轉(zhuǎn)爐抑制回磷技術(shù)研究

孟義春，李 寧，午億土，牛嘉佳，劉國番，李慶平

（首鋼長治鋼鐵有限公司，山西 長治046031）

一般情況下磷為鋼中有害元素，鋼材中磷含量高時(shí)，鋼的塑性和沖擊韌性降低，同時(shí)使得鋼材的焊接性能與冷彎性能變差，而且磷在鋼中與碳、硅、硼一樣，均是對(duì)脆性轉(zhuǎn)變溫度影響最壞的元素[1-2]。因此，轉(zhuǎn)爐冶煉過程中脫磷是其的主要任務(wù)之一，諸多學(xué)者對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉過程的脫磷機(jī)理研究已經(jīng)很成熟，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中[3-5]。在實(shí)際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)磷含量已經(jīng)符合出鋼要求，但在成品鋼中磷含量超標(biāo)的現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生，造成磷廢。磷超標(biāo)主要是由于轉(zhuǎn)爐在出鋼過程中發(fā)生了回磷所致。

1 工藝裝備及原輔料條件

1.1 工藝裝備條件

首鋼長治鋼鐵有限公司（以下簡稱長鋼）現(xiàn)有3座80 t轉(zhuǎn)爐（其中1座為頂?shù)讖?fù)吹，其余2座為頂吹轉(zhuǎn)爐），2座80 tLF精煉爐和4臺(tái)連鑄機(jī)（1臺(tái)四機(jī)四流H型坯，1臺(tái)五機(jī)五流150 mm×150 mm小方坯，2臺(tái)六機(jī)六流150 mm×150 mm小方坯）。轉(zhuǎn)爐沒有下渣檢測和滑板擋渣等控制回磷的設(shè)備。

主要產(chǎn)品：低合金系列（HRB400E、HRB500E、MG335、MG500）；普鋼系列（Q235、Q195、HPB300D）；異型坯（Q235B、Q355B）；優(yōu)質(zhì)碳素鋼（20號(hào)-70號(hào)）；焊線鋼（ER50-6、ER70S-6）。

1.2 原輔料條件

長鋼高爐原料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鐵水中w[P]較高（0.12%～0.15%），鐵水條件如表1所示。

轉(zhuǎn)爐吹煉造渣材料主要為石灰、鐵礦石、輕燒白云石等。具體化學(xué)成分如表2所示。

表1 長鋼鐵水成分和溫度

表2 主要輔料成分 %

長鋼采用高磷礦進(jìn)行冶煉，導(dǎo)致鐵水w[P]平均0.134%，轉(zhuǎn)爐冶煉45號(hào)鋼采用單渣法，轉(zhuǎn)爐一倒終點(diǎn)w[P]平均0.022%，轉(zhuǎn)爐平均脫磷率83.33%。

2 理論研究

在吹氧的作用下，會(huì)使?fàn)t渣中FeO含量不斷升高，在鋼-渣界面上發(fā)生如下脫磷反應(yīng)[6]：

式中：K為脫磷反應(yīng)化學(xué)平衡常數(shù)；T為鋼水溫度。

從式（1）可以看出，脫磷反應(yīng)隨著鋼水溫度的升高，K值明顯降低，說明脫磷反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)。從脫磷的熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)角度來分析，脫磷反應(yīng)的有利條件為：適當(dāng)?shù)牡蜏?、高堿度、適當(dāng)高的FeO含量和大渣量。冶煉末期若溫度控制過高，會(huì)抑制脫磷反應(yīng)的正向進(jìn)行，出現(xiàn)回磷。另外，出鋼過程中，一旦出現(xiàn)下渣，鋼渣與包內(nèi)加入的脫氧劑發(fā)生氧化反應(yīng)，使得鋼中的氧以及渣中FeO含量降低，脫氧產(chǎn)物SiO2等進(jìn)入爐渣使?fàn)t渣堿度降低，這一過程會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)。

渣中FeO與脫氧劑作用：爐渣與脫氧產(chǎn)物作用：

渣中P2O5與脫氧劑的作用：

最終導(dǎo)致中前期從鋼液中脫除進(jìn)入爐渣中的磷重新被還原回到鋼液當(dāng)中，造成回磷。

3 影響因素

3.1 45號(hào)鋼生產(chǎn)數(shù)據(jù)

通過對(duì)45號(hào)鋼生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)分析，冶煉過程磷含量控制如圖1。

圖1 鋼水磷含量變化圖

圖1 所示為補(bǔ)吹爐次鋼水磷元素含量變化圖。平均出鋼回磷量0.001 3%，平均成品比爐后精煉磷高0.000 4%。

出鋼回磷的原因是，補(bǔ)吹后渣中FeO含量升高，導(dǎo)致固磷相C2S-C3P被FeO與較高的溫度分解，另外渣中FeO變高使鋼渣變稀，易出鋼下渣。

圖2 為一倒?fàn)t次出鋼過程回磷情況，從圖2中可以看出，平均出鋼回磷量0.001 4%，平均成品比爐后精煉高0.000 4%。

轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)脫磷率平均83.33%，補(bǔ)吹后脫磷率一般在88%左右。

圖2 一倒?fàn)t次鋼水磷含量變化圖

圖3 所示為不同終點(diǎn)條件下，前期w（CO）隨吹煉時(shí)間的變化關(guān)系。當(dāng)終渣R=3.2～3.5，出鋼溫度在1 660～1 680℃范圍內(nèi)時(shí)，為保證脫磷率達(dá)到85%以上，在吹煉至175 s前，w（CO）需控制在10%以下。當(dāng)終渣R＜3.2，出鋼溫度在1 650～1 660℃范圍內(nèi)時(shí)，為保證脫磷率達(dá)到85%以上，在吹煉至200 s前，CO體積分?jǐn)?shù)需控制在10%以下即可。

圖3 不同終點(diǎn)條件下w（CO）隨吹煉時(shí)間的關(guān)系

3.2 出鋼溫度的影響

為了考察出鋼溫度對(duì)回磷量的影響，對(duì)冶煉45號(hào)鋼不同出鋼溫度的回磷情況進(jìn)行了回歸統(tǒng)計(jì)，如圖4所示。從圖4中可以看出，若使回磷量可控制在0.002%以內(nèi)，出鋼溫度需控制在1 668℃以下內(nèi)。因此，結(jié)合冶煉45號(hào)鋼出鋼溫度要求，轉(zhuǎn)爐出鋼溫度控制目標(biāo)設(shè)定為（1 660±5）℃。

圖4 出鋼溫度與回磷的關(guān)系

3.3 下渣量影響

從圖5可以看出隨著鋼包下渣量的增多，鋼水的回磷量直線升高。主要是由于轉(zhuǎn)爐在出鋼過程中高磷相的爐渣會(huì)流入鋼包，爐渣在鋼流的沖擊下與脫氧合金充分接觸，使?fàn)t渣中的磷重新還原到鋼水中，導(dǎo)致回磷。

圖5 渣厚對(duì)回磷的影響

這一過程會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)。

渣中FeO與脫氧劑作用：

爐渣與脫氧產(chǎn)物作用：

渣中P2O5與脫氧劑的作用：

最終導(dǎo)致中前期從鋼液中脫除進(jìn)入爐渣中的磷重新被還原回到鋼液當(dāng)中，造成回磷。

統(tǒng)計(jì)回歸結(jié)果顯示，將回磷量控制在0.002%以內(nèi)，其鋼包渣厚至少需控制在75 mm以內(nèi)。

按目前渣中w（P2O5）=2.60%測算，下渣量為75 mm時(shí)，渣中磷含量達(dá)到0.021%，渣中磷含量回到鋼液中的量為渣中總w[P]的10%。

3.4 終渣TFe對(duì)回磷的影響

從圖6可以看出隨著終渣TFe含量的升高，鋼水的回磷量逐步大幅升高。其原因是低FeO終渣的渣相中C2S-C3P固磷相的比例很高，其外觀形貌為片狀，而鐵酸鈣相與鐵的氧化物相所占比例相比高FeO終渣的渣相較低。

圖6 終渣TFe對(duì)回磷的影響

渣中含有較高的FeO時(shí)，固磷相中所含的Si-Ca相被分解為熔點(diǎn)較低的硅酸鐵與硅酸鈣，在轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度較高的情況下，此兩項(xiàng)相為液相。其機(jī)理如圖7所示，轉(zhuǎn)爐終渣所含的C2S[C3S（3CaO·SiO2）]混合相是主要的固磷相，當(dāng)渣中FeO含量升高時(shí)，F(xiàn)eO會(huì)使C2S（C3S）固磷相分解，形成鐵酸鈣、磷酸鐵、硅酸鐵等低熔點(diǎn)渣相，或者同時(shí)發(fā)生固磷相由大顆粒的形態(tài)分解為小顆粒的形態(tài)，磷元素在固磷相分解過程中重回鋼液，發(fā)生回磷現(xiàn)象。

從圖6可以看出，為了控制磷量在0.002%以內(nèi)，終渣w[TFe]需控制在12.1%以內(nèi)。

圖7 渣中FeO對(duì)固磷相的影響

4 結(jié)論

通過對(duì)45號(hào)鋼影響回磷的因素進(jìn)行分析，從裝入結(jié)構(gòu)、出鋼溫度、下渣量和終渣TFe含量等方面進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：

1）在冶煉45號(hào)鋼時(shí)，轉(zhuǎn)爐出鋼溫度控制在（1 660±5）℃比較合適，回磷量可控制在0.002%以內(nèi)。

2）將回磷量控制在0.002%以內(nèi)，其鋼包渣厚至少需控制在75 mm以內(nèi)。

3）為了控制w（P）在0.002%以內(nèi)，終渣w[TFe]需控制在12.1%以內(nèi)。