初始條件對鐵水預(yù)處理脫磷的影響

杜曉建， 牛愛兵

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司煉鋼二廠， 山西 太原 030003）

初始條件對鐵水預(yù)處理脫磷的影響

杜曉建， 牛愛兵

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司煉鋼二廠， 山西 太原 030003）

鐵水預(yù)處理脫磷是不銹鋼冶煉工藝中重要的一環(huán)。在大生產(chǎn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析初始Si含量、初始P含量、初始C含量以及溫度對終點P含量的影響。結(jié)果顯示，在鐵水預(yù)處理脫磷過程中，初始Si含量與終點P含量正相關(guān)，初始Si含量每增加0.1%，則終點P含量增加約0.002%。二元堿度RCaO/RSiO2為3.5～4.0，初始P含量為0.04%～0.06%，終點P含量在0.005%～0.015%之間。在處理溫度為1 220～1 320℃，初始C含量為3.8%～4.4%時，初始C含量與終點P含量的對應(yīng)關(guān)系較小。終點P含量隨初始溫度和處理后溫度的升高而升高，同時處理后溫度對終點P含量的影響比初始溫度的影響更大。

不銹鋼 鐵水預(yù)處理 脫磷

在不銹鋼冶煉中，由于缺乏良好的脫磷熱力學(xué)條件，因而，通常采用低磷的不銹鋼返回料或者采用經(jīng)過鐵水預(yù)處理脫磷后的鐵水。在鐵水溫度下，由于鐵水中的磷不能直接氧化成P2O5氣體而去除，而是首先氧化成磷酸，然后與強堿性氧化物結(jié)合成穩(wěn)定的磷酸鹽而從鐵水中去除。因此，在實際鐵水預(yù)脫磷過程中，要有效地脫去鐵水中的有害雜質(zhì)磷，首先要有適當(dāng)?shù)难趸瘎⑷芙庥阼F水中的磷氧化，然后采用強有力的固定劑，使被氧化的磷牢固地結(jié)合在爐渣中。在鐵水預(yù)處理過程中，為實現(xiàn)有效的鐵水脫磷，需要加入石灰、螢石，還有鐵鱗或者燒結(jié)除塵灰。本研究針對不同的鐵水條件，進行脫磷處理，分析并研究初始條件對終點磷含量的影響。

1 試驗材料及方法

圖1是鐵水預(yù)處理設(shè)備的示意圖，此工藝具有脫硅、脫磷、脫硫“三脫”功能，主要為不銹鋼提供低磷鐵水，采用噴粉法，即用氮氣或空氣作載氣，用浸沒噴槍將粉劑噴入熔池底部；鐵水預(yù)處理脫磷過程中的氧化劑分為氣體氧化劑和固體氧化劑兩種形式。氣體氧化劑主要為工業(yè)用氧和壓縮空氣中的氧，固體氧化劑主要是以Fe2O3為主要成分的各種物料，主要是燒結(jié)除塵灰。

圖1 鐵水預(yù)處理設(shè)備示意圖

在鐵水預(yù)處理過程中，由于硅與氧的結(jié)合能力遠遠大于磷與氧的結(jié)合能力，所以硅比磷優(yōu)先氧化，脫磷前必須優(yōu)先將鐵水硅氧化到0.3%以下，磷才能被迅速氧化除去。同時，在脫磷過程中需考慮C與P元素的選擇性氧化。因此，本文試驗數(shù)據(jù)來源于生產(chǎn)實際結(jié)果，選擇初始w（Si）在0.3%以下，C、P以及溫度等初始條件不限制。采用石灰系爐渣進行脫磷，二元堿度RCaO/RSiO2控制在3.5～4.0之間。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 初始Si含量的影響

下頁圖2是初始Si含量對終點P含量的關(guān)系圖?？梢钥吹?，初始Si含量與終點P含量正相關(guān)，即初始Si含量越高，終點P含量越高。不過，初始w（Si）在0.2%～0.25%之間時，相同初始Si含量對應(yīng)的終點P含量不同，說明初始Si含量不是終點P含量的唯一影響因素。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，回歸的關(guān)系式為：處理后 w（P）=0.007 09+0.019 60×w（Si）（處理前）。即初始w（Si）每增加 0.1%，則終點 w（P）增加約0.002%。根據(jù)氧勢圖[1]，Si在P之前優(yōu)先氧化，鐵水的初始硅含量越高，脫磷越困難。王海川等人[2]利用Fe203-CaO-CaF2渣系研究了鐵水預(yù)處理脫硅對脫磷的影響，認為鐵水脫磷的最佳初始w（Si）為0.10%～0.15%。樂可襄等人[3]認為硅能與噴吹的脫磷粉劑中的氧或氧化鐵反應(yīng)，且其反應(yīng)趨勢比磷強；認為鐵水初始w（Si）在0.10%以下合理的。佐々木直人等人[4]對鐵水初始硅含量對脫磷中石灰的效率影響進行了研究，認為在Si氧化后造成鐵水溫度升高，進而影響鐵水脫磷。這些觀點與本研究的結(jié)果一致，初始w（Si）在0.3%以下，Si含量的增加導(dǎo)致終點P含量高。

圖2 初始w（Si）對終點w（P）的影響

2.2 初始P含量的影響

圖3是初始P含量對終點P含量的關(guān)系圖?？梢钥吹?，初始P含量越高，終點P含量越高。初始w（P）在0.04%～0.06%之間，而終點w（P）在0.005%～0.015%之間，表明二元堿度RCaO/RSiO2為3.5～4.0，初始w（P）為0.04%～0.06%，在此條件下的脫磷率在70%～90%之間。根據(jù)P負荷理論，初始P含量越高，鐵水中的和渣中的P元素總量越多。在爐渣成分穩(wěn)定時，渣中的磷容穩(wěn)定，其中磷容是磷酸鹽容量的簡稱，它是衡量渣系脫磷能力的重要標(biāo)志。Jiang Diao等人[5]對爐渣的P2O5溶解度分析后，得出爐渣二元堿度RCaO/RSiO2從1.5提高至3.5，則P2O5溶解度從81.6%增加至97.9%。這表明P2O5溶解度與爐渣的成分關(guān)系緊密，在爐渣成分穩(wěn)定時，初始P含量越高，導(dǎo)致終點P含量難以降低。

2.3 初始C含量的影響

圖4是初始C含量對終點P含量的關(guān)系圖?？梢钥吹?，初始C含量與終點P含量的關(guān)系趨勢線接近于水平，這個結(jié)果表明，在處理溫度為1220～1320℃，初始w（C）為3.8%～4.4%時，初始C含量與終點P含量的對應(yīng)關(guān)系較小。溫度和碳含量是鐵水預(yù)處理脫磷和轉(zhuǎn)爐脫磷的主要區(qū)別，當(dāng)鐵液中存在碳和磷元素時，碳要與磷爭奪氧，發(fā)生選擇性氧化，對脫磷反應(yīng)的動力學(xué)研究[6-8]均認為與碳含量相比，溫度的影響更大。徐匡迪等人[9]認為將半鋼碳的質(zhì)量分數(shù)控制在3.5%，堿度為1.7，則當(dāng)溫度高于碳與磷的選擇性氧化轉(zhuǎn)折溫度（約為1 400℃）時，鐵液幾乎不能脫磷，即使提高堿度，脫磷效果也不明顯。李峻[10]認為脫碳量也是影響脫磷效果的重要指標(biāo)，在相同溫度和爐渣堿度條件下，脫磷率隨脫碳量變化而變化。因而，當(dāng)鐵水溫度較高時，在1 400℃以上，脫磷困難；當(dāng)溫度較低（處于1 220～1 320℃之間），w（C）相對較高（3.8%～4.4%）時，初始 C含量對終點P含量的影響很小。

圖3 初始w（P）對終點w（P）的影響

圖4 初始w（C）對終點w（P）的影響

2.4 溫度的影響

下頁圖5是初始溫度、處理后溫度對終點P含量的關(guān)系圖?？梢钥吹剑跏紲囟仍礁?，終點P含量越高；處理后溫度和終點P含量的關(guān)系與初始溫度對應(yīng)終點P含量的一致，而且處理后溫度對終點P含量的影響比初始溫度的影響更大。這是因為終點P含量與終點的鐵水條件直接相關(guān)，與初始條件的影響相對較小。熱力學(xué)分析[1]可知溫度低有利于脫磷，王慶祥[11]對組成為40%CaO-45%Fe203-15%CaF2的渣劑的脫磷溫度進行了研究，得出的最佳脫磷溫度為1 350℃左右。樂可襄等人[12]在寶鋼二煉鋼對鐵水溫度與脫磷率之間的關(guān)系進行了試驗研究，在溫度由1 360℃上升到1 420℃時，脫磷率從75%下降到65%左右。在本研究中，處理后的溫度控制在1 280～1 320℃之間，比前人的1 350℃左右處理溫度低約50℃，同時終點P含量能達到工藝需求。表明在動力學(xué)條件充足的情況下，處理溫度可以處在低位。

圖5 初始溫度對終點w（P）的影響

3 結(jié)論

1）在鐵水預(yù)處理脫磷過程中，初始Si含量與終點P含量正相關(guān)，初始w（Si）每增加0.1%，則終點w（P）增加約 0.002%。

2）二元堿度 RCaO/RSiO2為 3.5～4.0，初始 w（P）為0.04%～0.06%，終點w（P）在0.005%～0.015%之間。

3）在處理溫度為 1 220～1 320 ℃，初始 w（C）為3.8%～4.4%時，初始C含量與終點P含量的對應(yīng)關(guān)系較小。

4）終點P含量隨初始溫度和處理后溫度的升高而升高，同時處理后溫度對終點P含量的影響比初始溫度的影響更大。

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（編輯：苗運平）

Effect of Initial Conditions on Dephosphorization During Hot Metal Pretreatment

Du Xiaojian,Niu Aibin
（Second Steelmaking Plant of Shanxi Taigang Stainless Steel Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030003）

The dephosphorization during hot metal pretreatment was a critical step in stainless steelmaking.Based on production data,the relationships between initial conditions and final phosphor content were analyzed.The results showed that there was a positive correlation between initial silicon content and final phosphor content.When the initial silicon content added 0.1%,the final phosphor content increased 0.002%.The binary basicity (CaO/SiO2)was 3.5～4.0 and the initial phosphor content was 0.04%～0.06%,so the final phosphor content was 0.005%～0.015%.There was no obvious correlation between initial carbon content and final phosphor content under certain conditions,which were at the temperature of 1 220℃～1 320℃ and the initial carbon content of 3.8%～4.4%.Although the final phosphor content increased with the increase ofinitial temperature and final temperature,the final temperature had a great influence on the final phosphor content than the initial temperature.

stainless steel,hot metal treatment,dephosphorization

TF104.4

A

1672-1152（2017）04-0007-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.04.03

2017-07-25

杜曉建（1979—），男，畢業(yè)于鋼鐵研究總院，博士，從事不銹鋼工藝改進及質(zhì)量控制，工程師。