轉爐脫磷影響因素分析及其工藝應用

李家通

摘 要：本文簡單闡述了目前我國的轉爐脫磷工藝，通過具體分析溶池溫度、爐渣堿度、渣量以及FeO含量等影響因素對轉爐脫磷的影響與工藝發展概況，為轉爐脫磷工藝發展提供了技術參考。

關鍵詞：轉爐脫磷；堿度；溫度；FeO含量；爐渣

中圖分類號：TF714 文獻標識碼：A

磷是鋼鐵產品中屬于有害雜質（特殊情況除外），鋼鐵產品中的磷元素會使鋼的韌性和可塑性大打折扣，使其在低溫情況尤其容易冷脆斷裂。在大部分優質的鋼鐵產品中，其對鋼中磷含量的要求非常嚴格，只有這樣才能保證其高韌性，防止冷脆斷裂的現象發生。隨著科學技術水平的提高，現代工業中對低磷鋼、超低磷鋼的使用需求日漸增長，因此本文就溶池溫度、爐渣堿度、渣量以及FeO含量等影響因素分析如何提高轉爐脫磷技術，以期為我國轉爐脫磷工藝發展提供經驗參考。

1.轉爐脫磷工藝概述

轉爐脫磷工藝主要包括：SRP工藝、多功能轉爐脫磷工藝、COMI煉鋼工藝脫磷工藝以及復吹轉爐深脫磷工藝，其中復吹轉爐深脫磷工藝又包括兩路雙聯工藝、單渣工藝以及單爐新雙渣工藝。

在煉鐵過程中，原料中的磷幾乎全部浸會入鐵水中，轉爐和爐渣為脫磷提供了良好的脫磷環境。在轉爐冶煉過程中，可以通過控制主要脫磷影響因素達到良好的脫磷效果。通常在轉爐脫磷初期階段，溶池溫度較低，磷含量較高，熱力學條件較好，但是由于此階段爐渣的流動性較弱、爐渣堿度較低，動力學條件較差，因此需要通過改善動力學條件來配合熱力學條件來加速脫磷，即提高爐渣流動性、爐渣堿度等；在轉爐脫磷處理后期，鋼水磷經過前階段的脫磷之后，磷含量降低，爐渣流動性較高，具備良好的動力學條件，然而溶池溫度較高，熱力條件較差，不利于脫磷的進行，此時可以通過提高爐渣的堿度來改善熱力學條件。

2.轉爐脫磷影響因素分析

2.1 溫度的影響

通常轉爐脫磷中的“溫度”專指“溶池溫度”，一般情況下，需要從兩方面考慮溫度對轉爐脫磷效果的影響。一方面，當熔池溫度較低時，從熱力學原理上分析，低溫將有助于脫磷反應正常進行，但是當溫度過低時，石灰在表面容易形成一層冷凝外殼，并未熔化，并降低化渣速度和爐渣流動速度，堿度降低，最終降低脫磷反應速度；另一方面，熔池溫度升高過程中也會對脫磷效果產生影響。當熔池溫度升高時，磷的分配比率會降低，脫碳反應的速度加快，爐渣中氧化鐵含量隨之減少，并且形成硅酸二鈣覆蓋在石灰表面，其熔點較高會阻礙石灰的進一步熔化，導致出現爐渣的“返干”現象。同時，時溫度過高會使轉爐熔池反應劇烈，易發生噴濺，使倒渣困難，不利于脫磷。相反的是，當熔池溫度升高時，熔渣的堿度和流動性相應提高，動力學條件良好，加速脫磷反映。

根據生產實踐可知，要使脫磷效果達到最佳狀態，溫度一般需要控制在1300℃～1350℃范圍內。因此，高效率的轉爐脫磷需要根據溶池不同的溫度，來決定使用何種操作機制較為科學。當溶池溫度低于1250℃時，需要通過低槍位吹氧方式來使熔池溫度快速達到有效溫度，加速石灰熔解以及爐渣的形成，充分利用高爐渣氧化鐵含量、低爐溫的有利條件，加速轉爐脫磷。當鋼水溫度超過1350℃時，高槍位操作有助于抑制爐溫，延長在極限高溫下的冶煉運行時間。但是實踐證明，終渣的控制才是轉爐脫磷的關鍵環節，FeO含量和爐渣堿度對轉爐脫磷效果影響更顯著，溶池溫度控制對脫磷效果的影響較弱。

2.2 堿度的影響

五氧化二磷屬于酸性氧化物，鋼渣中氧化鈣、氧化鎂、氧化錳、氧化鐵等堿性氧化物，一定程度上降低五氧化二磷的活度，其中氧化鈣的脫磷能力最強。在煉鋼溫度下，氧化鈣反應生成的磷酸鈣穩定性較高，氧化鎂次之，而氧化錳和氧化鐵則最弱。因此，氧化鈣是控制五氧化二磷活性的主要因素，氧化鈣濃度的增加，且不與酸性氧化物發生反應，有助于降低磷含量。脫磷效率會隨著爐渣堿度的增減而升降，當爐渣堿度升高到3.5數值左右時，脫磷效果處于飽和狀態，爐渣堿度的提高對脫磷效率作用不再顯著。如果氧化鈣含量過多，導致氧化鈣顆粒不能完全熔化，爐渣隨之增加，爐渣的黏度也大大提升，此時爐渣的流動性減弱，脫磷反應動力學條件變差，最終使脫磷效率降低。因此，在實際操作中，爐渣堿度一般被控制在3.0～3.5數值左右。

2.3 FeO含量的影響

爐渣中FeO含量是轉爐脫磷技術的主要影響因素之一。FeO既可以作為氧化劑加速磷的氧化，又可以將五氧化二磷結合成較穩定的磷酸鹽化合物從而起到脫磷的作用。在冶煉過程中，隨著爐渣FeO含量的升高，爐渣氧化性也會增強，爐渣與鋼水中磷含量的分配比也會隨之增大，此時，CaO在渣中的溶解速度會隨著FeO的升高而加快，有助于加快脫磷速度。當FeO含量較低時，石灰不容易被熔化，無法生成穩定的磷酸鹽化合物，不利于脫磷的進行。脫碳反應在轉爐脫磷的中期會更劇烈，控制不當就會經常出現爐渣“返干”現象，回磷也隨之加快，破壞轉爐脫磷效果。當FeO含量過高時，爐渣堿度會相對降低，與此同時會大量消耗鐵。所以，脫磷初期FeO含量一般控制在7%～9%左右，終渣FeO含量應不超過20%。除此之外，實際操作中，氧化鐵和堿度是共同對轉爐脫磷效果產生的，爐渣堿度在2.8～3.5、FeO含量在18%～20%時，脫磷效率可以達到85%～90%左右。

當然，不同鋼種對鋼產品的終點碳含量也不盡相同。在終點碳含量較高的情況下，氧化性也會隨之降低，這一定程度上影響了脫磷效果。隨著鋼液碳含量的提高，磷的分配系數隨其提高而呈減小的趨勢。在一定溫度條件下，熔池的碳濃度與氧濃度的乘積為一定值，因此，碳氧含量成反比，即碳含量越高，氧含量就越低，條件下熔渣中的FeO含量也越低。而根據上述爐渣中FeO含量的影響效果分析，熔渣氧化性的高低會直接影響著脫磷的效果。

2.4 渣量的影響

除了以上溶池溫度、爐渣堿度以及FeO含量對轉爐脫磷效果有影響之外，渣量控制對轉爐脫磷效果影響更大，因此，終渣的控制才是轉爐脫磷的關鍵環節。雖然，渣量并不影響脫磷的分配比，但在一定的分配比下，渣量的增加導致五氧化二磷的濃度降低，磷酸鹽化合物含量也隨之降低，有助于提高轉爐脫磷效率。但是，渣量過多鋼水溫度有影響，進而影響化渣效果，動力學條件不足，最終導致冶煉成本增加。反之，渣量太少導致磷容量不足，從而進一步影響脫磷率。除此之外，在實際操作中，分批造渣是控制較大渣量的重要手段之一，其可改善一次性大渣量在脫磷效果中的不足。

綜上所述，溶池溫度、爐渣堿度、渣量以及FeO含量等是轉爐脫磷的重要影響因素。首先，堿度影響磷的分配系數，堿度的提高導致磷的分配系數增大，脫磷效果增加。但是，當堿度超過一定值后，堿度的增加對脫磷效率的影響會下降，最終達不到脫磷的高效率要求。因此脫磷最佳效果是堿度控制在2.5～3.5范圍內。其次，爐渣中FeO含量是轉爐脫磷技術的主要影響因素之一，FeO含量的提高會引起磷的分配系數增大，同樣達到提高脫磷效率的效果。再者，在冶煉過程中溶池溫度與磷的分配系數成反相關，溫度越高，磷的分配系數越低，因此低溫有助于提高轉爐脫磷效率。最后，渣量是最重要的影響因素之一，終渣的控制才是轉爐脫磷的關鍵環節。渣量越大，脫磷效果越好。總而言之，高堿度、高FeO含量、低溫、大渣量是轉爐脫磷效率提高的有利影響因素。

3.轉爐脫磷工藝在我國的應用

隨著經濟的高速發展，為了加大低磷鋼、超低磷鋼市場供應，我國在轉爐脫磷工藝上也在不斷地研究探索，并取得了重大技術進步。當前轉爐脫磷工藝具有如下特點：轉爐容積大、反應速度快、效率高、可節省造渣劑的用量等，有利于生產低磷鋼以及超低磷鋼。目前國內常見的轉爐脫磷工藝有：雙渣法、單渣法以及轉爐雙聯法等，其工藝特點主要是在冶煉前期盡早成渣，提高爐渣堿度為轉爐脫磷創造有利條件，但這不適用于較大渣量的轉爐脫磷操作；對于脫磷而言，雙渣法效果比較單渣法更有優勢，在實際生產中，轉爐雙渣法脫磷效率高達九成，但同時存在著轉爐熱量損失和冶煉周期延長等缺陷，因此亟待進一步改進。

結語

由于我國轉爐脫磷研究起步較晚，因此與眾多發達國家相比技術還不夠成熟，然而歷時數十年探索實踐，國內轉爐脫磷工藝已經取得較大的進展。筆者期望通過本文對轉爐脫磷技術影響因素的探究，為我國轉爐脫磷工藝改進提供綿薄之力。

參考文獻

[1]邱鑫.轉爐雙聯脫磷工藝過程成渣路線的理論及實驗研究[D].重慶大學，2013.