高效無氟脫磷團(tuán)塊的實(shí)驗(yàn)研究

文志軍 岑明進(jìn) 吳 杰

(武漢鋼鐵 (集團(tuán))公司研究院)

高效無氟脫磷團(tuán)塊的實(shí)驗(yàn)研究

文志軍 岑明進(jìn) 吳 杰

(武漢鋼鐵 (集團(tuán))公司研究院)

采用團(tuán)塊脫磷劑，對(duì)磷含量在0.105％至0.637％范圍的含磷鐵水進(jìn)行了預(yù)處理實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，脫磷團(tuán)塊在堿度小于3時(shí)仍可獲得超過90％的脫磷率，脫磷劑的組成是脫磷效率的決定性因素，渣量及初始磷含量決定了脫碳率。

髙磷鐵水 脫磷 脫碳

0 前言

近年來，鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能急劇放大，導(dǎo)致鐵礦石需求激增，而同時(shí)鐵礦石的品位越來越低，鐵礦石帶入的 S、P等有害雜質(zhì)則越來越多，但用戶對(duì)鋼鐵產(chǎn)品的性能要求又越來越高，這對(duì)冶煉技術(shù)形成了前所未有的挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)鐵水預(yù)處理提出了更高的要求，不僅要求能滿足短流程生產(chǎn)工藝的需要，也要求其具備適應(yīng)極端工藝條件的能力。

對(duì)鐵水預(yù)處理的脫磷研究，目前國(guó)內(nèi)外均針對(duì)磷含量較低的低磷鐵水，對(duì)磷含量較高的中高磷鐵水的研究相對(duì)較少。眾所周知，脫磷劑的脫磷效果實(shí)際上取決于脫磷時(shí)的熱力學(xué)條件及動(dòng)力學(xué)條件，理想的脫磷熱力學(xué)條件為高堿度、高渣量、高氧化性、低溫，但上述條件之間是相互制約的，當(dāng)脫磷劑堿度較高時(shí)，熔渣流動(dòng)性能必然較差，允許的脫磷溫度相對(duì)也要較高；如果大量使用助熔劑改變?nèi)墼牧鲃?dòng)性，則必須減少氧化劑的用量，而熔渣氧化性因此降低。因此，理想的脫磷熱力學(xué)條件較難同時(shí)滿足，因而中高磷鐵水的預(yù)處理成為目前還無法解決的難題。

本文提出了采用團(tuán)塊脫磷劑自動(dòng)調(diào)節(jié)脫磷渣溫度、堿度及氧化性的方法，從而使不同堿度的脫磷團(tuán)塊在溫度較低時(shí)也能高效脫磷。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

實(shí)驗(yàn)用高磷鐵水采用武鋼煉鋼生鐵與磷鐵配制，脫磷劑采用氧化鈣、氧化鐵、氯化鈣配制。原材料化學(xué)成分見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用原材料化學(xué)成分 w t％

1.2 脫磷劑的配制

脫磷劑采用常用的石灰渣系，石灰不僅是脫磷劑必須的固定劑，也比鈉系更為環(huán)保，環(huán)保已成為實(shí)用技術(shù)的必備要素，因此脫磷劑放棄常用的助熔劑氟化鈣，而采用氯化鈣助熔。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備是臺(tái)立式高溫爐，具體如圖1所示。

用內(nèi)徑Φ68mm剛玉坩堝作配置髙磷鐵水的坩堝，外套石墨坩堝保護(hù)。按需要將適量磷鐵及小生鐵塊放入剛玉坩堝內(nèi)，將坩堝放入高溫爐內(nèi)升溫至1350℃恒溫，待生鐵熔化后用石英管取鐵水初始樣，化驗(yàn)生鐵成分，鐵塊冷卻備用。

按實(shí)驗(yàn)需要配制脫磷劑，將塊狀石灰磨碎，與氧化鐵粉混勻，放入造球盤造球，噴灑氯化鈣水溶液，制成團(tuán)塊脫磷劑烘干備用。用內(nèi)徑Φ70mm剛玉坩堝作實(shí)驗(yàn)坩堝，外套石墨坩堝保護(hù)。將髙磷鐵塊放入剛玉坩堝內(nèi)，將坩堝放入高溫爐內(nèi)升溫至1350℃恒溫，待生鐵熔清后加入配制好的脫磷劑，脫磷團(tuán)塊融熔后用石英管取鐵水樣。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)需要考察堿度對(duì)脫磷率的影響、脫磷劑組分對(duì)脫磷率的影響、渣量對(duì)脫磷率的影響、初始磷含量對(duì)脫磷率的影響、脫磷劑對(duì)脫碳率的影響等因素。實(shí)驗(yàn)方案多因素混合交叉設(shè)計(jì)，具體見表2。

表2 髙磷鐵水預(yù)處理實(shí)驗(yàn)方案

3 結(jié)果與分析

髙磷鐵水預(yù)處理脫磷實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 鐵水預(yù)處理實(shí)驗(yàn)脫磷結(jié)果 ％

3.1 堿度對(duì)脫磷率的影響

脫磷的熱力學(xué)分析表明，堿度越高，越有利于脫磷，但實(shí)際上，這是在不考慮渣的熔化性能前提下的結(jié)論，若堿度過高，必然導(dǎo)致熔渣流動(dòng)性差，脫磷效率下降。因此，不同的工藝條件，熔渣在堿度與粘度之間存在對(duì)脫磷最有利的平衡點(diǎn)。研究表明，在1600℃含磷0.2％鐵水脫磷實(shí)驗(yàn)中，爐渣的適宜堿度為4.4[1]，在轉(zhuǎn)爐少渣精煉階段爐渣的堿度不宜超過5[2]。在該范圍內(nèi)，脫磷率隨堿度的升高而提高。

團(tuán)塊脫磷劑表現(xiàn)出不一致的規(guī)律，將表3中脫磷劑組分相同的1號(hào)、2號(hào)及3號(hào)組成 A組，6號(hào)、9號(hào)及10號(hào)組成B組，比較兩組堿度與脫磷率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 堿度與對(duì)應(yīng)的脫磷率

由圖2可以看出，兩組脫磷率與堿度的對(duì)應(yīng)關(guān)系并不一致，B組脫磷率隨堿度的提高而上升，而A組則呈下降趨勢(shì)，這說明脫磷率高低與堿度失去直接關(guān)聯(lián)，即團(tuán)塊脫磷劑在堿度較低的情況下也可獲得較高脫磷率。實(shí)驗(yàn)中 A組和 B組涵蓋了堿度從1.72到大于 8.72、初始磷含量從0.241％到0.637％實(shí)驗(yàn)條件，說明在該條件范圍內(nèi)，可以在大幅降低堿度的同時(shí)獲得更高的脫磷率，這就為大幅度降低脫磷劑消耗提供了有利條件。

3.2 脫磷劑組分對(duì)脫磷率的影響

脫磷劑組分對(duì)脫磷率的影響如圖3所示。為排除渣量對(duì)脫磷率的影響，圖中只繪出渣量15％的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖3 脫磷劑組分對(duì)應(yīng)的脫磷率(渣量15％)

由圖3可以看出，脫磷劑組分對(duì)脫磷率影響較大，圖中氧化鐵含量一直在上升，表明脫磷率與氧化鐵含量沒有直接關(guān)系，因而直接影響脫磷率的只有氯化鈣的配比。脫磷率的急劇波動(dòng)都對(duì)應(yīng)著氯化鈣的變動(dòng)。當(dāng)氯化鈣低于13％時(shí)，脫磷率相當(dāng)?shù)?，說明13％已接近脫磷劑中氯化鈣的最低值。但氯化鈣高于13％，氧化鈣的波動(dòng)導(dǎo)致同樣脫磷率的變動(dòng)，因此本實(shí)驗(yàn)中影響脫磷率的最主要因素是氯化鈣與氧化鈣的配比。當(dāng)氯化鈣含量高于低限值時(shí)，氧化鈣與氯化鈣的比例決定了脫磷效率。從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，氧化鈣與氯化鈣的合理比例在1.5～2.0之間；氯化鈣配比為13.3％時(shí)，氧化鈣含量必須低于32％；氯化鈣配比為20％時(shí)，氧化鈣含量可高于30％。因此，脫磷劑有兩種選擇方向，一種是低堿度高氧化性，另一種是高堿度低氧化性。無論選擇何種方向，最終目的均應(yīng)為尋求最低渣量。

3.3 渣量及初始磷含量對(duì)脫磷率的影響

渣量是判別脫磷劑脫磷效率高低與否的關(guān)鍵指標(biāo)，渣量過大，不僅造成預(yù)處理過程中溫降加劇，影響后續(xù)工藝的能量消耗，導(dǎo)致后續(xù)工藝無法執(zhí)行，而且增加了生產(chǎn)操作及調(diào)度組織的難度。對(duì)于高磷生鐵，渣量不僅僅與脫磷劑脫磷效率有關(guān)，還與生鐵初始磷含量有關(guān)，在脫磷效率等同的條件下，生鐵初始磷含量高，渣量必然更高。

本實(shí)驗(yàn)生鐵初始磷含量從0.105％至0.637％，生鐵初始硅含量從＜0.1％至0.56％，渣量主要以10％及15％為主。渣量及初始磷含量對(duì)脫磷率的影響如圖4所示。為排除脫磷劑組分對(duì)脫磷率的影響，只選用脫磷劑組成相同的結(jié)果。

圖4 組分固定時(shí)渣量與脫磷率的關(guān)系

由圖4可以看出，當(dāng)初始磷含量及渣量由低到高時(shí)，脫磷率反而不斷下降。分析其原因，可能與團(tuán)塊脫磷過程中熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)條件的變化有關(guān)。

在粉劑處理過程中，初期脫磷劑漂浮在液態(tài)鐵水表面，即便是吹氣加強(qiáng)攪拌，脫磷劑絕大部分仍處于與鐵水隔離狀態(tài)，反應(yīng)生成的氣體由于出路不暢，使脫磷劑與鐵水隔離狀態(tài)進(jìn)一步加劇，脫磷完全依靠少量的渣鐵界面的分配來完成，整個(gè)渣鐵系統(tǒng)中，同時(shí)滿足脫磷“三高一低”熱力學(xué)條件的僅在脫磷初期的數(shù)量較少的渣鐵分界線上。當(dāng)液態(tài)鐵水表面形成熔渣層后，脫磷劑又漂浮在渣層上，脫磷需要不斷熔化的脫磷劑增加磷容量才能進(jìn)行，當(dāng)脫磷劑熔化完畢，熔渣的磷容量不再增加，脫磷反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，脫磷便終止，脫磷效率的高低完全取決于熔渣的磷容量。

但在團(tuán)塊脫磷過程中，團(tuán)塊有相當(dāng)多的曲面浸入鐵水中，渣鐵界面成倍擴(kuò)展，生成的氣流能迅速通過團(tuán)塊間的空隙散開，不阻礙團(tuán)塊與鐵水的接觸；不僅如此，在當(dāng)液態(tài)鐵水表面形熔渣層后，比熔渣重的團(tuán)塊仍能穿透熔渣層保持與鐵水的接觸，最重要的是團(tuán)塊表面始終滿足脫磷“三高一低”熱力學(xué)的條件，因此，整個(gè)渣鐵系統(tǒng)在團(tuán)塊未完全熔融之前，團(tuán)塊能自動(dòng)調(diào)節(jié)熔渣成分，使熔渣保持脫磷所的需堿度、氧化性、渣量及溫度，故團(tuán)塊脫磷劑能始終保持快速脫磷狀態(tài)，因而脫磷效率與初始磷含量無關(guān)。當(dāng)團(tuán)塊完全熔融后，鐵水中的硅及磷均已轉(zhuǎn)移至爐渣中，此時(shí)即使發(fā)生回磷現(xiàn)象，也因渣鐵界面有限而處于可接受范圍內(nèi)。因此影響團(tuán)塊脫磷效果的只有爐渣熔融的速度(也就是氯化鈣與氧化鈣之間的比例)。當(dāng)團(tuán)塊超過脫硅及脫磷需要的渣量時(shí)，增加的團(tuán)塊會(huì)消耗體系中的碳及熱量，導(dǎo)致整個(gè)體系流動(dòng)性變差，因而脫磷率反而下降。

3.4 脫磷劑對(duì)脫碳率的影響

在脫磷過程中，常常伴隨不同程度的脫碳反應(yīng)，甚至發(fā)生只脫碳、不脫磷的不利現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)考察了脫磷過程中的脫碳情況。1號(hào)和3號(hào)、7號(hào)和 8號(hào)、9號(hào)和10號(hào)脫磷劑組成相同，但渣量分別為15％和10％。其脫碳結(jié)果如圖5所示。

圖5 渣量與脫碳率的關(guān)系

從圖5可以看出，渣量10％與渣量15％的碳損失率有較大差異。渣量15％的實(shí)驗(yàn)碳損失率均超過10％以上，而渣量10％的實(shí)驗(yàn)鐵水中碳含量反而有增加的趨勢(shì)。這是由于當(dāng)硅及磷氧化完畢后，如體系中存在多余的脫磷劑，就會(huì)消耗鐵水中的碳；如體系中不存在多余的脫磷劑，由于硅及磷轉(zhuǎn)移至渣中，碳占鐵水的比例提高了。脫碳率實(shí)際上由渣量及鐵水初始磷含量而定。渣量的變化表現(xiàn)在脫碳反應(yīng)上，證實(shí)了團(tuán)塊脫磷劑在熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)條件上均有利于脫磷反應(yīng)。

團(tuán)塊脫磷表現(xiàn)出的特質(zhì)使髙磷鐵水的脫磷總渣量可以盡可能向理論渣量靠近，這對(duì)髙磷鐵水預(yù)處理的工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化無疑具有相當(dāng)重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)論

1)使用團(tuán)塊脫磷劑時(shí)，堿度在3以下仍可獲得超過90％的脫磷率。

2)團(tuán)塊脫磷劑中氯化鈣比例不宜低于13％，氧化鈣與氯化鈣的合理比例在1.5～2.0之間。

3)使用團(tuán)塊脫磷劑時(shí)，脫磷劑用量增加，脫磷率可能反而下降。

4)本實(shí)驗(yàn)條件下，渣量及鐵水初始磷含量決定了脫碳率。

[1]趙國(guó)光，吳偉，馬嵩，等.1600℃高堿性渣與鋼液間磷的分配比[J].材料與冶金學(xué)報(bào)，2003，2(2)：83-87.

[2]周有預(yù)，喻承歡，徐靜波，等.轉(zhuǎn)爐鐵水脫磷預(yù)處理直煉工藝試驗(yàn)研究[J].煉鋼，2004，20(5)：40-43.

RESEARCH ON PRETREATM ENT FOR H IGH PHOSPHORUS HO TM ETAL IN LABORATORY

W en Zhijun CenM ingjin W u Jie (Research and Developm ent Center ofW uhan Iron and Steel(Group)Corp)

The p retrea tm ent in high phosphorus ho tmetal which content range from0.105％to0.637％was perfo rmed in the labo rato ry using agglom eration.The result show that the dephospho rization ratio can fo rereach90％when the basicity is below3，and the rate of dephosphorization is dependent on the composition of the agglom eration，the rate of decarburization is dependent on the quantity of slag and initial content of phosphorus.

high phosphorus dephosphorization decarbonization

＊聯(lián)系人：文志軍，碩士，高級(jí)工程師，湖北.武漢(430083)，武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院工藝技術(shù)研究所；

2010—5—25