鐵水預處理時氧化脫磷和預脫硅間的熱力學分析

朱坤學，陳傳磊，尹世友，梁連科

（1山東省冶金設計院股份有限公司，山東濟南250014；2濟南鋼鐵股份有限公司，山東濟南250101；3東北大學材料與冶金學院，遼寧沈陽110004）

鐵水預處理時氧化脫磷和預脫硅間的熱力學分析

朱坤學1，陳傳磊2，尹世友2，梁連科3

（1山東省冶金設計院股份有限公司，山東濟南250014；2濟南鋼鐵股份有限公司，山東濟南250101；3東北大學材料與冶金學院，遼寧沈陽110004）

從熱力學角度分析了鐵水預處理時預脫硅和脫磷之間的關系，經理論推導后得到了終點［P］含量和［Si］含量之間關系計算公式。計算發現，一定溫度下氧化法脫磷時，終點硅含量越低，其終點磷含量也越低，并提出了鐵水預處理脫磷的措施：首先脫硅要脫到較低含量；渣要有較高CaO含量來固定脫磷產物P2O5；脫磷結束后，要盡量扒除冶煉渣，防止溫度升高時回磷。

鐵水預處理；脫硅；脫磷；熱力學計算

1 前言

隨著石油、微電子、國防、航空航天等工業的發展，潔凈鋼生產成為煉鋼技術發展的核心內容，其中磷含量的控制更是關鍵因素之一。很多鋼種要求［P］＜0.01%或0.005%，超低磷鋼則要求［P］≤50×10-6［1］。普通低磷鋼生產工藝要靠鐵水預脫磷和轉爐煉鋼脫磷將鋼中的磷脫除至0.01%以下，超低磷鋼生產工藝除了鐵水預脫磷和轉爐煉鋼脫磷外，對鋼水還進行爐外精煉脫磷處理，將磷脫除至0.003%以下［2］。因此生產低磷鋼時鐵水預脫磷處理是必不可少的工序。本研究對鐵水預處理時氧化脫磷和預脫硅間的關系，從熱力學的角度進行計算分析，為提高鐵水預處理脫磷效果提供理論指導。

2 氧化脫磷和預脫硅間的熱力學分析

2.1 脫磷和脫硅基本原理

鐵水預處理時氧化脫磷和預脫硅間化學反應及基本熱力學數據如下［3］：

當設

則

或

由（7）式可看出，當知Q值后，便可討論在一定溫度下ap與asi的關系。而式（6）中2CaO·SiO2，4CaO·P2O5和CaO組元在渣中活度的數據至今尚缺，所以，采用計算方法求出Q值。

2.2 Q值的計算［4］

設鋼中加硅鐵脫氧時，氧化渣中會產生回磷，其反應如式（5）所示。當達到平衡時，溫度為1 600℃（1 873 K）時，由ΔG05可計算出K5=122 300。平衡時鋼中［Si］為0.25%，［P］為0.04%，此時設asi=0.25，aP=0.04；將上述數據代入式（7）得Q＝401 530。

2.3 鐵水脫［P］與脫［Si］間熱力學分析

假設鋼水脫磷和鐵水脫磷時Q值不變（近似假設）。將（7）式兩邊取對數得：

移項得：

式得：

或

或改寫作

用（10）式便可計算出不同溫度下平衡的［P］和［Si］值的關系。

2.4 計算結果分析

通過理論推導及計算，得到了鐵水預處理時［P］和［Si］關系的理論計算公式。利用（10）式可以得到不同溫度下，目標脫磷值與預脫硅后硅含量之間的近似關系，為實際生產提供理論依據。

圖1 不同溫度下氧化脫磷時平衡［P］和［Si］的關系

鐵水預處理時，將不同溫度（1 250～1 450℃）和不同目標的磷含量帶入（10）式，可以得到預脫硅后的理論硅含量，計算結果如圖1所示。℃）要保證終點［P］含量＜0.01%，預脫硅后的［Si］含量范圍應控制在0.079%～0.053%。隨著預處理溫度的升高，預脫硅后的［Si］含量也越低。

3 脫磷措施探討

為保證鐵水預處理脫磷效果，利用該理論計算公式可以得到鐵水預處理時的最佳預脫硅［Si］的含量，提高控制精度，以達到優化工藝的目的。預脫硅時要將硅脫到一個較低水平，即渣要保持較高的氧化能力，否則當溫度升高時，硅含量高于平衡值即發生回磷反應，影響脫磷效果。脫磷產物為4CaO·P2O5，因此渣同時要有較高的堿度來固定脫磷產物為P2O5。脫磷結束后，要盡量扒除冶煉渣，防止后續冶煉操作回磷。

4 結論

4.1 在一定溫度下，鐵水預處理氧化法脫磷過程中，欲得到較低的終點磷含量，則要求鐵水中硅含量足夠低；當目標［P］一定時，鐵水溫度越高，要求［Si］含量越低。

4.2 在1 350℃溫度下，當鐵水預處理要求終點磷［P］＝0.02%時，其［Si］≤0.1%；當要求終點磷［P］＝0.01%時，其［Si］≤0.06%。

4.3 為保證鐵水預處理脫磷效果，應做到：首先脫硅要脫到較低含量；渣要有較高CaO含量，來固定脫磷產物P2O5；脫磷結束后，要盡量扒除冶煉渣，防止溫度升高時回磷。

［1］劉君，李光強，朱誠意，等.高磷鐵礦處理及高磷鐵水脫磷研究進展［J］.材料與冶金學報，2007，6（3）：173-179.

［2］翟玉春，劉喜海，徐家振.現代冶金學［M］.北京:電子工業出版社，2000：371.

［3］梁英教，車蔭昌.無機物熱力學數據手冊［M］.沈陽：東北大學出版社，1993.

［4］汪大洲.鋼鐵生產中的脫磷［M］.北京：冶金工業出版社，1986.

通過理論計算得出，鐵水預處理時（1 250～1 450

Thermodynamic Analysis between Dephosphorization and Desilication in Molten Iron Pretreatment

ZHU Kun-xue1,CHEN Chuan-lei2,YIN Shi-you3,LIANG Lian-ke3
（1 Shandong Province Metallurgic Engineering Co.,Ltd.,Jinan 250014,China;2 Jinan Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250101,China; 3 School of Materials and Metallurgy,Northeastern University,Shenyang 110004,China）

Based on the thermodynamic analysis,the relation between dephosphorization and desilication was researched,and the calculation equation of［P］and［Si］was established by theoretical derivation.The calculation results showed that［P］decreases with the decreasing of［Si］under same temperature.Furthermore,the dephosphorized measures were given in molten iron pretreatment. That is,First,the slag must maintain the higher oxidation ability by escaping silicon to a lower content;In order to fix the dephosphorization product（P2O5）,the slag should have higher content of CaO;We try best to remove the metallurgical slag after the dephosphorization,avoiding the phosphorus returning by the temperature rising.

molten iron pretreatment;desilication;dephosphorization;thermodynamic calculation

TF704.4

A

1004-4620（2010）03-0051-02

2009-12-17

朱坤學，男，1979年生，2005年畢業于東北大學冶金工程專業。現為山東省冶金設計院股份有限公司煉鋼室助理工程師，從事煉鋼設計與研究工作。