頂吹轉爐脫磷熱力學分析和工藝優化

曲濤+齊長林+于學挺

摘 要：磷在大多數鋼中都是有害元素，脫磷是轉爐煉鋼的主要任務，本文從熱力學角度入手，分析了頂吹轉爐煉鋼脫磷的影響因素，提出了優化轉爐脫磷的措施，對強化頂吹轉爐煉鋼脫磷、提高鋼材質量有重要意義。

關鍵詞：頂吹轉爐；脫磷；措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.028

1 前言

磷在鋼中（除炮彈鋼、耐蝕鋼以外）是有害元素，易使鋼發生“冷脆”現象，尤其在高碳鋼中更是明顯，其原因是由于磷元素富集在鐵素體晶界上形成“固溶強化”的作用，造成晶粒間的強度提高，從而產生脆性。除此之外，磷含量越高越容易在結晶邊界析出磷化物，降低鋼的沖擊值[2]。因此，控制頂吹轉爐煉鋼過程中的脫磷反應是控制回磷和提高鋼材質量重要而復雜的工作。

2 脫磷的熱力學分析

2.1 溫度

由上可知，溫度越高。K值越小，因此，低溫對脫磷有利。但需要指出的是，提高熔池溫度，會使磷的分配比降低，對磷從金屬向爐渣的轉移不利。但溫度升高降低了爐渣的粘度，加速了石灰的熔解，從而有利于磷從金屬向爐渣的轉移。理論研究表明，最有效的脫磷有一個最佳的溫度范圍（1450～1500℃）。這就要求冶煉初期，要根據鐵水溫度采用不同的操作制度。鐵水溫度低（1250℃以下），要采用低槍位操作以提高熔池溫度，加速石灰的熔解，迅速形成初期渣，充分利用前期爐渣FeO高、爐溫低的優勢，快速脫磷。若鐵水溫度特別高（大于1350℃），冶煉初期要適當采用高槍位操作，并加入部分礦石，抑制爐溫的快速升高，同時也有利于石狄的溶解，延長冶煉在低溫區（1500℃以下）的運行時間。實踐證明，盡管冶煉終點溫度高，會降低磷在鋼一渣中的分配比，但脫磷的關鍵仍然是冶煉過程渣特別是終渣的控制。也就是說溫度的影響不如（FeO）和（Cao）顯著。

2.2 爐渣堿度

因為CaO是使aP205降低的主要因素，增加（CaO）達到飽和含量可以增大aCa0，亦即增加自由CaO（不與酸性氧化物結合）的濃度，會使（P205）提高或鋼中[P]降低。但渣中（CaO）過高，將使爐渣變稠，同樣不利于脫磷。要根據溫度和爐渣情況采取不同的處理方法。

2.3 （FeO）的影響

（FeO）對脫磷反應的影響比較復雜，當（FeO）很低時，石灰不能很好熔化，顯然不能脫磷。但若（FeO）過高，將稀釋（CaO）的脫磷作用。（FeO）與堿度對脫磷的綜合影響是，堿度在2.5以下，增加堿度（石灰用量）對脫磷的影響大。堿度在2.5-4.0時，增加（FeO）對脫磷有利。但過高的（FeO）反而使脫磷能力下降。因此要根據各個轉爐的冶煉情況調節脫磷過程中的（FeO）的濃度。

2.4 渣量

增加渣量，可以在Lp一定的條件下，降低鋼水中的磷含量，從而有利于轉爐的脫磷。冶煉過程中高磷鐵水時，常常采用大渣量脫磷，增大了渣量也就意味著稀釋了渣中（P205）的濃度，但是一次性的大渣量會給操作帶來很多麻煩，還會增加Fe元素的損耗，降低了金屬元素的回收率，而多次換渣也會增大鋼水和熱量的損失，從環境和能源有效利用方面考慮應避免大渣量。可適當采用雙渣法進行冶煉。

3 頂吹轉爐脫磷工藝優化

為了提高頂吹轉爐脫磷的效率，從影響脫磷的幾個因素進行了優化。

3.1 對溫度的控制和優化

對于轉爐吹煉過程，溫度是主要的參數，溫度對爐內反應、渣料熔化、爐襯的壽命、鋼水的質量都有很大的影響。控制溫度的辦法主要是適時加入需要數量的冷卻劑（廢鋼、鐵礦石、氧化鐵皮等），并為直接命中終點提供保障。

在吹煉過程中可以根據對爐況的判斷來進行調整，吹煉前期，如果碳焰上來的早，表明熔池的溫度較高，可適當提前加入二批渣料進行控制；反之，碳焰是那個來的晚，表明前期溫度底，應適當降槍加強各個元素的氧化來提高熔池的溫度。吹煉中期，可根據爐口火焰并參照氧槍進出水溫度差來判斷熔池的溫度，如果熔池的溫度高，則應加入冷卻劑進行調整；若溫度低，可降槍提高熔池的溫度。在吹煉后期，若溫度過高，也可加冷卻劑進行適當的降溫，相反，溫度低，應加入Fe-Si或Fe-Al合金，但是在加入前必須要補加石灰，以防止鋼水回磷。

3.2 優化造渣制度和優化

造渣制度就是要在轉爐冶煉過程中加入造渣材料，使之與吹煉過程中的氧化物結合形成一種具有良好性能的爐渣，以滿足脫磷、減少爐襯的侵蝕、減少和防止金屬噴濺等。優化造渣制度就是要確定合適的造渣方法，渣料的加入數量和時間，以及如何能快速成渣。比如優化裝料，采用活性石灰造渣，留渣操作，為下一爐補充一定的物理熱，強化前期熔池的攪拌等措施都有利于轉爐煉鋼快速成渣。在吹煉過程中爐渣必須遵循“早化、化透、作黏、掛上”的原則[4]。

3.3 優化供氧制度和優化

向熔池內供氧在轉爐煉鋼過程中最重要的工藝，是氧化脫磷的必要條件，供氧制度的合理與否對脫磷、造渣等有重要的影響。

氧槍的噴頭在轉爐吹氧工作過程中，雖然有高壓氧流和高壓水的雙重冷卻，但是由于噴頭長期處在炙熱的氣氛中，并不段受到濺起的高溫熔渣和金屬液滴的沖刷，其表面因長時間高溫作用而發生變形，甚至出現噴頭被逐漸熔蝕、燒穿而漏水[5]，進而影響了吹煉過程供氧，對鋼水的質量和產量都產生了不利影響。因此要優化噴頭的內部結構（包括優化兜水板形狀、 中心入水口、上頂和下底的導水方式、端底厚度等），改進噴頭端底的形狀（擴大喉口直徑等[6]），增加循環水的流速[11]，選用耐熱性能好的材料等，防止因噴頭變形、粘鋼給冶煉帶來不利的影響。

優化供氧制度包括設計一個合理、耐用的氧槍，對氧槍內部結構進行改善，強化供氧強度，根據冶煉情況合理地選擇適當的槍位及其供氧操作。

3.4 控制或降低鋼水回磷的措施

回磷是由于渣中P2O5被還原，可盡量減少出鋼過程下渣量，其措施有三條：①加強出鋼口維護，不使出鋼口過大。②采用擋渣帽擋

住出鋼時前期下渣。③采用比重介于渣一鋼之間的擋渣球，用擋渣球擋尾渣出鋼[7]。

4 結論

（1）影響頂吹轉爐的熱力學因素有溫度、堿度、（FeO）、渣量。根據頂吹轉爐煉鋼中脫磷的特點，鋼水中有害元素-----磷的去除的有利條件是：高堿度、高氧化性、良好流動性的熔渣、充分的熔池攪動、適當的溫度和大渣量[1].

（2）在冶煉過程中要根據原料特點、操作工藝、爐況等對起影響因素進行合理的溫度、造渣、供氧的優化和控制，以達到穩定有效的脫磷，提高鋼材的質量。

（3）通過改善氧槍的結構、尺寸、類型及槍位的控制，改善熔池內傳熱及傳質的效率，促進鋼水的脫硫，進而改善雜質的去除速度。

（4）控制或降低鋼水回磷。

參考文獻：

[1]雷亞，楊治立等.煉鋼學[M].冶金工業出版社，2010：1-134.

[2]崔忠圻，劉北興.金屬學與熱處理原理（第3版）[M].哈爾濱工業大學出版社，2007：41-147.

[3]黃希祜.鋼鐵冶金原理（第3版）[M].冶金工業出版社，2006：4-402.

[4]沈克強.轉爐造渣操作及其對脫磷的影響[J].冶金叢刊，2010（02）：5-7.

[5]劉志昌.氧槍[M].冶金工業出版社，2008：140-162.

[6]王大博，商思凱.頂吹轉爐煉鋼工序優化[J].黑龍江冶金，2007（01）：36-37.

[7]李小勇，吳涌濤，唐民生.低鐵耗條件下轉爐高碳低磷工藝實踐與應用[J].柳鋼科技，2007：104-107.