邯鋼120 t轉爐“留渣+雙渣”脫磷工藝研究

2020-09-10 06:16:16高福彬李建文王玉剛

河南冶金 2020年3期

高福彬李建文王玉剛

（河北鋼鐵集團邯鋼公司）

0 前言

目前國內外轉爐脫磷工藝有以下三種：一種是傳統(tǒng)的單渣法，即整個轉爐吹煉過程只造一次渣,中間不倒渣，終點直接出鋼。該方法操作簡單，吹煉時間短，渣量較大，脫磷效果一般，適合對終點磷含量要求不高的鋼種。第二種是轉爐雙聯(lián)法，該方法是依據(jù)熱力學原理，將轉爐吹煉分為脫磷期和脫碳期，分別在兩個轉爐進行吹煉。脫磷結束后迅速出鋼，然后將鋼水轉移至脫碳爐進行脫碳造渣操作。轉爐雙聯(lián)法脫磷率高，能夠大幅降低輔料的消耗[1-2]，但是轉爐雙聯(lián)法需要兩個轉爐來分別進行脫磷和脫碳，轉爐利用效率降低，投資較大、熱損大。另外一種就是轉爐雙渣+留渣工藝，該工藝是先在轉爐進行脫磷吹煉，脫磷結束后快速倒出脫磷渣，然后在同一個轉爐進行脫碳操作，脫碳結束后出鋼留渣，留在轉爐內的脫碳渣作為下一爐次脫磷劑繼續(xù)進行脫磷操作。該工藝不僅實現(xiàn)了轉爐渣的循環(huán)利用，而且減少了爐渣的排放量和環(huán)境污染，有效提高了生產(chǎn)效率，受到大多數(shù)鋼廠的青睞。為此，筆者對“留渣+雙渣”脫磷工藝進行了熱力學分析及現(xiàn)場試驗。

1 邯鋼120 t轉爐基本情況

1.1 轉爐設備概況

邯鋼一煉鋼廠現(xiàn)有3座120 t頂?shù)讖痛缔D爐，年設計產(chǎn)能300萬t，轉爐爐容比0.96 m3/t，轉爐總裝料量150 t，采用5孔氧槍噴頭，設計馬赫數(shù) 1.98，供氧強度 3.2～3.6 Nm3/t·min，8塊彌散管式底吹透氣磚均勻分布，底吹供氣強度0.02～0.22 Nm3/t·min，采用LT除塵工藝，同時還配備了副槍系統(tǒng)、二級模型、紅外線下渣檢測系統(tǒng)和滑板擋渣系統(tǒng)，主要產(chǎn)品為重軌鋼、彈簧鋼、軸承鋼等。

1.2 鐵水和石灰概況

2018年9 ―12 月，120 t轉爐鐵水成分和轉爐煉鋼用石灰統(tǒng)計情況分別見表1、表2。

表1 2018年9―12月120 t轉爐鐵水成分統(tǒng)計

表2 120 t轉爐石灰成分統(tǒng)計

從表1可以看出，鐵水P含量的平均值為0.11%，鐵水溫度為1 340 ℃，Si含量的平均值為0.33%，C含量的平均值為4.5%，鐵水條件比較理想。

從表2可以看出，石灰中的CaO含量的平均值為89.35%，燒損3.65%，平均活性度為357.25 mL，石灰質量良好。

2 “留渣+雙渣”工藝脫磷的熱力學分析

2.1 溫度對轉爐前期脫磷的影響分析

在轉爐吹煉過程中，鐵水中的Si、Mn、P、Fe、C等元素會發(fā)生氧化反應，由于各元素與氧的結合能力不同，將會發(fā)生選擇性氧化，主要反應公式如下：

式中：M——合金元素，x、y——化學計量。

由式（1）可知：

式中：R——常數(shù)，8.314；α——活度。

由式（2）可知，某一元素在鐵液中與氧反應達到平衡時的氧位主要與元素的活度、氧化產(chǎn)物活度及形成該元素氧化物的標準吉布斯自由能有關，鐵液中某元素的平衡氧位越低，則該元素越容易被氧化。通過提高鐵液中反應物的活度和降低渣中生成物的活度，可以提高該元素與氧的結合能力。

根據(jù)邯鋼120 t轉爐鐵水平均入爐成分，假定轉爐脫磷之前鐵水中碳、硅、錳、磷的含量分別為4.45%、0.33%、0.19%、0.11%，以及脫磷渣中CaO、SiO2、MnO、P2O5、FeO、MgO含量分別為35%、20%、8%、4%、16%、9%，可以繪制出lgα0-T關系圖(如圖1所示，圖中紅色的虛線與黑色的實線分別表示其lgα），其中在爐氣中的CO分壓Pco為 100 kPa。

圖1 鐵水不同元素的lgα0-T關系

從圖1可以看出，在低溫區(qū)域，Si與氧的結合能力最強，其次是Mn、P、C、Fe，故脫硅反應優(yōu)先進行。留渣+雙渣脫磷過程中，假定上一爐脫碳終渣中P2O5的含量在2%以上，脫磷開始階段，鐵水中碳含量在4.45%左右，根據(jù)lgα0與溫度的關系，4.45%碳含量變化曲線和2%P2O5變化曲線相交的點為脫磷到脫碳的轉化點，即1 360 ℃，隨著脫磷的不斷進行，脫磷渣中P2O5的含量不斷升高，當溫度超過1 360 ℃時，鐵水中伴隨著脫碳過程的進行發(fā)生脫磷反應，當渣中的P2O5含量達到4%左右，鐵水中的碳含量在3.5%左右，溫度在 1 360～1 410 ℃時，仍以脫磷為主。當溫度繼續(xù)上升時，將以脫碳為主。由于溫度過低，將影響渣金間反應的動力學條件，因此脫磷溫度區(qū)間控制在1 360～1 410 ℃較合適。

2.2 堿度對轉爐前期脫磷的影響分析

在轉爐實際脫磷過程中，熱力學最關心的是回磷點的確定，當轉爐脫磷中鐵水的溫度超過一定溫度后會出現(xiàn)回磷，此溫度理解為回磷點溫度，脫磷溫度一般要求低于此溫度，以確保脫磷效率和鋼樣P含量的穩(wěn)定控制。“留渣+雙渣”法中脫磷階段的回磷點是實際脫磷過程中磷的分配比LP2剛好等于熱力學平衡計算出來的LP1所對應的溫度，高于此溫度則回磷。根據(jù)物料平衡原則，并假定P從鋼液脫除后全部進入渣中，LP2可以表示為：

式中：LP2——實際脫磷中P的分配比；(P)——留渣中P含量，%；——上一爐留渣量，t；[P]1——原料鐵水中磷含量，w%；——鐵水重量，t；[P]2——原料廢鋼中磷含量——廢鋼重量，t；[P]steel——半鋼終點磷含量，——脫磷結束后鋼水量，t； ——脫磷結束后渣量，t。

根據(jù)脫磷反應方程可知脫磷反應的分配系數(shù)LP1為：

根據(jù)熔渣的磷容量與溫度及光學堿度間的關系，可知：

磷容量為：

式中：αO——氧的活度；αFeO——氧化鐵活度；T——開爾文溫度，K；CP——磷容量；（%P）——渣中磷含量，%；[%P]——鋼中磷含量，w%。

根據(jù)式（5）、式（6）、式（7），可以進一步推導出渣-鋼間磷的分配系數(shù)：

根據(jù)式（3）和式（8），并結合邯鋼120 t轉爐的實際情況，120 t轉爐的出鋼量140 t，全部留渣量為10 t，留渣中的P2O5含量為2.2%，廢鋼為25 t，鐵水為130 t，鐵水初始P含量為0.11%，廢鋼中的P含量為0.4%，脫磷階段的目標P含量為0.07%。為方便比較，這里不考慮爐渣組分對終渣量的影響，根據(jù)式（4）可以計算出LP2，并分別將其與不同堿度條件下、不同全鐵含量下的LP1圖繪制在一起，如圖2所示。

從圖2可以看出，爐渣堿度在1.5～2.0區(qū)間，其回磷溫度在1 400～1 450 ℃區(qū)間，堿度在1.3～1.5區(qū)間，回磷溫度在1 360～1 400 ℃區(qū)間，綜合考慮，堿度控制在1.5～2.0區(qū)間，終點溫度控制在1 400 ℃以下，利于轉爐脫磷，不會出現(xiàn)回磷現(xiàn)象。

2.3 渣中T Fe含量對轉爐前期脫磷的影響分析

堿度為1.6時不同全鐵含量下脫磷渣的LP與溫度的關系如圖3所示。

圖2 不同堿度條件下對應的熱力學平衡LP1和實際LP2的交點

圖3 堿度為1.6時不同全鐵含量下脫磷渣的LP與溫度的關系

從圖3可以看出，磷的分配比隨著全鐵含量的升高而增加，從10%的全鐵含量增加到15%時，磷的分配比提升較快，進一步提升全鐵含量，磷的分配比增加的幅度逐漸放緩，考慮到過高的全鐵含量將帶來一定的鐵損問題，建議將渣中的全鐵含量控制在15%～20%較為合適。

2.4 脫磷渣熔點、粘度、表面張力及發(fā)泡性分析

為了解實際脫磷溫度條件下熔渣的物理特性，利用Factsage 軟件分別計算了不同全鐵含量下CaO-FeO-SiO2-MgO-MnO渣系的熔點、粘度、表面張力與堿度、溫度之間的相互關系，如圖4所示。

圖4 不同TFe含量下熔渣熔點隨堿度的變化情況

從圖4可以看出，熔渣的熔點隨著堿度的升高而迅速上升。渣中全鐵含量的提高有助于降低熔渣的熔點，當熔渣中的全鐵含量控制在15%～20%區(qū)間、堿度在1.1～1.4區(qū)間、脫磷終點溫度為1 400 ℃左右時，熔渣基本處于熔化狀態(tài)，流動性較好。當熔渣堿度為1.5時，熔點在1 450～1 500 ℃區(qū)間，熔渣處于液相為主的液固兩相區(qū)，此區(qū)間仍具備良好的脫磷效果。隨著熔渣堿度進一步的提高，熔點迅速提升，熔渣流動性下降。

計算不同T Fe含量下及溫度下的熔渣粘度隨熔渣堿度的變化，如圖5所示。

圖5 不同T Fe含量及溫度下的熔渣粘度隨堿度的變化

從圖5可以看出，TFe含量的增加、脫磷終點溫度的提高有利于降低熔渣黏度。當爐渣中的TFe含量為15%～20%、脫磷終點溫度在1 420 ℃以下、堿度在1.0～1.5范圍時，爐渣具有較低的粘度（0.1～0.5 Pa·s）；當堿度超過1.5時，粘度上升較快，最高接近1.8 Pa·s，如果要提高脫磷堿度，則需要相應提高脫磷終點溫度及全鐵含量，以保證爐渣的流動性。

爐渣表面張力對爐渣發(fā)泡性有很大影響，表面張力低，爐渣易發(fā)泡，而爐渣發(fā)泡性對雙渣法冶煉前期倒渣有影響。1 400 ℃時爐渣的表面張力計算公式[3]為：

式中：σ1400℃——1 400 ℃下熔渣的表面張力，達因/cm；NX——x組元的摩爾分數(shù)。

根據(jù)式（6）可以計算出在其他組元不變，不同T Fe含量條件下的表面張力變化情況，如圖6所示。

從圖6可以看出，在熔渣堿度1.0～2.0的區(qū)間范圍內，表面張力曲線變化不明顯，全鐵含量的升高能夠降低熔渣的表面張力，但影響較小，表面張力整體在0.5～0.535 N/m范圍內波動，堿度偏低，全鐵含量升高則表面張力低，有益于造泡沫渣。

圖6 不同T Fe含量下熔渣表面張力σ隨堿度的變化

轉爐脫磷結束后中間倒渣的情況是新一代雙渣法脫磷效率能否提高的關鍵技術，其中，爐渣的泡沫性對中間倒渣過程有著重要影響。爐渣發(fā)泡性能差，則倒渣過程很容易倒鐵，嚴重影響金屬鐵的收得率；爐渣發(fā)泡性能太好，則渣罐易溢渣，盛渣量較低，倒渣時間延長。為了防止泡沫化程度超出范圍，出現(xiàn)轉爐口溢渣的情況，倒渣前須壓槍，以減少爐渣泡沫化程度。因此，控制適度的爐渣發(fā)泡性，保證既能足量倒渣，又不影響鐵損及倒渣時間是雙渣脫磷取得成功的關鍵。渣中適量的微小固體顆粒有利于提高渣粘度，提高泡沫化指數(shù)；然而，如果固體顆粒過大或過多，渣變得粘稠，則很難形成有效氣泡，用來起泡的氣體將沿渣體中的裂縫離開渣層，起不到發(fā)泡效果[4]。而粘度受溫度、堿度和全鐵含量的影響非常大，所以在實際生產(chǎn)中較難控制。從前面的分析來看，堿度控制在1.5左右，溫度在1 400 ℃左右，其粘度及熔點、表面張力均較為理想，對爐渣發(fā)泡性來說是較為合適的范圍，可降低風險，方便倒脫磷渣。