轉(zhuǎn)爐脫磷影響因素分析及其工藝應(yīng)用

李家通

摘 要：本文簡單闡述了目前我國的轉(zhuǎn)爐脫磷工藝，通過具體分析溶池溫度、爐渣堿度、渣量以及FeO含量等影響因素對(duì)轉(zhuǎn)爐脫磷的影響與工藝發(fā)展概況，為轉(zhuǎn)爐脫磷工藝發(fā)展提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐脫磷；堿度；溫度；FeO含量；爐渣

中圖分類號(hào)：TF714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

磷是鋼鐵產(chǎn)品中屬于有害雜質(zhì)（特殊情況除外），鋼鐵產(chǎn)品中的磷元素會(huì)使鋼的韌性和可塑性大打折扣，使其在低溫情況尤其容易冷脆斷裂。在大部分優(yōu)質(zhì)的鋼鐵產(chǎn)品中，其對(duì)鋼中磷含量的要求非常嚴(yán)格，只有這樣才能保證其高韌性，防止冷脆斷裂的現(xiàn)象發(fā)生。隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，現(xiàn)代工業(yè)中對(duì)低磷鋼、超低磷鋼的使用需求日漸增長，因此本文就溶池溫度、爐渣堿度、渣量以及FeO含量等影響因素分析如何提高轉(zhuǎn)爐脫磷技術(shù)，以期為我國轉(zhuǎn)爐脫磷工藝發(fā)展提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1.轉(zhuǎn)爐脫磷工藝概述

轉(zhuǎn)爐脫磷工藝主要包括：SRP工藝、多功能轉(zhuǎn)爐脫磷工藝、COMI煉鋼工藝脫磷工藝以及復(fù)吹轉(zhuǎn)爐深脫磷工藝，其中復(fù)吹轉(zhuǎn)爐深脫磷工藝又包括兩路雙聯(lián)工藝、單渣工藝以及單爐新雙渣工藝。

在煉鐵過程中，原料中的磷幾乎全部浸會(huì)入鐵水中，轉(zhuǎn)爐和爐渣為脫磷提供了良好的脫磷環(huán)境。在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，可以通過控制主要脫磷影響因素達(dá)到良好的脫磷效果。通常在轉(zhuǎn)爐脫磷初期階段，溶池溫度較低，磷含量較高，熱力學(xué)條件較好，但是由于此階段爐渣的流動(dòng)性較弱、爐渣堿度較低，動(dòng)力學(xué)條件較差，因此需要通過改善動(dòng)力學(xué)條件來配合熱力學(xué)條件來加速脫磷，即提高爐渣流動(dòng)性、爐渣堿度等；在轉(zhuǎn)爐脫磷處理后期，鋼水磷經(jīng)過前階段的脫磷之后，磷含量降低，爐渣流動(dòng)性較高，具備良好的動(dòng)力學(xué)條件，然而溶池溫度較高，熱力條件較差，不利于脫磷的進(jìn)行，此時(shí)可以通過提高爐渣的堿度來改善熱力學(xué)條件。

2.轉(zhuǎn)爐脫磷影響因素分析

2.1 溫度的影響

通常轉(zhuǎn)爐脫磷中的“溫度”專指“溶池溫度”，一般情況下，需要從兩方面考慮溫度對(duì)轉(zhuǎn)爐脫磷效果的影響。一方面，當(dāng)熔池溫度較低時(shí)，從熱力學(xué)原理上分析，低溫將有助于脫磷反應(yīng)正常進(jìn)行，但是當(dāng)溫度過低時(shí)，石灰在表面容易形成一層冷凝外殼，并未熔化，并降低化渣速度和爐渣流動(dòng)速度，堿度降低，最終降低脫磷反應(yīng)速度；另一方面，熔池溫度升高過程中也會(huì)對(duì)脫磷效果產(chǎn)生影響。當(dāng)熔池溫度升高時(shí)，磷的分配比率會(huì)降低，脫碳反應(yīng)的速度加快，爐渣中氧化鐵含量隨之減少，并且形成硅酸二鈣覆蓋在石灰表面，其熔點(diǎn)較高會(huì)阻礙石灰的進(jìn)一步熔化，導(dǎo)致出現(xiàn)爐渣的“返干”現(xiàn)象。同時(shí)，時(shí)溫度過高會(huì)使轉(zhuǎn)爐熔池反應(yīng)劇烈，易發(fā)生噴濺，使倒渣困難，不利于脫磷。相反的是，當(dāng)熔池溫度升高時(shí)，熔渣的堿度和流動(dòng)性相應(yīng)提高，動(dòng)力學(xué)條件良好，加速脫磷反映。

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐可知，要使脫磷效果達(dá)到最佳狀態(tài)，溫度一般需要控制在1300℃～1350℃范圍內(nèi)。因此，高效率的轉(zhuǎn)爐脫磷需要根據(jù)溶池不同的溫度，來決定使用何種操作機(jī)制較為科學(xué)。當(dāng)溶池溫度低于1250℃時(shí)，需要通過低槍位吹氧方式來使熔池溫度快速達(dá)到有效溫度，加速石灰熔解以及爐渣的形成，充分利用高爐渣氧化鐵含量、低爐溫的有利條件，加速轉(zhuǎn)爐脫磷。當(dāng)鋼水溫度超過1350℃時(shí)，高槍位操作有助于抑制爐溫，延長在極限高溫下的冶煉運(yùn)行時(shí)間。但是實(shí)踐證明，終渣的控制才是轉(zhuǎn)爐脫磷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，F(xiàn)eO含量和爐渣堿度對(duì)轉(zhuǎn)爐脫磷效果影響更顯著，溶池溫度控制對(duì)脫磷效果的影響較弱。

2.2 堿度的影響

五氧化二磷屬于酸性氧化物，鋼渣中氧化鈣、氧化鎂、氧化錳、氧化鐵等堿性氧化物，一定程度上降低五氧化二磷的活度，其中氧化鈣的脫磷能力最強(qiáng)。在煉鋼溫度下，氧化鈣反應(yīng)生成的磷酸鈣穩(wěn)定性較高，氧化鎂次之，而氧化錳和氧化鐵則最弱。因此，氧化鈣是控制五氧化二磷活性的主要因素，氧化鈣濃度的增加，且不與酸性氧化物發(fā)生反應(yīng)，有助于降低磷含量。脫磷效率會(huì)隨著爐渣堿度的增減而升降，當(dāng)爐渣堿度升高到3.5數(shù)值左右時(shí)，脫磷效果處于飽和狀態(tài)，爐渣堿度的提高對(duì)脫磷效率作用不再顯著。如果氧化鈣含量過多，導(dǎo)致氧化鈣顆粒不能完全熔化，爐渣隨之增加，爐渣的黏度也大大提升，此時(shí)爐渣的流動(dòng)性減弱，脫磷反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件變差，最終使脫磷效率降低。因此，在實(shí)際操作中，爐渣堿度一般被控制在3.0～3.5數(shù)值左右。

2.3 FeO含量的影響

爐渣中FeO含量是轉(zhuǎn)爐脫磷技術(shù)的主要影響因素之一。FeO既可以作為氧化劑加速磷的氧化，又可以將五氧化二磷結(jié)合成較穩(wěn)定的磷酸鹽化合物從而起到脫磷的作用。在冶煉過程中，隨著爐渣FeO含量的升高，爐渣氧化性也會(huì)增強(qiáng)，爐渣與鋼水中磷含量的分配比也會(huì)隨之增大，此時(shí)，CaO在渣中的溶解速度會(huì)隨著FeO的升高而加快，有助于加快脫磷速度。當(dāng)FeO含量較低時(shí)，石灰不容易被熔化，無法生成穩(wěn)定的磷酸鹽化合物，不利于脫磷的進(jìn)行。脫碳反應(yīng)在轉(zhuǎn)爐脫磷的中期會(huì)更劇烈，控制不當(dāng)就會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)爐渣“返干”現(xiàn)象，回磷也隨之加快，破壞轉(zhuǎn)爐脫磷效果。當(dāng)FeO含量過高時(shí)，爐渣堿度會(huì)相對(duì)降低，與此同時(shí)會(huì)大量消耗鐵。所以，脫磷初期FeO含量一般控制在7%～9%左右，終渣FeO含量應(yīng)不超過20%。除此之外，實(shí)際操作中，氧化鐵和堿度是共同對(duì)轉(zhuǎn)爐脫磷效果產(chǎn)生的，爐渣堿度在2.8～3.5、FeO含量在18%～20%時(shí)，脫磷效率可以達(dá)到85%～90%左右。

當(dāng)然，不同鋼種對(duì)鋼產(chǎn)品的終點(diǎn)碳含量也不盡相同。在終點(diǎn)碳含量較高的情況下，氧化性也會(huì)隨之降低，這一定程度上影響了脫磷效果。隨著鋼液碳含量的提高，磷的分配系數(shù)隨其提高而呈減小的趨勢。在一定溫度條件下，熔池的碳濃度與氧濃度的乘積為一定值，因此，碳氧含量成反比，即碳含量越高，氧含量就越低，條件下熔渣中的FeO含量也越低。而根據(jù)上述爐渣中FeO含量的影響效果分析，熔渣氧化性的高低會(huì)直接影響著脫磷的效果。

2.4 渣量的影響

除了以上溶池溫度、爐渣堿度以及FeO含量對(duì)轉(zhuǎn)爐脫磷效果有影響之外，渣量控制對(duì)轉(zhuǎn)爐脫磷效果影響更大，因此，終渣的控制才是轉(zhuǎn)爐脫磷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。雖然，渣量并不影響脫磷的分配比，但在一定的分配比下，渣量的增加導(dǎo)致五氧化二磷的濃度降低，磷酸鹽化合物含量也隨之降低，有助于提高轉(zhuǎn)爐脫磷效率。但是，渣量過多鋼水溫度有影響，進(jìn)而影響化渣效果，動(dòng)力學(xué)條件不足，最終導(dǎo)致冶煉成本增加。反之，渣量太少導(dǎo)致磷容量不足，從而進(jìn)一步影響脫磷率。除此之外，在實(shí)際操作中，分批造渣是控制較大渣量的重要手段之一，其可改善一次性大渣量在脫磷效果中的不足。

綜上所述，溶池溫度、爐渣堿度、渣量以及FeO含量等是轉(zhuǎn)爐脫磷的重要影響因素。首先，堿度影響磷的分配系數(shù)，堿度的提高導(dǎo)致磷的分配系數(shù)增大，脫磷效果增加。但是，當(dāng)堿度超過一定值后，堿度的增加對(duì)脫磷效率的影響會(huì)下降，最終達(dá)不到脫磷的高效率要求。因此脫磷最佳效果是堿度控制在2.5～3.5范圍內(nèi)。其次，爐渣中FeO含量是轉(zhuǎn)爐脫磷技術(shù)的主要影響因素之一，F(xiàn)eO含量的提高會(huì)引起磷的分配系數(shù)增大，同樣達(dá)到提高脫磷效率的效果。再者，在冶煉過程中溶池溫度與磷的分配系數(shù)成反相關(guān)，溫度越高，磷的分配系數(shù)越低，因此低溫有助于提高轉(zhuǎn)爐脫磷效率。最后，渣量是最重要的影響因素之一，終渣的控制才是轉(zhuǎn)爐脫磷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。渣量越大，脫磷效果越好。總而言之，高堿度、高FeO含量、低溫、大渣量是轉(zhuǎn)爐脫磷效率提高的有利影響因素。

3.轉(zhuǎn)爐脫磷工藝在我國的應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，為了加大低磷鋼、超低磷鋼市場供應(yīng)，我國在轉(zhuǎn)爐脫磷工藝上也在不斷地研究探索，并取得了重大技術(shù)進(jìn)步。當(dāng)前轉(zhuǎn)爐脫磷工藝具有如下特點(diǎn)：轉(zhuǎn)爐容積大、反應(yīng)速度快、效率高、可節(jié)省造渣劑的用量等，有利于生產(chǎn)低磷鋼以及超低磷鋼。目前國內(nèi)常見的轉(zhuǎn)爐脫磷工藝有：雙渣法、單渣法以及轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法等，其工藝特點(diǎn)主要是在冶煉前期盡早成渣，提高爐渣堿度為轉(zhuǎn)爐脫磷創(chuàng)造有利條件，但這不適用于較大渣量的轉(zhuǎn)爐脫磷操作；對(duì)于脫磷而言，雙渣法效果比較單渣法更有優(yōu)勢，在實(shí)際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)爐雙渣法脫磷效率高達(dá)九成，但同時(shí)存在著轉(zhuǎn)爐熱量損失和冶煉周期延長等缺陷，因此亟待進(jìn)一步改進(jìn)。

結(jié)語

由于我國轉(zhuǎn)爐脫磷研究起步較晚，因此與眾多發(fā)達(dá)國家相比技術(shù)還不夠成熟，然而歷時(shí)數(shù)十年探索實(shí)踐，國內(nèi)轉(zhuǎn)爐脫磷工藝已經(jīng)取得較大的進(jìn)展。筆者期望通過本文對(duì)轉(zhuǎn)爐脫磷技術(shù)影響因素的探究，為我國轉(zhuǎn)爐脫磷工藝改進(jìn)提供綿薄之力。

參考文獻(xiàn)

[1]邱鑫.轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)脫磷工藝過程成渣路線的理論及實(shí)驗(yàn)研究[D].重慶大學(xué)，2013.