溫麗秀

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司煉鋼二廠， 山西 太原 030003）

高碳鐵水預(yù)處理脫磷對生產(chǎn)低磷鋼的意義：第一高碳鐵水脫磷能夠替代電爐，為AOD直接提供低磷鐵水冶煉鉻不銹鋼，大大降低了不銹鋼的冶煉成本，節(jié)能電耗，縮短AOD冶煉時間，提高AOD爐殼壽命，在降本增效等方面有重要意義。第二入轉(zhuǎn)爐鐵水中的磷可以降低到超低含量，能夠提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率，降低煉鋼成本，節(jié)能降耗，渣量會大量減少，轉(zhuǎn)爐噴濺會減少，從而降低鐵損；冶煉高碳鋼時高碳出鋼，提高合金錳的回收率，轉(zhuǎn)爐冶煉周期降低，渣中TFe含量降低，有利于提高爐齡，有利于轉(zhuǎn)爐冶煉優(yōu)質(zhì)鋼種，更有利于生產(chǎn)高附加值的高規(guī)格鋼種。第三能夠提高鋼材的純凈度，對于冶煉IF等純凈鋼[1]是很重要的，可是實現(xiàn)少渣冶煉，減少進(jìn)入鋼包的渣量，減少了鋼中的夾雜物，鋼中[N]、[H]含量也會降低，從而生產(chǎn)高純凈度的鋼種。

高碳鐵水脫磷的基本狀況：鐵水脫磷前必須預(yù)脫硅，由于鐵水中磷的氧勢要比硅的氧勢高很多，勢必在脫磷的過程中加入脫氧劑后，硅與氧的親和力大于磷與氧的親和力，因此硅要比磷優(yōu)先被氧化，所以為了減少脫磷劑的用量，提高脫磷效率，必須要先將鐵水中的硅脫到一定程度再進(jìn)行深脫磷，日本新日鐵君廠K.Sasaki[2]研究表明脫磷前把硅脫到0.1%～0.15%以下時，脫磷效果才會顯著提高。1 高碳鐵水脫磷的基本熱力學(xué)分析[3]

1.1 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下高碳鐵水脫磷的熱力學(xué)分析

在預(yù)處理脫磷過程中，通常用的脫磷劑為石灰、紅泥球。高爐生產(chǎn)的鐵水中含有碳、硅、錳、磷、硫等五大基本元素，本文僅對影響脫磷反應(yīng)的基本因素以及石灰系脫磷反應(yīng)進(jìn)行分析：

將以上三個基本反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下應(yīng)用吉布斯自由能和溫度變化的關(guān)系繪于圖1中。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下吉布斯自由能與溫度變化的關(guān)系

由圖1知，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，在高爐鐵水預(yù)處理的溫度范圍內(nèi)（1300～1400℃，即 1573～1673 K）：

1）進(jìn)行氣相氧化脫磷可能為零，所以其中氧化的Δr＞0；

2）[P]氧化成P2O5，再于渣中的CaO結(jié)合形成穩(wěn)定的化合物而溶于渣中，而且隨著溫度的升高，化合物也能夠穩(wěn)定存在。

1.2 實際狀態(tài)時鐵水熱力學(xué)分析

在實際狀態(tài)脫磷時，預(yù)處理鐵水中溫度和成分

經(jīng)計算的鐵水中各成分的活度系數(shù)fi可以得到如下結(jié)論：

1）在各組元體系中碳與磷的活度系數(shù)為正值,隨著含碳量的增加,磷的活度也逐步增大,碳氧反應(yīng)不發(fā)生劇烈反應(yīng),對脫磷效果顯著。

2）鐵水中存在的雜質(zhì)元素對磷的活度系數(shù)fi有一定的影響。

本實驗鐵水脫磷用的爐渣為CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2渣系。由渣中各組元的活度系數(shù)γi的計算可以得到如下結(jié)論：

1）堿度的影響。增加脫磷劑中CaO的用量，堿度增加，有利于脫磷。但是，渣系中石灰的量過高將使?fàn)t渣黏度變大，高熔點(diǎn)物質(zhì)析出，氧化性渣的流動性變差，這樣脫磷效果反而會變差。

2）氧化性的影響。鐵水的氧化性即渣中（FeO）的含量。渣中氧化鐵含量越高，相應(yīng)鐵水脫磷效果就會越好。

3）渣量的影響。新日鐵名古屋廠[4]認(rèn)為渣量增大，可使γP2O5降低，渣中P2O5的含量增加從而使鐵水中磷的含量降低，所以進(jìn)行多次扒渣操作重新造渣是提高脫磷的有效措施。但是，渣量太大，發(fā)生泡沫渣的機(jī)率增加，會發(fā)生噴濺造成鐵損，對降本增效及安全環(huán)保等方面都很不利。

2 實驗的目的與意義

在山西太鋼不銹鋼股份有限公司（全文簡稱太鋼）三脫站的條件下，用CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2渣系對鐵水做了一系列的氧化脫磷實驗，從影響脫磷的4個因數(shù)[5]（含碳量、溫度、堿度、Fe2O3含量）中，采用正交實驗[6]設(shè)計確定最優(yōu)脫磷實驗方案，從而為冶煉超低磷鋼奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

3 CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2渣系脫磷實驗的研究

3.1 實驗設(shè)備

太鋼煉鋼二廠北區(qū)預(yù)處理150 t三脫站。

3.2 實驗方案

在三脫站的條件下，試驗用太鋼6號高爐鐵水（成分相對穩(wěn)定），在選取具有代表性的鐵水且成分相近的9爐鐵水中，脫磷劑采用CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2渣系，采用正交試驗設(shè)計從影響脫磷的四個因數(shù)中，利用正交實驗分析多因素影響試驗的一種設(shè)是時刻變化的，因此各成分的活度系數(shù)也是時刻發(fā)生變化的。所以采用鐵基液的相互作用活度系數(shù)來預(yù)計算鐵水中各成分的活度系數(shù)。計方法。本試驗是由實驗因素的全部影響因素組合中，進(jìn)行挑選出有代表性的組合實驗進(jìn)行試驗，繼而通過對代表性的試驗結(jié)果全面分析試驗的情況，最終找出最優(yōu)影響因素的脫磷試驗方案（見表1）。

表1 正交表L9（34）[7]

3.3 結(jié)果與分析

在實驗分析中，均使用專用鐵水取樣器，采用風(fēng)動送樣設(shè)備，全自動化驗室分析各組元成分。將脫磷前的鐵水成分和脫磷后終點(diǎn)成分的分析結(jié)果記錄見表 2，表 3，表 4。

表2 脫磷溫度（1300℃）時鐵水初始與終點(diǎn)成分 %

表3 脫磷溫度（1350℃）時鐵水初始與終點(diǎn)成分 %

表4 脫磷溫度（1400℃）時鐵水初始與終點(diǎn)成分 %

從No.1到No.9以上3個表的實驗結(jié)果可以看出：添加不同比例的CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2脫磷劑后，鐵水中 C、P、Si、Mn、S 均發(fā)生了氧化反應(yīng)，終點(diǎn)鐵水成分幾乎都比初始成分低，但是C、Mn、S降低的不多，而脫硅反應(yīng)進(jìn)行徹底的原因是在脫磷反應(yīng)前，首先發(fā)生了脫硅反應(yīng)，當(dāng)鐵水中的硅含量降低到一定值后，才開始發(fā)生脫磷反應(yīng)。

為了便于正交分析和計算，把No.1到No.9鐵水脫磷實驗的脫磷率記錄見表5。

表5 脫磷率 %

在鐵水氧化脫磷實驗中，把脫磷率作為實驗指標(biāo)對試驗結(jié)果進(jìn)行極差計算分析，并找出最優(yōu)試驗方案，分析結(jié)果記錄見表6。

表6 正交分析與計算

從表6的正交分析與計算中可以看出，因數(shù)R的極差是最大的，這表明因數(shù)R的改變對實驗指標(biāo)的影響是最大的，因此R是主要考慮的一個因數(shù)。R的第三水平對應(yīng)的數(shù)值最大，所以取它的第三水平最好。第一列T和第四列w的極差略小于第三列，說明它們對鐵水脫磷的影響較大。第二列即因數(shù)C的極差是最小的，說明C的水平的改變對試驗因素的影響最小，第一水平對應(yīng)的數(shù)值是最大的，因此取C的第一水平最優(yōu)。

上述分析得出結(jié)論如下：各試驗因數(shù)對指標(biāo)（脫磷率）按大小次序的影響來說應(yīng)當(dāng)是堿度、溫度、w（Fe2O3）、w（C），最好的方案應(yīng)當(dāng)R3T2w1C1,即：

堿度，第三水平，R3=3.5；溫度,第二水平，T2=1350 ℃；w（Fe2O3），第一水平，w1=20%；w（C），第一水平，C1=3.5%。

可以看出，從以上正交試驗的選出的最優(yōu)方案R3T2w1C1在上述試驗的9次實驗中都沒有出現(xiàn)，但是R3T2w1C1比較接近的是No.5試驗。也就是說，在No.5試驗中，只有w（C）不是處于最優(yōu)水平，然而w（C）對鐵水脫磷的影響是4個基本因數(shù)中最小的一個，從實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)做出的試驗結(jié)果中看出，No.5的脫磷率94.4%，是這9次實驗中最高的一個，這也表明采用正交試驗找出的最優(yōu)試驗方案是符合實際生產(chǎn)的。

進(jìn)而為了最終確定找出的方案R3T2w1C1是否為最優(yōu)試驗方案，按照這個方案再選用一爐成分相近的鐵水試驗一次，看是否會比No.5更好的試驗效果，若是比No.5的試驗效果好，就可以確定上述方案為最優(yōu)試驗方案，若比No.5效果差，最終取No.5為最優(yōu)試驗方案。

表7 最優(yōu)方案的鐵水初始與終點(diǎn)成分 %

從表7設(shè)計各水平處于最優(yōu)方案的實驗結(jié)果中可以看出，No.10的脫磷率為94.6%，稍高于No.5的脫磷率94.4%，這證明實驗的理論分析與實際上的結(jié)果是一致的，也同時說明鐵水含碳量對鐵水脫磷的影響并不大，主要是由于氧化脫磷伴隨著脫碳，而脫碳產(chǎn)物是一種高熔點(diǎn)物質(zhì)，析出會是氧化性渣的流動性變差，進(jìn)而降低了初期磷的傳質(zhì)過程。

從No.1到No.10的實驗研究中驗證，用CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2脫磷劑采用正交實驗設(shè)計的最優(yōu)方案為R3T2w1C1。

4 結(jié)論

熱力學(xué)分析表明，脫磷反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，升高溫度，K值減少，因此，低溫有利于脫磷；鐵水成分的影響主要在氧化脫磷的初期體現(xiàn)，關(guān)鍵是因為鐵水的選擇性氧化，脫磷產(chǎn)物進(jìn)入熔渣后改變了爐渣的性質(zhì)；高氧化鐵，高堿度即磷容量大的熔渣及時形成，是加強(qiáng)脫磷的必要條件。

用CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2渣系對鐵水做了一系列的脫磷實驗，從影響脫磷的四個因數(shù)（含碳量、溫度、堿度、Fe2O3含量）中，采用正交實驗設(shè)計確定最優(yōu)脫磷實驗方案的研究中表明：

1）實驗各爐次的脫磷率為72.9%～94.6%，實驗用CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2脫磷劑脫磷效果顯著。No.10的脫磷率94.6%最高，它的各因素處于最優(yōu)方案。

2）鐵水含碳量對鐵水脫磷的影響不大；渣的堿度對鐵水脫磷的影響最大，高堿度是加強(qiáng)脫磷的必要條件，試驗中R=3.5時脫磷效果最好；實驗中在1350℃時的脫磷效果要明顯比1300℃和1400℃好，綜合考慮1350℃為最佳脫磷溫度；w（Fe2O3）為10%～30%時，渣中增加Fe2O3量對脫磷有利。

[1]王新華.鋼鐵冶金（煉鋼學(xué)）[M].北京，高等教育出版社，2005.

[2]SaskiK，NakashimaH，NoseM，elal.AlookatNipponSteelCorporation new optimizing refining process[J].Iron and Steelmaker，1983，10（8）：22-27.

[3]冀成慶.基于CaO-SiO2-FetO-Na2O（Al2O3）渣系的中高磷鐵水脫磷動力學(xué)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

[4]MasakiIna.Metallurgicalcharacteristics ofLDType hot metal pretreat ment[J].CAMP-ISIJ，1991（4）：11-54.

[5]杜曉建，牛愛兵.初始條件對鐵水預(yù)處理脫磷的影響[J].山西冶金，2017（4）：7-9.

[6]北京大學(xué)數(shù)學(xué)力學(xué)系概率統(tǒng)計組.正交設(shè)計法：第1版[M].北京：北京大學(xué)出版社，1976.

[7]劉文卿.實驗設(shè)計：第1版[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.