鋼鐵冶煉過程中氧化脫磷與固磷的應用研究

馮曉明

（承德建龍特殊鋼有限公司，河北 承德 067000）

鋼鐵在國民經濟各行各業的重要性不言而喻，在社會的進步與發展過程中占據著關鍵性的地位。傳統鋼鐵冶煉工藝中，通常使用大渣量、高堿性、高氧化性的冶煉環境，以此來促進脫磷。但是這一過程存在著高耗能、高固體廢棄物排放的缺點，與目前社會所追求的低耗能、低污染的發展要求完全不符。相關研究結果顯示，鋼鐵的冶煉過程，脫磷與固磷是可以同時存在的，提升爐渣的固磷率能夠加快鋼鐵的脫磷，鋼鐵的氧化脫磷需要大渣量、高堿性、高氧化性的冶煉環境，但是關于爐渣中磷的固化則是通過硅酸二鈣固溶固磷相C2S-C3P來實現的。并且，低濃度氧化亞鐵環境中的固磷相更加容易賦存，因此在冶煉的過程中需要改進現有的冶煉工藝流程來找尋脫磷與固磷之間的平衡點。

1 相關實驗

文章以某一鋼廠的100t煉鋼轉爐為例進行研究，這一轉爐主要生產低磷鋼，其鋼水中磷元素的含量為0.12%～0.14%，吹煉驗證的堿度分別為3.0與4.0，冶煉溫度為1280℃～1340℃。需要在冶煉的前期將鋼渣進行充分的化渣處理，以此確保驗證結果不出現偏差。

冶煉的過程中采用了雙渣吹煉的工藝。冶煉前期先加入整個冶煉所需石灰量20%的石灰、全部量的石灰石以及全部量的白云石，冶煉下槍之后再加入整體紅泥量70%的紅泥。吹煉初期選用1.43m的常規槍位高度，初始的吹煉供氣量為179600m3/h，直至進入脫磷期[1]。進入脫磷期之后的槍位設置在1.59m的高度，維持0.98份之后將槍位高度調整至1.49m，維持3min。這一過程需要13900m3/h～18400m3/h的供氣量，然后將供氣量逐漸提升至22900m3/h。脫磷期吹煉槍位于供氣量的變化如圖1所示。

2 冶煉過程中造渣的控制

脫磷期渣的控制。冶煉的初期是二氧化硅以及少量的氧化鎂、氧化鈣以及氧化亞鐵等氧化物相互反應的過程，以此可以形成鐵酸鈣、硅酸鐵等物質為主的渣系低熔點相。渣相的熔點保持在1300℃左右。開吹點火之后加入鐵礦石，以此來使渣中較高的氧化亞鐵與二氧化硅得到有效的控制，進而大幅度的降低鋼渣的熔點。需要注意不可過早加入石灰，以免過早的形成高熔點的C2S。

圖1 脫磷期的槍位與供氣變化示意圖

冶煉的整體過程中，其化渣的階段主要是生產初期渣，這一階段的初期渣熔點較低，化渣不存在什么難度。鋼渣脫磷的主要時間集中在3min～5min之時，這時的鋼渣已經初具一定的堿度，脫磷時的產物已經逐漸磷酸鈣化，鋼渣中的氧化亞鐵與磷酸鈣相中均含有一定量的磷元素。這一階段想要將鐵水中的磷更好的去除，要避免吹煉的溫度過高，以免造成因高溫而導致的磷還原的現象。第一批渣已經充分的加入，第二批渣還未到加入的時間。在溫度升高之前想要得到足量的C2S，可以將氧化亞鐵的含量降低[2]。這樣做的目的是促進CS向C2S轉化，同時使槍位降低，強化熔池的攪拌，確保磷酸鈣充分的溶解于硅酸鈣之中。

脫磷的末期，鋼渣中的堿度會顯著的下降，同時鋼渣中的氧化亞鐵含量也會發生降低的情況。所以，鋼渣中的硅酸二鈣含量逐漸增多，冶煉過程中固磷的性能也逐漸的增強，能夠接納更多的C3P，強化了鋼渣的使用效率。實現這一過程，主要依賴于壓槍作用與位置的調整，降低鋼渣中氧化亞鐵的含量，同時在脫磷的過程中逐漸降低所需的石灰量，使用大流量的氧氣供應，深化熔池內還原反應的過程，全面強化對鋼渣氧化性的控制。

3 冶煉鋼渣微相分析

3.1 脫磷期渣相分析

對新工藝冶煉所生產的低氧化亞鐵鋼渣與傳統冶煉所生產的高一氧化亞鐵渣分別進行渣相分析[3]。低氧化亞鐵半鋼渣中的堿度R為1.65，實驗結果現實，這一渣樣上存在兩種物相，作為基體相的深灰色相遇基體相上所分布的枝晶狀白色相，深灰色相為硅酸鹽相，磷在這一相中有富集。同時，還固溶有少量的鐵和鎂。白色相為鈣鐵相，主要成分為鐵和鈣。

高氧化亞鐵半鋼渣中的堿度R為1.69，這一渣樣中存在兩種物相，作為基體相的灰色相以及在基體上分布的枝晶狀白色相。根據能譜分析，灰色相為硅鹽酸相，磷在這一區域內有富集。與低氧化亞鐵渣中的深灰色相進行對比，這一樣渣中溶固了較多的鐵元素。白色相為鈣鐵相，鐵元素的質量分數明顯較高，而磷元素相對較低。

半鋼渣的堿度均值為1.60～1.70，這類鋼渣的物質相基本為兩種，作為基體相的深灰色硅酸鹽相，磷元素在這一相中有富集。以及灰度相比之下較淺的白色相鈣鐵相，其主要的成分為鐵和鈣，這一相中基本不含磷。氧化亞鐵含量較高的渣，其磷元素的質量相對較低。

3.2 轉爐終渣渣相分析

對隨機轉爐終渣進行渣樣成分分析，選取不同W((FeO))和R的鋼渣,其成分見表一，低W（（FeO））=13.2%，所對應的堿度R為3.1，高W（（FeO））=21.3%，所對應的堿度R為4.3。

表2 轉爐終渣成分

冶煉結果顯示，在鐵水條件基本一致的情況下，低堿度的鋼渣在低氧化亞鐵的情況下所占的磷分配比較高，這時對輔料石灰等消耗量最低。低堿度氧化亞鐵渣系中一氧化硅的質量分數將會有所提高，究其最主要原因，是因為鋼渣的堿度有所降低，進而使得石灰的加入量也有所降低。同時，借助冶煉中后期的低槍位與高供氧的控制，轉爐終渣的氧化亞鐵質量分數相較于傳統的冶煉爐次將會有明顯的下降。

根據所得結果可知，使用新的冶煉工藝所生產的氧化亞鐵鋼渣中的固磷相，所占比例為2.86%，鐵酸鈣的比例為0.82%，氧化物的比例為0.56%。使用傳統冶煉工藝所得的低氧化亞鐵鋼渣中的固磷相所占比例為2.18%，鐵酸鈣所占比例為0.52%，氧化物所占比例為0.37%[4]。與此可得知使用新的冶煉工藝能夠使冶煉過程中的固磷相含量得到大幅度的降低，以此可以實現固磷特性的有效提升。

同時，在冶煉的過程中適當地加入傳統工藝20%的石灰量，將紅泥的用量也降為原始用量的70%，可以有效的降低冶煉過程中所消耗的輔料數量。

4 結論

對鋼鐵冶煉過過程中的脫磷過程進行全面的分析，以此改進現有傳統冶煉方式所存在的能耗大、脫磷效率低等難題。文章提出了一種全新的冶煉脫磷工藝，結合實際檢驗的結果可以得知：

（1）鋼鐵冶煉的過程中，脫磷與固磷是同時并行存在的。提升爐渣的固磷率，能夠大幅度的提升鋼鐵的脫磷率。而鋼鐵的氧化脫磷則需要大渣量、高堿性以及高氧化性的冶煉環境。但是爐渣中磷的固化需要依賴于C2S固溶固磷相C2S-C3P才能實現。

（2）冶煉過程中固磷相C2S-C3P的含量與氧化亞鐵含量之間的關系成反比，氧化亞鐵的含量越低，固磷相的含量則越高，進而使得爐渣得到最佳的固磷效果，鋼鐵的脫磷率就越高。

（3）使用新的冶煉工藝所生產的低 氧化亞鐵鋼渣中固磷相所占的比例約為2.86%，傳統的冶煉工藝獲得的低氧化亞鐵鋼渣中固磷相所占的比例約為 2.18%；

（4）新的冶煉過程中加入的石灰的量為傳統工藝的20%，所需的紅泥的量為原始量的70%，在冶煉過程中消耗的輔料也顯著的低于傳統的冶煉工藝。