頂吹轉(zhuǎn)爐脫磷熱力學(xué)分析和工藝優(yōu)化

曲濤+齊長(zhǎng)林+于學(xué)挺

摘 要：磷在大多數(shù)鋼中都是有害元素，脫磷是轉(zhuǎn)爐煉鋼的主要任務(wù)，本文從熱力學(xué)角度入手，分析了頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷的影響因素，提出了優(yōu)化轉(zhuǎn)爐脫磷的措施，對(duì)強(qiáng)化頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷、提高鋼材質(zhì)量有重要意義。

關(guān)鍵詞：頂吹轉(zhuǎn)爐；脫磷；措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.028

1 前言

磷在鋼中（除炮彈鋼、耐蝕鋼以外）是有害元素，易使鋼發(fā)生“冷脆”現(xiàn)象，尤其在高碳鋼中更是明顯，其原因是由于磷元素富集在鐵素體晶界上形成“固溶強(qiáng)化”的作用，造成晶粒間的強(qiáng)度提高，從而產(chǎn)生脆性。除此之外，磷含量越高越容易在結(jié)晶邊界析出磷化物，降低鋼的沖擊值[2]。因此，控制頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中的脫磷反應(yīng)是控制回磷和提高鋼材質(zhì)量重要而復(fù)雜的工作。

2 脫磷的熱力學(xué)分析

2.1 溫度

由上可知，溫度越高。K值越小，因此，低溫對(duì)脫磷有利。但需要指出的是，提高熔池溫度，會(huì)使磷的分配比降低，對(duì)磷從金屬向爐渣的轉(zhuǎn)移不利。但溫度升高降低了爐渣的粘度，加速了石灰的熔解，從而有利于磷從金屬向爐渣的轉(zhuǎn)移。理論研究表明，最有效的脫磷有一個(gè)最佳的溫度范圍（1450～1500℃）。這就要求冶煉初期，要根據(jù)鐵水溫度采用不同的操作制度。鐵水溫度低（1250℃以下），要采用低槍位操作以提高熔池溫度，加速石灰的熔解，迅速形成初期渣，充分利用前期爐渣FeO高、爐溫低的優(yōu)勢(shì)，快速脫磷。若鐵水溫度特別高（大于1350℃），冶煉初期要適當(dāng)采用高槍位操作，并加入部分礦石，抑制爐溫的快速升高，同時(shí)也有利于石狄的溶解，延長(zhǎng)冶煉在低溫區(qū)（1500℃以下）的運(yùn)行時(shí)間。實(shí)踐證明，盡管冶煉終點(diǎn)溫度高，會(huì)降低磷在鋼一渣中的分配比，但脫磷的關(guān)鍵仍然是冶煉過(guò)程渣特別是終渣的控制。也就是說(shuō)溫度的影響不如（FeO）和（Cao）顯著。

2.2 爐渣堿度

因?yàn)镃aO是使aP205降低的主要因素，增加（CaO）達(dá)到飽和含量可以增大aCa0，亦即增加自由CaO（不與酸性氧化物結(jié)合）的濃度，會(huì)使（P205）提高或鋼中[P]降低。但渣中（CaO）過(guò)高，將使?fàn)t渣變稠，同樣不利于脫磷。要根據(jù)溫度和爐渣情況采取不同的處理方法。

2.3 （FeO）的影響

（FeO）對(duì)脫磷反應(yīng)的影響比較復(fù)雜，當(dāng)（FeO）很低時(shí)，石灰不能很好熔化，顯然不能脫磷。但若（FeO）過(guò)高，將稀釋（CaO）的脫磷作用。（FeO）與堿度對(duì)脫磷的綜合影響是，堿度在2.5以下，增加堿度（石灰用量）對(duì)脫磷的影響大。堿度在2.5-4.0時(shí)，增加（FeO）對(duì)脫磷有利。但過(guò)高的（FeO）反而使脫磷能力下降。因此要根據(jù)各個(gè)轉(zhuǎn)爐的冶煉情況調(diào)節(jié)脫磷過(guò)程中的（FeO）的濃度。

2.4 渣量

增加渣量，可以在Lp一定的條件下，降低鋼水中的磷含量，從而有利于轉(zhuǎn)爐的脫磷。冶煉過(guò)程中高磷鐵水時(shí)，常常采用大渣量脫磷，增大了渣量也就意味著稀釋了渣中（P205）的濃度，但是一次性的大渣量會(huì)給操作帶來(lái)很多麻煩，還會(huì)增加Fe元素的損耗，降低了金屬元素的回收率，而多次換渣也會(huì)增大鋼水和熱量的損失，從環(huán)境和能源有效利用方面考慮應(yīng)避免大渣量。可適當(dāng)采用雙渣法進(jìn)行冶煉。

3 頂吹轉(zhuǎn)爐脫磷工藝優(yōu)化

為了提高頂吹轉(zhuǎn)爐脫磷的效率，從影響脫磷的幾個(gè)因素進(jìn)行了優(yōu)化。

3.1 對(duì)溫度的控制和優(yōu)化

對(duì)于轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程，溫度是主要的參數(shù)，溫度對(duì)爐內(nèi)反應(yīng)、渣料熔化、爐襯的壽命、鋼水的質(zhì)量都有很大的影響?？刂茰囟鹊霓k法主要是適時(shí)加入需要數(shù)量的冷卻劑（廢鋼、鐵礦石、氧化鐵皮等），并為直接命中終點(diǎn)提供保障。

在吹煉過(guò)程中可以根據(jù)對(duì)爐況的判斷來(lái)進(jìn)行調(diào)整，吹煉前期，如果碳焰上來(lái)的早，表明熔池的溫度較高，可適當(dāng)提前加入二批渣料進(jìn)行控制；反之，碳焰是那個(gè)來(lái)的晚，表明前期溫度底，應(yīng)適當(dāng)降槍加強(qiáng)各個(gè)元素的氧化來(lái)提高熔池的溫度。吹煉中期，可根據(jù)爐口火焰并參照氧槍進(jìn)出水溫度差來(lái)判斷熔池的溫度，如果熔池的溫度高，則應(yīng)加入冷卻劑進(jìn)行調(diào)整；若溫度低，可降槍提高熔池的溫度。在吹煉后期，若溫度過(guò)高，也可加冷卻劑進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕禍兀喾?，溫度低，?yīng)加入Fe-Si或Fe-Al合金，但是在加入前必須要補(bǔ)加石灰，以防止鋼水回磷。

3.2 優(yōu)化造渣制度和優(yōu)化

造渣制度就是要在轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中加入造渣材料，使之與吹煉過(guò)程中的氧化物結(jié)合形成一種具有良好性能的爐渣，以滿足脫磷、減少爐襯的侵蝕、減少和防止金屬噴濺等。優(yōu)化造渣制度就是要確定合適的造渣方法，渣料的加入數(shù)量和時(shí)間，以及如何能快速成渣。比如優(yōu)化裝料，采用活性石灰造渣，留渣操作，為下一爐補(bǔ)充一定的物理熱，強(qiáng)化前期熔池的攪拌等措施都有利于轉(zhuǎn)爐煉鋼快速成渣。在吹煉過(guò)程中爐渣必須遵循“早化、化透、作黏、掛上”的原則[4]。

3.3 優(yōu)化供氧制度和優(yōu)化

向熔池內(nèi)供氧在轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中最重要的工藝，是氧化脫磷的必要條件，供氧制度的合理與否對(duì)脫磷、造渣等有重要的影響。

氧槍的噴頭在轉(zhuǎn)爐吹氧工作過(guò)程中，雖然有高壓氧流和高壓水的雙重冷卻，但是由于噴頭長(zhǎng)期處在炙熱的氣氛中，并不段受到濺起的高溫熔渣和金屬液滴的沖刷，其表面因長(zhǎng)時(shí)間高溫作用而發(fā)生變形，甚至出現(xiàn)噴頭被逐漸熔蝕、燒穿而漏水[5]，進(jìn)而影響了吹煉過(guò)程供氧，對(duì)鋼水的質(zhì)量和產(chǎn)量都產(chǎn)生了不利影響。因此要優(yōu)化噴頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（包括優(yōu)化兜水板形狀、 中心入水口、上頂和下底的導(dǎo)水方式、端底厚度等），改進(jìn)噴頭端底的形狀（擴(kuò)大喉口直徑等[6]），增加循環(huán)水的流速[11]，選用耐熱性能好的材料等，防止因噴頭變形、粘鋼給冶煉帶來(lái)不利的影響。

優(yōu)化供氧制度包括設(shè)計(jì)一個(gè)合理、耐用的氧槍，對(duì)氧槍內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，強(qiáng)化供氧強(qiáng)度，根據(jù)冶煉情況合理地選擇適當(dāng)?shù)臉屛患捌涔┭醪僮鳌?/p>

3.4 控制或降低鋼水回磷的措施

回磷是由于渣中P2O5被還原，可盡量減少出鋼過(guò)程下渣量，其措施有三條：①加強(qiáng)出鋼口維護(hù)，不使出鋼口過(guò)大。②采用擋渣帽擋

住出鋼時(shí)前期下渣。③采用比重介于渣一鋼之間的擋渣球，用擋渣球擋尾渣出鋼[7]。

4 結(jié)論

（1）影響頂吹轉(zhuǎn)爐的熱力學(xué)因素有溫度、堿度、（FeO）、渣量。根據(jù)頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼中脫磷的特點(diǎn)，鋼水中有害元素-----磷的去除的有利條件是：高堿度、高氧化性、良好流動(dòng)性的熔渣、充分的熔池?cái)噭?dòng)、適當(dāng)?shù)臏囟群痛笤縖1].

（2）在冶煉過(guò)程中要根據(jù)原料特點(diǎn)、操作工藝、爐況等對(duì)起影響因素進(jìn)行合理的溫度、造渣、供氧的優(yōu)化和控制，以達(dá)到穩(wěn)定有效的脫磷，提高鋼材的質(zhì)量。

（3）通過(guò)改善氧槍的結(jié)構(gòu)、尺寸、類型及槍位的控制，改善熔池內(nèi)傳熱及傳質(zhì)的效率，促進(jìn)鋼水的脫硫，進(jìn)而改善雜質(zhì)的去除速度。

（4）控制或降低鋼水回磷。

參考文獻(xiàn)：

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