張春輝¹， 劉洋²

( 1． 新疆八一鋼鐵股份有限公司; 2． 北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

摘要：轉(zhuǎn)爐雙渣冶煉過程中一倒渣性質(zhì)對(duì)轉(zhuǎn)爐整體脫磷效果具有重要影響。通過對(duì)雙渣法一倒渣礦相結(jié)構(gòu)、粘度、熔化溫度等物理性質(zhì)與脫磷效果之間的關(guān)系進(jìn)行研究，揭示了雙渣法一倒渣的理化性質(zhì)對(duì)轉(zhuǎn)爐脫磷的影響規(guī)律和機(jī)制。結(jié)果表明，雙渣法一倒渣中的硅酸二鈣相有利于磷的富集去除，降低雙渣法一倒渣的粘度和熔化溫度有利于轉(zhuǎn)爐脫磷。將一倒渣堿度控制在1． 6 ～ 2． 0、一倒溫度控制在1 400 ℃ ～ 1 430 ℃、一倒渣粘度控制為0．15 Pa·s左右、熔化溫度控制在1 220 ℃左右能顯著改善轉(zhuǎn)爐脫磷效果。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐；雙渣法；一倒渣；脫磷；理化性質(zhì)

0 前言

磷是鋼鐵冶煉過程中常見的雜質(zhì)元素，它存在于鋼中的鐵素體，有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，但是會(huì)降低鋼的韌性和塑性，除個(gè)別場(chǎng)合磷作為合金元素添加一定量外，在冶煉過程中應(yīng)當(dāng)盡可能脫除磷。轉(zhuǎn)爐自身的氧化性和爐渣特點(diǎn)可以創(chuàng)造出良好的脫磷環(huán)境，如果控制措施得當(dāng)，脫磷效果較為顯著，因此鋼液中的磷主要是在轉(zhuǎn)爐過程中脫除。轉(zhuǎn)爐脫磷主要在冶煉前期低溫階段的鋼渣界面處進(jìn)行，所以爐渣的成分和性質(zhì)對(duì)脫磷的影響很大，其中最主要的因素是爐渣堿度、氧化性、熔池溫度以及與動(dòng)力學(xué)條件相關(guān)的爐渣粘度和熔化特性。雙渣法是轉(zhuǎn)爐冶煉過程中尤其是高磷鐵水和低磷鋼冶煉中應(yīng)用較廣的方法，高效的雙渣冶煉工藝在降低渣料消耗的同時(shí)還可以顯著提高脫磷率。因而針對(duì)雙渣工藝來講，轉(zhuǎn)爐雙渣法冶煉前期一倒渣性質(zhì)的研究與控制對(duì)脫磷效果的提高尤為關(guān)鍵。基于此，筆者對(duì)雙渣法一倒渣性質(zhì)與脫磷的關(guān)系及影響機(jī)理進(jìn)行了研究。

1 一倒及終點(diǎn)鋼水磷含量分析

本研究以4 個(gè)爐次轉(zhuǎn)爐雙渣法一倒渣作為原始渣樣，其相應(yīng)磷含量、溫度指標(biāo)見表1。不同鋼廠脫磷控制水平有所差別，為了進(jìn)一步探究鋼渣自身理化性質(zhì)對(duì)脫磷的影響，在同一鋼廠內(nèi)部也各選取了脫磷效果不一的試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中S1、S2 來自A鋼廠，S3、S4 來自B 鋼廠。

由表1 可知，A 廠鋼水一倒磷含量的最高水平僅達(dá)到400 × 10^－6，B 廠鋼水一倒磷含量約為200 ×10^－6 ; 在一倒磷含量400×10－6 ～ 500×10^－6的基礎(chǔ)上，A 廠只能將終點(diǎn)磷含量脫到80×10^－6，而B 廠終點(diǎn)磷含量可低至20×10^－6，B 廠鋼水終點(diǎn)磷含量控制水平顯著高于A 廠。整體來講，一倒磷含量高的爐次終點(diǎn)磷含量也較高。因此，可以推知終點(diǎn)磷含量受一倒磷含量的顯著影響，終點(diǎn)磷含量的控制水平取決于一倒磷含量的控制水平。

2 雙渣法一倒渣礦相結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)爐脫磷的影響

以4 個(gè)爐次中脫磷效果最好的S4 渣樣為例探討雙渣法一倒渣礦相結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)爐脫磷的影響。圖1和表2 分別為雙渣法一倒渣S4 渣樣的掃描電鏡圖及能譜分析結(jié)果。

由圖1 的顯微組織形貌和表2 中各點(diǎn)成分可以看出，S4 渣樣的礦物相為硅酸二鈣、硅酸三鈣、磷酸四鈣和RO 相。深灰色無規(guī)則的是硅酸二鈣( C) ，塊狀和無規(guī)則形狀的是磷酸四鈣( B) ，溶解少量硅酸鹽的鐵酸鹽為淺灰色( D) 。

雙渣法一倒渣樣S4的XRD分析結(jié)果如圖2所示。

由圖2 可以看出，其物相組成分別為2CaO·SiO₂、3CaO·SiO₂、2FeO·SiO₂ 和4CaO·P₂O₅，以2CaO·SiO₂ 和3CaO·SiO₂ 為主。李遼沙^［1］等通過FactSage 軟件計(jì)算了CaO－SiO₂ －Fe₂O₃ －P₂O₅ 四元渣系中各氧化物比例為54: 18: 23: 5 時(shí)的相平衡情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)體系溫度在1 200 ℃以上時(shí)，熱力學(xué)平衡的礦物相組成為鐵酸二鈣、磷酸三鈣、硅酸二鈣和熔渣相，其中磷酸三鈣和硅酸二鈣是固溶體，同時(shí)還存在液相熔渣，P₂O₅ 的分配比在固溶體和液態(tài)渣相中非常高^［2］。鋼渣中的磷大部分存在于硅酸二鈣和磷酸三鈣中，其余的在過冷的熔渣相中，計(jì)算結(jié)果也證實(shí)了低熔點(diǎn)礦物相中僅含少量的磷及釩、鈦等元素。結(jié)合圖2 的XRD 分析結(jié)果可知，鋼渣中的磷主要富集在硅酸二鈣中，硅酸二鈣是高熔點(diǎn)相，固溶了一部分磷酸鈣的固溶體相熔點(diǎn)要高于其他礦物相，所以會(huì)提前析出。

由此可以分析得知，轉(zhuǎn)爐脫磷過程包括脫磷和固磷，硅酸二鈣可以將脫除的磷固化從而避免磷重新返回鋼水，因而通過控制SiO2 含量可以控制硅酸二鈣的含量從而影響固磷效果。高的氧化鐵含量會(huì)導(dǎo)致硅酸二鈣分解，溫度過高也會(huì)導(dǎo)致固磷相分解，通過形成分散的硅酸二鈣顆粒并控制轉(zhuǎn)爐渣固磷相熔點(diǎn)高于鋼水溫度，有助于提高脫磷效果。

3 雙渣法一倒渣粘度對(duì)轉(zhuǎn)爐脫磷的影響

表雙渣法一倒渣的化學(xué)成分見表3。根據(jù)表3雙渣法一倒渣的成分可用FactSage7．0 軟件模擬計(jì)算出各溫度下各爐次雙渣法一倒渣的粘度( 如圖3所示) ，即為計(jì)算得到的雙渣法一倒渣粘度與溫度的關(guān)系。

由表3 和圖3 可知，每個(gè)爐次一倒時(shí)對(duì)應(yīng)鋼水的磷含量與雙渣法一倒渣的粘度基本呈正相關(guān)，即粘度大時(shí)雙渣法一倒渣的磷含量也相對(duì)較高，這說明降低粘度可以提高脫磷效果。這是因?yàn)椋扯葧?huì)影響傳質(zhì)的動(dòng)力學(xué)條件，粘度越大，脫磷反應(yīng)的傳質(zhì)阻力越大，脫磷效果變差。

同時(shí)，還可以對(duì)比看出，同一溫度下，堿度大的一倒渣其粘度反而小，說明在一倒渣堿度范圍內(nèi)粘度隨著堿度的增大而降低，堿度可以通過影響粘度來影響脫磷效果，適當(dāng)提高堿度有利于脫磷; 此外，還可以看出，雙渣法一倒渣粘度隨著溫度的升高而減小，總體從上到下S1、S2、S3、S4 的粘度依次降低，其磷含量也依次降低，相同溫度下雙渣法一倒渣粘度越大其磷含量越高，說明減小粘度有利于脫磷。但是，這并不意味著粘度越低脫磷效果就越好。這是因?yàn)椋扯戎皇峭ㄟ^影響爐渣流動(dòng)性改善動(dòng)力學(xué)條件來影響脫磷，但是脫磷還受到溫度、堿度、氧化性的顯著影響。

為確定最佳的脫磷溫度，對(duì)C－Fe－P 耦合反應(yīng)與溫度關(guān)系進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算，計(jì)算所得的C－Fe－P 耦合反應(yīng)與溫度的關(guān)系如圖4 所示。

由圖4 可以看出，當(dāng)發(fā)生碳還原磷的時(shí)候，即T轉(zhuǎn)溫度時(shí)，F(xiàn)eO 氧化磷的反應(yīng)還在繼續(xù)進(jìn)行，只不過脫磷效果開始減弱，只有當(dāng)磷處于被FeO 氧化和被碳還原的平衡中，即達(dá)到溫度T平時(shí)，脫磷才停止，在此溫度時(shí)轉(zhuǎn)爐內(nèi)脫磷渣有最大的前期脫磷率，而當(dāng)高于此溫度時(shí)轉(zhuǎn)爐內(nèi)則開始處于回磷狀態(tài)。因而可以將C－P－Fe 耦合反應(yīng)平衡的溫度約1 400 ℃～1 430 ℃作為轉(zhuǎn)爐雙渣冶煉工藝一次倒渣溫度的理論指導(dǎo)。對(duì)照此溫度，以及不同爐次不同粘度下的脫磷效果，可以得出轉(zhuǎn)爐一倒渣粘度為0．15 Pa·s左右時(shí)對(duì)提高脫磷效果較為合適。

4 熔化溫度對(duì)轉(zhuǎn)爐脫磷的影響

結(jié)合前述表3 所示的雙渣法一倒渣的成分，運(yùn)用Factsage7．0 可以計(jì)算出各一倒渣的熔化溫度，計(jì)算所得的各一倒渣熔化溫度( 如圖5 所示) ，進(jìn)一步計(jì)算得到雙渣法一倒渣磷含量和熔化溫度的關(guān)系( 如圖6 所示) 。

由圖5 和圖6 可知，脫磷效果較好的一倒渣熔化溫度都要低于脫磷效果較差的一倒渣的熔化溫度，熔化溫度和磷含量呈正相關(guān)關(guān)系，雙渣法一倒渣的熔化溫度越高，其磷含量越高，脫磷效果越差。由熔化結(jié)晶溫度測(cè)試儀測(cè)得的不同溫度下脫磷效果差異顯著的轉(zhuǎn)爐雙渣法一倒渣的熔化形貌分別如圖7、圖8 所示。

由圖7 可知，其所示的雙渣法一倒渣脫磷效果較差，1 018 ℃時(shí)還沒有開始熔化，1 258 ℃時(shí)爐渣才開始部分熔化，直到1 346 ℃也沒有完全熔化; 由圖8 可知，其所示的脫磷效果較好的雙渣法一倒渣在1 028 ℃的時(shí)候就開始熔化了，隨著溫度的升高，熔化區(qū)域不斷增大，這也驗(yàn)證了前文所得出的降低熔化溫度有利于脫磷的結(jié)論。盡管如此，這并不代表熔化溫度越低越好，過低的熔化溫度需要加入更多的熔劑，且對(duì)爐襯不利，針對(duì)本研究可以得出，轉(zhuǎn)爐一倒渣熔化溫度1 220 ℃左右為宜，一方面利于脫磷，另一方面還利于倒渣。

以上研究從轉(zhuǎn)爐渣礦相結(jié)構(gòu)、粘度和熔化溫度的角度分析了其與脫磷的關(guān)系，但是這也是以脫磷的基本條件要求:堿度、溫度和氧化性為前提的，它們的綜合作用決定了最終的脫磷效果。一般來講，好的脫磷效果要求轉(zhuǎn)爐一倒渣堿度要達(dá)到1．6 以上，結(jié)合前述理論分析一倒溫度控制在1 400 ℃ ～ 1 430 ℃為宜。S1 爐次爐渣堿度和一倒溫度都較低，氧化性低，而且粘度較高，熔化溫度較高，因而最終脫磷效果不佳; S2爐次雖然爐渣堿度和一倒溫度滿足脫磷條件要求，但是其粘度和熔化溫度較高，氧化性較低，最終脫磷效果也不好; S3 和S4 爐次的爐渣堿度和一倒溫度基本處于推薦的堿度和一倒溫度范圍，滿足脫磷的基本要求，同時(shí)粘度和熔化溫度顯著低于S1 和S2 爐次，氧化性高于S1 和S2，可見，S3 和S4 爐次整體的脫磷條件均優(yōu)于S1 和S2，尤其是在滿足堿度和一倒溫度的基本要求下，粘度和熔化溫度相對(duì)較低，這更有利于改善脫磷過程中的動(dòng)力學(xué)條件，最終提高脫磷效果。

總的來講，有效脫磷的實(shí)現(xiàn)是爐渣堿度、溫度、氧化性和爐渣結(jié)構(gòu)及爐內(nèi)動(dòng)力學(xué)條件綜合作用的結(jié)果，在轉(zhuǎn)爐冶煉中，要采取有效措施，綜合考量，減少脫磷短板，才能實(shí)現(xiàn)最佳的脫磷效果。

5 結(jié)論

( 1) 磷主要富集于轉(zhuǎn)爐渣中的硅酸二鈣相中，硅酸二鈣含量是影響雙渣法一倒渣脫磷效果的主要因素之一，在不顯著影響石灰熔化的情況下提高雙渣法一倒渣中的硅酸二鈣含量有利于轉(zhuǎn)爐過程中磷的脫除。

( 2) 雙渣法一倒渣粘度是影響前期脫磷效果的重要因素，脫磷效果隨著粘度的降低而提高，一倒溫度控制在1 400 ℃ ～1 430 ℃、堿度控制在1．6 以上，上限根據(jù)鋼種脫磷要求控制在2．0 左右，粘度控制在0．15 Pa·s 左右可以有效提高脫磷效果。

( 3) 雙渣法一倒渣的熔化溫度對(duì)脫磷效果也有重要影響，降低雙渣法一倒渣的熔化溫度可以加快爐渣熔化速度有利于脫磷，綜合考慮，一倒渣熔化溫度控制為1 220 ℃左右為宜。

6 參考文獻(xiàn)

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［2］ Shimauchi K． I．，Kitamur S． Y．，Shibata H． Distribution of P₂O₅between Solid Dicalcium Silicate and Liquid Phases in CaO－SiO₂ －Fe₂O₃ System［J］． ISIJ International，2009，49 ( 4) : 505－511．2018 年第4 期河南冶金·33·