转炉留渣-双渣操作前期脱磷影响因素

刘发友;赵洋;王国承;汪琦;毛福来

【摘 要】为实现转炉高效脱磷同时减少渣料(主要是石灰)消耗,对国内某钢厂的80 t转炉进行了留渣-双渣操作试验.通过引入经验公式对前期脱磷的影响因素进行了热力学计算,并与现场实验结果进行了对比,得出转炉吹炼前期脱磷较佳的工艺条件:炉渣碱度R控制在1.2~1.8左右,一次倒渣温度控制在1325~1355℃,渣中FeO质量分数控制在15~17%.统计生产数据表明,留渣-双渣操作比单渣操作,石灰加入量每吨钢减少6.9 kg.

【期刊名称】《辽宁科技大学学报》 【年(卷),期】2017(040)003 【总页数】5页(P171-175)

【关键词】留渣+双渣;脱磷;热力学;石灰消耗 【作 者】刘发友;赵洋;王国承;汪琦;毛福来

【作者单位】辽宁科技大学 材料与冶金学院,辽宁 鞍山 114051;山东寿光巨能特钢有限公司,山东 潍坊 261000;辽宁科技大学 材料与冶金学院,辽宁 鞍山 114051;辽宁科技大学 材料与冶金学院,辽宁 鞍山 114051;辽宁科技大学 材料与冶金学院,辽宁 鞍山 114051;山东寿光巨能特钢有限公司,山东 潍坊 261000 【正文语种】中 文 【中图分类】TF769.2

为了解决市场对低磷钢和超低磷钢的需求，早在20世纪七八十年代，日本钢铁企业陆续研发了混铁车铁水脱磷、脱硫及脱硅“三脱”工艺［1］。但存在以下问题：将脱磷后的铁水兑入转炉时温降很大，且进行脱磷和脱硅所用的造渣料消耗大。鉴于这些缺点，到了20世纪90年代中后期，日本各钢铁公司开始研究转炉脱磷，发展起来的工艺主要有住友金属的SRP法、JFE的LD-NRP法、神户制钢H炉、新日铁LD-ORP法和MURC法［2-3］。2001年，Ogawa等［4］报道了新日铁研发的MURC新工艺试验情况，发现此工艺能大量降低石灰的消耗，使转炉工艺又一次创新。

我国在转炉脱磷工艺也做出了大量的探索。2002年宝钢在300 t转炉研发了BRP工艺［5］。面对竞争越来越激烈市场环境，为了能够降低生产成本和满足低磷钢钢种要求，2012年首钢研发了留渣-双渣工艺，鞍钢、福建三钢等也进行了留渣-双渣脱磷工艺研究［6-7］。本文引入经验公式对留渣-双渣工艺脱磷热力学规律进行理论分析，并与现场试验数据进行对比分析，得出较佳的工艺条件。 留渣+双渣工艺的思想源自于双联工艺，其工艺如图1所示。出钢后，留下一部分或全部的上一炉含一定量FeO的高碱度终渣，溅渣护炉确认炉渣固化后，兑入铁水进行吹炼，在吹炼到一定程度后将首批渣尽可能倒尽（以下简称“一倒”）；然后，重新造渣吹炼进入脱碳期。留渣+双渣工艺的优点是加速吹炼前期初渣形成，利用低温阶段快速脱磷，同时通过高碱度终渣热态循环以利用，实现降低石灰和钢铁料消耗的效果。另外，若前期一倒脱磷率能达到较好效果，如脱磷率≥50%～60%，可以明显减轻脱碳期脱磷任务，减轻钢水过氧化程度，有助于提高钢水纯净度。

在80 t顶底复吹转炉上进行了留渣+双渣工艺冶炼试验，试验共进行11炉。采用化学分析法测量的一次倒渣时典型炉渣和半钢金属成分见表1和表2。

在炼钢温度条件下，通常以为，磷在钢液中以［Fe3P］或［Fe2P］的形式存在，

P2O5是以液态渣中3CaO·P2O5形式存在和固态渣中4CaO·P2O5形式存在。在达到平衡时通常是以4CaO·P2O5的形式存在的。其脱磷的反应式为［8］ 反应的平衡常数为

式 中 ：分别为 P、FeO、CaO、4CaO·P2O5的活度系数；KP为反应的平衡常数；χFeO,χCaO,χ4CaO•P2O5分别为FeO、CaO、4CaO·P2O5的摩 尔分数；w[P]为钢中P的质量分数。炉渣的脱磷能力LP

式中：w(P2O5),w(FeO),w(CaO)分别为渣中P2O5，FeO，CaO的质量分数。 由式（3）可以看出，脱磷的有利条件为低温、高氧化性（FeO）以及高碱度。由于前期脱磷，温度较低，同时留渣操作，一部分高氧化性终渣留在炉内。因此，低温，高氧化性条件符合脱磷的热力学规律，而前期脱磷时间大概控制在4 min左右，随着冶炼的进行，钢中的SiO2不断进入炉渣，使炉渣碱度下降，不满足脱磷碱度要求，若加入石灰来提高碱度，将会出现石灰未来得及化掉就被倒出，导致石灰大量浪费，且起不到提高碱度的效果，因此，有必要对前期低碱度脱磷规律进行热力学分析。

通过经验公式计算碱度、FeO、温度对脱磷的影响，来对前期脱磷进行理论分析，引入热力学经验公式［9］

式中：FetO为铁氧化物的总称，本文中取t=1。且研究影响脱磷因素时，式中其他因素均被固定，为了减少误差，取16炉各成分的平均值，同时调整CaO和SiO2的比例来调整碱度。

通过经验公式计算碱度、FeO与温度对脱磷的影响如图2a，图3a，图4a，现场试验得到三种因素对脱磷的影响如图2b，图3b，图4b。

图2a为理论碱度与磷的分配关系。碱度越高越有利于脱磷，而在现场试验过程中碱度达不到有利脱磷条件的碱度，大部分炉次碱度都在2.0以下，如图2b所示。因此，通过理论计算发现，碱度在2.0以下时，当碱度R＜1.5时，磷的分配比增

长很快。而1.5＜R＜2.0时，斜率降低，磷的分配比增长较慢，前期碱度控制在1.5左右较佳。图2b为现场试验碱度与磷的分配比的关系，可以看出，碱度在1.5左右可以获得较高的磷分配比，如炉次C、D，和理论推断能够较好的符合，而炉次E附近三炉，随着碱度的增加，磷的分配比反而下降，不符合理论计算规律，原因可能是由于化渣效果不好，使炉渣中固相比例增多，影响脱磷动力学条件。当碱度R＞2.2时，理论与试验磷的分配比显著升高，如炉次F、G，虽然动力学条件不好，但是碱度占主导地位，其碱度高还是有利于脱磷，而此时石灰加入量比R=1.5时高很多，起不到降低渣料的效果。当碱度过低时，不利于脱磷，如炉次B，而炉次A碱度低但具有较高的LP，是由于其氧化性及其温度达到了脱磷的有利条件，综合理论与试验的结果分析，脱磷前期碱度R控制1.2～1.8左右。 图3a为理论FeO质量分数与磷的分配比的关系。炉渣的FeO质量分数越大，磷在渣铁间的分配比LP越大。炉渣氧化性高低实际上是由FeO的活度aFeO决定的。因此，要提高磷在渣铁间的分配比LP，必须提高FeO的活度。在低温、低碱度条件下，FeO的活度系数变化不大，增加FeO的浓度是增大aFeO的主要手段，且FeO质量分数高可以增加熔渣的流动性，对脱磷的动力学条件有利。但FeO的质量分数不是越高越好，因为FeO是去磷反应的氧化剂，同时它还能加速石灰熔化成渣和降低炉渣的黏度。但是，如果FeO的浓度过高，会使渣中CaO浓度下降，导致渣中不稳定的3FeO·P2O5增多，稳定的4FeO·P2O5减少［10］，反而使炉渣脱磷的效果降低。因此，通过理论计算FeO质量分数控制在15%～17%左右，可以获得较高的分配比。图3b为现场试验FeO与磷的分配比的关系，可以看出FeO质量分数在15%～17%时获得较高的LP，如炉次D附近三炉，与理论计算能够较好的符合，FeO含量太高或太低均不利于脱磷，如炉次A、B、D、H，而炉次C虽然FeO质量分数达到了要求，但其温度过高和碱度过低，导致其分配比过低，同样E、F两炉由于碱度和温度没有达到脱磷的有利条件，导致其LP没有

达到理论效果。综合以上理论与现场试验对比分析，脱磷前期FeO质量分数控制在15%～17%较佳。

图4a为理论温度与磷的分配比的关系。温度越低，越有利于脱磷，而通过现场试验数据发现，如图4b温度过低，不利于脱磷，与理论计算相悖，原因是由于在理论计算过程碱度为同一值，而在实际冶炼过程中，低温不利于获得流动性良好的高碱度炉渣。因此，现场试验数据与理论计算在温度较低时（T＜1 300℃）差异很大。通过图4b可以看出，当温度控制在1 325～1 355℃时，可以获得较高的LP，如炉次A、B、C，当温度过低或过高时，均不利于脱磷，如炉次D、E。综合以上分析，温度应该控制在一个合适的范围内，即前期一倒温度控制在1 325～1 355℃为宜。

图5为2015年原单渣操作与2016年留渣双渣操作石灰消耗量关系图。从图5中可以看出，留渣双渣操作石灰消耗量较原单渣操作明显降低，初步显示了该工艺降低渣料的效果，同时，通过计算发现，留渣双渣操作代替原单渣操作，石灰加入量每吨钢减少6.9 kg。

（1）通过引入经验公式对留渣双渣前期脱磷热力学规律进行理论计算，并与现场试验数据进行对比发现：现场试验数据与理论计算较好的符合，并得出前期脱磷较佳的工艺条件：炉渣碱度R控制在1.2～1.8左右，一次倒渣温度控制在1 325～1 355℃，渣中FeO质量分数控制在15%～17%。同时，由于目前没有掌握小于2.0碱度条件下炉渣脱磷的热力学平衡规律，实验室严格测量低碱度脱磷热力学规律还有待于进行。

（2）生产实践表明，留渣双渣操作代替原单渣操作，石灰加入量每吨钢减少6.9 kg。

【相关文献】

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［6］李伟东，杨明，何海龙，等.转炉“留渣+双渣”少渣炼钢工艺实践［J］.鞍钢技术，2015（5）：41-45.

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［9］ZHANG X F，SOMMERVILLE L D，TIGER J M.An equation for the equilibrium distribution of phosphorus between basic slags and steel［J］.ISS Trans，1985，6（1）：29-34

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