大型轉爐脫磷熱力學規律及脫磷工藝優化研究★

栗聖凱，郝赳赳

（山西工程職業學院，山西 太原 030009）

在鋼鐵產品中，磷含量的生產標準越來越嚴格，在冶煉過程中，如何在保持正常生產效率的基礎上，創造低成本高效率脫磷工藝成為了研究的焦點問題之一。在大型轉爐冶煉環境下，廢鋼返回利用的比例和次數都有上升趨勢。在返回利用的過程中，微量元素不斷富集，對冶煉優質鋼產生了一定的影響。一些高科技領域產業要求超純凈鋼材。只有超純凈鋼材產品才能具有高強度、高壽命、超低溫韌性等優勢。特別是含磷量高的鋼鐵產品難以在高科技領域市場中存活。因此，本課題的研究在鋼鐵冶煉領域符合發展前沿的要求，具有較強的現實意義。

1 脫磷熱力學基本規律概述

有關堿性煉鋼爐渣的脫磷平衡的相關分析可以追溯到20世紀40年代的平爐煉鋼。轉爐煉鋼過程借助氧化性的基本條件，以及渣的堿性（CaO）來將磷清除，也就是說，在渣-鋼界面間實現脫磷反應。脫磷反應基本過程如下方程組所示。

式中，n的取值為3或4。

目前，平爐煉鋼已經少見，轉爐已經成為世界首選。Suito依據MgO在轉爐煉鋼中的重要價值，在不斷的實驗與Healy公式理論分析的基礎上，創造了新的Suito公式，用以描述脫磷平衡在渣鋼間熔池的基本運作方式。此公式可以有效描述脫磷熱力學基本原理。轉爐脫磷決定于熔池熱動力學（Lp）的條件。其中，Lp計算過程如下。

式中：T為爐渣融化溫度。

從公式（4）、（5）中可以看出，Suito提出的新的脫磷熱力學計算方式適用范圍得到了加大的提升，其中，R處于0.15~26.00范圍之內，w(Fe)為8.66%~69.74%范圍之內。

通過相關文獻的研究與工程實踐可知，冶煉過程中平衡和實際的熔池熱力學是一個慢慢抵近的過程。在前期，由于時間間隔相對短且攪拌條件還沒有達到理想狀態，兩者在轉爐冶煉環境下的偏離較遠。相比之下，在冶煉中期，在溫度和脫碳氧位的作用下兩者偏離要弱一些。在冶煉后期，脫磷氧位接近爐渣氧位，爐間渣慢慢和平衡接近。結合Suito提出的新的脫磷熱力學計算方式，在元素的選擇性氧化原則作用下，在轉爐煉鋼冶煉的前期和后期符合脫磷的熱力學的基本要求。

2 大型轉爐脫磷工藝優化方法分析

2.1 底吹攪拌工藝的優化試驗方案

從文獻[1]中可知，在轉爐平臺中，不僅熔池混勻時間與底吹強度的影響較大，而且鋼渣傳質也會因為底吹強度的變化而產生較大的變化。本文以SXM鋼廠為例，對其50次實際鋼鐵冶煉底吹強度對比數據進行研究。

從表1中得知：在冶煉前期，保持轉爐冶煉的其他操作不變的基礎上底吹強度與氧步之間的關系，適當增加底吹強度有利于化渣效率及超低碳鋼的冶煉終點鋼渣反應平衡的實現。

表1 底吹強度與氧步關系

2.2 底吹攪拌工藝的優化試驗效果

通過在轉爐冶煉前期增強底吹強度，攪拌水平和熔池流動性得到改善，并且得到了如下試驗效果：

1）成渣速度得到了優化。

2）氣體、渣、鋼的混合效果更佳，反映顯著加劇。

3）返干現象得到了有效的抑制。

在實際試驗過程中，采集到TSC-S（R）型轉爐副槍探頭和TSO-S（R）型轉爐副槍探頭測量得到的含磷量、含碳量、終點碳氧積等數據，經過前后對比可知，各類指標均得到了顯著優化。

表2為在冶煉前期，保持轉爐冶煉的其他操作不變的基礎上底吹強度與含磷量、含碳量、終點碳氧積等前后數據對比結果。通過對比可知，TSC-磷含量（質量分數）從0.039%下降到增強底吹強度后的0.032%；TSO-磷含量從0.018%下降到增強底吹強度后的0.012%。

表2 增強底吹強度前后對比 %

從波動范圍角度來看，TSC-磷含量、TSO-磷含量發生波動的范圍也得到了一定的優化。

隨著終點碳氧積的平均值從增強底吹強度前的0.002 9降到增強底吹強度后的0.002 5，鋼水的過氧化問題也可以得到一定的優化。這表現在，底吹攪拌工藝的優化過程不僅可以讓鋼水收得率得到提高，而且，還可以降低渣中的TFe含量和鋼鐵原料的用量。與此同時，需要進一步探討：增強底吹強度的辦法會加速爐底、底吹元件老化的速率，需要配合提高補爐、濺渣護爐、底吹快換等工藝的水平。

3 綜合優化操作制度研究

通過分析上述大型轉爐脫磷工藝優化試驗結果，并結合SXM鋼廠在實際操作制度方面的調研可知，一方面該鋼廠的管理者缺乏對系統化的氧槍操作重視；另一方面，缺乏該鋼廠缺乏規范化的氧槍操作制度，同時在造渣料加料、底吹強度和氧槍操作等制度的建設方面也存在一定的不足。

鑒于此，為了得到更加優化的脫磷冶煉方案，該鋼廠需要調整造渣料和加料的操作制度。

1）通常情況下需要對第一批造渣料比例進行改善，要采用二級計算得到造渣料的用量。

2）添加渣中的一氧化鐵，并與分批加料和強底吹相結合，從而提前成渣的時間，加速化渣。

3）在前期化渣有一定的難度，造成脫氧在前期的效率偏低。在前期也就是吹氧之前的4 min采取高槍位操作，逐漸增加熔池內的溫度，讓脫磷最適宜的溫度盡可能保持更長的時間。

4）在綜合優化操作制度的試驗中，為了化渣快速，采取分批加入造渣料、強底吹和前期高槍位三管齊下方式，通過觀察轉爐脫磷現場可以看出，化渣前期較好，成渣時間也縮短。

4 結語

含磷量高不利于鋼材的可塑性和韌性的提升，還會導致低溫環境下鋼材冷脆斷裂的問題。在SXM鋼廠的實際生產過程中，本文通過具體的試驗數據的分析，探索生產低磷潔凈鋼材的工藝實現路徑。在大型轉爐的底吹攪拌前期是脫磷最佳時間節點。為了提高脫磷效果，應該轉變以往一次性加料的生產習慣，采用分批加入造渣料。在增強底吹強度的同時還需要采取高槍位的措施。與此同時，還需要注意將熔池溫度的控制。在渣內添加FeO，從而提高化渣的速度，攪拌熔池的水平得到提升，提高鋼渣反應速度，達到脫磷最適宜的熱力學、動力學條件。在大型轉爐冶煉環境下，本文從脫磷熱力學基本規律出發，依據科學方法，探索大型轉爐脫磷工藝優化方法和綜合優化操作制度。