轉爐抑制回磷技術研究

孟義春，李 寧，午億土，牛嘉佳，劉國番，李慶平

（首鋼長治鋼鐵有限公司，山西 長治046031）

一般情況下磷為鋼中有害元素，鋼材中磷含量高時，鋼的塑性和沖擊韌性降低，同時使得鋼材的焊接性能與冷彎性能變差，而且磷在鋼中與碳、硅、硼一樣，均是對脆性轉變溫度影響最壞的元素[1-2]。因此，轉爐冶煉過程中脫磷是其的主要任務之一，諸多學者對轉爐冶煉過程的脫磷機理研究已經很成熟，并廣泛應用于工業生產中[3-5]。在實際生產中，轉爐冶煉終點磷含量已經符合出鋼要求，但在成品鋼中磷含量超標的現象仍時有發生，造成磷廢。磷超標主要是由于轉爐在出鋼過程中發生了回磷所致。

1 工藝裝備及原輔料條件

1.1 工藝裝備條件

首鋼長治鋼鐵有限公司（以下簡稱長鋼）現有3座80 t轉爐（其中1座為頂底復吹，其余2座為頂吹轉爐），2座80 tLF精煉爐和4臺連鑄機（1臺四機四流H型坯，1臺五機五流150 mm×150 mm小方坯，2臺六機六流150 mm×150 mm小方坯）。轉爐沒有下渣檢測和滑板擋渣等控制回磷的設備。

主要產品：低合金系列（HRB400E、HRB500E、MG335、MG500）；普鋼系列（Q235、Q195、HPB300D）；異型坯（Q235B、Q355B）；優質碳素鋼（20號-70號）；焊線鋼（ER50-6、ER70S-6）。

1.2 原輔料條件

長鋼高爐原料結構復雜，鐵水中w[P]較高（0.12%～0.15%），鐵水條件如表1所示。

轉爐吹煉造渣材料主要為石灰、鐵礦石、輕燒白云石等。具體化學成分如表2所示。

表1 長鋼鐵水成分和溫度

表2 主要輔料成分 %

長鋼采用高磷礦進行冶煉，導致鐵水w[P]平均0.134%，轉爐冶煉45號鋼采用單渣法，轉爐一倒終點w[P]平均0.022%，轉爐平均脫磷率83.33%。

2 理論研究

在吹氧的作用下，會使爐渣中FeO含量不斷升高，在鋼-渣界面上發生如下脫磷反應[6]：

式中：K為脫磷反應化學平衡常數；T為鋼水溫度。

從式（1）可以看出，脫磷反應隨著鋼水溫度的升高，K值明顯降低，說明脫磷反應是強放熱反應。從脫磷的熱力學及動力學角度來分析，脫磷反應的有利條件為：適當的低溫、高堿度、適當高的FeO含量和大渣量。冶煉末期若溫度控制過高，會抑制脫磷反應的正向進行，出現回磷。另外，出鋼過程中，一旦出現下渣，鋼渣與包內加入的脫氧劑發生氧化反應，使得鋼中的氧以及渣中FeO含量降低，脫氧產物SiO2等進入爐渣使爐渣堿度降低，這一過程會發生如下反應。

渣中FeO與脫氧劑作用：爐渣與脫氧產物作用：

渣中P2O5與脫氧劑的作用：

最終導致中前期從鋼液中脫除進入爐渣中的磷重新被還原回到鋼液當中，造成回磷。

3 影響因素

3.1 45號鋼生產數據

通過對45號鋼生產過程數據分析，冶煉過程磷含量控制如圖1。

圖1 鋼水磷含量變化圖

圖1 所示為補吹爐次鋼水磷元素含量變化圖。平均出鋼回磷量0.001 3%，平均成品比爐后精煉磷高0.000 4%。

出鋼回磷的原因是，補吹后渣中FeO含量升高，導致固磷相C2S-C3P被FeO與較高的溫度分解，另外渣中FeO變高使鋼渣變稀，易出鋼下渣。

圖2 為一倒爐次出鋼過程回磷情況，從圖2中可以看出，平均出鋼回磷量0.001 4%，平均成品比爐后精煉高0.000 4%。

轉爐終點脫磷率平均83.33%，補吹后脫磷率一般在88%左右。

圖2 一倒爐次鋼水磷含量變化圖

圖3 所示為不同終點條件下，前期w（CO）隨吹煉時間的變化關系。當終渣R=3.2～3.5，出鋼溫度在1 660～1 680℃范圍內時，為保證脫磷率達到85%以上，在吹煉至175 s前，w（CO）需控制在10%以下。當終渣R＜3.2，出鋼溫度在1 650～1 660℃范圍內時，為保證脫磷率達到85%以上，在吹煉至200 s前，CO體積分數需控制在10%以下即可。

圖3 不同終點條件下w（CO）隨吹煉時間的關系

3.2 出鋼溫度的影響

為了考察出鋼溫度對回磷量的影響，對冶煉45號鋼不同出鋼溫度的回磷情況進行了回歸統計，如圖4所示。從圖4中可以看出，若使回磷量可控制在0.002%以內，出鋼溫度需控制在1 668℃以下內。因此，結合冶煉45號鋼出鋼溫度要求，轉爐出鋼溫度控制目標設定為（1 660±5）℃。

圖4 出鋼溫度與回磷的關系

3.3 下渣量影響

從圖5可以看出隨著鋼包下渣量的增多，鋼水的回磷量直線升高。主要是由于轉爐在出鋼過程中高磷相的爐渣會流入鋼包，爐渣在鋼流的沖擊下與脫氧合金充分接觸，使爐渣中的磷重新還原到鋼水中，導致回磷。

圖5 渣厚對回磷的影響

這一過程會發生如下反應。

渣中FeO與脫氧劑作用：

爐渣與脫氧產物作用：

渣中P2O5與脫氧劑的作用：

最終導致中前期從鋼液中脫除進入爐渣中的磷重新被還原回到鋼液當中，造成回磷。

統計回歸結果顯示，將回磷量控制在0.002%以內，其鋼包渣厚至少需控制在75 mm以內。

按目前渣中w（P2O5）=2.60%測算，下渣量為75 mm時，渣中磷含量達到0.021%，渣中磷含量回到鋼液中的量為渣中總w[P]的10%。

3.4 終渣TFe對回磷的影響

從圖6可以看出隨著終渣TFe含量的升高，鋼水的回磷量逐步大幅升高。其原因是低FeO終渣的渣相中C2S-C3P固磷相的比例很高，其外觀形貌為片狀，而鐵酸鈣相與鐵的氧化物相所占比例相比高FeO終渣的渣相較低。

圖6 終渣TFe對回磷的影響

渣中含有較高的FeO時，固磷相中所含的Si-Ca相被分解為熔點較低的硅酸鐵與硅酸鈣，在轉爐終點溫度較高的情況下，此兩項相為液相。其機理如圖7所示，轉爐終渣所含的C2S[C3S（3CaO·SiO2）]混合相是主要的固磷相，當渣中FeO含量升高時，FeO會使C2S（C3S）固磷相分解，形成鐵酸鈣、磷酸鐵、硅酸鐵等低熔點渣相，或者同時發生固磷相由大顆粒的形態分解為小顆粒的形態，磷元素在固磷相分解過程中重回鋼液，發生回磷現象。

從圖6可以看出，為了控制磷量在0.002%以內，終渣w[TFe]需控制在12.1%以內。

圖7 渣中FeO對固磷相的影響

4 結論

通過對45號鋼影響回磷的因素進行分析，從裝入結構、出鋼溫度、下渣量和終渣TFe含量等方面進行分析，可以得到以下結論：

1）在冶煉45號鋼時，轉爐出鋼溫度控制在（1 660±5）℃比較合適，回磷量可控制在0.002%以內。

2）將回磷量控制在0.002%以內，其鋼包渣厚至少需控制在75 mm以內。

3）為了控制w（P）在0.002%以內，終渣w[TFe]需控制在12.1%以內。