转炉高磷铁水的冶炼

刘春森 唐山德龙炼钢厂

摘 要：随着市场形势的恶化，高炉大量廉价高磷矿的使用和烧结配加钢渣粉等一系列降本措施的应用，使我厂铁水磷含量不断升高，铁水最高磷含量达到0.160%，传统冶炼工艺已经无法满足现有钢种的脱磷要求，通过采用留渣双渣法解决了转炉高磷铁水的冶炼问题，达到了转炉高效脱磷的目的，但采用留渣双渣进行脱磷会对生产节奏造成一定的影响。

关键词：转炉炼钢；高效脱磷；留渣双渣

1  前言

2013随着钢铁市场形势的恶化，成本最低化成为每个企业亟需解决的问题。唐山德龙毗邻京唐港，具有临港优势，原料以外矿为主，但目前使用的主流外矿普遍磷含量偏高，造成高炉铁水磷偏高，平均在0.120%左右。如果烧结要配加钢渣粉，则铁水磷含量还会继续提高，据以往经验，最高可到0.160%左右。转炉脱磷负担重，不仅制约到下一步继续开发低磷钢种，也阻碍了烧结配加钢渣粉降成本的途径。鉴于以上两点，唐山德龙提高转炉脱磷效率的研究，无论对于继续开发低磷钢，还是放开铁水磷含量，降低铁前成本，具有重要意义。

2  传统转炉冶炼工艺

2.1  单渣法

就是在冶炼过程中只造一次渣，中途不倒渣、不扒渣、直到终点出钢。当铁水Si、P、S含量较低时，或者钢种对P、S要求不严格，以及冶炼低碳钢种时，均可以采用单渣操作。单渣操作工艺比较简单，吹炼时间短，易于实现自动控制。

2.2  双渣法

双渣法是在冶炼过程中到两次渣，第一次倒渣后继续冶炼再次造渣，第二次倒渣后才出钢。双渣法主要是在冶炼高硅铁水时应用，目的是为了减少喷溅的发生。双渣法能够冶炼硅比较高的铁水但是增加钢铁料消耗。

2.3  留渣法

留渣法是将上一炉的终点渣部分或全部留给下一炉使用，此方法的有优点是能够降低白灰消耗，实现少渣冶炼。留渣法的缺点是兑铁过程容易喷溅造成安全隐患。

以上三种冶炼方法在我厂均有采用，在冶炼Q195时采用用单渣法操作平均的脱磷率为82.88%左右。双渣法主要是在铁水硅大于0.50%时应用；留渣则主要针对铁水硅小于0.20%时，为了提高前期的开渣速度，提高脱磷率。传统的冶炼工艺在冶炼磷小于0.120%时基本能够满足我厂现有钢种的要求，但随着高炉大量使用高磷矿和配加钢渣粉，造成铁水磷含量波动较大，磷最高能够达到0.160%左右，此时对于传统的转炉冶炼工艺就很难达到现有钢种的脱磷要求。如何在现有条件下实现转炉的高效脱磷，结合留渣和双渣两种工艺的特点，提出“留渣双渣法”工艺。

3  脱磷反应机理在留渣双渣法中的应用

3.1  转炉脱磷的反应机理

3.1.1  脱磷的热力学原理(1)：

脱磷反应为：3（CaO）+2[P]+5(FeO)=(3CaO·P2O5)+5Fe…………（1）

lgK=40067/T-15.06……………………………………………………（2）

式中，K为平衡常数；T为反应温度

从式（1）中可以看出，适当提高炉渣中的CaO、FeO含量，能够促进脱磷反应的进行。从式（2）中可以看出，随着反应温度的升高，平衡常数降低，不利于脱磷反应的进行。

3.1.2  脱磷反应的动力学条件：

  转炉冶炼过程脱磷反应基本是在钢渣界面上进行，脱磷速率主要受渣钢两侧的传质速率控制。因此，充分的搅拌是促进脱磷反应的动力学条件。同时良好的流动性有利于提高渣钢接触面积，促进脱磷反应的进行。

3.2  留渣双渣法

    留渣双渣流程如图1所示。

图1留渣双渣流程图

 留渣双渣工艺(见图1)的基本原理是利用了吹炼前期温度低，有利于脱磷的热力学条件，较低的碱度达到较高脱磷效率的目的，在脱磷渣脱磷能力接近饱和时将低碱度脱磷渣倒出，大幅度降低炉内磷负荷水平；倒渣结束后重新加料造脱碳渣，此时因为炉内磷负荷已经较低，即便脱碳期不利于脱磷，磷在渣钢间分配比较低，依然可以实现终点磷含量较低的目的。由于脱磷期结束倒出了大部分炉渣，炉内SiO2含量大幅度降低，脱碳期只需加入较少的渣料即可达到较高的碱度，因脱碳期炉内温度升高，不利于脱磷，脱碳期的高碱度脱碳渣在低温阶段还具有较高的脱磷效率，因此，将出钢后的脱碳渣通过溅渣等手段固化，留在炉内，作为下一炉次的脱磷渣，利用脱磷期的低温条件，重新具备较高脱磷能力，减少前期渣料加入量。如此反复循环，可以实现在渣料成本不会大幅度升高的前提下，实现较高的脱磷效率。

3.3  炉渣双渣法工艺难点

    留渣双渣工艺将整个转炉冶炼分为三个阶段，第一个阶段为脱磷阶段；第二阶段为脱碳阶段。第三阶段为固化炉渣阶段。钢水中的磷的变化(2)如图2所示，它是以随着吹炼时间先下降然后升高再下降最后稳定在一个范围内，所以双渣留渣的难点是在脱磷阶段如何实现高效脱磷。

图2钢水中的磷、温度与吹炼时间变化曲线

    通过查阅文献(4)最佳脱磷温度为1350℃-1420℃，前期的碱度控制在1.5左右，FeO控制在9%-15%。但是通过实验我厂的数据统计与其他厂存在一定的差距。实验全部在冶炼Q195过程进行。

4  留渣双渣法实验及数据分析

4.1  脱磷阶段倒渣时间的控制

    不同铁耗下脱磷阶段冶炼时间与脱磷率的关系如图3、4所示。

 图3铁耗1000kg/吨钢时

图4铁耗1030kg/吨钢时

通过图3和图4可以看出在相同铁耗不同时间进行倒渣，冶炼时间对脱磷率影响较大。铁耗在1030kg/吨钢时，在3-5分钟左右倒渣，炉内反应较剧烈。倒炉一般需要5-6分钟才能进行测温取样，并且由于头批料加入时间较短，存在渣料未化透现象(3)，脱磷率在23%-45%左右。通过延长吹炼时间使炉内渣料化透，在7-8分钟左右倒渣，基本解决了倒炉和测温取样问题，倒炉所需时间也缩短为4分钟左右，在铁水磷0.120%的情况下，脱磷率能够达到75%以上，一倒钢水磷能够达到0.021%-0.038%。在低铁耗时通过延长冶炼时间也能偶达到预期效果。

4.2  脱磷阶段温度对脱磷率的影响 

    温度与脱磷率的关系如图5所示。

图5温度与脱磷的关系

    通过图5可以看出脱磷的最佳温度在1380-1430℃，在不同铁水硅条件下通过调整操作，脱磷终点温度基本能够控制在1400-1430℃。

4.3  脱磷阶段炉渣FeO对脱磷率的影响

    炉渣FeO与脱磷率的关系如图6所示。

图6炉渣FeO与脱磷率的关系

    通过上图可以看出随着炉渣中的FeO含量的增加，脱磷率呈上升趋势。我厂脱磷阶段FeO控制在15%-20%之间，虽然较高的FeO会增加脱磷率但同时也会增加钢铁消耗，使成本升高，下一步还需改进工艺使FeO控制在13%左右。

4.4  脱磷阶段碱度对脱磷率的影响

    炉渣碱度与脱磷率的关系如图7所示。

图7炉渣碱度与脱磷率的关系

通过上图可以看出碱度在1.5-2.1时，脱磷效果最好，脱磷率能够达到70%以上。

4.4  倒渣量的控制

    由于我厂渣车没有电子称，所以倒渣量只能根据目测渣盆内炉渣量和倒渣用时来进行估算倒渣量，大概每炉的倒渣在1/2-2/3之间。基本能够满足实验要求，倒渣量太大也会有负面影响，会造成脱碳期氧粘钢。

4.5  留渣及溅渣

出钢过程炉长对炉内终点渣量进行的确认，如果炉内炉渣过多进行先倒部分炉渣后在进行溅渣操作，如果正常则直接进行溅渣操作，在溅渣过程为了提高溅渣过程炉渣固化效果，需要向炉内加200kg-500kg白灰或生白云石作为调渣剂。

5  留渣双渣与传统工艺的对比

5.1  留渣双渣对生产节奏的影响

采用留渣双渣与传统单渣法相比会使冶炼周期增加5分钟左右，主要是在倒炉阶段的倒渣取样所需时间。在实验中最多循环4个炉次，就必须停止实验，采用单渣法追赶节奏，留渣双渣无法大范围的推广主要也是受生产节奏的制约。

5.2  留渣双渣与传统工艺脱磷效果的对比

 现有工艺下Q195平均脱磷率为82.88%，采用留渣双渣炉次平均脱磷率为90.20%相比传统冶炼工艺脱磷率提高了7.32%。

5.3  留渣双渣与传统工艺渣料的对比

    留渣双渣工艺与常规工艺渣料消耗对比如图8所示。

  图8留渣双渣与常规工艺渣料的对比

    通过图8留渣双渣法相比常规工艺白灰和白云石块消耗分别下降了2.5kg/吨钢和1.2kg/吨钢，镁球消耗基本相同。

6  结论

(1) 留渣双渣能够达到转炉的高效脱磷的目的，终点脱磷率达到90%以上。

(2) 脱磷阶段钢水温度控制在1380-1430℃，FeO控制在15%-20%、碱度控制在1.5-2.1时，脱磷效果最好。

(3) 留渣双渣法较单渣法冶炼周期增加5分钟，对生产节奏会造成一定的影响。

参考文献：

[1] 黄希祜．钢铁冶金原理[M]．北京：冶金工业出版社，1997

[2] 刘君，李光强，朱诚意等．高磷铁矿处理及高磷铁水脱磷研究进展[J]．材料与冶金学报，2007，(9)：173-179．

[3] 王富亮，徐国义，李超等. 马宁鞍钢260 t转炉少渣冶炼实践 鞍钢技术2013，第四期

[4] 王鹏. 转炉炼钢脱磷工艺研究[J]，辽宁科技大学硕士生论文.2007