復吹轉爐雙渣脫磷工藝實踐

發布日期：2018-03-02 作者：葉玉奎，　王向紅，　秦福同，　謝　立瀏覽次數：1036

核心提示：摘　要：為解決簾線鋼因磷偏析而造成的擰股斷裂，根據現有的設備及生產組織情況，在中天１２０ｔ轉爐上進行雙渣工藝試驗，通過對加料制度、頂槍操作、底吹等工藝制度進行研究，分析前期倒渣溫度、堿度、ＦｅＯ等對脫磷影響。結果表明，前期倒渣溫度控制在１　３２０～１　４００℃、爐渣堿度控制在１．８～２．０的工藝控制下，轉爐終點脫磷率達到９２．８％，平均出鋼磷質量分數由０．０１１％降低至０．００８　５％，平均終點碳質量分數由０．１３％提高至０．２０５％。

復吹轉爐雙渣脫磷工藝實踐

葉玉奎，　王向紅，　秦福同，　謝　立

（中天鋼鐵集團有限公司第三煉鋼廠，江蘇常州２１３０００）

摘　要：為解決簾線鋼因磷偏析而造成的擰股斷裂，根據現有的設備及生產組織情況，在中天１２０ｔ轉爐上進行雙渣工藝試驗，通過對加料制度、頂槍操作、底吹等工藝制度進行研究，分析前期倒渣溫度、堿度、ＦｅＯ等對脫磷影響。結果表明，前期倒渣溫度控制在１　３２０～１　４００℃、爐渣堿度控制在１．８～２．０的工藝控制下，轉爐終點脫磷率達到９２．８％，平均出鋼磷質量分數由０．０１１％降低至０．００８　５％，平均終點碳質量分數由０．１３％提高至０．２０５％。

關鍵詞：雙渣；脫磷率；前期倒渣溫度；堿度

目前，轉爐煉鋼的工藝主要包括單渣法、雙渣法和雙聯法３種方式。單渣法是在冶煉過程中一次造渣脫硅脫磷，該方法在生產成本、冶煉周期、生產組織及勞動強度等方面具有一定的優勢，但對低磷鋼生產有一定的難度。雙渣法是在冶煉過程中實施兩部分控制，先進行鐵水脫磷，倒掉部分脫磷渣，再進行后期脫碳、升溫，可實現高碳低磷出鋼。雙聯法一般是通過兩座大型的轉爐分別進行脫磷和脫碳的過程^{［１－４］}。

中天鋼鐵集團有限公司第三煉鋼廠（以下簡稱中天三煉鋼）為解決簾線鋼因磷偏析而造成的擰股斷裂，根據現有的設備及生產組織情況，轉爐煉鋼通過研究雙渣脫磷工藝，達到了良好的脫磷效果，實現簾線鋼成品磷質量分數不高于０．１％，提高了產品質量。

１　原料條件

轉爐鐵水入爐條件見表１。采用雙渣脫磷工藝鐵水的硅、磷及鐵水的溫度對冶煉操作及工藝效果影響很大，圖１所示為鐵水硅、磷和溫度分布情況。從圖１中可以看出，鐵水成分中磷質量分數與硅質量分數波動范圍較大，硅質量分數過低或過高都不利于爐渣的控制，這對冶煉過程的操作提出更高的要求。目前，轉爐入爐鐵水溫度尚可，鐵水溫度高于１　３００℃的爐次約占８０％，鐵水自身的物理熱較高時，前期渣料熔化和流動均勻性會有一定的改善。

　轉爐造渣原輔材料主要為石灰、石灰石、輕燒白云石、生白云石及礦石，各原輔材料成分質量分數見表２。

從表２中可以看出，輔料中的磷質量分數在０．００３　０％～０．００８　２％，對冶煉過程中增磷的可能性可以忽略不計。

２　雙渣工藝操作

眾所周知，在轉爐冶煉過程中，磷與鐵同時氧化，脫磷將按照式（１）進行反應，生成３ＦｅＯ·Ｐ_２Ｏ_５，而３ＦｅＯ·Ｐ_２Ｏ_５的穩定性較差，當熔池溫度高于１　５００℃時３ＦｅＯ·Ｐ_２Ｏ_５難以穩定存在，此時必須與強堿性氧化物結合形成在高溫下穩定存在的復雜化合物；通常在轉爐冶煉過程中較強的堿性氧化物為ＣａＯ，故在高溫情況下熔池中脫磷主要按式（２）進行反應，即生成穩定的３ＣａＯ · Ｐ_２Ｏ_５或４ＣａＯ·Ｐ_２Ｏ_５^{［５－７］} 。

２［Ｐ］＋８（ＦｅＯ）＝３ＦｅＯ·Ｐ_２Ｏ_５＋５［Ｆｅ］（１）

２［Ｐ］＋５（ＦｅＯ）＋４（ＣａＯ）＝４ＣａＯ·Ｐ_２Ｏ_５＋５［Ｆｅ］（２）

由于脫磷是放熱反應，低溫對脫磷有利，提高熔池溫度會使磷的分配比降低，對磷從鋼水向爐渣的轉移不利。但溫度升高又可以降低爐渣黏度，加速石灰的溶解，從而有利于磷從鋼水向爐渣轉移。為使反應快速進行，初期采取大流量低槍位，同時需要有較好的底吹效果對熔池進行攪拌，提供良好的脫磷動力學條件^［８］，中天轉爐底吹使用環縫式透氣元件，該元件透氣效果良好，底吹供氣強度上限不低于０．２５ｍ^３／（ｍｉｎ·ｔ），而且不容易堵塞。

根據現場試驗，轉爐冶煉時分別對原料裝入、槍位、底吹流量、供氧強度等方面進行控制，因鐵水中硅質量分數波動范圍較大，為控制冶煉過程中噴濺，鐵水裝入量控制在１２０～１２５ｔ，廢鋼比例為１０％～１５％；在吹煉過程中控制轉爐槍位，開吹時基本采取硬吹狀態，降槍吹煉以控制渣中ｗ（ＴＦｅ），底吹攪拌加強增加脫磷效果，前期吹煉時間大于４ｍｉｎ，溫度在１　３５０～１　４００℃間進行倒渣，倒掉足夠的富磷渣再下槍吹煉，此時要立刻加入第二批料以防止下槍冶煉時渣中ｗ（ＴＦｅ）過高而產生大噴濺現象；進入中后期時爐內反應主要是碳的氧化反應，但是脫磷也是持續進行的，倒渣后爐渣中ＦｅＯ減少，為了防止爐渣“返干”或加速終點渣形成而加入適量的礦石，并采取小流量高槍位吹煉，加強底吹攪拌，保證終點鋼水成分、溫度均勻，同時降低爐渣氧化性。雙渣底吹流量控制及冶煉前期和冶煉后期實際加入的脫磷輔料和礦石的使用情況見表３和表４。

３　試驗結果及分析

根據理論基礎的研究^{［９－１１］}，在實踐過程中重點對前期倒渣熔池溫度、爐渣堿度和爐渣ＦｅＯ三個關鍵因素在冶煉過程中對脫磷效率的影響進行取樣分析，部分試驗數據見表５。從數據中可以看出，在爐渣堿度與氧化性一定的范圍內，前期倒爐溫度過高時，爐渣脫磷率偏低，這是因為過高的熔池溫度會使去磷反應的平衡常數ＫＰ值減小，但較高的溫度會使爐渣的黏度下降，加速石灰的成渣速度和渣中各組元的擴散速度，強化磷自金屬液向爐渣的轉移，而熔池溫度對爐渣的影響可能超過ＫＰ值的降低。

當然，溫度過高時ＫＰ值的降低將起主導作用，會使爐渣的去磷效率下降，鋼中磷質量分數升高。圖２所示為前期倒爐溫度與脫磷的關系。可以發現隨著溫度的增加，前期脫磷率降低，在前期出鋼溫度不高于１　４００℃時，脫磷率在５５％～８１％，平均脫磷率為６６％，其中脫磷率不低于６５％的爐次所占比例為６４％；在高于１　４００ ℃時，脫磷率在３２％～６８％，平均脫磷率為５４％，脫磷率不低于６５％的爐次所占比例約為１０％。從試驗數據中可以發現，在前期倒爐溫度１　３２０～１　４００ ℃時脫磷率較高。

堿度過低，如低于１．２時脫磷效果不好，脫磷率僅為３０％左右；另一方面，雖然高堿度、高氧化鐵的爐渣能使磷強烈地氧化為Ｐ_２Ｏ_５，并與ＣａＯ結合成穩定的磷酸鈣。增加渣中ＣａＯ可以增大ＣａＯ活度系數γ（ＣａＯ），降低Ｐ_２Ｏ_５的活度系數γ（Ｐ_２Ｏ_５），使磷在渣鐵間的分配比提高，從而提高脫磷率，但由于在轉爐脫磷吹煉前期，溫度一般不超過１　４００℃，造高堿度的爐渣十分困難，不但增加石灰消耗，同時化渣困難，渣中固相比例上升，爐渣流動性不好，反而影響了脫磷效果，爐渣堿度對脫磷率的影響如圖３所示。爐渣堿度大于２．０后脫磷效果有所減弱，目前爐渣堿度控制在１．８～２．０時有較好的脫磷效果。

爐渣中的ＦｅＯ質量分數越高，脫磷效果越明顯。反應式（１）和式（２）中ＦｅＯ質量分數是由活度α（ＦｅＯ）決定的。因此，要提高脫磷率，必須提高α（ＦｅＯ）。在低溫、低堿度條件下，氧化鐵的活度系數變化不大，增加ＦｅＯ的濃度是增大α（ＦｅＯ）的主要手段，且ＦｅＯ質量分數高可以增加熔渣的流動性，對脫磷的動力學條件有利。圖４所示為爐渣中ＦｅＯ質量分數與前期脫磷效果的關系圖。隨著渣中ＦｅＯ質量分數的增加，脫磷率達到最大值；再進一步提高ＦｅＯ質量分數，脫磷率反而下降。這是因為ＦｅＯ是去磷反應的氧化劑，同時它還能加速石灰熔化成渣和降低爐渣的黏度。但是，如果ＦｅＯ的質量分數過高，會使渣中ＣａＯ質量分數下降，導致渣中不穩定的３ＦｅＯ·Ｐ_２Ｏ_５增多，穩定的４ＣａＯ·Ｐ_２Ｏ_５減少，反而使爐渣脫磷的效果降低。同時也會造成鐵流失，鋼鐵料收得率降低。

４　控制水平與存在問題

由以上分析得出，使脫磷率較高的工藝控制點為：前期倒渣溫度控制在１　３２０～１　４００℃；爐渣堿度控制在１．８～２．０。并以此為依據進行了再生產實踐驗證。使用雙渣冶煉與之前常規工藝比較如圖５所示。終點平均出鋼磷質量分數由０．０１１％降低至０．００８　５％，終點脫磷率達到９２．８％，平均終點出鋼碳質量分數由０．１３％提高至０．２０５％。目前，轉爐冶煉過程對前期脫磷已有較好控制，且出鋼碳、出鋼磷、出鋼溫度已達到工藝要求；但冶煉過程中仍然存在一些問題，如因前泡沫性較強、倒渣率較低；轉爐終渣ＭｇＯ質量分數較低，濺渣護爐效果較差。