轉爐煉鋼脫磷工藝理論與實踐

王鵬飛

（山東鋼鐵集團日照有限公司煉鋼廠第二煉鋼作業區，山東 日照 276800）

鋼鐵是世界上應用最為廣泛的金屬材料，也是現代化建設必須依靠的重要的生產資料。鋼材加工有冷加工和熱加工，根據用途可分為結構鋼、工具鋼、特殊鋼、專業用鋼等，加工方式的多樣化對鋼材中的非金屬元素的要求十分嚴格，尤其是磷元素含量是鋼材質量重點的檢驗指標。

適當的磷可以提升鋼的強度，但是對于大多數的鋼種都是有害元素，磷含量過高會降低鋼材的塑性、焊接性以及沖擊韌性。研究表明磷在鋼液凝固過程中發生偏析現象比較集中地聚集在晶界處，導致較低溫度下鋼材性能變脆，通常成為“冷脆”現象。磷含量對鋼鐵的影響極大，即使很少量的磷（0.01%）也會導致鋼材的低溫脆性。因此對于普通的鋼種磷含量要求在0.04%以內，在低溫環境下應用的鋼種要求含磷低到0.003%以下，如嚴寒地區的鉆井平臺、船舶、軌道、鋼結構承重件、液化氣管道等[1]。脫磷反應是轉爐煉鋼過程重要的物理化學反應，也是轉爐煉鋼的基本任務之一。本文通過根據最常用的轉爐煉鋼介紹脫磷工藝理論，并結合實踐進行說明脫磷過程注意事項。

1 磷的來源與存在形式

鐵礦石中含有大量的磷，在高爐煉鐵過程磷基本全部被還原進入到鐵水中，鐵水中磷含量與鐵礦石中磷含量成正比，冶煉出來的生鐵中的磷含量甚至能達到2.0%以上。另外，煉鋼所加入鐵合金也會帶入大量的磷。鐵水中的磷多以元素磷存在，少部分是磷化物。

2 轉爐煉鋼脫磷原理與條件

2.1 轉爐煉鋼脫磷原理

轉爐吹煉過程鐵水中的磷被氧化生成P2O5進入爐渣中，P2O5是酸性氧化物，能與爐渣中的堿性氧化物FeO、CaO、MnO、MgO等生成磷酸鹽化合物，更穩定的存在渣中，隨爐渣一起除掉。爐渣堿度較低時磷多以磷酸鐵（3FeO·P2O5）的形式存在，爐渣堿度較高時磷多以磷酸鈣（3CaO·P2O5或4CaO·P2O5）的形式存在[2]。

2.1.1 磷的氧化反應

磷的氧化反應在鋼—渣界面上進行，反應方程式一般有2種：

標準吉布斯能△Gθ＝-384953+170.24T(J/mol)。

或者：

標準吉布斯能△Gθ＝-142944+65.48T(J/mol)。

2.1.2 P2O5在爐渣中的固定

氧化生成的P2O5如要在渣中穩定存于爐渣中，必須與爐渣中的CaO等堿性氧化物反應生成穩定的磷酸鹽化合物3CaO·P2O5或4CaO·P2O5，反應方程式為：

標準吉布斯能△Gθ＝-1486160+6360T。

或者：

標準吉布斯能△Gθ＝-1372200+550.1T。

由反應方程式可以看出，轉爐煉鋼脫磷原理在于磷的氧化進入渣中和轉化為穩定的磷酸鹽，脫磷速度主要取決于鋼—渣界面磷的氧化反應[3]。

2.2 轉爐煉鋼脫磷的基本條件

根據轉爐煉鋼脫磷的反應方程式，結合煉鋼實際生產可知，脫磷效果與轉爐鐵水中的氧量、爐渣堿度和溫度有關，歸納脫磷的基本條件如下：

（1）磷在爐渣中的固定是脫磷的重要環節，P2O5一定要與渣中的CaO等堿性氧化物結合才能穩定存在爐渣中，因此可以說CaO是含磷產物的穩定劑，爐渣堿度越高越有利于脫磷。在酸性爐渣不能完成脫磷，但爐渣堿度太高不易熔化反而不利于脫磷。

（2）脫磷的量主要與磷的氧化反應有關，鋼液中的[O]含量以及爐渣中的（FeO）都是脫磷反應的氧化劑，增加[O]、（FeO）含量都有利于脫磷。研究表明爐渣堿度2.5～3.0和（FeO）15%～20%條件，磷在爐渣中分配比最大，脫磷效果最好。

（3）爐渣量大可以稀釋磷酸鹽的濃度，促進P2O5與CaO充分反應并正向進行，達到更好的脫磷效果，但爐渣量過大不利吹氧入鋼水和熱傳遞。為達到更好的脫磷效果兼顧煉鋼質量，先將前期脫磷的爐渣先從轉爐倒出，再次造渣以加強脫磷效果。

（4）脫磷反應是強放熱化學反應，低溫有利于脫磷反應正向進行，溫度過高則會逆向進行產生“回磷”現象。但是低溫下石灰熔化不良，轉爐渣的黏度增大會導致脫磷效果變差，粘度過大的泡沫渣但同樣不利于脫磷。

2.3 轉爐脫磷注意事項

轉爐煉鋼脫磷的條件綜合起來簡稱“三高一低”，即“高堿度、高FeO量、大渣量、低溫”，轉爐煉鋼基本上可以完成80%以上的脫磷任務。脫磷反應基本上都是在轉爐煉鋼前期進行的，該條件下更容易實現脫磷。實際煉鋼過程中也時常會出現高磷不合格的鋼水，主要是因為轉爐煉鋼后期溫度過高導致脫磷條件變差和回磷，生產過程應進行以下預防措施：

（1）保證轉爐煉鋼末期爐渣堿度足夠高。

（2）做好擋渣工作，盡量減少鋼包下渣。

（3）控制轉爐內溫度，防止末期溫度過高。

（4）加強攪拌，縮短脫磷反應所需時間。

（5）若鐵水含磷量過高，一次造渣脫磷效果不能滿足要求，就要采用雙渣操作，具體操作是在吹氧煉鋼初渣化好后先將前期渣倒掉，然后繼續吹氧加料煉鋼。雙渣法操作脫磷效果顯著，但是要注意氧槍粘渣問題。

（6）若鐵水含磷量并不高，但是轉爐煉鋼末期發現磷偏高，需要取樣檢驗鐵水中的硅含量是否低于要求，因為硅含量在0.2%以下就會影響化渣，在0.1%以下時前期渣就化不了，脫磷反應無法進行。對策是提高氧槍，優先加入氧化鐵皮或者燒結礦，縮短前期渣化時間。

3 與轉爐煉鋼配合的脫磷措施

3.1 鐵水爐外預脫磷

轉爐煉鋼脫磷雖然高效，但是造渣劑和熔劑投入使用量大，煉鋼時間變長，影響生產效率。鐵水脫磷與煉鋼脫磷相似，需要向鐵水中加入氧化劑將磷氧化，進入到爐渣中與磷的固定劑反應生成較穩定產物留在爐渣中。若所加入的固定劑熔點較高，要同時加入助熔劑促進固化劑熔化成渣。鐵水脫磷劑通常都是由氧化劑、固定劑和助熔劑組成，具體成分如下[4]。

（1）氧化劑。常用氧化劑有O2和氧化鐵皮，其他的氧化劑如Fe2(SO4)3、CaSO4的氧化性較FeO強，CaCO3的氧化能力較弱。

（2）固定劑。磷被氧化成P2O5高溫下容易分解，加入CaO、Na2CO3等固定劑可固化脫磷效果。

（3）助熔劑。CaF2和CaCl2鹵化物都有助熔作用，助熔劑加入后能與渣中CaO反應生成低熔點物質。CaCl2的熔點遠遠低于CaCl2，助熔效果明顯，脫磷效率提升，但其所產生有毒氣體Cl2需要處理后才能排放。

3.2 機械攪拌法

向鐵水包中加入提前配制好的脫磷劑，使用耐高溫的機械攪拌裝置將鐵水與脫磷劑攪拌混勻，必要時可以同時向鐵水中吹氧增加氧化性和攪拌力，日本某公司采用機械攪拌法進行鐵水爐外脫磷處理，脫磷效率高達60%～85%[4]。

3.3 噴吹法

目前鐵水爐外脫磷處理常見的方法是噴吹法，具體方法是通過惰性氣體等將脫磷劑噴吹進入鐵水包中，使脫磷劑與鐵水充分混合，增加接觸面迅速進行脫磷反應。日本某鋼鐵公司以Ar作載氣使用噴吹法進行鐵水脫磷處理，脫磷率達90%左右。

4 結語

（1）磷含量對鋼鐵材料性能影響很大，脫磷是轉爐煉鋼的主要任務之一，轉爐煉鋼脫磷條件應嚴格控制“三高一低”，發現磷含量異常及時采用有效措施處理。

（2）鐵水爐外脫磷是配合轉爐煉鋼脫磷的重要方法，能顯著提高脫磷效率，縮短轉爐煉鋼時間，提倡與轉爐脫磷相互配合使用。