转炉氧化脱磷工艺探讨

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摘 要：分析了磷对钢性能的影响，通过对脱磷原理可行性的分析，得出脱磷的方法和工艺。主要的脱磷方法是通过炉渣的氧化脱磷。并分析了还原性脱磷的可行性，以及具体的脱磷方案。

关键词： 转炉；脱磷；炉渣；氧化性

1  磷对钢性能的影响

钢中磷的危害性：磷在钢中是以【Fe3P】或【Fe2P】形式存在，一般以【P】表示。磷含量高时，会使钢的朔性和韧性降低，即使钢的脆性增加，这种现象低温时更严重，通常把它称为 “冷脆” 。且这种影响常常随着氧，氮含量的增加而加剧。磷在连铸坯中的偏析仅次于硫，同时它在铁固溶体中扩散速度又很小。不容易均匀化，因而磷的偏析和难消除。由于炼铁过程为还原性气氛，脱磷能力较差。因此脱磷是炼钢过程的重要任务之一。

研究证明：当温度一定时，钢的冲击值随含磷量增加而减小；含磷量一定时钢的冲击值随温度的降低而减小。由于磷在固体钢中的扩散速度极小，为此因磷高而造成的冷脆，即使采用扩散退火也难以消除。另外，钢中磷含量高时，还会使钢的焊接性能变坏，冷弯性能变差。

2  铁水脱磷基本冶金原理

磷在钢液中能够无限溶解，而它的氧化物 P2O5 在钢中的溶解度却很小。因此，要去除钢中的磷，可设法使磷氧化生成 P2O5 进入炉渣，并固定在渣中。

钢中的磷和氧反应有以下几种情况，现分析其进行的可能性：

（1）钢中磷被氧气直接氧化钢中磷被氧气直接氧化的反应式为：

2[P]+½{O2}={P2O} △Gθ= —1326119+520.19TJ/mol

从热力学数据可知，在 1600℃的炼钢温度下其标准自由能变化△Gθ的负值不大(-350kl/mol），加之熔池中磷的含量远低于标准状态，所以吹入熔池的氧不可能直接氧化钢中的磷。

（2）钢中磷与钢中氧反应钢中磷与钢中氧的反应式为：

2[P]+5[O]={P2O5} △Gθ= -740359+535.34TJ/mol

或

2[P]+5[O]=P2O5 △Gθ= -704418+558.94TJ/mol

1600℃的温度下，上述两个反应的标准自由能变化值均大于零，因此炼钢过程中钢中的磷与氧间的反应也不可能发生。

综上所述，钢液中的磷不可能被溶解在钢中的氧或气态的氧氧化。

（3）铁水在氧化性渣下的脱磷反应可表述如下：

2[P]+5(FeO)=(P205)+5Fe (1)

3(FeO)+(P205)=(3FeO·P205) (2)

(1)式+(2)式：

2[P]+8(FeO)=(3FeO·P205)+5Fe  (3)

由于在 1400～1600℃时，(3FeO·P205)不稳定，为了有效脱磷。则必须使渣中磷在高碱度下生成更稳定的化合物(4CaO·P205)，即发生置换反应：

(3FeO·P205)+4(CaO)=(4CaO·P205)+3(Fe0) (4)

(3)式+(4)式：

2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P205)+5Fe (5)

由生成热△Gθ判断，渣中的(P2O5)、(3FeO·P2O5)都不稳定，炼钢过程中会随着熔池温度的不断升高而逐渐分解，使磷又回到钢液之中。所以，在炼钢温度下，以氧化铁为主的炉渣，其脱磷能力很低。为了使脱磷过程进行得比较彻底，防止已被氧化的磷大量返回钢液，目前的做法是向熔池中加入一定量的石灰，增加渣中强碱性氧化物 CaO 的含量，使五氧化二磷和氧化钙生成较稳定的磷酸钙，从而提高炉渣的脱磷能力。在实际生产中，随着石灰的熔化，炉渣的碱度逐渐升高，渣中游离的（CaO）逐渐增加。

3  影响钢渣间脱磷反应的因素

（1）炼钢温度的影响。脱磷反应是强放热反应，从热力学观点，低温脱磷比较有利。但是，低温不利于获得流动性良好的高碱度炉渣，因此，熔池温度必须适当，才能获得良好的脱磷效果。

（2）炉渣成分的影响。主要表现为炉渣碱度和炉渣氧化性的影响。P2O5 属于酸性氧化物，CaO、MgO 等碱性氧化物能降低它的活度，渣中 CaO 的有效溶度越高，Lp 越大，脱磷越完全。

但是，碱度并非越高越好，加入过多的石灰，化渣不好，炉渣变黏，影响流动性，对脱磷反而不利。

（3）金属成分的影响。首先钢液中应有较高的[O],如果钢液中[Si]、[Mn]、[Cr]、[C]含量高，则不利于脱磷，因此，只有与氧结合能力强的元素含量降低时，脱磷才能顺利进行。此外，钢液中各元素含量对[P]的活度有影响，但通常不太大。

总之，氧化脱磷的条件为：高碱度、高（FeO）含量(氧化性)、良好流动性炉渣、充分的熔池搅动、适当的温度和大渣量。

4  转炉脱磷工艺

目前,双联法是生产超低磷钢的最先进转炉炼钢法。双联法：其操作方式都是采用两座转炉双联作业，一座进行铁水脱磷操作，称为脱磷炉，另一座转炉接受来自脱磷炉的低磷铁水进行脱碳操作，该转炉称为脱碳炉。也就是将铁水脱磷和脱碳分开由两座转炉来完成，有别于传统上在一座转炉内既要完成铁水脱磷又要完成脱碳。典型的双联法工艺流程为高炉铁水→铁水脱硫预处理→转炉脱磷→转炉脱碳→二次精炼→连铸。

双联法主要工艺特点经过日本几个钢铁厂多年的生产实践后，得出顶底复吹转炉采用双联法冶炼工艺有以下主要特点：

（1）采用顶底复吹转炉进行铁水脱磷处理采用顶底复吹转炉进行铁水脱磷处理，有较为理想的条件，转炉容量大，形状好，有充分的反应空间，转炉顶底复吹使熔池搅拌良好可加快炉渣的流动及增大炉渣与铁水接触面积，并可消除铁水和炉渣间的温度差(30～50℃)，钢渣温度降低了，脱磷能力则相应地增强。转炉复吹搅拌可促进石灰熔化，改善成渣过程，有利于脱磷。另外由于钢水搅拌的改进，脱碳也变的更容易，并可避免熔融钢水和钢渣的极度氧化。

（2）减少渣量

钢渣对于钢水的脱磷是必要的，如果要减少转炉内钢渣量，就必须提高转炉的脱磷能力，可通过以下办法：1)增加钢渣碱性(即 CaO 含量与 si02 含量的比率)；2)增加钢渣和钢水间的反应；3)采用低脉石含量的锰矿石。

（3）转炉的功能专一化，冶炼周期缩短

由于转炉双联法工艺是将铁水脱磷和脱碳的炼钢过程分别在两座转炉内进行，所以，转炉的功能专化，使每炉吹氧时间大大缩短，NKK 福山三炼钢 300t 转炉脱磷吹氧时间 8～10min。脱碳吹氧时间 1113min，同传统转炉法炼钢相比，转炉的出钢到出钢时间缩短 3～4min。通过降低炉渣生成量。改善了吹炼终点的控制，使每一炉取样次数减少，同样也直接缩短了出钢到出钢时间。

（4）提高转炉炉龄

由于转炉双联法冶炼生产节奏快。冶炼时间缩短，使热循环得到了改善，转炉炉底部位剥落减轻。转炉双联法少渣冶炼。炉内渣量降低，使渣中 MgO 的控制得到改善，这样可减少转炉出钢口套简部位的腐蚀。

5  结 语

转炉脱磷工艺在各国冶金工作者的努力下不断地发展，同时适合转炉脱磷工艺的新型脱磷剂也在研究与发展中，随着世界转炉炼钢技术的发展及炼钢设备的多样化，使传统的转炉炼钢过程逐步转向单一化，这样不仅可以提高钢水的质量，缩短转炉冶炼周期，降低原材料消耗和能耗，而且有利于冶炼过程的控制和管理，更好发挥转炉脱磷工艺的优点。做好这些就有利于我国目前进行技术改进，提高钢水纯净度，更好的优化钢铁冶炼工艺水平

参考文献

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