烈，控制不当就会经常出现炉渣“返干”现象，回磷也随之加快，破坏转炉脱磷效果。当FeO含量过高时，炉渣碱度会相对降低，与此同时会大量消耗铁。所以，脱磷初期FeO含量一般控制在7%～9%左右，终渣FeO含量应不超过20%。除此之外，实际操作中，氧化铁和碱度是共同对转炉脱磷效果产生的，炉渣碱度在2.8～3.5、FeO含量在18%～20%时，脱磷效率可以达到85%～90%左右。

当然，不同钢种对钢产品的终点碳含量也不尽相同。在终点碳含量较高的情况下，氧化性也会随之降低，这一定程度上影响了脱磷效果。随着钢液碳含量的提高，磷的分配系数随其提高而呈减小的趋势。在一定温度条件下，熔池的碳浓度与氧浓度的乘积为一定值，因此，碳氧含量成反比，即碳含量越高，氧含量就越低，条件下熔渣中的FeO含量也越低。而根据上述炉渣中FeO含量的影响效果分析，熔渣氧化性的高低会直接影响着脱磷的效果。

2.4 渣量的影响

除了以上溶池温度、炉渣碱度以及FeO含量对转炉脱磷效果有影响之外，渣量控制对转炉脱磷效果影响更大，因此，终渣的控制才是转炉脱磷的关键环节。虽然，渣量并不影响脱磷的分配比，但在一定的分配比下，渣量的增加导致五氧化二磷的浓度降低，磷酸盐化合物含量也随之降低，有助于提高转炉脱磷效率。但是，渣量过多钢水温度有影响，进而影响化渣效果，动力学条件不足，最终导致冶炼成本增加。反之，渣量太少导致磷容量不足，从而进一步影响脱磷率。除此之外，在实际操作中，分批造渣是控制较大渣量的重要手段之一，其可改善一次性大渣量在脱磷效果中的不足。

综上所述，溶池温度、炉渣碱度、渣量以及FeO含量等是转炉脱磷的重要影响因素。首先，碱度影响磷的分配系数，碱度的提高导致磷的分配系数增大，脱磷效果增加。但是，当碱度超过一定值后，碱度的增加对脱磷效率的影响会下降，最终达不到脱磷的高效率要求。因此脱磷最佳效果是碱度控制在2.5～3.5范围内。其次，炉渣中FeO含量是转炉脱磷技术的主要影响因素之一，FeO含量的提高会引起磷的分配系数增大，同样达到提高脱磷效率的效果。再者，在冶炼过程中溶池温度与磷的分配系数成反相关，温度越高，磷的分配系数越低，因此低温有助于提高转炉脱磷效率。最后，渣量是最重要的影响因素之一，终渣的控制才是转炉脱磷的关键环节。渣量越大，脱磷效果越好。总而言之，高碱度、高FeO含量、低温、大渣量是转炉脱磷效率提高的有利影响因素。

3.转炉脱磷工艺在我国的应用

随着经济的高速发展，为了加大低磷钢、超低磷钢市场供应，我国在转炉脱磷工艺上也在不断地研究探索，并取得了重大技术进步。当前转炉脱磷工艺具有如下特点：转炉容积大、反应速度快、效率高、可节省造渣剂的用量等，有利于生产低磷钢以及超低磷钢。目前国内常见的转炉脱磷工艺有：双渣法、单渣法以及转炉双联法等，其工艺特点主要是在冶炼前期尽早成渣，提高炉渣碱度为转炉脱磷创造有利条件，但这不适用于较大渣量的转炉脱磷操作；对于脱磷而言，双渣法效果比较单渣法更有优势，在实际生产中，转炉双渣法脱磷效率高达九成，但同时存在着转炉热量损失和冶炼周期延长等缺陷，因此亟待进一步改进。

结语