蔣 實(shí)

（河南省安陽市安鋼第二煉軋廠，河南 安陽 455000）

摘 要：在鋼鐵生產(chǎn)中，磷是一種有害元素。為了，提升鋼鐵質(zhì)量，必須對(duì)磷元素進(jìn)行控制。轉(zhuǎn)爐脫磷技術(shù)是煉鋼過程中的重要環(huán)節(jié)，能夠有效降低鋼鐵中所含的磷元素。文章介紹了常見的煉鋼脫磷方法，結(jié)合我國脫磷研究現(xiàn)狀，總結(jié)了鋼鐵生產(chǎn)中轉(zhuǎn)爐和脫磷技術(shù)的有效策略。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐；煉鋼工藝；高效脫磷

隨著許多產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入新階段，對(duì)鋼鐵材料質(zhì)量的要求也在不斷提高，如何控制鋼鐵中磷的含量，成為了企業(yè)發(fā)展的重要目標(biāo)。留渣+雙渣技術(shù)能夠減少渣量，保證轉(zhuǎn)爐過程的能量使用效率，配合脫磷技術(shù)，可以推動(dòng)綠色高爐生產(chǎn)。鋼鐵企業(yè)要加強(qiáng)對(duì)該技術(shù)的研究，推廣相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化產(chǎn)能、綠色生產(chǎn)的新發(fā)展目標(biāo)。

1 煉鋼脫磷方法

1.1 鐵水預(yù)處理

ORP 脫磷法具有較少的鐵損耗，高脫磷率，高氧利用率，該方法大致如下：首先將脫硅劑加到鐵水中進(jìn)行脫硅，再將上一次脫磷渣與本爐脫硅鐵水進(jìn)行攪拌，待鐵與渣基本分離后，再進(jìn)行扒渣^［1］。

1.2 轉(zhuǎn)爐脫磷

安鋼的 BRP 工藝是我國的一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的雙聯(lián)法脫磷，它可以有效地改善生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效益。據(jù)調(diào)查，在使用雙聯(lián)法進(jìn)行煉鋼的情況下，1 噸鋼水可較常規(guī)法節(jié)省 40%的石灰、24 公斤的鋼材、70 元的噸鋼成本^［2］。

雙聯(lián)法和雙渣留渣法都是利用冶煉初期的低溫脫磷工藝，雙聯(lián)法是將這種脫磷工藝放在專用的熔池內(nèi)進(jìn)行，而采用雙渣留渣法則采用倒除磷工藝完成^［3］。

2 爐渣脫磷研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，大部分冶金工作者對(duì)轉(zhuǎn)爐的脫磷都是從熔渣出發(fā)，主要從堿度、氧化性、動(dòng)力學(xué)條件的黏性、物相等三個(gè)方面進(jìn)行了探討^［4］。盡管許多鋼鐵企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的系統(tǒng)、細(xì)致的研究，并取得了豐碩的成果，但是，在理論研究和實(shí)際生產(chǎn)中仍有一定的距離^［5］。 考慮到工業(yè)節(jié)奏、取樣成本高、工藝難度大等問題，轉(zhuǎn)爐脫磷渣的成分的改變對(duì)其去除效果沒有顯著的作用，而對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)的機(jī)制尚不清楚，有效的除磷控制模型不夠精確，很難達(dá)到有效的除磷效果^［6］。

3 轉(zhuǎn)爐雙渣留渣工藝技術(shù)研究

3.1 熱力學(xué)分析

從分子離子共存理論和熔渣成分點(diǎn)在相圖中的位置可以看出，在 CaO- FeO- SiO₂- P₂O₅ 渣內(nèi)部包含的化學(xué)物質(zhì)有：4FeO·P₂O₅，4CaO·P₂O₅，3FeO·P₂O₅，鈣離子，正二價(jià)鐵離子，氧離子，氧化硅，氧化磷，硅酸三鈣，硅酸二鈣，硅酸鈣，硅酸二鐵，3CaO·P₂O₅ 以及 2CaO·P₂O₅。

活度計(jì)算模型屬于非線性方程組，使用 Matlab 程序，運(yùn)用 Newton 迭代法，對(duì)其進(jìn)行了計(jì)算。Newton 迭代法是一種通過逐次線性化的方法來建立一個(gè)求解函數(shù)（f x）=0 的求解公式。在一定的近似解 x（k）上，將向量函數(shù)（f x）作 Taylor 展開。

3.2 動(dòng)力學(xué)分析

以安鋼企業(yè) 150 t 轉(zhuǎn)爐的實(shí)際生產(chǎn)情況為基礎(chǔ)，對(duì)目前的工藝技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：在 1400℃下，當(dāng)爐渣中 P₂O₅ 的濃度為 5%時(shí)，爐渣中各種組元的活力會(huì)隨著堿度的改變而發(fā)生改變?；钚宰罡叩氖荈eO，而在復(fù)合化合物中活性最高的是 2CaO.SiO₂ 和 4CaOP2O5。在爐渣中 P₂O₅ 含量不變、爐渣堿性低于 2 的情況下，F(xiàn)eO 和 2CaO·SiO₂ 的活性隨堿性的增大而增大，在堿性超過 2 時(shí)，2CaO·SiO₂ 活性逐漸下降。2CaO· SiO₂ 中以磷為主，2CaO·SiO₂ 活性下降，從而使 2CaO· SiO₂ 的生成量下降，從而對(duì)除磷效果產(chǎn)生不利影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出，廢渣中堿度為 1.5~2 時(shí)，是最佳的脫磷效果。

3.3 渣物性參數(shù)研究

在爐渣中存在高熔點(diǎn)的 MgO、2CaO·SiO₂ 的析出相和未熔石灰粒子時(shí)，會(huì)使渣體不能完全熔融，對(duì)降低渣中 TFe 的影響很大。要降低熔渣中 TFe 的含量，就必須控制熔渣的組成，以降低熔體的粘度。在渣系堿性為 1.15、渣液中 FeO 含量較低的情況下，渣系的粘度較低，而在堿性大于 1.5 以后，渣系的粘度也隨之發(fā)生變化^［7］。

在采用雙渣留渣技術(shù)的情況下，為了達(dá)到完全熔融的目的，一定要把渣的堿性降到 1.3。一般爐渣中含有微量的 MnO、Al₂O₃ 等組分，它們可以在一定程度上擴(kuò)大三元系統(tǒng)中的液相區(qū)。在綜合以上因素的作用下，要使?fàn)t渣完全熔化，其堿性應(yīng)該在 1.5 以下。

此外，在控制爐渣表面張力的過程中，在鐵液成分固定的情況下，爐渣中 CaO、SiO₂、MnO 等元素在熔體中的比例保持不變，要改善其表面張力，就需要調(diào)節(jié)其表面活性成分 FeO，以實(shí)現(xiàn)對(duì)中鐵的抑制。

3.4 分離研究

溫度 T、爐渣表面張力 σ 和爐渣粘度 η 是影響爐渣分離的重要因素。對(duì)熔體的流動(dòng)性進(jìn)行有效的調(diào)控， 是快速脫磷廢渣的重要因素。為此必須做到以下幾點(diǎn)：

（1）把控溫度，一般爐渣的粘度會(huì)隨著溫度的升高而降低，但當(dāng)溫度升高時(shí) （達(dá)到碳 - 氧反應(yīng)平臺(tái)的溫度）時(shí)，碳和氧氣就會(huì)發(fā)生劇烈反應(yīng)，大量的 CO 會(huì)使鋼渣發(fā)生嚴(yán)重的乳化，從而使鋼渣難以分離。

（2）對(duì)爐渣的組成進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，以達(dá)到降低粘度的目的。通過對(duì)熔煉中脫碳脫磷反應(yīng)的熱力學(xué)分 析，得出：當(dāng) ΔGP- C<0 時(shí)，該反應(yīng)中磷元素的氧化反應(yīng) 不會(huì)產(chǎn)生碳的氧化反應(yīng)，而當(dāng) ΔGP- C>0 時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)碳的氧化反應(yīng)，而不會(huì)產(chǎn)生磷的氧化反應(yīng)。當(dāng)ΔGP- C=0時(shí)，碳、磷元素選擇性氧化的溫度為 1435 ℃。由于實(shí)際運(yùn)行溫度與理論計(jì)算有較大差異，因此，在轉(zhuǎn)爐的吹煉和除磷過程中，可以使?fàn)t膛的溫度下降到 1450 ℃^［8］。

渣相中堿性為 1.15，渣中 FeO 含量較少時(shí)，渣的粘度較小，渣的堿性值超過 1.5 以上，則會(huì)急劇上升。在爐渣堿度為 0.82~1.5 時(shí)，渣相粘度降低（0.2~0.4 Pa·s），爐渣堿性大于 1.5，其粘度隨堿性的升高而急劇上升，熔渣流動(dòng)性顯著降低。FeO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，渣相粘度越低。 圖 1 為在轉(zhuǎn)爐吹爐前的改變爐渣吸收質(zhì)子能力對(duì)熔點(diǎn)影響變化。

脫磷廢渣的熔點(diǎn)隨脫磷渣中鐵（FeO）的增加而先降低再增加。在廢渣（FeO）8%時(shí)，廢渣熔點(diǎn)為 1545 ℃，而在爐渣中（FeO）含量為 12%時(shí)，其熔點(diǎn)約為 1472 ℃；如果將鐵水中（FeO）的含量再增加至 20%，則該脫磷渣的熔點(diǎn)還會(huì)進(jìn)一步下降（約 1400 ℃），如果再增加鐵水中（FeO），則可以使脫磷渣的熔點(diǎn)稍有升高。在轉(zhuǎn)爐吹煉初期，為了防止鋼渣的分離，防止出現(xiàn)嚴(yán)重的 C- O 反應(yīng)，可以將渣液（FeO）控制在 12%~20%，此時(shí)，該渣熔點(diǎn)比較低^［9］。

在脫磷渣中 MgO 含量增加時(shí)，其熔點(diǎn)會(huì)先降后升。在 MgO 為 3%的情況下，該脫磷渣的熔點(diǎn)約為 1440 ℃；將廢渣（MgO）含量再增加至 5%，則其熔點(diǎn)約為 1410 ℃（最低）；將 MgO 的比例再增加至 9%，可使脫磷渣的熔點(diǎn)達(dá)到約 1450 ℃，在繼續(xù)增加 MgO 后，除磷渣的溶點(diǎn)值顯著增加。從根據(jù)轉(zhuǎn)爐早期爐渣的分離狀況，可以將（MgO）含量控制在 4%~8%。

3.5 留渣工藝

采用雙渣留渣技術(shù)，在脫碳階段結(jié)束后，終渣中的氧化鈣、氧化鐵的含量會(huì)大大增加，有利于下一爐次余渣的生成，并能加快脫磷的速度。但它的缺點(diǎn)是熔煉過程中容易出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象，嚴(yán)重危害到煉鋼工人和設(shè)備運(yùn)行的安全。試驗(yàn)開始之前的留渣過程為：兌鐵，通過吹煉進(jìn)行脫磷，排出部分脫磷渣，再進(jìn)行吹煉脫碳，初步出鋼，調(diào)渣，加入廢鋼。改進(jìn)后的工藝流程為：加入廢鋼，兌鐵，通過吹煉脫磷，排渣，再度吹煉脫碳，初步出鋼，調(diào)渣，加入 CaCO₃ 或 CaMg（CO₃ ）₂，再加工廢鋼。沒有試驗(yàn)時(shí)，工藝相關(guān)參數(shù)為：供氮量在 3.5m³ /t·min，調(diào)渣時(shí)間在 3 min，調(diào)渣總共氮?dú)庀臄?shù)量在 1570 m³ 左右，轉(zhuǎn)換為質(zhì)量單位的數(shù)值 W 為 1570×28/22.4=1962.5 kg。運(yùn)算后得到留渣理論安全值（和波動(dòng)幅度），可以對(duì)廢渣進(jìn)行冷卻。在保證剩余渣量的前提下，在 1650 ℃出鋼時(shí)，渣相的熔點(diǎn)降到 1500 ℃。如果上一次的留渣量太大，或者是出鋼溫度太高，則必須在出鋼之前添加一定數(shù)量的調(diào)渣劑，然后噴渣護(hù)爐，這時(shí)廢渣的溫度通常在1500 ℃左右。

4 脫磷分析

使用 150 t 轉(zhuǎn)爐時(shí)開展了一系列的研究，冶煉開始4 min 操作倒渣，進(jìn)而了解該階段中爐渣堿度，氧化亞鐵含量，倒渣過程中溫度影響脫磷的情況，為了保證數(shù)據(jù)的說服力，企業(yè)總共進(jìn)行 36 爐次，冶煉 4 min 時(shí)倒渣。通過對(duì)熔渣組成、堿度和脫磷率的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)在 3 min 內(nèi)，渣的堿度為 1.87，表明早期的石灰渣質(zhì) 量較好，而在 9 min 之前，渣的堿度只有 2.1。結(jié)果表明，在冶煉過程的中間階段，渣中氧化亞鐵占比過小，導(dǎo)致石灰熔融極慢，從而使?fàn)t渣產(chǎn)生輕微的“返干”，從而嚴(yán)重地影響了高爐的脫磷^［10］。

對(duì) 6、9、12 min 時(shí)完成脫磷后渣物成分相分析，可了解到：脫磷的過程分為氧化和爐渣兩個(gè)部分，影響脫磷效果的原因往往不取決于其中的磷，而在于氧化性低，脫磷速率過慢。在造渣中形成的固相硅酸二鈣離子是加速除磷的關(guān)鍵因素。

通過對(duì)雙渣脫磷試驗(yàn)的分析，發(fā)現(xiàn)在熔煉 4 min后，在低堿性條件下（R<1.5）下，脫磷渣中 P₂O₅ 的含量隨堿性的升高而增加。熔渣堿性越高，對(duì) P₂O₅ 的吸收能力就越強(qiáng)。結(jié)果表明，脫磷率較高的分布在 1.5~1.8 范圍內(nèi)，脫磷最佳效果能達(dá)到 72%以上。在冶煉達(dá)到 4 min，對(duì)爐渣的堿度進(jìn)行調(diào)整，脫磷效果能夠上升 12%；調(diào)整冶煉4 min 時(shí)爐渣中 FeO 含量，使脫磷率提高了 22%；調(diào)整倒渣溫度，使脫磷率提高 15%。圖 2 為調(diào)整后渣中 FeO含量脫磷率對(duì)比圖。圖 3 為前期 FeO 對(duì)脫磷率的影響。

5 結(jié) 語

留渣 + 雙渣轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷技術(shù)具有效果佳的特點(diǎn)，在開展脫磷處理工作前，企業(yè)要了解先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合自身情況開展轉(zhuǎn)爐脫磷。通過試驗(yàn)，了解最佳脫磷區(qū)間，提升脫磷效率。

參考文獻(xiàn)

［1］楊娜“. 雙渣+留渣”脫磷工藝在生產(chǎn)中的應(yīng)用與優(yōu)化［J］.山 東冶金，2020，（4）：17-19.

［2］高福彬，李建文，王玉剛.邯鋼 120t 轉(zhuǎn)爐“留渣+雙渣”脫磷工藝研究［J］.河南冶金，2020，（3）：23-26，42.

［3］劉忠建，王忠剛，寧偉.轉(zhuǎn)爐單渣留渣高效冶煉技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.工業(yè)加熱，2021，（10）：12-14，22.

［4］高琦，智建國，吳偉，等.100 t 轉(zhuǎn)爐留渣雙渣法冶煉高硅高磷鐵水試驗(yàn)［J］.特殊鋼，2020，（6）：41-45.

［5］崔璇，周朝剛，回屹，等.轉(zhuǎn)爐脫磷工藝中單渣法的研究進(jìn)展［J］.中國金屬通報(bào)，2021，（19）：23-24.

［6］楊之俊，張潤(rùn)灝，楊健，等.堿度和全鐵含量對(duì)新雙渣法轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷渣物相的影響［J］.煉鋼，2021，（6）：15-21.

［7］王雨墨，陶林，郭皓宇，等.轉(zhuǎn)爐鐵水預(yù)處理脫磷的影響因素［J］.鋼鐵，2020，（9）：29-37.

［8］王多剛，郭培民，程乃良，等.轉(zhuǎn)爐少渣深脫磷技術(shù)工業(yè)實(shí)踐［J］.鋼鐵釩鈦，2021，（5）：186-191.

［9］佟帥，李晨曉，王書桓，等.溫度對(duì)轉(zhuǎn)爐氣化脫磷渣再利用脫磷的影響［J］.鋼鐵釩鈦，2021，（5）：109-114.

［10］張蕊，賈吉祥，劉承軍，等.轉(zhuǎn)爐渣中磷的微觀結(jié)構(gòu)行為［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，（5）：646-651.