轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷原理及措施

孫 亮

（鞍鋼集團(tuán)本鋼北營煉鋼廠，遼寧 本溪 117000）

一般情況下，磷在鋼鐵產(chǎn)品中是有害雜質(zhì)，需在煉鋼時設(shè)法盡可能多地去除掉，若是鋼鐵的含磷量過高，會使鋼的塑性和韌性降低，即出現(xiàn)鋼的脆性現(xiàn)象，低溫時更加嚴(yán)重，通常稱之為冷脆[1]。隨著社會發(fā)展，我國對鋼鐵產(chǎn)品含磷量提出了更為嚴(yán)苛的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。為滿足鋼鐵產(chǎn)品含磷量生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，有必要認(rèn)真地研究轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷原理，創(chuàng)新轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷工藝，以此提升鋼鐵冶煉水平。

1 鋼種介紹

鞍鋼集團(tuán)本鋼北營煉鋼廠新區(qū)三座120t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，主要冶煉鋼種為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、焊接用鋼、冷鐓鋼、絞線鋼、簾線鋼、耐候鋼、汽車大梁、汽車結(jié)構(gòu)用鋼、車輪用鋼、重軌等。生產(chǎn)過程中不同的鋼種對含磷量的要求存在差別（見表1）。相關(guān)人員需要應(yīng)用科學(xué)的工藝有效做好鋼材的脫磷處理工作，滿足不同鋼種對含磷量的要求。

表1 我廠生產(chǎn)不同鋼種要求的磷含量

2 轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷原理與條件

2.1 轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷原理

通過掌握轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷原理，有助于深化發(fā)展脫磷工藝，因此需要積極地探究轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷原理。轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷原理具體如下介紹：在轉(zhuǎn)爐吹煉的過程中鐵水中的磷被氧化生成P2O5進(jìn)入爐渣中。P2O5屬于酸性氧化物，爐渣含有堿性氧化物，比如FeO、CaO、MnO、MgO 等，而酸性氧化物與爐渣含有堿性氧化物會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而生成磷酸鹽化合物，從而穩(wěn)定地存在爐渣中，并隨著爐渣被清除。爐渣的堿度含量影響著其與P2O5酸性氧化物的化學(xué)反應(yīng)生成物的類型。其中，在爐渣的堿度含量比較低的情況下，兩者在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后主要磷多以磷酸鐵（3FeO·P2O5）的形式存在，而在爐渣的堿度含量比較高的情況下，兩者在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后主要磷多以磷酸鈣（3CaO·P2O5或4CaO·P2O5）的形式存在。對于轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷工藝實施者來講，其需要根據(jù)工藝實施步驟、工藝實施要求等，合理地把控脫磷工藝，從而保障脫磷工藝應(yīng)用效果。

2.1.1 磷的氧化反應(yīng)

在轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷工藝中，鋼鐵中含有的磷會發(fā)生氧化反應(yīng)。磷的氧化反應(yīng)在鋼-渣界面上進(jìn)行，反應(yīng)方程式一般有2 種。

第一種：

標(biāo)準(zhǔn)吉布斯能△G0=-384953+170.24T(J/mol)。

第二種：

標(biāo)準(zhǔn)吉布斯能△G0=-142944+65.48T(J/mol)。

2.1.2 P2O5在爐渣中的固定

倘若氧化生成的P2O5能夠穩(wěn)定在爐渣中，才可以更好地確保鋼鐵脫磷效果。而P2O5通過與爐渣中含有堿性氧化物，如FeO、CaO、MnO、MgO 等，生成磷酸鹽化合物時就可以保證氧化生成的P2O5能夠穩(wěn)定在爐渣中。在此項化學(xué)反應(yīng)中主要涉及兩種化學(xué)反應(yīng)方程式。

第一種：

標(biāo)準(zhǔn)吉布斯能△G0=-1372200+550.1T。

第二種：

標(biāo)準(zhǔn)吉布斯能△G0=-1486160+6360T。

通過以上化學(xué)反應(yīng)方程式可以了解到，氧化生成的P2O5與爐渣中含有堿性氧化物生成了穩(wěn)定的磷酸鹽，而磷酸鹽則會與爐渣混合在一起。鋼-渣界面磷的氧化反應(yīng)影響著脫磷的速度，因此需要科學(xué)地規(guī)范鋼-渣界面磷的氧化反應(yīng)包括的工作，以此提升脫磷的速度。

2.2 轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷的基本條件

在轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷中，要研究轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷的基本條件，進(jìn)而為轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷工藝的實施、推進(jìn)提供良好的條件，從而保證脫磷效果[2]。為掌握轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷的基本條件，有必要深入地研究轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷的反應(yīng)方程式。與此同時，還需要深入到煉鋼的實際生產(chǎn)之中，以此全面了解脫磷工藝。研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)爐鐵水中的氧量、爐渣堿度和溫度是影響脫磷效果的重要因素。本次從影響脫磷效果因素的角度出發(fā)，探究了轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷的基本條件，具體如下所述：

1.通過將磷穩(wěn)定地固定在爐渣中才可以更好地清除磷，保證鋼鐵的性能。而將磷穩(wěn)定地固定在爐渣中的重要方式是：使P2O5與爐渣中的CaO 等堿性氧化物發(fā)生充分的化學(xué)反應(yīng)。其中，爐渣的堿度不能夠過高，同樣也不能夠過低。過高則會不易熔化，以致影響脫磷水平；過高則不利于P2O5與爐渣中的CaO 等堿性氧化物充分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。為此，一定要合理地控制爐渣的堿度，從而確保脫磷效果。

2.脫磷的量與磷的氧化反應(yīng)具有重要的關(guān)系。所以，需要規(guī)范磷的氧化反應(yīng)。鋼液中的[O]含量以及爐渣中的（FeO）都屬于脫磷反應(yīng)的氧化劑。如果能夠增加[O]、（FeO）含量，就可以在很大的程度上提升脫磷水平。為切實有效做好脫磷工作，相關(guān)人員深入地探究了脫磷要點，即在把爐渣堿度控制在2.5～3.0 范圍內(nèi)以及把（FeO）控制在15%～20%范圍內(nèi)，就可以更好地完成鋼鐵脫磷工作。脫磷工藝的實施者需要認(rèn)真地踐行以上工作。

3.爐渣量控制是影響脫磷效果的一大因素。適當(dāng)渣量可以稀釋磷酸鹽的濃度，保證P2O5與CaO 有效地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而確保鋼鐵中磷含量更加符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。不過，一味地加大爐渣量則是錯誤的脫磷做法。究其原因：造熔點低，動力學(xué)條件好，吸附能力強(qiáng)的渣已經(jīng)是現(xiàn)代煉鋼的主流技術(shù)。而傳統(tǒng)煉鋼過于追求大渣量，高堿度來提高脫磷率，這種模式下操作極不穩(wěn)定，極易造成爆發(fā)性噴濺，增大鋼鐵料消耗，從而使轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)成本增加；其次爐渣化不透，大量結(jié)塊，流動性極差，脫磷率不穩(wěn)定，影響產(chǎn)品質(zhì)量在爐渣量過大時，會不利于吹氧入鋼水，也不利于保障熱傳遞效果，進(jìn)而影響化學(xué)反應(yīng)順利進(jìn)行[3]。基于此，需要做好爐渣量的控制工作，以便提高脫磷水平，切實保證鋼鐵質(zhì)量。

4.溫度影響脫磷效果。脫磷反應(yīng)屬于強(qiáng)放熱化學(xué)反應(yīng)，在低溫的環(huán)境下，利于化學(xué)反應(yīng)的順利開展，而在高溫的環(huán)境下，則不利于化學(xué)反應(yīng)的順利開展，比如會發(fā)生“回磷”現(xiàn)象，這不僅會降低脫磷水平，而且會加大脫磷成本。但是這并不代表就可以一味地降低溫度，主要是因為在溫度較低的環(huán)境下，石灰難以有效熔化，進(jìn)而增加轉(zhuǎn)爐渣的黏度，從而在很大程度上降低脫磷水平。為此，需要根據(jù)實際情況、脫磷工藝要求等，科學(xué)地控制溫度。

2.3 轉(zhuǎn)爐脫磷的注意事項

“高堿度、高FeO 量、低溫”是轉(zhuǎn)爐脫磷條件，通過做好以上條件的控制工作，就能夠在很大的程度上保證脫磷效果。為進(jìn)一步強(qiáng)化脫磷效果，需要在轉(zhuǎn)爐脫磷中清楚轉(zhuǎn)爐脫磷的注意事項，規(guī)范轉(zhuǎn)爐脫磷工作，防止發(fā)生脫磷問題。本次主要從以下方面探討了轉(zhuǎn)爐脫磷的注意事項，詳細(xì)如下介紹：

1.合理地增加轉(zhuǎn)爐煉鋼末期爐渣堿度，確保P2O5與CaO有效地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最大限度地提高脫磷質(zhì)量。

2.在脫磷工作中，要認(rèn)真推進(jìn)擋渣工作，有效防止鋼包下渣。

3.由于溫度是影響脫磷效果的一項重要因素，因此脫磷工藝實施者需要做好轉(zhuǎn)爐內(nèi)溫度控制工作，避免溫度過高或者過低。

4.脫磷工藝實施者需要在脫磷時做好攪拌工作，以便加快化學(xué)反應(yīng)速度，提高脫磷質(zhì)量。

5.合理控制渣量，充分考慮冶煉鋼種成分要求、鐵水實際條件等因素，及時調(diào)整煉鋼“五大制度”，并通過元素平衡法計算渣量，以達(dá)到降低制造成本的目的。

6.若是鐵水含磷量并不高，卻發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐煉鋼末期的磷含量高，這樣就需要做好鐵水的檢驗工作。即需要檢驗鐵水中的硅含量，了解鐵水中的硅含量準(zhǔn)確數(shù)值，進(jìn)而將鐵水中的硅含量與實際數(shù)值進(jìn)行對比，查看硅含量是否低于要求。而在硅含量比較低的情況下，就會影響脫磷效果。為解決該問題，就需要提高氧槍，優(yōu)先加入氧化鐵皮或者燒結(jié)礦，進(jìn)而縮短前期渣化時間，從而高效地推進(jìn)脫磷工作。

3 與轉(zhuǎn)爐煉鋼配合的脫磷措施

3.1 復(fù)吹工藝脫磷

煉鋼轉(zhuǎn)爐調(diào)整復(fù)吹冶煉工藝，由于增加了底部供氣，加強(qiáng)了熔池的攪拌力，改善了渣鋼間的平衡條件，使前期造渣加速、傳質(zhì)加快；特別是在冶煉后期渣中FeO 含量較高的熱學(xué)條件下輔以良好的底吹攪拌的動力學(xué)條件，為吹煉后期脫磷提供了有力保障[4]。復(fù)吹工藝獲得較好的脫磷效果，同時下降了終吹渣中FeO 含量。目前北營煉鋼廠新區(qū)三臺轉(zhuǎn)爐全部為頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，采用頂吹氧、底吹氮?dú)饣驓鍤獾榷栊詺怏w的頂?shù)讖?fù)吹工藝。

3.2 裝入制度優(yōu)化

分批加入造渣料，在加廢鋼、兌鐵之前，預(yù)先加部分石灰和白云石，縮短溶池內(nèi)熔化的滯止期，達(dá)到促進(jìn)溶解的目的。當(dāng)[Si]、[Mn]氧化期結(jié)束后，開始將第二批造渣劑分幾次加入，第二批料不宜在易噴濺的4～5min 時加入，如果鐵水SiO2含量低，氧化放熱慢，前期成渣比較困難，可采用留渣操作縮短周期。

3.3 優(yōu)化少渣法操作

將上爐已得高堿度、高氧化性、高溫、流動性好的終渣留一部分在爐內(nèi)，并減少吹煉前期第一批造渣料的加入量，吹煉5～6min 時倒?fàn)t將其倒出，再重新造渣進(jìn)行二次吹煉。少渣冶煉的優(yōu)點是可加速下爐吹煉前期初期渣的形成，提高前期的脫磷率和轉(zhuǎn)爐熱效率，節(jié)省造渣料的用量。采用少渣留渣操作時，在加廢鋼兌鐵水前首先濺渣固渣并加稠化劑，觀察渣況，當(dāng)爐內(nèi)無液體渣時才可兌入鐵水。

留渣中含有一定的CaO 和FeO，有利于提高初期渣的堿度和氧化性，有利于石灰早化，渣的流動性好，在前期較低溫度的條件下，為脫磷創(chuàng)造良好的動力學(xué)、熱力學(xué)條件，保證了前期去磷。由于留渣帶入一部分上一爐終渣，使總的渣量增大，鑒于此，在生產(chǎn)實際中，又可以適當(dāng)減少新的造渣料的加入，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。鐵水硅相同的條件下，留渣操作可以明顯提高終渣堿度，在低白灰和輕燒消耗的情況下達(dá)到相同的脫磷效率。從這個角度講，留渣量越大越好，但是留渣量過大對過程噴濺和終點控制不利，因此，初始爐留渣量1/3～1/2，其它爐次留渣量不得大于1/3。

3.4 防止回磷

由于終點渣中含磷很高，故出鋼口下渣是回磷的主要來源，因此出鋼過程中擋渣操作以減少出鋼下渣量是防止回磷的關(guān)鍵措施之一[5]。嚴(yán)抓合金制度的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化操作，保證合金加入順序及加入的時間。鋼水到站成分的合格，杜絕多次補(bǔ)加合金（硅鐵、碳粉等）。吹氬時，應(yīng)避免氬氣壓力過高，造成鋼液-鋼渣翻騰、卷渣，形成一種“渣洗”現(xiàn)象。

4 結(jié)語

綜上所述，在鋼鐵的含磷量比較高的情況下，就無法保證鋼鐵的性能，影響鋼材的應(yīng)用效果。為此，需要采取科學(xué)的工藝、方法，降低鋼鐵的含磷量。從現(xiàn)狀來看，煉鋼轉(zhuǎn)爐脫磷工藝是降低鋼鐵含磷量的重要手段?；诖耍嚓P(guān)人員需要深入地研究煉鋼轉(zhuǎn)爐脫磷工藝，掌握煉鋼轉(zhuǎn)爐脫磷工藝應(yīng)用技巧。除此之外，需要謹(jǐn)記煉鋼轉(zhuǎn)爐脫磷工藝應(yīng)用注意事項，合理控制工藝條件以及工藝實施步驟，從而充分地把握煉鋼轉(zhuǎn)爐脫磷工作[6]。通過在應(yīng)用煉鋼轉(zhuǎn)爐脫磷工藝采取配合措施，有利于強(qiáng)化脫磷效果。所以，還需要注重采取脫磷配合措施，比如復(fù)吹冶煉工藝加強(qiáng)熔池的攪拌力，以及在脫磷的過程中優(yōu)化裝入制度、造渣制度、合金化制度等。另外，還需要積極地總結(jié)脫磷經(jīng)驗，從而更好地指導(dǎo)鋼鐵脫磷工作。