陳 龍，柳玉杰，李 強(qiáng)，李 昂

（安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 243032）

鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，當(dāng)全國鋼鐵行業(yè)告別單一品種產(chǎn)量優(yōu)勢時(shí)代、迎來多品種高質(zhì)量運(yùn)行階段而進(jìn)入一個(gè)戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)升級的拐點(diǎn)后，在體量規(guī)模、品種質(zhì)量方面匹配本國工業(yè)化、現(xiàn)代化進(jìn)程，為下游用鋼行業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展提供有效支撐成為現(xiàn)階段的重要挑戰(zhàn)。

隨著礦石、煤炭等原材料價(jià)格上漲、環(huán)保政策投入增大、國內(nèi)外市場中競爭愈加激烈等問題出現(xiàn)，各鋼鐵企業(yè)把增加生產(chǎn)產(chǎn)品的種類和質(zhì)量作為企業(yè)保持有效競爭力和自身發(fā)展的必要條件。事實(shí)上由于大部分鋼廠現(xiàn)有設(shè)備條件與管理水平欠缺，造成生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量存在較多問題，特別是煉鐵廠鐵水中磷含量波動(dòng)較大，給煉鋼廠轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)質(zhì)量過關(guān)的高附加值產(chǎn)品帶來諸多難題，如何應(yīng)對現(xiàn)場復(fù)雜冶煉條件、解決不穩(wěn)定鐵水成分冶煉保證產(chǎn)品合格率等成為目前轉(zhuǎn)爐煉鋼亟需攻克的技術(shù)難關(guān)；因此，分析高磷鐵水轉(zhuǎn)爐脫磷機(jī)理，研究爐渣堿度、爐渣FeO和P2O5含量、終點(diǎn)溫度、噸鋼石灰加入量等各種因素對鋼水平衡磷、脫磷率的影響，并且針對這些因素，通過對轉(zhuǎn)爐脫磷機(jī)理分析、FactSage 軟件進(jìn)行模擬計(jì)算和大量現(xiàn)場試驗(yàn)，對現(xiàn)有相關(guān)工藝實(shí)施優(yōu)化，提高高磷鐵水轉(zhuǎn)爐脫磷率、保證轉(zhuǎn)爐、精煉、連鑄等工序冶煉工藝穩(wěn)定順行和提高煉鋼經(jīng)濟(jì)效益具有一定的指導(dǎo)意義。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

對于國內(nèi)某鋼廠冶煉的品種鋼要求w（P）<0.02%，不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)爐原料比例與成分，在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐吹煉模式下，且受制于操作人員未充分利用轉(zhuǎn)爐前期低溫脫磷的有利熱力學(xué)條件，將脫磷任務(wù)推遲至中后期，以高氧化性大渣量的爐渣完成脫磷甚至加料補(bǔ)吹完成脫磷[1]，如此操作主要有以下缺點(diǎn)：鋼水潔凈度低，終點(diǎn)脫磷率差；容易造成低碳出鋼，鋼水過氧化的現(xiàn)象；造渣料用量增大，大渣量導(dǎo)致鐵損增加；高氧化性爐渣不利于出鋼后濺渣護(hù)爐，減少爐齡的延續(xù)；導(dǎo)致生產(chǎn)成本高，經(jīng)濟(jì)效益差。

2 轉(zhuǎn)爐脫磷機(jī)理

磷元素是鋼中的有害元素，鋼水脫磷不僅僅需要具備氧化性條件，更重要的是擁有吸收強(qiáng)的爐渣條件，脫磷反應(yīng)一般通過渣-鋼界面進(jìn)行間接氧化脫磷，其反應(yīng)方程式可表述為：

可簡化為：

在頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐中，脫磷和脫碳是同時(shí)進(jìn)行的，在冶煉品種鋼時(shí)，一般要求保碳脫磷，其反應(yīng)方程式可表述為：

可得平衡常數(shù)如下：

式中：KP為反應(yīng)平衡常數(shù)；γP2O5為（P2O5）的活度系數(shù)；NP2O5為（P2O5）的濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），%；fC為[C]的活度系數(shù)；[%C]為[C]的濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），%；fP為[P]的活度系數(shù)；[%P]為[P]的濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），%；PCO為CO的平衡分壓，Pa。

由（4）式可見，增大脫碳反應(yīng)的阻力可以通過增大PCO實(shí)現(xiàn)，有利于優(yōu)先氧化磷，在現(xiàn)場操作中，可通過氧槍軟吹實(shí)現(xiàn)；轉(zhuǎn)爐前期加入一定量礦石，配合石灰提高造渣速度，有利于降低αP2O5，同時(shí)由（1）式可知，使得磷朝著生成磷酸三鈣或磷酸二鈣的方向固著在爐渣中，從而達(dá)到保碳脫磷的作用；總的來看，爐渣堿度、溫度、氧化性等是影響爐渣脫磷的重要因素，控制好這些因素[2]，對促進(jìn)品種鋼保碳脫磷出鋼意義重大。

3 脫磷工藝的研究實(shí)踐

根據(jù)轉(zhuǎn)爐脫磷機(jī)理的研究，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，具體鐵水信息如表1 所示通過熱力學(xué)計(jì)算軟件FactSage7.2模擬分析了以下幾種因素對品種鋼脫磷的影響，對設(shè)計(jì)適宜的爐渣組分范圍與出鋼溫度，有效提高品種鋼脫磷率、穩(wěn)定出鋼碳等提供一定的理論支撐。

表1 現(xiàn)場實(shí)際鐵水信息

3.1 不同堿度下渣中（FeO）對脫磷的影響

在轉(zhuǎn)爐冶煉后期，渣中（FeO）含量降低會(huì)使得過程出現(xiàn)返干現(xiàn)象，從而導(dǎo)致爐渣磷容量下降，出現(xiàn)回磷，影響脫磷效果[3]。為研究熔煉后期渣中（FeO）對鋼液平衡磷的影響，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際堿度設(shè)定以及渣中（P2O5）含量變化，設(shè)定爐渣組成如表2。

表2 1 620℃時(shí)不同堿度下（FeO）含量變化對鋼液平衡磷的影響渣系設(shè)定

利用熱力學(xué)計(jì)算軟件FactSage7.2 模擬渣中（FeO）含量變化對鋼液平衡磷的影響曲線，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 1 620 ℃時(shí)不同堿度下（FeO）含量變化對鋼液平衡磷的影響

從圖1 可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)爐熔池溫度為1 620 ℃時(shí)，堿度為2.6 和2.8 時(shí)，隨著渣中（FeO）含量的增加，終點(diǎn)鋼液平衡磷含量逐漸下降；隨著渣中（P2O5）含量的增加，終點(diǎn)鋼液平衡磷含量逐漸增加。生產(chǎn)實(shí)際中，多數(shù)品種鋼的要求轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水平衡磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.015%，結(jié)合圖中曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)堿度為2.6 時(shí)，渣中w（FeO）約控制在19%～23%，或者當(dāng)堿度為2.8 時(shí)，渣中w（FeO）約控制在18%～20%可使得終點(diǎn)鋼水平衡w（P）低于0.015%，考慮到濺渣護(hù)爐以及降低鋼鐵料消耗的需求，在正常品種鋼出鋼溫度1 620 ℃左右，將堿度控制在2.8，渣中w（FeO）約控制在18%即可滿足內(nèi)控磷含量要求?，F(xiàn)場實(shí)際轉(zhuǎn)爐裝入量鐵水平均119 t，廢鋼29 t，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)24爐終渣（FeO）含量變化對脫磷率的影響如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)爐次渣中（FeO）含量變化對脫磷率的影響

從圖2 中可以看出，根據(jù)設(shè)定堿度2.8 的條件下，隨著終渣（FeO）含量上升，脫磷率總體呈上升趨勢，渣中w（FeO）在22%～26%時(shí)脫磷率最高，在渣中w（FeO）不低于18%時(shí)，整體脫磷率在85%以上，實(shí)際考慮到鋼鐵料消耗不利于降低成本和不利于濺渣護(hù)爐的問題，終渣w（FeO）控制在18%～20%左右可以保證脫磷率在85%以上。

3.2 渣中（P2O5）對脫磷的影響

在轉(zhuǎn)爐冶煉后期，終渣（P2O5）含量的高低會(huì)影響到鋼液平衡磷的水平，研究終渣(（P2O5）含量的高低對鋼液平衡磷的影響對抑制爐渣回磷現(xiàn)象有重要意義[4]。為研究終渣（P2O5）含量變化對鋼液平衡磷的影響，通過設(shè)定爐渣組成如表3。

表3 渣中P2O5 含量變化對鋼液平衡磷的影響渣系設(shè)定

利用熱力學(xué)計(jì)算軟件FactSage7.2 模擬渣中P2O5含量變化對鋼液平衡磷的影響曲線，結(jié)果如下頁圖3 所示。

圖3 渣中P2O5 含量變化對鋼液平衡磷的影響

從圖3 中可以看出，隨著渣中P2O5含量的增加，鋼液平衡磷也隨之增加，根據(jù)（4）式可知，增大NP2O5，促進(jìn)（3）式反應(yīng)向逆向進(jìn)行，導(dǎo)致鋼液平衡磷上升；但生產(chǎn)實(shí)際中考慮到各種因素變化的影響，于是根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)爐次脫磷率數(shù)據(jù)作出如圖4。

圖4 試驗(yàn)爐次渣P2O5 含量變化對脫磷率的影響

從圖4 中可以看出，渣中P2O5在1.5%～2.5%時(shí)，爐渣具有較高的脫磷率，平均脫磷率在88%左右；由（1）式分析可知，渣中w（P2O5）大于2.5%時(shí)，αCaO降低，使得渣中3CaO·P2O5相不會(huì)增加，影響脫磷，甚至?xí)斐苫亓椎默F(xiàn)象[5-6]；因此，轉(zhuǎn)爐吹煉后期，渣中w（P2O5）控制在2.5%以下，對脫磷率影響不大。

3.3 終點(diǎn)溫度對脫磷的影響

對于低磷品種鋼的冶煉，溫度是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的重要因素，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度受到入爐料和過程溫降的影響，溫度高會(huì)造成終點(diǎn)氧化性強(qiáng)，不利于濺渣護(hù)爐，不僅使得成本增加，而且產(chǎn)生大量的脫氧產(chǎn)物和鋼中夾雜物，影響下游工序品控[7]。為針對現(xiàn)場實(shí)際出鋼條件不穩(wěn)定，出鋼溫度偏高的現(xiàn)象，設(shè)定如表4設(shè)定渣系，研究終點(diǎn)溫度的變化對鋼液平衡磷含量的影響。

表4 不同堿度下終點(diǎn)溫度變化對鋼液平衡磷的影響渣系設(shè)定

利用熱力學(xué)計(jì)算軟件FactSage7.2 模擬終點(diǎn)溫度變化對鋼液平衡磷的影響曲線，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 終點(diǎn)溫度變化對鋼液平衡磷的影響

從圖中可以看出，在堿度為2.6，2.8 時(shí)，隨著終點(diǎn)溫度的升高，鋼液平衡磷的含量隨之增加；同一終點(diǎn)溫度下，鋼液平衡磷含量隨渣中（P2O5）含量增加而增加；因?yàn)槊摿追磻?yīng)為劇烈的放熱反應(yīng)，終點(diǎn)溫度的增加會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)向反方向進(jìn)行，使得脫磷反應(yīng)平衡常數(shù)減小，不利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行[8-10]。現(xiàn)場試驗(yàn)出鋼溫度變化對終點(diǎn)脫磷率的影響如圖6。

圖6 終點(diǎn)溫度變化對終點(diǎn)脫磷率的影響

從圖中可以看出，出鋼溫度在1 600～1 630 ℃區(qū)間時(shí)終點(diǎn)脫磷率平均在88%，分析可知，結(jié)合某鋼廠現(xiàn)階段生產(chǎn)實(shí)際冶煉品種鋼時(shí)終點(diǎn)溫度控制在1 600～1 630 ℃適宜。

3.4 造渣料對脫磷的影響

利用熱力學(xué)計(jì)算軟件FactSage7.2 模擬石灰噸鋼加入量變化對鋼液平衡磷的影響曲線，并結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)石灰噸鋼加入量與終點(diǎn)脫磷率的關(guān)系，如下頁圖7 所示。

從圖7 中可以看出，當(dāng)噸鋼石灰加入量在10～30 kg/t 時(shí)，鋼液平衡磷含量迅速降低，但是隨著噸鋼石灰加入量的增加，鋼液平衡磷含量反而緩慢上升；在鐵水Si 含量波動(dòng)正常的情況下，增加噸鋼石灰投入使得堿度和渣中CaO 活度升高，有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行，使得鋼液平衡磷含量下降，但是渣中CaO 含量過高時(shí)，使得爐渣黏度過高，影響脫磷動(dòng)力學(xué)條件，不能使渣-鋼液面充分接觸，不利于脫磷反應(yīng)進(jìn)行，所以使得鋼液平衡磷含量有所上升[11-13]。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，噸鋼石灰加入量不低于35 kg/t即可保持終點(diǎn)脫磷率在85%以上。

圖7 噸鋼石灰加入量變化對終點(diǎn)脫磷率與鋼液平衡磷含量的影響

4 結(jié)論

1）渣中FeO 含量對終點(diǎn)脫磷率有很大的影響，增加渣中FeO 含量可以有效提高轉(zhuǎn)爐脫磷率；結(jié)合生產(chǎn)成本考慮與現(xiàn)場實(shí)際，通過優(yōu)化渣中w（FeO）在18%～20%左右，可將脫磷率控制在85%以上。

2）渣中（P2O5）含量過高會(huì)導(dǎo)致對轉(zhuǎn)爐冶煉后期爐渣回磷現(xiàn)象，渣中P2O5含量越低，爐渣的脫磷能力越強(qiáng)，將渣中w（P2O5）控制在2.5%以下，對脫磷率影響不大。

3）轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度的變化影響后期轉(zhuǎn)爐脫磷反應(yīng)平衡常數(shù)減小，終點(diǎn)溫度越高，鋼液平衡磷含量越高；結(jié)合該鋼廠現(xiàn)階段生產(chǎn)實(shí)際冶煉品種鋼時(shí)終點(diǎn)溫度控制在1 620 ℃適宜。

4）轉(zhuǎn)爐噸鋼石灰加入量并非越多越好，適當(dāng)?shù)卦黾訃嶄撌彝度耄黾訅A度和渣中CaO 活度有利于脫磷反應(yīng)進(jìn)行，但是過多加入，影響脫磷動(dòng)力學(xué)條件；結(jié)合該鋼廠現(xiàn)階段生產(chǎn)實(shí)際噸鋼石灰加入量控制在35 kg/t 為合適。