轉(zhuǎn)爐冶煉回磷影響因素試驗分析

李德軍，于賦志，許孟春，呂春風，黃玉平，康偉

（海洋裝備金屬材料及應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山114009）

鋼中含磷量高時，會使鋼的塑性和沖擊韌性降低，并使鋼的焊接性能與冷彎性能變差，這種現(xiàn)象低溫時更加嚴重，通常稱為“冷脆”，且其常常隨著氧、氮含量的增高而加劇［1-3］。因此，脫磷是煉鋼過程中的重要任務(wù)之一，人們對鋼水脫磷的研究已經(jīng)很成熟了，并已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中［4-6］。在實際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)爐冶煉終點磷含量已經(jīng)符合鋼種要求，但在成品鋼中磷含量超標的現(xiàn)象卻時而發(fā)生，造成產(chǎn)品報廢甚至會導致重大事故的發(fā)生。磷超標主要是由于轉(zhuǎn)爐在出鋼過程中發(fā)生了回磷所致。

1 回磷理論分析

在吹氧的作用下，會使爐渣中FeO含量不斷升高，在鋼-渣界面上發(fā)生如下脫磷反應［7］：

將式（1）、（2）、（3）相加可得脫磷反應式如下：

式中，K為脫磷反應化學平衡常數(shù)；T為鋼水溫度。

可以看出，隨著溫度的升高，K值顯著減小，因此可確定式（4）為強放熱反應。從脫磷的熱力學及動力學角度來分析，脫磷的的有利條件為：高堿度、大渣量、適當?shù)牡蜏?、高FeO含量、好的流動性。

冶煉末期如果溫度控制過高，會抑制式（4）的進行，容易造成回磷。此外，在出鋼過程中，如果發(fā)生下渣，就會與鋼包內(nèi)加入的脫氧劑發(fā)生反應，使鋼中的氧以及渣中FeO含量下降，脫氧產(chǎn)物SiO2、Al2O3等進入爐渣使爐渣堿度降低，這一過程會發(fā)生如下反應：

（1）渣中FeO與脫氧劑作用：

（2）爐渣與脫氧產(chǎn)物作用：

（3）渣中P2O5與脫氧劑的作用：

最終導致中前期從鋼液中脫除進入爐渣中的磷重新被還原回到鋼液當中，造成回磷。

2 回磷影響因素試驗分析

為了分析在冶煉過程中各因素對回磷的影響規(guī)律，進行了如下試驗分析。

2.1 下渣量對回磷的影響

為了分析下渣量對回磷的影響，在鐵水成分相近冶煉相同鋼種的生產(chǎn)條件下，對出完鋼后鋼包內(nèi)不同渣厚的回磷情況進行了統(tǒng)計分析，鋼包渣厚對回磷的影響如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著鋼包渣厚的增加，即下渣量的增多，鋼水的回磷量大幅升高。其原因在于轉(zhuǎn)爐在中前期將鐵水中的磷大部分脫除至爐渣當中，在出鋼過程中含有高磷的爐渣進入鋼包后，爐渣就會在鋼流的沖擊下充分與脫氧合金接觸使爐渣中的磷重新還原到鋼水中，導致回磷量增加。統(tǒng)計結(jié)果顯示，將回磷量控制在0.002%以內(nèi)，其鋼包渣厚至少需控制在80 mm以內(nèi)。

圖1 鋼包渣厚對回磷的影響Fig.1 Effect of Slag Depth on Rephosphorization

2.2 合金種類及加入量對回磷的影響

轉(zhuǎn)爐出鋼過程中，加入的合金中通常會含有一定的磷，可根據(jù)鋼種對磷含量要求的不同選擇不同的合金。生產(chǎn)中所用各種合金種類對應的磷含量如表1所示。

表1 合金種類對應的磷含量Table 1 Content of Phosphorus in Different Alloys %

對相同加入量的不同種類合金的回磷情況進行了統(tǒng)計，合金種類對回磷量的影響如圖2所示。

圖2 合金種類對回磷量的影響Fig.2 Effect of Different Alloys on Rephosphorization Quantity

從圖2看出，硅錳鐵的回磷量最高達到了0.003 5%，低磷錳鐵的回磷量0.000 5%。但由于各合金含磷量不同，為了更準確比較合金對回磷的影響，將圖2中各合金的回磷量與各合金的含磷量最大值相除，相當于每種合金在磷含量相同情況下對回磷趨勢的影響，合金種類對回磷量趨勢的影響如圖3所示。

圖3 合金種類對回磷量趨勢的影響Fig.3 Effect of Different Alloys on Rephosphorization Trend

從圖3可以看出，回磷趨勢最大的是硅鐵，其次是硅錳鐵，最小的是低磷錳鐵。高碳錳鐵與中碳錳鐵相比，前者的回磷趨勢要略低于后者。這主要是因為合金中的硅在脫氧合金化過程中會有部分轉(zhuǎn)變成SiO2，從而會使渣的堿度降低，促進了回磷的發(fā)生。日本學者松尾［8］研究認為，隨著鋼液中碳含量的升高，有利于脫磷的進行。依據(jù)此觀點，從相反的角度來看，可確定碳高有利于抑制回磷的發(fā)生，因此高碳錳鐵的回磷趨勢要小于中碳錳鐵，這與試驗結(jié)果是吻合的。從對煉鋼常用的各種合金對回磷的影響效果來看，硅鐵的回磷趨勢最強，但由于各合金磷含量不同，從生產(chǎn)角度上來說，硅錳鐵的回磷最大，因此，該合金不能用于生產(chǎn)對磷含量要求嚴格的鋼種。

2.3 爐渣改質(zhì)對回磷的影響

在出鋼過程中向鋼包內(nèi)加入2～3 kg/t鋼白灰顆粒，統(tǒng)計了改質(zhì)前與改質(zhì)后各50爐的回磷數(shù)據(jù)，然后取其均值進行了比較。結(jié)果其回磷量可由原有的平均0.001 8%降至平均0.000 6%，鋼包渣改質(zhì)后回磷降低率達到了66.7%，能夠有效降低回磷量。這主要是因為出鋼過程中向鋼包內(nèi)加入白灰顆粒，不僅可以提高爐渣的堿度，同時還能夠?qū)t渣進行了稠化處理，抑制了回磷反應的發(fā)生。

2.4 鋼水停留時間對回磷的影響

轉(zhuǎn)爐出完鋼后，鋼水在鋼包內(nèi)的停留時間對回磷也有一定影響，為此對鋼包內(nèi)初始鋼水磷含量為0.012%的鋼液進行了不同停留時間取樣，分析對回磷的影響，鋼水停留時間對回磷的影響如圖4所示。

圖4 停留時間對回磷的影響Fig.4 Effect of Retention Time on Rephosphorization

從圖4可以看出，雖然鋼包內(nèi)鋼液的回磷量隨著停留時間的延長而增高，但不同時間段內(nèi)回磷的幅度不同，在前15 min內(nèi)回磷幅度比較大。隨著停留時間的繼續(xù)延長，回磷的幅度變得緩慢，在30 min后回磷幾乎停止。從熱力學角度看，主要是因為出鋼過程脫氧合金的加入，不但鋼液本身發(fā)生脫氧反應，而且對頂渣也有很大的改質(zhì)效果，破壞了鋼-渣間磷的平衡，導致磷從渣中向鋼液中遷移。從動力學角度上看，轉(zhuǎn)爐出完鋼的初始時刻，鋼-渣界面處于比較活躍狀態(tài)，給回磷創(chuàng)造了良好條件，隨著停留時間的延長，鋼-渣界面溫度降低，渣子不斷稠化，鋼-渣界面的活躍度降低，傳質(zhì)速度迅速下降，回磷趨勢減緩。

2.5 出鋼溫度對回磷的影響

脫磷反應熱效應焓變ΔH0=-1 033 450 J/mol，因此，脫磷反應屬于強放熱反應。較低的煉鋼溫度有利于脫磷反應的進行。圖5為反應過程反應平衡常數(shù)與溫度的變化關(guān)系，隨著溫度的提升，平衡常數(shù)呈線性下降。

為了考察出鋼溫度對回磷量的影響，對冶煉的低碳鋼（碳含量<0.010%）不同出鋼溫度的回磷情況進行了統(tǒng)計，如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著出鋼溫度的升高，回磷量呈現(xiàn)出非線性的變化關(guān)系，溫度小于1 690℃時，隨著溫度的升高，回磷量的幅度變化相對較小，但是當溫度高于1 690℃時，回磷量會迅速增加。因此，在轉(zhuǎn)爐出鋼溫度控制上必須要避免高溫出鋼,對于碳含量<0.010%的低碳鋼，考慮到后續(xù)工藝環(huán)節(jié)，出鋼溫度控制在（1 685±5）℃比較合適。

圖5 溫度與反應平衡常數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between Temperature and Reaction Equilibrium Constant

圖6 出鋼溫度對回磷的影響Fig.6 Effect of Tapping Temperature on Rephosphorization

3 結(jié)論

（1）回磷量控制在0.002%以內(nèi)，鋼包渣厚至少需控制在80 mm以內(nèi)，硅鐵的回磷趨勢最強，但因各合金磷含量不同，從生產(chǎn)角度上來說，硅錳鐵的回磷最大，不能用于生產(chǎn)對磷含量要求嚴格的鋼種。

（2）向鋼包內(nèi)加入2～3 kg/t鋼的白灰顆粒對爐渣進行改質(zhì)處理，回磷量可由平均0.001 8%降至平均0.000 6%。

（3）停留時間15 min內(nèi)回磷幅度比較大，隨著停留時間的繼續(xù)延長，回磷的幅度變得緩慢，在30 min后回磷幾乎停止，對于碳含量<0.010%的低碳鋼，考慮到后續(xù)工藝環(huán)節(jié)，出鋼溫度控制在（1 685±5）℃比較合適。

安米集團Bremen工廠參與綠色氫能項目

根據(jù)安米集團綠色氫能戰(zhàn)略，安米集團Bremen工廠已與能源公司EWE公司及其子公司SWB公司簽署了一份意向書。根據(jù)協(xié)議，三方在項目第一階段將建設(shè)一座輸出功率高達24 MW的電解工廠，為安米集團Bremen工廠提供綠色氫氣。用于Bremen工廠工業(yè)轉(zhuǎn)型（HyBit）項目的氫能項目屬于德國6月份通過的“國家氫能戰(zhàn)略”，該戰(zhàn)略旨在使綠色氫能市場化。

Bremen工廠擁有產(chǎn)能為燒結(jié)礦210萬t/a、焦炭200萬t/a、生鐵360萬t/a、板坯360萬t/a、熱軋卷500萬t/a、冷軋卷大約200萬t/a和鍍鋅板100萬t/a。

——摘自“鐵諾咨詢網(wǎng)”