萬文華，管 挺，徐建飛，于 飛

(中天鋼鐵集團有限公司 特鋼公司，江蘇 常州 213100)

摘要：采用熱力學計算分析的方法研究鋼水磷含量與出鋼溫度、出鋼碳含量、鋼包爐渣成分對鋼包脫磷的影響，根據熱力學分析結果進行鋼包脫磷生產實踐。結果表明：降低轉爐終點碳含量、提高爐渣堿度以及控制爐渣FeO質量分數在17%左右可促進脫磷反應的進行；將轉爐終點碳質量分數控制在0.05%左右，鋼包爐渣堿度控制在5.3~7.9，FeO質量分數控制在15%~20%，鋼包脫磷率可達50.0%~72.2%，平均62.9%；采用鋼包脫磷工藝生產低磷鋼時，將轉爐出鋼磷質量分數控制在0.025%以內，成品磷質量分數可穩定控制在0.010%內，轉爐冶煉周期可由33.7 min降低到30.5 min。

關鍵詞：鋼包；熱力學；脫磷

隨著國防、交通、石油和汽車等行業的發展和技術的進步，對鋼鐵材料的質量要求越來越高，對鋼材中雜質元素如磷含量的要求越來越嚴格，尤其是一些低溫用鋼、海洋用鋼、抗氫致裂紋鋼、低溫容器用鋼(9Ni鋼)等，要求鋼中磷質量分數小于0.01%，甚至小于0.003%。為降低鋼水中磷含量，國內外研究工作者對脫磷工藝和方法進行了大量研究，在脫磷工藝上，上世紀80年代，提出采用魚雷罐或鐵水罐預處理脫磷^[1-3]、轉爐雙聯或多功能精煉爐(MURC)法生產低磷和超低磷鋼^[4-6]，轉爐終點磷質量分數基本可穩定控制在0.01%以內；在脫磷方法上，近年部分學者研究表明，采用固液共存鋼渣脫磷方法可顯著提高爐渣脫磷能力^[7-11]。

中天鋼鐵轉爐某車間生產的鋼種主要有冷鐓鋼、硬線鋼、管坯鋼、軸承鋼以及簾線鋼等，年產量約550萬t，要求轉爐終點磷質量分數≤0.015%的鋼種產量比例約7.7%。由于設備條件的限制(無鐵水預處理設備和多余轉爐)以及生產的要求(縮短轉爐冶煉周期)，目前轉爐冶煉低磷鋼時采用大渣量+高堿度+等樣出鋼的單渣法冶煉方式，部分磷未達標的爐次需進行補吹操作，終點補吹率高達15%，嚴重影響了轉爐冶煉周期的縮短。針對中天鋼鐵轉爐的實際情況，對鋼包脫磷所需的熱力學條件進行理論計算，且通過工業試驗進行驗證，以期杜絕轉爐終點補吹現象的發生，實現轉爐冶煉低磷鋼不等樣直接出鋼，縮短轉爐冶煉周期。

1 鋼包脫磷熱力學分析

鋼包內的氧化反應主要存在以下幾種^[5]：

1.1 鋼水磷含量與出鋼溫度對鋼包脫磷的影響

固定爐渣堿度R(R=w(CaO)/w(SiO2))=3.5，爐渣FeO質量分數15%，根據式(1)~(4)計算轉爐終點控制對鋼包脫磷的影響。圖1為出鋼碳質量分數0.073%，鋼包溫度1 853 K時出鋼磷含量對鋼包脫磷的影響。圖2為出鋼碳質量分數0.073%，出鋼磷質量分數0.01%時出鋼溫度對鋼包脫磷的影響。由圖1可知：鋼包內的反應主要以脫碳反應式(2)和脫磷反應式(4)為主，出鋼磷質量分數≥0.017%，脫磷反應式(4)的吉布斯自由能小于脫碳反應式(2)，鋼包內的反應以脫磷反應為主；0.011%≤出鋼磷質量分數＜0.017%，脫碳反應式(2)的吉布斯自由能小于脫磷反應式(4)，鋼包內的脫碳反應大于脫磷反應；出鋼磷質量分數小于0.011%，鋼包內無法進行脫磷反應，僅進行脫碳反應。

由圖2可知：隨鋼包溫度降低，脫磷反應的吉布斯自由能逐漸減小，在出鋼磷質量分數為0.01%的條件下，鋼包溫度≤1 845 K時，反應式(4)吉布斯自由能小于 0 方可進行脫磷反應；鋼包溫度低于 1 822 K時，反應式(4)的吉布斯自由能小于反應式(2)的吉布斯自由能，鋼包內的脫磷反應大于脫碳反應。實際生產過程，鋼包中鋼水溫度基本在1 823~1 893 K之間，脫磷反應困難。

綜上分析可知，僅以轉爐終點爐渣進行低磷鋼的冶煉，脫磷反應難以進行。為提高鋼包脫磷效果，需降低反應式(4)吉布斯自由能并提高反應式(2) 的吉布斯自由能。可通過以下兩個方面進行控制：降低出鋼碳含量(同時可提高鋼水氧含量)；出鋼過程加入脫磷劑，提高爐渣堿度和氧化性。

1.2 出鋼碳含量對鋼包脫磷的影響

圖3為在終點爐渣堿度3.5、爐渣FeO質量分數15%、出鋼溫度1 833 K、出鋼磷質量分數0.01%條件下，出鋼碳含量對鋼包脫磷的影響。由圖3可知：隨鋼水碳含量的降低，脫碳反應(1)式吉布斯自由能變化不大，盡管碳含量降低，但鋼水[O]含量增加，導致(1)式吉布斯自由能基本不變；脫碳反應式(2)吉布斯自由能增加，反應困難；脫磷反應式(3)吉布斯自由能降低明顯，脫磷反應式(4)吉布斯自由能基本不變；鋼水碳質量分數≤0.05%，鋼包反應以脫磷反應式(4)為主，鋼水碳質量分數進一步降低至0.04%以下，鋼包反應以脫磷反應式(3)為主。轉爐出鋼碳含量越低，脫磷反應越易進行，但鋼水和爐渣的氧化性越強，對爐襯越易侵蝕。為保證生產順行，綜合考慮，建議出鋼碳質量分數以0.05%為目標進行控制。

1.3 爐渣成分對鋼包脫磷的影響

1.3.1 爐渣堿度

圖4為在鋼水溫度1 833 K、爐渣FeO質量分數15%、鋼水碳質量分數0.05%的條件下，爐渣堿度對鋼包脫磷的影響。由圖4可知：隨爐渣堿度的提高，脫碳反應式(1)和(2)的吉布斯自由能基本不變，脫磷反應式(3)和(4)的吉布斯自由能急劇降低；爐渣堿度在3.5~5.2時，鋼包內的反應以脫磷反應式(4)為主；爐渣堿度＞5.2，鋼包內的反應以脫磷反應式(3)為主。由此分析可知，為更好提高脫磷效果，爐渣堿度越高越好。綜合成本和化渣的考慮，鋼包爐渣堿度控制在6.0左右即可。

1.3.2 爐渣氧化鐵含量

圖5為在鋼水溫度1 833 K、爐渣堿度6.0、鋼水碳質量分數0.05%的條件下，爐渣氧化鐵含量對鋼包脫磷的影響。由圖5可知：隨爐渣FeO含量增加，脫碳反應式(1)的吉布斯自由能基本不變，脫碳反應式(2)的吉布斯自由能略有降低，脫磷反應式(3)的吉布斯自由能增加，但總體明顯低于0，原因為FeO含量增加，稀釋了爐渣 CaO 和 MgO，提高了爐渣 P₂O₅的活度；隨爐渣 FeO 含量增加，脫磷反應式(4)的吉布斯自由能急劇降低，脫磷反應加快進行。將脫磷反應式(3)和式(4)的吉布斯自由能相加，得到吉布斯自由能 ?G⁵ ，隨著爐渣FeO含量的增加，?G⁵ 先降低后略有增加，爐渣FeO質量分數17%時，吉布斯自由能達到最低值。由此分析可知，爐渣FeO質量分數控制在17%左右，爐渣的脫磷能力最強。值得注意的是，爐渣堿度越高，?G⁵ 達到最低值的 FeO 含量越高。

綜上分析可知，為提高鋼包脫磷效果，建議轉爐出鋼碳質量分數控制在0.05%，鋼包爐渣堿度控制在6.0，爐渣FeO質量分數控制在17%。此種爐渣組成對鋼包脫磷能力的影響如圖6。由圖6可知，該爐渣組成具有較強的脫磷能力，最低可將鋼包中的磷質量分數脫除至0.003%以下。

2 生產實踐效果

2.1 鋼包脫磷生產試驗

中天鋼鐵原脫膦工藝為轉爐脫磷+等樣出鋼，出鋼過程中進行脫氧合金化和造還原渣。2020年6—7月，采用鋼包脫磷工藝(新工藝)在中天鋼鐵20管鋼種上進行生產試驗。試驗共進行35爐，根據上文鋼包脫磷熱力學分析，將轉爐出鋼碳質量分數控制在0.05%，出鋼過程不加合金，僅加入由石灰、螢石和返礦組成的脫磷劑，螢石和返礦的成分通過X Ray Fluorescence (XRF) 進行檢測，結果表4。

生產工藝流程為：轉爐冶煉結束，立即搖爐出鋼；轉爐出鋼30 s加入600~1 000 kg石灰、100~200 kg螢石和100~200 kg返礦，不加任何合金和脫氧劑；出鋼結束再加入300~500 kg石灰，進行稠渣操作；鋼水開至氬站取鋼水樣；將鋼水調至扒渣工位扒渣；扒渣結束調至鋼包精煉爐(ladle furnace，LF)進行合金化操作。轉爐終點至LF合金化后的鋼水磷含量變化如圖7，8。稠渣前抽取部分爐次爐渣樣進行成分檢驗，結果如表5。由圖7，8可知：在轉爐終點磷質量分數最高為0.025%的條件下，Ar站磷質量分數分布在0.002%~0.008%，均值為 0.006%，合金化后鋼水磷質量分數分布在 0.005%~0.010%，均值為 0.008%；鋼包脫磷率分布在 50.0%~ 72.2%，平均脫磷率為62.9%；回磷量分布在0.001%~0.003%，均值為0.001 9%。以此方式生產，在轉爐出鋼磷質量分數0.025%以內時，成品磷質量分數穩定控制在0.01%以內，可滿足低磷鋼種的生產需求。

2.2 轉爐不倒渣直接出鋼生產試驗

2020年9—10月，在低磷鋼種上開展轉爐不等樣直接出鋼的新工藝試驗，此種方式轉爐冶煉周期如圖9。

由圖9可知，與原工藝相比，新工藝轉爐冶煉周期可由 33.7 min 降低到 30.5 min，冶煉周期縮短3.2 min。另外，新工藝轉爐終點無需補吹處理，補吹率可由原工藝的 15%降低到 0，大幅度降低了鋼水氧含量和脫氧劑的消耗，進而降低了煉鋼成本并提高鋼水質量。

3 結 論

1) 研究鋼包脫磷的熱力學條件，發現鋼包脫磷反應與轉爐終點碳含量、爐渣堿度和爐渣氧化鐵含量相關，降低轉爐終點碳含量、提高爐渣堿度以及控制爐渣 FeO 質量分數在 17%有利于脫磷反應的進行。

2) 生產實踐表明，鋼包脫磷率分布在 50.0%~72.2%，平均脫磷率為 62.9%，回磷量分布在 0.001%~0.003%，平均回磷量為 0.001 9%，轉爐出鋼磷質量分數在 0.025%以內時，成品磷質量分數可穩定控制在0.010%以內。

3) 采用鋼包脫磷工藝組織低磷鋼的生產，轉爐冶煉周期由33.7 min降低到30.5 min，補吹率由15%降低到0。

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