轉爐煉鋼渣磷元素的富集及影響因素探討

趙志強

（河鋼宣鋼實業發展總公司，河北 張家口 075100）

轉爐煉鋼，是采用廢鋼、鐵水、鐵合金等原材料，利用鐵液本身的物理熱能、化學反應產生的熱量，完成煉鋼過程，主要用在碳鋼、合金鋼、銅鎳的冶煉上。轉爐煉鋼技術發展至今，出現了多種生產工藝，以堿性氧氣頂吹+頂底復吹工藝為例，具有產量大、生產速度快、成本低、投資少的優點，在目前的應用廣泛。以下結合試驗，探討了磷元素的富集特點和影響因素。

1 轉爐煉鋼過程中脫磷研究現狀

在大多數鋼材中，磷均是一種有害的元素。如果鋼中的磷含量過高，會增加鋼材的冷脆性，導致塑性和沖擊韌性降低，冷彎性能、焊接性能變差。因此，轉爐煉鋼過程中，脫磷是一個重要環節。相關學者針對C2S脫磷工藝及影響進行研究，對鋼渣進行微觀分析，結果顯示鋼渣中的磷元素不均勻分布，主要是磷酸鈣的形式[1]。進一步對鋼渣進行分析，發現磷酸鈣除了溶解在C2S中，還有小部分溶解在CS中。在冶煉初期，CS和鐵元素的氧化物就已經形成，到了冶煉后期則變成C3P-C2S固溶體，無法利用以往的脫磷理論進行解釋。

結合實際生產，轉爐終點的低碳低磷鋼（碳含量≤0.03%，磷含量在0.005%～0.006%之間），冶煉難度遠大于中碳低磷鋼（碳含量≥0.03%，磷含量在0.005%～0.006%之間）。而且，冶煉低磷鋼時，低碳含量條件下補吹，即使堿度高、FeO含量高、熔池溫度不變，也容易回磷。可見，只有掌握磷元素的富集特點，明確相關影響因素，才能提高脫磷效率，生產出高質量的鋼材。

2 磷元素的富集及影響因素試驗方法

2.1 試驗樣本

選擇生產中厚板的100t轉爐，鋼種為低碳抗酸鋼，碳含量在0.05%以內，磷含量在0.008%以內。冶煉時，拉碳后多次補吹，鐵水溫度為1270℃～1350℃，成分如下：C含量為4.5%～4.65%，Si含量為0.45%～0.65%，Mn含量為0.1%～0.15%，P含量為0.8%～0.95%，S含量為0.01%～0.025%。

獲取轉爐終點的渣樣、半鋼渣樣，檢驗渣樣成分見表1。其中，樣本11是脫磷結束后的半鋼渣，樣本1-10是拉碳和補吹樣。

2.2 試驗方法

將鋼渣破碎、拋光、清洗，制作成試樣，使用電子顯微鏡觀察試樣的形態。依據背散射成像原理，物質的原子序數越大，圖像越清晰明亮，反之越模糊黑暗[2]。觀察成像后可知，鋼渣中的主要元素，按照原子數、質量分數從大到小排列，依次是Fe、Ca、Si、Mg，然后進行定量分析。

表1 11個渣樣的組成成分（單位：%）

3 磷元素的富集及影響因素結果分析

3.1 磷元素的富集特點

觀察結果顯示，渣相可分為硅鈣相、鐵-氧化物相、鎂鈣相、鎂-氧化物相、鐵鈣相等。其中，磷元素只在含有硅元素的相中如C2S，其他相中則不含有磷元素。統計11個樣本的C2S所占比例，分別是：27.0%、22.7%、14.6%、18.5%、37.7%、26.2%、45.5%、30.0%、36.7%、29.9%、49.4%。可見，隨著渣中富磷相比例提高，磷的質量分數也在提高，兩者呈正相關性。此外，拉碳渣C2S-C3P的富磷相比例，要高于補吹渣，隨著補吹次數增加，渣相中富磷相占比不斷降低，且半鋼渣中富磷相的比例最高。

3.2 SiO2的影響

固磷相在渣中的比率，影響磷的質量分數，且SiO2是固相磷的主要成分之一。分析可知，渣中SiO2的含量，和渣中磷的質量分數關系密切，前提條件是補吹倒渣后，渣中SiO2質量分數較低，在5%～10%之間[3]。渣中SiO2的質量分數低于臨界值，會影響固磷環節，導致脫磷效果不佳。經計算，在100t鐵水中，磷的質量分數為0.12%，則磷含量為120kg，要想全部固化，需要硅元素360kg；這些硅元素均來自于鐵水，質量分數折合為0.36%。如果轉爐終點的磷質量分數是0.01%，鐵水磷的質量分數是0.12%，硅元素均來自于鐵水，那么合理的質量分數是：W≥3×(0.12%-0.01%)=0.33%。

3.3 FeO的影響

渣中固磷相的大小、形態均改變，是FeO造成的影響[4]。其中，固磷相中含有的Si-Ca相，分解為低熔點的硅酸鈣、硅酸鐵，如果轉爐終點溫度高，那么它呈現為液相。分析可知，終渣中的C2S混合相，是重要的固磷相，隨著FeO升高，C2S就會分解，形成低熔點的鐵酸鈣、硅酸鐵、磷酸鐵等；或者從大顆粒分解為小顆粒。磷元素在分解過程中，重回鋼液就發生回磷現象。

3.4 溫度的影響

溫度對磷元素的影響，一方面是直接影響固磷相，隨著溫度升高，磷從固態變為液態，出現回磷現象。另一方面是通過FeO對固磷相的作用，即FeO質量分數的高低，影響分解溫度，促使磷從固態變為液態。在FeO質量分數不同的條件下，渣相在1200℃～1600℃時，成分變化見表2。

表2 計算體系的成分（單位：%）

采用Si-Ca相的分解溫度，FeO質量分數越高，硅鈣相的分解溫度越低；FeO質量分數越小，硅鈣相的分解溫度越高。在以往脫磷環節，認為轉爐出鋼時，可以低溫脫磷；但影響終點溫度的因素多，例如鋼水液溫度、轉爐出鋼溫度等。基于磷的固化理論下，對轉爐終點固磷相的熔點進行控制，使其高于鋼水的溫度，可以實現低溫出鋼的目標[5]。

4 結論

綜上所述，轉爐煉鋼過程中，脫磷是一個重要環節，直接影響鋼的性能質量。為了明確鋼渣中磷元素的富集特點和影響因素，文中進行試驗分析，結論如下：

（1）試驗結果顯示，脫磷過程是磷的氧化、磷的固化兩個步驟組成，磷元素大多富集在C2S硅酸鈣相中。

（2）轉爐終渣中，隨著FeO質量分數升高，會導致C2S分解為低熔點的鐵酸鈣相，磷元素在分解期間重回鋼液，出現回磷現象，因此脫磷效果差。

（3）在渣-鋼平衡態，存在SiO2的臨界含量，如果SiO2的質量分數低于臨界值，就會影響固磷環節，降低脫磷效率。計算合理鐵水的方法是：WSi≥3×（鐵水WP-轉爐終點WP）。

（4）分析固磷相的分解溫度，發現較低FeO渣中的Si-Ca相，隨著溫度升高更加穩定。因此，通過控制轉爐終渣的固磷相分解溫度，可以實現低溫出鋼。

5 結語

轉爐煉鋼工藝中，鋼渣中的磷元素并非均勻分布，主要富集在含有硅元素的相中如C2S。分析可知，渣中SiO2的含量，FeO的質量分數，以及分解溫度，是影響磷元素富集的主要因素。希望通過本文，指導現場生產，進一步提高脫磷效率，生產出高性能質量的鋼材。