提高轉爐脫磷效率的研究與實踐

李亞厚， 方 鳴， 杜長志

(河鋼集團承鋼公司技術質量部，河北 承德 067001)

引 言

碳、硅、錳、磷、硫是鋼中的五大元素，幾乎所有鋼中都含有磷元素。對于絕大多數的鋼種而言，磷都屬于有害元素。磷元素通常以Fe3P或Fe2P的形式在存在于鋼中，使鋼材容易出現“冷脆”現象。隨著社會的進步與鋼鐵冶金技術的發展，市場對鋼材質量的要求越來越高，特別是對鋼中磷含量要求更為嚴格[1-2]。

傳統的脫磷理論認為高堿度、高氧化性、大渣量有利于脫磷，然而在高度重視可持續發展的今天，鋼鐵行業存在資源緊缺、能源消耗大、煙塵及爐渣等固體廢棄物排放量大等問題，傳統脫磷理論建立起來的脫磷工藝使冶金技術人員在脫磷效率與高消耗之間不斷尋找平衡，以兼顧脫磷與降低煉鋼成本[3-4]。

1 提高脫磷效率的主要原因

由于轉爐爐渣鐵含量較高，全鐵含量一般在15%～30%。為了提高轉爐渣的綜合利用價值，越來越多的鋼鐵廠開始施行高爐回吃轉爐渣技術。在高爐的強還原性氣氛下，轉爐渣中鐵元素得到還原，與此同時爐渣中的磷元素也被還原進入鐵水中，從而使磷元素在鐵水中得到富集，進而加大了轉爐脫磷的壓力。

隨著社會的進步與鋼鐵冶金技術的發展，鋼材標準越來越嚴格，市場對低磷鋼、超低磷鋼的需求量不斷增加。同時，隨著社會環境保護意識的不斷提升，一方面螢石等化渣劑的使用量受到限制，另一方面要求企業減少爐渣等固體廢棄物的排放。因此，提高鋼鐵脫磷效率成為治金技術人員面臨的一項重要任務。

河鋼承鋼采用含釩鐵水雙聯法煉鋼，鐵水先經提釩處理后，再用半鋼煉鋼。吹煉前期爐渣堿度較高，脫磷效果較強，但在后期回磷現象較為明顯。

2 脫磷原理

2.1 磷元素的氧化[見式(1)～式(4)]

(1)

(2)

(3)

(4)

反應式(1)、式(2)生成的P2O5為氣態，在煉鋼溫度下，氣象磷化物的平衡分壓極低，因此在煉鋼溫度下不能形成。所以脫磷過程多按式(3)、式(4)進行，形成3FeO·P2O5。由于3FeO·P2O5穩定性較差，在1 500 ℃以上很難存在，所以其必須與堿性物質結合，形成高溫下穩定存在的復雜化合物。

2.2 脫磷反應

轉爐冶煉過程，通過加入石灰、白云石等造渣料進行造渣脫磷，具體脫磷反應式如式(5)、式(6)。

2[P]+5FeO+3CaO=3CaO·P2O5

(5)

2[P]+5FeO+4CaO=4CaO·P2O5

(6)

近些年來，通過在實驗室進行轉爐渣中磷元素存在規律和影響因素的研究發現，轉爐脫磷過程存在兩個方面的影響因素：即氧化脫磷和磷元素的固化。其中，磷元素的氧化過程需要高氧化性、高堿度等冶煉條件；磷元素的固化則需要通過Ca2SiO3固溶Ca3(PO4)2形成Ca2SiO3-Ca3(PO4)2完成，固磷相Ca2SiO3-Ca3(PO4)2的存在環境并不需要高堿度、高氧化性渣系。

3 現場試驗

3.1 工藝流程

河鋼承鋼采用鐵水雙聯工藝煉鋼，即，鐵水先進行提釩處理再煉鋼。提釩后的半鋼硅、鈦、錳、鉻等元素的含量極低，終點爐渣堿度較高，一般在5～6左右，雖然前期脫磷效果顯著，但是后期回磷現象較為嚴重。

現以某120 t轉爐為試驗對象，冶煉鋼種為焊接用鋼H08A，此鋼種磷含量要求較低(ω[P]≤0.020%)。本試驗通過在轉爐吹煉后期，加入碳化硅、爐下渣等含硅物質調整爐渣堿度，檢驗爐渣的“固磷”效果。

工藝優化前、后分別取50爐次進行跟蹤，并記錄脫磷效果、爐渣堿度等試驗結果。試驗半鋼條件見表1，造渣物流種類及加入量見表1。

表1 試驗半鋼條件

表2 造渣物料種類及加入量

3.2 吹煉過程

轉爐兌半鋼結束后降槍開氧氣點火，槍位控制在1.3 m，氧氣流量設定為18 000 m3。第一批造渣料加入石灰總量的60%～80%，白云石全部加入。待第一批渣料化透后將剩余石灰全部加入。最后，在吹煉結束前5 min將碳化硅、爐下渣全部加入。

由于前期采取高槍位、低氧壓操作，爐渣中氧化鐵含量較高、堿度大、溫度較低，符合脫磷的熱力學、動力學條件，所以說脫磷過程主要發生在前期。隨著吹煉過程的繼續，吹煉中期碳氧反應加劇，溫度逐漸上升，氧化鐵含量降低，脫磷反應受到限制。

進入吹煉后期，溫度繼續升高、爐渣中的氧化鐵含量繼續減少，不僅不利于脫磷反應，而且爐渣中部分磷酸鹽分解，磷元素重新進入鋼中，造成鋼水回磷。

通過在轉爐吹煉后期加入碳化硅、爐下渣等含硅物料，降低爐渣堿度，使C2S固溶C3P形成C2S-C3P來完成，固磷相C2S-C3P的存在并不需要太高的堿度。

3.3 爐渣堿度

對工藝優化前、后的終點爐渣進行取樣分析，具體數據如表3所示。

表3 終點爐渣平均成分與堿度

3.4 終點磷含量

轉爐吹煉工藝優化前、后的終點磷含量進行取樣檢驗，具體結果如圖1所示。

圖1 工藝優化前后終點P含量爐數分析

對比上述試驗數據可知，通過在轉爐吹煉后期加入碳化硅、爐下渣等含硅物料，轉爐渣系由前、中期的FeO-CaO相渣系調整為CaO-SiO2相渣系。轉爐渣平均爐渣堿度降低1.5，平均磷含量降低0.004%，提高了爐渣的固磷效果。

4 結語

1)轉爐脫磷過程由FeO-CaO相渣系“氧化脫磷”和CaO-SiO2相渣系“固磷”兩個主要環節組成；

2)冶煉前期爐渣堿度高、FeO含量高，可以促進“氧化脫磷”，但過量會使固磷相分解，不利于固磷；

3)轉爐脫磷爐渣存在臨界SiO2含量，即w(Si)/w(P)≥3，SiO2含量低于臨界含量時，會影響脫磷反應的“固磷”環節；

4)溫度對固磷相有較大影響，較低FeO含量有利于固磷相有較大影響，較低FeO含量有利于固磷相C2S在較高溫度條件下穩定存在。