本鋼板材煉鋼廠脫磷效率的研究

摘 要：脫磷是煉鋼過程的重要任務(wù)之一，鐵水的含磷量因鐵礦原料條件的不同而異，因此研究脫磷和提高脫磷效率的任務(wù)重之又重。對本鋼煉鋼廠2021-2022年的所有爐次的相關(guān)數(shù)據(jù)進行匯總分析，主要研究渣中CaO、MgO與鐵水硅數(shù)比值、終點碳含量、終點溫度、供氧流量等與脫磷效率的關(guān)系，結(jié)合本鋼板材煉鋼廠的生產(chǎn)實際，提出工藝和操作的改進措施，提高磷的分配比，從而提高整體的脫磷水平。

關(guān)鍵詞：脫磷效率；終點含碳量；終點溫度；磷分配比

DEPHOSPHORIZATION EFFICIENCY ANALYSIS OF BENSTEEL SHEET STEELMAKING PLANT

Zhang Hongbi1 Xue Changjiang1 Wang Zizheng1 Lu Zhengguan2

（1. Steelmaking Plant of BenSteel Plate Co.， Ltd. Benxi 117000，China; 2. Institute of Metal Research， Chinese Academy of Sciences Shenyang 110016， China）

Abstract：The dephosphorization is one of the most important steelmaking processes， the phosphorus content of hot metal is different， so the study on dephosphorization and improving the efficiency of dephosphorization is especially important. This paper summarized and analyzed the relevant data of all the heats of Bensteel sheet steelmaking plant from 2021 to 2022， mainly studied the factors related to dephosphorization efficiency， including the ratio of CaO， MgO， the endpoint carbon content， the endpoint temperature， the oxygen supply flow. Combined with the actual production of Bensteel sheet steelmaking plant， improvement measured on technology and operations were concluded to improve the whole level of dephosphorization.

Key words： dephosphorization efficiency; endpoint carbon content；endpoint temperature；phosphorus distribution ratio

0 前 言

脫磷是煉鋼過程的重要任務(wù)之一，低磷鐵水含磷量在0.12%以下，高磷鐵水含磷量則會高達2.0%以上，磷的存在使鋼產(chǎn)生“冷脆”現(xiàn)象，因此在絕大多數(shù)鋼種中，磷都屬于有害元素，一般要求鋼水含磷量小于0.03%或者更低，易切削鋼中含磷量稍高。煉鋼過程中磷既可以被氧化，又可以被還原，出鋼時或多或少都會發(fā)生回磷現(xiàn)象，因此控制煉鋼過程中的脫磷反應(yīng)是一項重要而又復(fù)雜的工作[1]。

本鋼板材煉鋼廠現(xiàn)有180 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐7座，年生產(chǎn)能力在1 000萬t以上。該廠2021-2022年的平均脫磷效率為83%，平均終點磷0.013%?，F(xiàn)階段該廠面臨的主要問題是脫磷效率較低、成分不合格的爐次較多，嚴重影響產(chǎn)品的質(zhì)量及工藝的順行。本文對2021-2022年本鋼板材煉鋼廠6萬多爐次的大數(shù)據(jù)進行分析匯總，總結(jié)出對于脫磷的有利條件。

1 轉(zhuǎn)爐脫磷熱力學(xué)

煉鋼過程中的脫磷一般采用堿性氧化的方法，而溫度、熔渣堿度、渣中FeO、金屬的成分以及渣量這些熱力學(xué)條件都會影響脫磷效率。圖1為脫磷反應(yīng)過程的示意，可知在熔池不同位置的磷發(fā)生的反應(yīng)會不同，具體的反應(yīng)式如下列各式：

鋼液/熔渣界面反應(yīng)：

5（FeO）+2[P]=5[Fe]+（P2O5）" " " " " " " " " " " " " " " "（1）

熔渣中的反應(yīng)：

8（FeO）+2[P]=5[Fe]+（3FeO·P2O5）" " " " " " " " " （2）

4（CaO）+（3FeO·P2O5）= 5（FeO）+（4CaO·P2O5）

（3）

最終的反應(yīng)：

2[P]+4（CaO）+5（FeO）=5[Fe]+（4CaO·P2O5）" " （4）

a4CaO·P2O5" " " " " " "40 067

lgKp=lg——————=———+15.06" " " " " "（5）

a2 [P] a5 FeOa4 CaO" " " " " T

a4CaO·P2O5" " " " " " " γ4CaO·P2O5（%4CaO·P2O5）

Kp=lg——————=———————————

a2 [P] a5 FeOa4 CaO" " " " " " " [%P]2fpa5 FeOa4 CaO

（6）

磷分配比：

fp

Lp=（%P2O5）/[%P]2=Kpa5 FeOa4 CaO————" " " " " （7）

γ4CaO·P2O5

式中：Lp為磷分配比；Kp為反應(yīng)平衡常數(shù)；a是活度；fp是組元P的活度系數(shù)；γ4CaO·P2O5為組元4CaO·P2O5的活度系數(shù)。

脫磷是強放熱反應(yīng)，由上面的反應(yīng)式可以總結(jié)出有利于脫磷過程的幾個影響因素：當(dāng)其他條件一定時，降低反應(yīng)溫度將會使平衡常數(shù)Kp增大，所以較低的熔池溫度有利于脫磷；轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，由于鋼中的硅更容易發(fā)生氧化反應(yīng)，進入熔渣中，并與石灰反應(yīng)生成穩(wěn)定的硅酸鈣而消耗了部分石灰，所以增大熔渣中CaO或者石灰的用量會提高P2O5的含量或者使鋼中磷含量降低；在一定的限度內(nèi)，增加FeO會使磷的分配比Lp增大，增加脫磷效率；最后，增加渣量或多次換渣可以在Lp一定時降低[%P]，意味著降低了P2O5的濃度，使反應(yīng)正向進行，即加大渣量同樣有助于脫磷，進而在熱力學(xué)上提高脫磷效率[2-4]。

2 數(shù)據(jù)分析與討論

2.1 噸鋼CaO、MgO與鐵水硅數(shù)比值對脫磷效率的影響

噸鋼活性灰消耗是煉鋼過程中重要的經(jīng)濟指標，增加活性灰加入量會提高爐渣中的CaO含量，進而提高脫磷率，但是相應(yīng)的就會增加成本，所以應(yīng)該計算出合適的散裝料（活性灰、白云石、石灰石等）加入量，既保證脫磷效率，又保證經(jīng)濟指標。所以分別計算噸鋼CaO、MgO與鐵水硅數(shù)比值所對應(yīng)的脫磷效率，噸鋼CaO的計算方法為：

（活性石灰質(zhì)量×88%+石灰石質(zhì)量×51%+白云石質(zhì)量×29%）/鋼水質(zhì)量" " " " " " " " " " " " " "（8）

噸鋼MgO的計算方法為：

白云石質(zhì)量×19%/鋼水質(zhì)量" " " " " " " " " " " " （9）

由圖2和圖3可知，渣中CaO、MgO與硅數(shù)的比值越大脫磷效率越高，但是當(dāng)比值分別達到1.0及0.15時即能達到較好的脫磷水平，在此之后脫磷效率上升緩慢。經(jīng)計算，白云石加入量為鐵水硅數(shù)×1 342.1 t（正常鐵水硅數(shù)）、純活性灰加入量為鐵水硅數(shù)×1 489.7 t（正常鐵水硅數(shù)）可達到脫磷較好水平。

2.2 溫度對脫磷效率的影響

1）過程溫度與脫磷效率的關(guān)系。

本鋼板材煉鋼廠在煉鋼過程中采用副槍測試過程及終點溫度，在吹氧85%時進行過程測試，在實際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，過程碳溫較低的爐次脫磷效果較好，經(jīng)過對所有爐次的過程碳溫對應(yīng)情況進行分析，得出結(jié)果如表1所示。

計算2021-2022年所有爐次的平均脫磷效率為83.4%，將高于平均脫磷效率的部分用藍色標出，當(dāng)脫磷效率高于平均值時，認為此時能滿足本鋼煉鋼廠鋼種生成需求。繪制不同過程溫度下的平均脫磷效率，如圖4所示；過程溫度在1 580 ～1 599 ℃、1 600 ～1 619 ℃的區(qū)間比較符合生產(chǎn)實際需求，分別繪制在1 580 ～1 599 ℃、1 600 ～1 619 ℃下不同含碳量所對應(yīng)的脫磷效率，如圖5所示。

由圖表可知，過程溫度越低，脫磷效率越高；在過程溫度相同的情況下，含碳量越低，脫磷效率越高。但此時需要注意的是，也要考慮工藝的順行，保證連澆性；另一方面，溫度過低對氣體氮的影響較大，所以需要在合理范圍內(nèi)講溫度低控。

2）終點溫度與脫磷效率的關(guān)系。

本鋼板材煉鋼廠主要有兩種爐外精煉工藝，即根據(jù)不同的鋼種需求選擇LF和RH兩種生產(chǎn)路徑[5-6]。LF精煉工藝采用電弧加熱，所以不需要過高的鋼水溫度，轉(zhuǎn)爐煉鋼工序終點溫度不需要太高即可滿足生產(chǎn)需求；而RH精煉工藝雖然可以補鋁吹氧升溫，但是這樣會降低鋼水的潔凈度并且增加生產(chǎn)成本，所以RH路徑的鋼種要求轉(zhuǎn)爐工序較高的終點溫度；而且轉(zhuǎn)爐終點溫度還會影響脫磷效率[7-8]，通過以下分析確定不同精煉路徑下合適的轉(zhuǎn)爐終點溫度。

分別計算LF路徑和RH路徑鋼種（簡單介紹下路徑）的脫磷效率，由圖可知，LF與RH路徑鋼種都是終點溫度越低，脫磷效率越高。在冶煉低磷LF路徑鋼種時需根據(jù)合金加入量、鋼包罐況等因素考慮終點溫度，在保證工藝順行的情況下，稍微降低終點溫度；冶煉超低磷RH路徑鋼種應(yīng)避免過高溫度出鋼，建議RH路徑鋼種終點溫度控制在1 680 ～1 700 ℃，此時脫磷效率較好且能滿足生產(chǎn)需求。

2.3 中高碳鋼種終點含碳量與脫磷效率的關(guān)系

本鋼煉鋼廠冶煉中高碳鋼時出現(xiàn)磷高的幾率較高，故單獨計算矩形坯（高碳）鋼種不同終點含碳量下的脫磷效率，由圖7可知，矩形坯鋼種脫磷效率隨著終點含碳量的增高而降低，而且當(dāng)?shù)範(fàn)t碳含量由0.05%升高到0.15%的過程中，脫磷效率大幅度降低，隨后脫磷效率減小幅度變小[9-10]。

計算普通中碳鋼（Q235B、Q345B、SS400）不同終點含碳量對應(yīng)的脫磷效率，由于中碳鋼終點拉碳在一定范圍（＜0.15%），由圖7可知，在中碳鋼終點合理拉碳范圍內(nèi)，脫磷效率隨著終點含碳量的增高而降低，但是脫磷效率減小幅度很小，脫磷效率幾乎不變，此時的脫磷效率可以滿足生產(chǎn)需求。

2.4 磷分配比與脫磷效率的關(guān)系

本鋼板材煉鋼廠對應(yīng)生產(chǎn)條件（爐渣堿度3.5；FeO%=14%）下的磷分配比為350[1]（正常情況下只能達到50%～80%）。計算2021-2022年有渣樣爐次的磷分配比，由圖8可知，當(dāng)磷分配比升高時，脫磷效率有升高的趨勢。而且從圖中可以看出本鋼煉鋼廠目前磷分配比在145～220為較正常水平，但是距理論水平175～280仍有提高空間。

2.5 供氧流量對脫磷效率的影響

一方面，提高轉(zhuǎn)爐的供氧強度能夠有效地縮短供氧時間，這對于提高轉(zhuǎn)爐作業(yè)率、提高鋼產(chǎn)量、理順生產(chǎn)節(jié)奏、改善經(jīng)濟指標具有重大意義。另一方面，提高供氧強度在吹煉過程中來渣化渣快、返干和噴濺溢渣現(xiàn)象明顯減少[11-12]。最后，大流量吹煉的爐次終渣較黏且脫磷效率高，這符合本鋼板材煉鋼廠的實際生產(chǎn)要求。

本鋼板材煉鋼廠煉鋼作業(yè)區(qū)于2020年10月在四號轉(zhuǎn)爐進行了大流量吹煉試驗，其中丁4班全月使用32 000～34 000 Nm3/h的大流量吹煉，其余三個班組均采用30 000 Nm3/h吹煉，在數(shù)據(jù)處理過程中剔除含返爐鋼爐次、耐候鋼及BP系列磷元素含量較高鋼種、點吹及無終點樣爐次。具體分析如下：

1）四個班組的供氧流量與脫磷效率的比較。

對甲乙丙丁四個班組的月平均供氧流量和脫磷效率進行計算，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，丁4班的月平均供氧流量最大、平均脫磷效率最高；甲4班的月平均供氧流量第二、平均脫磷效率第二高；乙4和丙4月平均供氧流量均在30 000 Nm3/h左右，脫磷效率相差不大均較低。

2）對供氧流量分段計算脫磷效率。

通過對四號轉(zhuǎn)爐該月四個班組數(shù)據(jù)的整理分析發(fā)現(xiàn)，脫磷效率與供氧流量之間存在著某種線性關(guān)系，分別計算不同供氧流量對應(yīng)的平均脫磷效率得出相關(guān)規(guī)律，如表3所示。

由表3可知，在當(dāng)時的工藝條件下，本鋼板材煉鋼廠四號轉(zhuǎn)爐的脫磷效率隨供氧流量的增大而提高。

3 結(jié) 論

1）渣中CaO、MgO與硅數(shù)的比值越大脫磷效率越高，但是當(dāng)比值分別達到1.0及0.15時即能達到較好的脫磷水平且在此之后脫磷效率上升緩慢，經(jīng)計算，在正常鐵水硅數(shù)范圍內(nèi)（0.3%～0.6%）白云石加入量為鐵水硅數(shù)×1 342.1 t、純活性灰加入量為鐵水硅數(shù)×1 489.7 t可達到脫磷較好水平。

2）通過對過程、終點溫度控制的研究，得出在冶煉LF路徑低磷大合金鋼種（如X70、DP590）時要保證稍低的過程、終點溫度，以達到較好的脫磷效果，且要綜合考慮鋼包罐況、合金量等影響因素，選擇合適的出鋼溫度；冶煉超低磷RH路徑鋼種應(yīng)避免過高溫度出鋼，建議RH路徑鋼種終點溫度控制在1 680 ～1 700 ℃，此時脫磷效率較好且能滿足生產(chǎn)需求。

3）矩形坯鋼種脫磷效率隨著終點含碳量的增高而降低；在中碳鋼合理終點拉碳范圍內(nèi)（0.05%～0.15%），脫磷效率隨著倒?fàn)t碳的增高而降低，但是脫磷效率減小幅度很小，脫磷效率幾乎不變。

4） 當(dāng)磷分配比升高時，脫磷效率有升高的趨勢。目前本鋼煉鋼廠的實際磷分配比較理論水平低，還有較大提升空間。

5）在本鋼煉鋼廠目前的工作環(huán)境下，轉(zhuǎn)爐的脫磷效率隨供氧流量的增大而提高，提高轉(zhuǎn)爐的供氧強度能縮短供氧時間、理順節(jié)奏、提高產(chǎn)量且利于爐況維護，符合本鋼板材煉鋼廠的實際生產(chǎn)需求。

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