蔣 實

（河南省安陽市安鋼第二煉軋廠，河南 安陽 455000）

摘 要：在鋼鐵生產中，磷是一種有害元素。為了，提升鋼鐵質量，必須對磷元素進行控制。轉爐脫磷技術是煉鋼過程中的重要環節，能夠有效降低鋼鐵中所含的磷元素。文章介紹了常見的煉鋼脫磷方法，結合我國脫磷研究現狀，總結了鋼鐵生產中轉爐和脫磷技術的有效策略。

關鍵詞：轉爐；煉鋼工藝；高效脫磷

隨著許多產業發展進入新階段，對鋼鐵材料質量的要求也在不斷提高，如何控制鋼鐵中磷的含量，成為了企業發展的重要目標。留渣+雙渣技術能夠減少渣量，保證轉爐過程的能量使用效率，配合脫磷技術，可以推動綠色高爐生產。鋼鐵企業要加強對該技術的研究，推廣相關技術的應用，實現優化產能、綠色生產的新發展目標。

1 煉鋼脫磷方法

1.1 鐵水預處理

ORP 脫磷法具有較少的鐵損耗，高脫磷率，高氧利用率，該方法大致如下：首先將脫硅劑加到鐵水中進行脫硅，再將上一次脫磷渣與本爐脫硅鐵水進行攪拌，待鐵與渣基本分離后，再進行扒渣^［1］。

1.2 轉爐脫磷

安鋼的 BRP 工藝是我國的一種具有自主知識產權的雙聯法脫磷，它可以有效地改善生產過程中的生產質量和生產效益。據調查，在使用雙聯法進行煉鋼的情況下，1 噸鋼水可較常規法節省 40%的石灰、24 公斤的鋼材、70 元的噸鋼成本^［2］。

雙聯法和雙渣留渣法都是利用冶煉初期的低溫脫磷工藝，雙聯法是將這種脫磷工藝放在專用的熔池內進行，而采用雙渣留渣法則采用倒除磷工藝完成^［3］。

2 爐渣脫磷研究現狀

當前，大部分冶金工作者對轉爐的脫磷都是從熔渣出發，主要從堿度、氧化性、動力學條件的黏性、物相等三個方面進行了探討^［4］。盡管許多鋼鐵企業和科研機構進行了大量的系統、細致的研究，并取得了豐碩的成果，但是，在理論研究和實際生產中仍有一定的距離^［5］。 考慮到工業節奏、取樣成本高、工藝難度大等問題，轉爐脫磷渣的成分的改變對其去除效果沒有顯著的作用，而對其進行改進的機制尚不清楚，有效的除磷控制模型不夠精確，很難達到有效的除磷效果^［6］。

3 轉爐雙渣留渣工藝技術研究

3.1 熱力學分析

從分子離子共存理論和熔渣成分點在相圖中的位置可以看出，在 CaO- FeO- SiO₂- P₂O₅ 渣內部包含的化學物質有：4FeO·P₂O₅，4CaO·P₂O₅，3FeO·P₂O₅，鈣離子，正二價鐵離子，氧離子，氧化硅，氧化磷，硅酸三鈣，硅酸二鈣，硅酸鈣，硅酸二鐵，3CaO·P₂O₅ 以及 2CaO·P₂O₅。

活度計算模型屬于非線性方程組，使用 Matlab 程序，運用 Newton 迭代法，對其進行了計算。Newton 迭代法是一種通過逐次線性化的方法來建立一個求解函數（f x）=0 的求解公式。在一定的近似解 x（k）上，將向量函數（f x）作 Taylor 展開。

3.2 動力學分析

以安鋼企業 150 t 轉爐的實際生產情況為基礎，對目前的工藝技術指標進行了研究。結果表明：在 1400℃下，當爐渣中 P₂O₅ 的濃度為 5%時，爐渣中各種組元的活力會隨著堿度的改變而發生改變。活性最高的是FeO，而在復合化合物中活性最高的是 2CaO.SiO₂ 和 4CaOP2O5。在爐渣中 P₂O₅ 含量不變、爐渣堿性低于 2 的情況下，FeO 和 2CaO·SiO₂ 的活性隨堿性的增大而增大，在堿性超過 2 時，2CaO·SiO₂ 活性逐漸下降。2CaO· SiO₂ 中以磷為主，2CaO·SiO₂ 活性下降，從而使 2CaO· SiO₂ 的生成量下降，從而對除磷效果產生不利影響。根據計算結果得出，廢渣中堿度為 1.5~2 時，是最佳的脫磷效果。

3.3 渣物性參數研究

在爐渣中存在高熔點的 MgO、2CaO·SiO₂ 的析出相和未熔石灰粒子時，會使渣體不能完全熔融，對降低渣中 TFe 的影響很大。要降低熔渣中 TFe 的含量，就必須控制熔渣的組成，以降低熔體的粘度。在渣系堿性為 1.15、渣液中 FeO 含量較低的情況下，渣系的粘度較低，而在堿性大于 1.5 以后，渣系的粘度也隨之發生變化^［7］。

在采用雙渣留渣技術的情況下，為了達到完全熔融的目的，一定要把渣的堿性降到 1.3。一般爐渣中含有微量的 MnO、Al₂O₃ 等組分，它們可以在一定程度上擴大三元系統中的液相區。在綜合以上因素的作用下，要使爐渣完全熔化，其堿性應該在 1.5 以下。

此外，在控制爐渣表面張力的過程中，在鐵液成分固定的情況下，爐渣中 CaO、SiO₂、MnO 等元素在熔體中的比例保持不變，要改善其表面張力，就需要調節其表面活性成分 FeO，以實現對中鐵的抑制。

3.4 分離研究

溫度 T、爐渣表面張力 σ 和爐渣粘度 η 是影響爐渣分離的重要因素。對熔體的流動性進行有效的調控， 是快速脫磷廢渣的重要因素。為此必須做到以下幾點：

（1）把控溫度，一般爐渣的粘度會隨著溫度的升高而降低，但當溫度升高時 （達到碳 - 氧反應平臺的溫度）時，碳和氧氣就會發生劇烈反應，大量的 CO 會使鋼渣發生嚴重的乳化，從而使鋼渣難以分離。

（2）對爐渣的組成進行了嚴格的控制，以達到降低粘度的目的。通過對熔煉中脫碳脫磷反應的熱力學分 析，得出：當 ΔGP- C<0 時，該反應中磷元素的氧化反應 不會產生碳的氧化反應，而當 ΔGP- C>0 時，則會出現碳的氧化反應，而不會產生磷的氧化反應。當ΔGP- C=0時，碳、磷元素選擇性氧化的溫度為 1435 ℃。由于實際運行溫度與理論計算有較大差異，因此，在轉爐的吹煉和除磷過程中，可以使爐膛的溫度下降到 1450 ℃^［8］。

渣相中堿性為 1.15，渣中 FeO 含量較少時，渣的粘度較小，渣的堿性值超過 1.5 以上，則會急劇上升。在爐渣堿度為 0.82~1.5 時，渣相粘度降低（0.2~0.4 Pa·s），爐渣堿性大于 1.5，其粘度隨堿性的升高而急劇上升，熔渣流動性顯著降低。FeO 質量分數越高，渣相粘度越低。 圖 1 為在轉爐吹爐前的改變爐渣吸收質子能力對熔點影響變化。

脫磷廢渣的熔點隨脫磷渣中鐵（FeO）的增加而先降低再增加。在廢渣（FeO）8%時，廢渣熔點為 1545 ℃，而在爐渣中（FeO）含量為 12%時，其熔點約為 1472 ℃；如果將鐵水中（FeO）的含量再增加至 20%，則該脫磷渣的熔點還會進一步下降（約 1400 ℃），如果再增加鐵水中（FeO），則可以使脫磷渣的熔點稍有升高。在轉爐吹煉初期，為了防止鋼渣的分離，防止出現嚴重的 C- O 反應，可以將渣液（FeO）控制在 12%~20%，此時，該渣熔點比較低^［9］。

在脫磷渣中 MgO 含量增加時，其熔點會先降后升。在 MgO 為 3%的情況下，該脫磷渣的熔點約為 1440 ℃；將廢渣（MgO）含量再增加至 5%，則其熔點約為 1410 ℃（最低）；將 MgO 的比例再增加至 9%，可使脫磷渣的熔點達到約 1450 ℃，在繼續增加 MgO 后，除磷渣的溶點值顯著增加。從根據轉爐早期爐渣的分離狀況，可以將（MgO）含量控制在 4%~8%。

3.5 留渣工藝

采用雙渣留渣技術，在脫碳階段結束后，終渣中的氧化鈣、氧化鐵的含量會大大增加，有利于下一爐次余渣的生成，并能加快脫磷的速度。但它的缺點是熔煉過程中容易出現飛濺現象，嚴重危害到煉鋼工人和設備運行的安全。試驗開始之前的留渣過程為：兌鐵，通過吹煉進行脫磷，排出部分脫磷渣，再進行吹煉脫碳，初步出鋼，調渣，加入廢鋼。改進后的工藝流程為：加入廢鋼，兌鐵，通過吹煉脫磷，排渣，再度吹煉脫碳，初步出鋼，調渣，加入 CaCO₃ 或 CaMg（CO₃ ）₂，再加工廢鋼。沒有試驗時，工藝相關參數為：供氮量在 3.5m³ /t·min，調渣時間在 3 min，調渣總共氮氣消耗數量在 1570 m³ 左右，轉換為質量單位的數值 W 為 1570×28/22.4=1962.5 kg。運算后得到留渣理論安全值（和波動幅度），可以對廢渣進行冷卻。在保證剩余渣量的前提下，在 1650 ℃出鋼時，渣相的熔點降到 1500 ℃。如果上一次的留渣量太大，或者是出鋼溫度太高，則必須在出鋼之前添加一定數量的調渣劑，然后噴渣護爐，這時廢渣的溫度通常在1500 ℃左右。

4 脫磷分析

使用 150 t 轉爐時開展了一系列的研究，冶煉開始4 min 操作倒渣，進而了解該階段中爐渣堿度，氧化亞鐵含量，倒渣過程中溫度影響脫磷的情況，為了保證數據的說服力，企業總共進行 36 爐次，冶煉 4 min 時倒渣。通過對熔渣組成、堿度和脫磷率的相關性分析，發現在 3 min 內，渣的堿度為 1.87，表明早期的石灰渣質 量較好，而在 9 min 之前，渣的堿度只有 2.1。結果表明，在冶煉過程的中間階段，渣中氧化亞鐵占比過小，導致石灰熔融極慢，從而使爐渣產生輕微的“返干”，從而嚴重地影響了高爐的脫磷^［10］。

對 6、9、12 min 時完成脫磷后渣物成分相分析，可了解到：脫磷的過程分為氧化和爐渣兩個部分，影響脫磷效果的原因往往不取決于其中的磷，而在于氧化性低，脫磷速率過慢。在造渣中形成的固相硅酸二鈣離子是加速除磷的關鍵因素。

通過對雙渣脫磷試驗的分析，發現在熔煉 4 min后，在低堿性條件下（R<1.5）下，脫磷渣中 P₂O₅ 的含量隨堿性的升高而增加。熔渣堿性越高，對 P₂O₅ 的吸收能力就越強。結果表明，脫磷率較高的分布在 1.5~1.8 范圍內，脫磷最佳效果能達到 72%以上。在冶煉達到 4 min，對爐渣的堿度進行調整，脫磷效果能夠上升 12%；調整冶煉4 min 時爐渣中 FeO 含量，使脫磷率提高了 22%；調整倒渣溫度，使脫磷率提高 15%。圖 2 為調整后渣中 FeO含量脫磷率對比圖。圖 3 為前期 FeO 對脫磷率的影響。

5 結 語

留渣 + 雙渣轉爐煉鋼脫磷技術具有效果佳的特點，在開展脫磷處理工作前，企業要了解先進技術，結合自身情況開展轉爐脫磷。通過試驗，了解最佳脫磷區間，提升脫磷效率。

參考文獻

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