高碳鐵水脫磷的研究

溫麗秀

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司煉鋼二廠， 山西 太原 030003）

高碳鐵水預處理脫磷對生產低磷鋼的意義：第一高碳鐵水脫磷能夠替代電爐，為AOD直接提供低磷鐵水冶煉鉻不銹鋼，大大降低了不銹鋼的冶煉成本，節能電耗，縮短AOD冶煉時間，提高AOD爐殼壽命，在降本增效等方面有重要意義。第二入轉爐鐵水中的磷可以降低到超低含量，能夠提高轉爐生產效率，降低煉鋼成本，節能降耗，渣量會大量減少，轉爐噴濺會減少，從而降低鐵損；冶煉高碳鋼時高碳出鋼，提高合金錳的回收率，轉爐冶煉周期降低，渣中TFe含量降低，有利于提高爐齡，有利于轉爐冶煉優質鋼種，更有利于生產高附加值的高規格鋼種。第三能夠提高鋼材的純凈度，對于冶煉IF等純凈鋼[1]是很重要的，可是實現少渣冶煉，減少進入鋼包的渣量，減少了鋼中的夾雜物，鋼中[N]、[H]含量也會降低，從而生產高純凈度的鋼種。

高碳鐵水脫磷的基本狀況：鐵水脫磷前必須預脫硅，由于鐵水中磷的氧勢要比硅的氧勢高很多，勢必在脫磷的過程中加入脫氧劑后，硅與氧的親和力大于磷與氧的親和力，因此硅要比磷優先被氧化，所以為了減少脫磷劑的用量，提高脫磷效率，必須要先將鐵水中的硅脫到一定程度再進行深脫磷，日本新日鐵君廠K.Sasaki[2]研究表明脫磷前把硅脫到0.1%～0.15%以下時，脫磷效果才會顯著提高。1 高碳鐵水脫磷的基本熱力學分析[3]

1.1 在標準狀態下高碳鐵水脫磷的熱力學分析

在預處理脫磷過程中，通常用的脫磷劑為石灰、紅泥球。高爐生產的鐵水中含有碳、硅、錳、磷、硫等五大基本元素，本文僅對影響脫磷反應的基本因素以及石灰系脫磷反應進行分析：

將以上三個基本反應在標準狀態下應用吉布斯自由能和溫度變化的關系繪于圖1中。

圖1 標準狀態下吉布斯自由能與溫度變化的關系

由圖1知，標準狀態下，在高爐鐵水預處理的溫度范圍內（1300～1400℃，即 1573～1673 K）：

1）進行氣相氧化脫磷可能為零，所以其中氧化的Δr＞0；

2）[P]氧化成P2O5，再于渣中的CaO結合形成穩定的化合物而溶于渣中，而且隨著溫度的升高，化合物也能夠穩定存在。

1.2 實際狀態時鐵水熱力學分析

在實際狀態脫磷時，預處理鐵水中溫度和成分

經計算的鐵水中各成分的活度系數fi可以得到如下結論：

1）在各組元體系中碳與磷的活度系數為正值,隨著含碳量的增加,磷的活度也逐步增大,碳氧反應不發生劇烈反應,對脫磷效果顯著。

2）鐵水中存在的雜質元素對磷的活度系數fi有一定的影響。

本實驗鐵水脫磷用的爐渣為CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2渣系。由渣中各組元的活度系數γi的計算可以得到如下結論：

1）堿度的影響。增加脫磷劑中CaO的用量，堿度增加，有利于脫磷。但是，渣系中石灰的量過高將使爐渣黏度變大，高熔點物質析出，氧化性渣的流動性變差，這樣脫磷效果反而會變差。

2）氧化性的影響。鐵水的氧化性即渣中（FeO）的含量。渣中氧化鐵含量越高，相應鐵水脫磷效果就會越好。

3）渣量的影響。新日鐵名古屋廠[4]認為渣量增大，可使γP2O5降低，渣中P2O5的含量增加從而使鐵水中磷的含量降低，所以進行多次扒渣操作重新造渣是提高脫磷的有效措施。但是，渣量太大，發生泡沫渣的機率增加，會發生噴濺造成鐵損，對降本增效及安全環保等方面都很不利。

2 實驗的目的與意義

在山西太鋼不銹鋼股份有限公司（全文簡稱太鋼）三脫站的條件下，用CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2渣系對鐵水做了一系列的氧化脫磷實驗，從影響脫磷的4個因數[5]（含碳量、溫度、堿度、Fe2O3含量）中，采用正交實驗[6]設計確定最優脫磷實驗方案，從而為冶煉超低磷鋼奠定技術基礎。

3 CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2渣系脫磷實驗的研究

3.1 實驗設備

太鋼煉鋼二廠北區預處理150 t三脫站。

3.2 實驗方案

在三脫站的條件下，試驗用太鋼6號高爐鐵水（成分相對穩定），在選取具有代表性的鐵水且成分相近的9爐鐵水中，脫磷劑采用CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2渣系，采用正交試驗設計從影響脫磷的四個因數中，利用正交實驗分析多因素影響試驗的一種設是時刻變化的，因此各成分的活度系數也是時刻發生變化的。所以采用鐵基液的相互作用活度系數來預計算鐵水中各成分的活度系數。計方法。本試驗是由實驗因素的全部影響因素組合中，進行挑選出有代表性的組合實驗進行試驗，繼而通過對代表性的試驗結果全面分析試驗的情況，最終找出最優影響因素的脫磷試驗方案（見表1）。

表1 正交表L9（34）[7]

3.3 結果與分析

在實驗分析中，均使用專用鐵水取樣器，采用風動送樣設備，全自動化驗室分析各組元成分。將脫磷前的鐵水成分和脫磷后終點成分的分析結果記錄見表 2，表 3，表 4。

表2 脫磷溫度（1300℃）時鐵水初始與終點成分 %

表3 脫磷溫度（1350℃）時鐵水初始與終點成分 %

表4 脫磷溫度（1400℃）時鐵水初始與終點成分 %

從No.1到No.9以上3個表的實驗結果可以看出：添加不同比例的CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2脫磷劑后，鐵水中 C、P、Si、Mn、S 均發生了氧化反應，終點鐵水成分幾乎都比初始成分低，但是C、Mn、S降低的不多，而脫硅反應進行徹底的原因是在脫磷反應前，首先發生了脫硅反應，當鐵水中的硅含量降低到一定值后，才開始發生脫磷反應。

為了便于正交分析和計算，把No.1到No.9鐵水脫磷實驗的脫磷率記錄見表5。

表5 脫磷率 %

在鐵水氧化脫磷實驗中，把脫磷率作為實驗指標對試驗結果進行極差計算分析，并找出最優試驗方案，分析結果記錄見表6。

表6 正交分析與計算

從表6的正交分析與計算中可以看出，因數R的極差是最大的，這表明因數R的改變對實驗指標的影響是最大的，因此R是主要考慮的一個因數。R的第三水平對應的數值最大，所以取它的第三水平最好。第一列T和第四列w的極差略小于第三列，說明它們對鐵水脫磷的影響較大。第二列即因數C的極差是最小的，說明C的水平的改變對試驗因素的影響最小，第一水平對應的數值是最大的，因此取C的第一水平最優。

上述分析得出結論如下：各試驗因數對指標（脫磷率）按大小次序的影響來說應當是堿度、溫度、w（Fe2O3）、w（C），最好的方案應當R3T2w1C1,即：

堿度，第三水平，R3=3.5；溫度,第二水平，T2=1350 ℃；w（Fe2O3），第一水平，w1=20%；w（C），第一水平，C1=3.5%。

可以看出，從以上正交試驗的選出的最優方案R3T2w1C1在上述試驗的9次實驗中都沒有出現，但是R3T2w1C1比較接近的是No.5試驗。也就是說，在No.5試驗中，只有w（C）不是處于最優水平，然而w（C）對鐵水脫磷的影響是4個基本因數中最小的一個，從實際生產數據做出的試驗結果中看出，No.5的脫磷率94.4%，是這9次實驗中最高的一個，這也表明采用正交試驗找出的最優試驗方案是符合實際生產的。

進而為了最終確定找出的方案R3T2w1C1是否為最優試驗方案，按照這個方案再選用一爐成分相近的鐵水試驗一次，看是否會比No.5更好的試驗效果，若是比No.5的試驗效果好，就可以確定上述方案為最優試驗方案，若比No.5效果差，最終取No.5為最優試驗方案。

表7 最優方案的鐵水初始與終點成分 %

從表7設計各水平處于最優方案的實驗結果中可以看出，No.10的脫磷率為94.6%，稍高于No.5的脫磷率94.4%，這證明實驗的理論分析與實際上的結果是一致的，也同時說明鐵水含碳量對鐵水脫磷的影響并不大，主要是由于氧化脫磷伴隨著脫碳，而脫碳產物是一種高熔點物質，析出會是氧化性渣的流動性變差，進而降低了初期磷的傳質過程。

從No.1到No.10的實驗研究中驗證，用CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2脫磷劑采用正交實驗設計的最優方案為R3T2w1C1。

4 結論

熱力學分析表明，脫磷反應是強放熱反應，升高溫度，K值減少，因此，低溫有利于脫磷；鐵水成分的影響主要在氧化脫磷的初期體現，關鍵是因為鐵水的選擇性氧化，脫磷產物進入熔渣后改變了爐渣的性質；高氧化鐵，高堿度即磷容量大的熔渣及時形成，是加強脫磷的必要條件。

用CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2渣系對鐵水做了一系列的脫磷實驗，從影響脫磷的四個因數（含碳量、溫度、堿度、Fe2O3含量）中，采用正交實驗設計確定最優脫磷實驗方案的研究中表明：

1）實驗各爐次的脫磷率為72.9%～94.6%，實驗用CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2脫磷劑脫磷效果顯著。No.10的脫磷率94.6%最高，它的各因素處于最優方案。

2）鐵水含碳量對鐵水脫磷的影響不大；渣的堿度對鐵水脫磷的影響最大，高堿度是加強脫磷的必要條件，試驗中R=3.5時脫磷效果最好；實驗中在1350℃時的脫磷效果要明顯比1300℃和1400℃好，綜合考慮1350℃為最佳脫磷溫度；w（Fe2O3）為10%～30%時，渣中增加Fe2O3量對脫磷有利。

[1]王新華.鋼鐵冶金（煉鋼學）[M].北京，高等教育出版社，2005.

[2]SaskiK，NakashimaH，NoseM，elal.AlookatNipponSteelCorporation new optimizing refining process[J].Iron and Steelmaker，1983，10（8）：22-27.

[3]冀成慶.基于CaO-SiO2-FetO-Na2O（Al2O3）渣系的中高磷鐵水脫磷動力學研究[D].重慶：重慶大學，2010.

[4]MasakiIna.Metallurgicalcharacteristics ofLDType hot metal pretreat ment[J].CAMP-ISIJ，1991（4）：11-54.

[5]杜曉建，牛愛兵.初始條件對鐵水預處理脫磷的影響[J].山西冶金，2017（4）：7-9.

[6]北京大學數學力學系概率統計組.正交設計法：第1版[M].北京：北京大學出版社，1976.

[7]劉文卿.實驗設計：第1版[M].北京：清華大學出版社，2000.