鐵水脫磷預處理研究

摘 要：本文對w[P]為0.30%左右的中磷鐵水進行了脫磷預處理研究。分別研究生產溫度、脫磷劑用量、助熔劑種類和Fe3O4過剩系數對鐵水脫磷效率的影響。研究顯示，生產溫度控制在1400℃，脫磷劑用量控制在76g/kg，Fe3O4過剩系數控制在25%左右時，脫磷效果較好。本實驗對各參數有關的生產影響進行了研究，有利于優化生產工藝，提高生產穩定性。

關鍵詞：中磷鐵水，預處理，脫磷

中圖分類號：TF704.4 文獻標識碼：A

1 概述

磷是絕大多數鋼種中的有害元素，容易在晶界偏析，引起鋼的低溫脆性和回火脆性。鐵水預處理是指鐵水在進入煉鋼爐前，為除去某些有害成分或回收某些有益成分而進行的處理過程。近年來， 隨著科學技術的迅速發展，用戶對鋼質量的要求不斷提高[1]。鐵水預處理一般分為鐵水脫硫預處理和鐵水“三脫”（脫硅、脫硫、脫磷）預處理。鐵水預處理工藝對現代鋼廠尤為重要，已經從最初為滿足冶煉低硫或極低硫鋼種的需求，發展成為煉鐵-煉鋼-凝固過程優化不可分割的重要環節，特別是隨著專用轉爐脫硅、脫磷工藝技術的開發與進展，正在形成一種全量鐵水進行“三脫”預處理的先進工藝。新一代鋼廠應大膽采用全量鐵水三脫預處理工藝，以建立起高效低成本的潔凈鋼生產工藝平臺，增強產品競爭力，加快大型轉爐節奏，提高生產效率，以實現緊湊、高效、節能的循環型經濟發展模式。鐵水預處理的選擇需要考慮效果、成本、效率等因素[2-3]。

鐵水預處理工藝，從熔劑加入方式上分為兩種，一種是噴粉法：用氮氣或空氣輸送，用浸沒噴槍將粉劑噴入熔池底部；另一種是底部吹氣法：將熔劑加在鐵水表面，爐底通過透氣磚吹氮氣攪拌。

本文對中磷鐵水進行了脫磷預處理研究。研究了生產溫度、脫磷劑用量、助熔劑種類和Fe3O4過剩系數對鐵水脫磷效率的影響。

2 實驗方法

本實驗在實驗室以w[P]為0.35%的中磷鐵水為研究對象進行脫磷預處理。脫磷劑用量、助熔劑種類和Fe3O4過剩系數對鐵水脫磷效率的影響，從而找出最適合武鋼生產的工藝條件和參數。實驗在立式高溫碳管爐中進行。立式高溫碳管爐由水冷爐體、高電流低電壓變壓器、配電控制柜和進出水箱等組成。實驗中所采用的鐵樣是用武鋼高爐生鐵制備，將生鐵在中頻感應電爐中熔化、脫硅和添加磷鐵，然后澆鑄成一定直徑的圓棒，再按每段重量500g左右的要求截成許多小段。渣劑原料中，氟化鈣為分析純試劑，氧化鐵和CaO采用武鋼現場所用軋鋼皮和塊狀活性石灰，軋鋼皮不需經過粉碎，活性石灰粉碎后，和氟化鈣粉末混均加入。

2.1 溫度對鐵水脫磷效果的影響

采用基準渣系，即CaO過剩系數為0.45，Fe3O4過剩系數為0.25， CaF2/CaO為0.5。分別在1250℃、1300℃和1400℃下，使用剛玉坩堝和高溫碳管爐進行實驗。

本系列實驗使用剛玉坩堝，加入大量脫磷劑和吹入攪拌氣體使鐵水碳含量降低很多，鐵水熔點升高。因此，在做1250℃實驗時鐵水凍結，實驗無法繼續進行。所以圖1中僅列出了1300℃和1400℃的脫磷結果。

圖1 1300℃和1400℃下鐵水磷含量隨時間的變化（w[P]0=0.35%）

圖1表明，脫磷反應進行得很快，5min左右差不多已經完成，[%P]降到0.05%～0.10%，之后一段較長時間內脫磷反應進行速度很慢，[%P]緩慢下降；20min以后開始回磷。回磷的原因，主要是因為爐渣中的FeO、CaO逐漸消耗，3CaO·P2O5生成逐漸增多，導致脫磷反應的熱力學條件惡化，結果磷又從熔渣中被還原返回到鐵水中去。

在溫度較高的時候，可以適當縮短處理時間，這樣既可以得到較高的脫磷率，也可以加快鐵水預處理的生產節奏。

2.2 助熔劑種類對鐵水脫磷效率的影響

助熔劑種類系列實驗在CaO利用率、Fe3O4利用率、溫度、坩堝等實驗條件都完全相同。在1350℃下，使用石墨坩堝和高溫碳管爐進行實驗。結果見圖2。

圖2 脫磷劑種類對脫磷率的（w[P]0=0.35%）

對于中磷鐵水脫磷，使用CaCl2作助熔劑對脫磷有利，脫磷率達到了83.42%。此脫磷率比使用CaF2作助熔劑高出2.67個百分點。

2. 3 Fe3O4過剩系數對鐵水脫磷效果的影響

計算配渣方案時規定：CaO過剩系數為0.45；CaCl2/CaO為0.5；脫磷后生成的化合物為3CaO·P2O5，脫硅后生成的化合物為2CaO·SiO2；使用剛玉坩堝和高溫碳管爐進行實驗。脫磷率與Fe3O4過剩系數的關系繪于圖3中。

圖3 Fe3O4過剩系數對脫磷率的影響（w[P]0=0.35%）

Fe3O4過剩系數指的是超過Fe3O4理論需要量的比例。由圖3可以看出，在Fe3O4過剩較少的時候，增加Fe3O4配比對脫磷率的影響不明顯；當Fe3O4過剩率超過15%以后，增加Fe3O4的用量，脫磷逐漸增加，到35%時達到最大值；繼續增加Fe3O4用量，脫磷率又下降。

適當提高爐渣的氧化性，有利于脫磷效率。但同時因為FeO濃度增加同時還使P2O5的活度系數增大，導致爐渣的磷容量減小，脫磷能力下降。由于這兩方面的原因，存在一個對應于脫磷率峰值的最佳FeO含量，亦即一個最佳的Fe3O4過剩系數。

脫磷效率還與渣的粘度有關。本系列Fe3O4過剩系數為45%、35%，25%的實驗中，觀察到爐渣的粘度較大，部分渣聚集成團，流動困難。而Fe3O4過剩系數為15%、5%的實驗中，渣粘度小。由折算得知，本系列5組實驗的脫磷渣，其初始FeO濃度分別為55.79%、51.64%、48.07%、44.95%和42.22%。這說明，在FeO濃度超過一定值時，FeO的增加會使爐渣粘度升高。

本系列實驗在Fe3O4過剩系數等于35%時，脫磷率達到最大值82.54%。總的來說，在研究的氧供應量范圍內，脫磷率與Fe3O4過剩率的關系不明顯。其原因可能是Fe3O4過剩系數高時，過剩的氧主要用來氧化鐵水中的碳，而沒有發揮氧化磷的作用。

2.4 Fe3O4過剩系數對鐵水脫碳量影響的研究

配渣方案同2.3。使用剛玉坩堝和高溫碳管爐進行實驗。脫磷率、脫碳量與Fe3O4過剩系數的關系繪于圖4中。

圖4 Fe3O4過剩系數對脫磷率和脫碳量的影響（w[P]0=0.35%）

由圖4可知，Fe3O4過剩系數對鐵水脫碳量的影響明顯分為三個時期，第1個時期Fe3O4過剩系數小于大約15%，此時增加Fe3O4用量對脫碳量沒有影響；第2個時期Fe3O4過剩系數在15%～35%之間，此時脫碳量隨Fe3O4用量增加而增大；第3個時期Fe3O4過剩系數超過35%，此時脫碳量隨Fe3O4用量增加而急劇增大。

綜合考慮脫磷和脫碳的問題，將Fe3O4過剩系數控制在25%左右比較合適，這時的脫磷率比較高，脫碳量大約0.45個百分點。

結語

（1）在1400℃時，既可以得到較高的脫磷率，也可以加快鐵水預處理的生產節奏；

（2）對于中磷鐵水脫磷，使用CaCl2作助熔劑對脫磷有利；

（3）綜合考慮脫磷和脫碳的問題，將Fe3O4過剩系數控制在25%左右比較合適。

參考文獻

[1] 趙昌武. 武鋼煉鐵工序節能降耗分析[J]. 煉鐵，2001（2）：13～15.

[2] 馮聚和，艾立群，劉建華. 鐵水預處理與鋼水爐外精煉[M]. 北京：冶金工業出版社，2006：84～85.

[3] 王濤， 夏幸明. 鐵水“三脫”的工藝特點及對轉爐冶煉的影響[J]. 煉鋼，2005，21（2）：7～11.