中高磷鐵水應用及控制過程

供稿|張思源，張鑫，王彥軍，胡曉磊，楊心宇 / ZHANG Si-yuan, ZHANG Xin, WANG Yan-jun, HU Xiao-lei,YANG Xin-yu

中國鋼鐵行業(yè)發(fā)展日益嚴峻，為了增強企業(yè)盈利能力，許多企業(yè)不得不采用低品位的高磷鐵礦來降低生產成本，除此之外，鋼鐵行業(yè)的快速發(fā)展導致高品位、易開采的優(yōu)質鐵礦石日益減少，越來越多的企業(yè)將目光轉向儲量豐富的低品位復雜鐵礦資源，開發(fā)利用以高磷鐵礦石為代表的鐵礦石資源逐漸受到關注[1]。2012年美國地質調查局(USGS)對全球范圍內的鐵資源分布進行了調查，得到了世界主要國家鐵礦石品位情況，見圖1。

從圖1可以看出，巴西、澳大利亞等主要鐵礦石出口國鐵礦石品位在50%左右，但是中國鐵礦石品位只有31%。并且隨著鐵礦石儲量的下降，高品位鐵礦石越來越少。

圖1 不同國家鐵礦石品位

高磷鐵礦石遍布全球各地，澳大利亞、沙特阿拉伯、北美的Minnesota、 Superior等國家和地區(qū)均存在大量高磷鐵礦石。我國的四川、湖北、云南、安徽、江蘇、內蒙古等地區(qū)具有儲量豐富的高磷鐵礦，其中有2個儲量10億t以上的特大型鐵礦床，4個儲量1～10億t的大型鐵礦床，11個儲量1000萬～1億t的中型鐵礦床。我國最重要的沉積高磷鐵礦床當屬寧鄉(xiāng)式鐵礦，分布在贛、湘、桂、滇等地，探明儲量達數十億噸[2]。典型的高磷鐵礦床分為三類，與火山侵入活動有關的鐵礦床(主要成分質量分數：P 0.01%～1.34%，Fe 34%～45%，S 0.03%～8%)、海相二疊紀沉積型鐵礦床(較高的P、S含量)和海相中泥盆世沉積型鐵礦床(較高的SiO2、P含量，較低的S含量，Fe質量分數25%～50%，以中國“寧鄉(xiāng)式”高磷鐵礦床為代表)。這些鐵礦石礦相組成復雜，鐵礦物與磷礦物關系密切，聯結力大，很難進行選礦。

高磷鐵礦的應用會導致鐵水中磷含量增加，并且燒結和高爐沒有脫磷能力，會增加煉鋼過程中的脫磷負擔，增加生產成本。因此，提高中高磷鐵水脫磷能力、降低生產成本顯得尤為重要。

磷平衡分配比是評價爐渣脫磷性能的重要指標，石灰在其中起著關鍵作用。同時，作為脫磷過程中的重要原料之一，石灰在爐渣中的融化率對爐渣堿度、爐渣黏度、爐渣脫磷效果等產生重要影響。保證較高的磷平衡分配比以及較高的石灰熔化率，對提高脫磷效率、降低石灰耗量、降低脫磷成本有著重要意義。因此，有必要探討中高磷鐵水中磷平衡分配比以及石灰融化率的影響因素。

中高磷鐵水分析

對磷平衡分配比影響

渣系的脫磷能力以及渣系的組成變化對脫磷效果的影響是脫磷熱力學中比較重要的問題之一，磷平衡分配比的表達式為：

其中，(%P)表示爐渣中P元素質量分數；[%P]表示鋼液中P元素質量分數；T為鋼液溫度，單位K；(%CaO)表示爐渣中CaO質量分數；(TFe)表示爐渣中Fe元素質量分數。

根據磷平衡分配比的表達式(1)，作脫磷渣中P2O5含量與磷平衡分配比和終點磷含量的關系圖，如圖2和圖3所示。

從圖2和圖3可以看出，隨著渣中P2O5含量的提高，磷分配比下降，并且隨著渣中P2O5含量的增加，鋼中磷含量急劇上升，在堿度較低的情況下尤為明顯。由于中高磷鐵水中P2O5含量過高，所以極易造成回磷，使得鋼中磷含量增加。

圖2 渣中P2O5和磷分配比的關系

圖3 渣中P2O5含量和終點磷含量的關系

要想進一步降低鐵水中磷含量，就需要進一步提高爐渣堿度，因此需要消耗更多的石灰等脫磷副原料，增加了脫磷成本。初始磷含量越高，消耗的石灰越多，因此目前未見中高磷鐵水大規(guī)模冶煉生產。

從熱力學角度來說，增加磷平衡分配比的方法主要是提高渣中CaO、FeO含量，并降低反應溫度，從而增加脫磷能力。但從動力學角度來說，在增加磷平衡分配比的同時，又要保證渣具有良好的流動性，CaO以及FeO含量不能過高，反應溫度不能過低。因此，為了保證良好的脫磷效果，兼顧二者平衡，在提高磷平衡分配比的同時，要保證爐渣具有良好的動力學條件。

對石灰融化率影響

在特定工藝條件下，爐渣中2CaO·SiO2飽和度和爐渣成分對石灰融化產生重要影響。2CaO·SiO2能夠在石灰外面形成一層薄膜，該薄膜熔點非常高，會影響石灰在渣中的溶解。當鐵水中磷含量較高時，會導致渣中P2O5含量增高，渣中的CaO會迅速生成3CaO·P2O5。3CaO·P2O5與2CaO·SiO2能夠無限互溶，進一步提高了2CaO·SiO2的飽和度，在石灰外層形成3CaO·P2O5-2CaO·SiO2固溶體，Suito[3]通過實驗證明了這一觀點，從而降低了CaO在渣中的溶解。

刁江[1]通過靜態(tài)侵蝕實驗并對結果進行二次回歸處理，分析了堿度與P2O5含量交互作用對石灰融化率的影響，如圖4所示。

圖4 堿度與P2O5含量交互作用對石灰融化率的影響

從圖4可以發(fā)現，當渣中P2O5質量分數小于4%時，石灰的熔化率保證在75%以上，熔化率較高。當渣中P2O5質量分數大于4%，且爐渣堿度大于0.7時，隨著爐渣堿度的提高以及渣中P2O5的提高，石灰的融化率逐漸降低。因此，由分析可知，當渣中P2O5含量大于4%時，渣中石灰融化率將顯著降低，石灰利用率顯著降低，要想獲得同樣的脫磷效果，就需要消耗更多的石灰，脫磷成本顯著提高。

根據脫磷分子理論[4]可知：2[P]+5[O]=(P2O5)。渣中的P2O5來源主要為脫磷反應生成的P2O5以及爐襯中帶入的磷生成的P2O5，爐襯中帶入的P含量很少，忽略不計。因此可以看成渣中的P2O5均來自鐵水中的脫磷反應。當渣中P2O5含量在4%左右時，根據反應平衡計算可得，鐵水中反應掉的磷質量分數約為0.17%，脫磷反應的終點磷質量分數一般在0.01%左右，因此按照渣中P2O5含量對石灰熔化率的影響來考慮，當鐵水磷質量分數在0.18%左右時，石灰熔化率顯著降低，與文獻[5-7]結論相似。此時要想獲得同樣的脫磷效果，石灰的加入量顯著提高，脫磷成本提高。

不同鋼廠生產原料、生產設備以及工藝參數有所差別，因此具體的臨界點還要根據不同鋼廠的情況進行具體分析。圖5為主要企業(yè)鐵水平均磷含量調研情況。

圖5 中國主要鋼廠鐵水平均磷含量

從圖5可以看出，中國大部分鋼鐵企業(yè)鐵水磷質量分數在0.1%左右，梅山鋼鐵中鐵水磷質量分數甚至達到了0.19%。目前鋼鐵企業(yè)的鐵水磷質量分數主要維持在0.1%～0.15%水平，主要與上述原因有關。

另一改善渣中CaO融化率的影響因素是FeO/SiO2。李遠洲[8]給出了FeO/SiO2對石灰融化率的影響。當FeO/SiO2比值在0.5～1.0時，基本對石灰的熔化率無影響；當比值從1.0提高到2.0時，石灰的融化率有很好的改善。這說明了保證較低的鐵水硅含量和較高的FeO含量，對冶煉中高磷鐵水至關重要。

鐵水中硅含量的增多，會使得渣中SiO2含量增多，FeO/SiO2比值降低，石灰的融化率降低，最終導致爐渣的脫磷效果減弱。當鐵水磷高于某一臨界值時，要想取得同樣的脫磷效果，就需要消耗更多的石灰等脫磷副原料，該臨界值會隨著爐渣脫磷能力的降低而降低。

因此從保證石灰融化率方面來說，要保證鐵水磷質量分數在0.18%以下，具體的臨界點可以根據不同鋼廠的實際條件通過建模等方式來確定；同時，在保證具有足夠的鐵水硅能夠造渣脫磷的基礎上，盡量降低鐵水的硅含量，提高石灰融化率，并通過模型計算提高臨界磷含量[9]，擴大中高磷鐵水的冶煉范圍。

改善中高磷鐵水脫磷的方法

從以上分析可以發(fā)現，中高磷鐵水脫磷困難的原因主要是因為渣中P2O5增多引起的磷平衡分配比下降以及CaO在渣中的融化率降低，因此要想充分利用高磷鐵礦石，進行中高磷鐵水脫磷，就要從增加磷平衡分配比、增加CaO在渣中的融化率等方面進行研究。具體的操作手段可以調整吹氧和造渣工藝，吹煉早期獲得過氧化、高流動性、高堿度爐渣，并且可以部分使用雙渣工藝等方法來保證爐渣堿度、爐渣FeO含量、鐵水溫度等，并且在保證造渣脫磷的基礎上，降低鐵水硅含量，保證爐渣具有一定的動力學條件。

結束語

我國高磷鐵礦石儲量豐富，保證較高的磷平衡分配比以及較高的石灰熔化率，對提高脫磷效率，降低石灰耗量和脫磷成本有著重要意義。提高磷平衡分配比和石灰融化率對中高磷鐵水高效脫磷至關重要，有利于高磷鐵礦石的開發(fā)利用。中高磷鐵水爐渣中P2O5增多會引起的磷平衡分配比下降以及CaO在渣中融化率降低?？梢酝ㄟ^調整CaO及FeO含量提高磷平衡分配比，通過調整爐渣堿度、鐵水硅含量來提高石灰融化率。

攝影 楊 棟

[1] 刁江. 中高磷鐵水轉爐雙聯脫磷的應用基礎研究[學位論文]. 重慶：重慶大學，2010

[2] 何姜毅. 鐵礦石提質降磷新技術開發(fā)實驗研究[學位論文]. 昆明：昆明理工大學，2007：23

[3] Suito H，Inoue R. Behavior of phosphorous transfer from CaO-FeOP2O5(-SiO2) slag to CaO particles. Transactions of the Iron & Steel Institute of Japan，2006，46(2)：180

[4] 胡曉光，李晶，武賀，等. 復吹轉爐雙渣深脫磷工藝實踐. 北京科技大學學報，2014(s1)：207

[5] 立任春，王玉生，艾曉禮，等. 復吹轉爐冶煉高級別管線鋼低磷控制. 中國冶金，2015，25(2)：34

[6] 李晨曉，李宏，周寶，等. 100 t轉爐石灰石代替石灰造渣煉鋼實驗研究. 中國冶金，2015，25(12)：22

[7] 董大西，馮佳，年武，等. 石鋼60 t轉爐采用石灰石替代石灰造渣煉鋼實驗. 中國冶金，2013，23(11)：58

[8] 李遠洲，孫亞琴. 頂底復吹轉爐合理造渣工藝的探討. 鋼鐵，1990(7)：15

[9] 張思源，包燕平，林路，等. 單渣脫磷石灰消耗量預報模型的應用與分析. 中國冶金，2016，26(11)：21