葉玉奎， 王向紅， 秦福同， 謝 立
（中天鋼鐵集團(tuán)有限公司第三煉鋼廠，江蘇常州２１３０００）
摘 要：為解決簾線鋼因磷偏析而造成的擰股斷裂，根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備及生產(chǎn)組織情況，在中天１２０ｔ轉(zhuǎn)爐上進(jìn)行雙渣工藝試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)加料制度、頂槍操作、底吹等工藝制度進(jìn)行研究，分析前期倒渣溫度、堿度、ＦｅＯ等對(duì)脫磷影響。結(jié)果表明，前期倒渣溫度控制在１ ３２０～１ ４００℃、爐渣堿度控制在１．８～２．０的工藝控制下，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)脫磷率達(dá)到９２．８％，平均出鋼磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)由０．０１１％降低至０．００８ ５％，平均終點(diǎn)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)由０．１３％提高至０．２０５％。
關(guān)鍵詞：雙渣；脫磷率；前期倒渣溫度；堿度
目前，轉(zhuǎn)爐煉鋼的工藝主要包括單渣法、雙渣法和雙聯(lián)法３種方式。單渣法是在冶煉過(guò)程中一次造渣脫硅脫磷，該方法在生產(chǎn)成本、冶煉周期、生產(chǎn)組織及勞動(dòng)強(qiáng)度等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)低磷鋼生產(chǎn)有一定的難度。雙渣法是在冶煉過(guò)程中實(shí)施兩部分控制，先進(jìn)行鐵水脫磷，倒掉部分脫磷渣，再進(jìn)行后期脫碳、升溫，可實(shí)現(xiàn)高碳低磷出鋼。雙聯(lián)法一般是通過(guò)兩座大型的轉(zhuǎn)爐分別進(jìn)行脫磷和脫碳的過(guò)程［１－４］。
中天鋼鐵集團(tuán)有限公司第三煉鋼廠（以下簡(jiǎn)稱中天三煉鋼）為解決簾線鋼因磷偏析而造成的擰股斷裂，根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備及生產(chǎn)組織情況，轉(zhuǎn)爐煉鋼通過(guò)研究雙渣脫磷工藝，達(dá)到了良好的脫磷效果，實(shí)現(xiàn)簾線鋼成品磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于０．１％，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
１ 原料條件
轉(zhuǎn)爐鐵水入爐條件見(jiàn)表１。采用雙渣脫磷工藝鐵水的硅、磷及鐵水的溫度對(duì)冶煉操作及工藝效果影響很大，圖１所示為鐵水硅、磷和溫度分布情況。從圖１中可以看出，鐵水成分中磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動(dòng)范圍較大，硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)低或過(guò)高都不利于爐渣的控制，這對(duì)冶煉過(guò)程的操作提出更高的要求。目前，轉(zhuǎn)爐入爐鐵水溫度尚可，鐵水溫度高于１ ３００℃的爐次約占８０％，鐵水自身的物理熱較高時(shí)，前期渣料熔化和流動(dòng)均勻性會(huì)有一定的改善。
轉(zhuǎn)爐造渣原輔材料主要為石灰、石灰石、輕燒白云石、生白云石及礦石，各原輔材料成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表２。
從表２中可以看出，輔料中的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在０．００３ ０％～０．００８ ２％，對(duì)冶煉過(guò)程中增磷的可能性可以忽略不計(jì)。
２ 雙渣工藝操作
眾所周知，在轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中，磷與鐵同時(shí)氧化，脫磷將按照式（１）進(jìn)行反應(yīng)，生成３ＦｅＯ·Ｐ２Ｏ５，而３ＦｅＯ·Ｐ２Ｏ５的穩(wěn)定性較差，當(dāng)熔池溫度高于１ ５００℃時(shí)３ＦｅＯ·Ｐ２Ｏ５難以穩(wěn)定存在，此時(shí)必須與強(qiáng)堿性氧化物結(jié)合形成在高溫下穩(wěn)定存在的復(fù)雜化合物；通常在轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中較強(qiáng)的堿性氧化物為ＣａＯ，故在高溫情況下熔池中脫磷主要按式（２）進(jìn)行反應(yīng)，即生成穩(wěn)定的３ＣａＯ · Ｐ２Ｏ５或４ＣａＯ·Ｐ２Ｏ５［５－７］ 。
２［Ｐ］＋８（ＦｅＯ）＝３ＦｅＯ·Ｐ２Ｏ５＋５［Ｆｅ］ （１）
２［Ｐ］＋５（ＦｅＯ）＋４（ＣａＯ）＝４ＣａＯ·Ｐ２Ｏ５＋５［Ｆｅ］（２）
由于脫磷是放熱反應(yīng)，低溫對(duì)脫磷有利，提高熔池溫度會(huì)使磷的分配比降低，對(duì)磷從鋼水向爐渣的轉(zhuǎn)移不利。但溫度升高又可以降低爐渣黏度，加速石灰的溶解，從而有利于磷從鋼水向爐渣轉(zhuǎn)移。為使反應(yīng)快速進(jìn)行，初期采取大流量低槍位，同時(shí)需要有較好的底吹效果對(duì)熔池進(jìn)行攪拌，提供良好的脫磷動(dòng)力學(xué)條件［８］，中天轉(zhuǎn)爐底吹使用環(huán)縫式透氣元件，該元件透氣效果良好，底吹供氣強(qiáng)度上限不低于０．２５ｍ３／（ｍｉｎ·ｔ），而且不容易堵塞。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)分別對(duì)原料裝入、槍位、底吹流量、供氧強(qiáng)度等方面進(jìn)行控制，因鐵水中硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動(dòng)范圍較大，為控制冶煉過(guò)程中噴濺，鐵水裝入量控制在１２０～１２５ｔ，廢鋼比例為１０％～１５％；在吹煉過(guò)程中控制轉(zhuǎn)爐槍位，開(kāi)吹時(shí)基本采取硬吹狀態(tài)，降槍吹煉以控制渣中ｗ（ＴＦｅ），底吹攪拌加強(qiáng)增加脫磷效果，前期吹煉時(shí)間大于４ｍｉｎ，溫度在１ ３５０～１ ４００℃間進(jìn)行倒渣，倒掉足夠的富磷渣再下槍吹煉，此時(shí)要立刻加入第二批料以防止下槍冶煉時(shí)渣中ｗ（ＴＦｅ）過(guò)高而產(chǎn)生大噴濺現(xiàn)象；進(jìn)入中后期時(shí)爐內(nèi)反應(yīng)主要是碳的氧化反應(yīng)，但是脫磷也是持續(xù)進(jìn)行的，倒渣后爐渣中ＦｅＯ減少，為了防止?fàn)t渣“返干”或加速終點(diǎn)渣形成而加入適量的礦石，并采取小流量高槍位吹煉，加強(qiáng)底吹攪拌，保證終點(diǎn)鋼水成分、溫度均勻，同時(shí)降低爐渣氧化性。雙渣底吹流量控制及冶煉前期和冶煉后期實(shí)際加入的脫磷輔料和礦石的使用情況見(jiàn)表３和表４。
３ 試驗(yàn)結(jié)果及分析
根據(jù)理論基礎(chǔ)的研究［９－１１］，在實(shí)踐過(guò)程中重點(diǎn)對(duì)前期倒渣熔池溫度、爐渣堿度和爐渣ＦｅＯ三個(gè)關(guān)鍵因素在冶煉過(guò)程中對(duì)脫磷效率的影響進(jìn)行取樣分析，部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表５。從數(shù)據(jù)中可以看出，在爐渣堿度與氧化性一定的范圍內(nèi)，前期倒?fàn)t溫度過(guò)高時(shí)，爐渣脫磷率偏低，這是因?yàn)檫^(guò)高的熔池溫度會(huì)使去磷反應(yīng)的平衡常數(shù)ＫＰ值減小，但較高的溫度會(huì)使?fàn)t渣的黏度下降，加速石灰的成渣速度和渣中各組元的擴(kuò)散速度，強(qiáng)化磷自金屬液向爐渣的轉(zhuǎn)移，而熔池溫度對(duì)爐渣的影響可能超過(guò)ＫＰ值的降低。
當(dāng)然，溫度過(guò)高時(shí)ＫＰ值的降低將起主導(dǎo)作用，會(huì)使?fàn)t渣的去磷效率下降，鋼中磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高。圖２所示為前期倒?fàn)t溫度與脫磷的關(guān)系。可以發(fā)現(xiàn)隨著溫度的增加，前期脫磷率降低，在前期出鋼溫度不高于１ ４００℃時(shí)，脫磷率在５５％～８１％，平均脫磷率為６６％，其中脫磷率不低于６５％的爐次所占比例為６４％；在高于１ ４００ ℃時(shí)，脫磷率在３２％～６８％，平均脫磷率為５４％，脫磷率不低于６５％的爐次所占比例約為１０％。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，在前期倒?fàn)t溫度１ ３２０～１ ４００ ℃時(shí)脫磷率較高。
堿度過(guò)低，如低于１．２時(shí)脫磷效果不好，脫磷率僅為３０％左右；另一方面，雖然高堿度、高氧化鐵的爐渣能使磷強(qiáng)烈地氧化為Ｐ２Ｏ５，并與ＣａＯ結(jié)合成穩(wěn)定的磷酸鈣。增加渣中ＣａＯ可以增大ＣａＯ活度系數(shù)γ（ＣａＯ），降低Ｐ２Ｏ５的活度系數(shù)γ（Ｐ２Ｏ５），使磷在渣鐵間的分配比提高，從而提高脫磷率，但由于在轉(zhuǎn)爐脫磷吹煉前期，溫度一般不超過(guò)１ ４００℃，造高堿度的爐渣十分困難，不但增加石灰消耗，同時(shí)化渣困難，渣中固相比例上升，爐渣流動(dòng)性不好，反而影響了脫磷效果，爐渣堿度對(duì)脫磷率的影響如圖３所示。爐渣堿度大于２．０后脫磷效果有所減弱，目前爐渣堿度控制在１．８～２．０時(shí)有較好的脫磷效果。
爐渣中的ＦｅＯ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，脫磷效果越明顯。反應(yīng)式（１）和式（２）中ＦｅＯ質(zhì)量分?jǐn)?shù)是由活度α（ＦｅＯ）決定的。因此，要提高脫磷率，必須提高α（ＦｅＯ）。在低溫、低堿度條件下，氧化鐵的活度系數(shù)變化不大，增加ＦｅＯ的濃度是增大α（ＦｅＯ）的主要手段，且ＦｅＯ質(zhì)量分?jǐn)?shù)高可以增加熔渣的流動(dòng)性，對(duì)脫磷的動(dòng)力學(xué)條件有利。圖４所示為爐渣中ＦｅＯ質(zhì)量分?jǐn)?shù)與前期脫磷效果的關(guān)系圖。隨著渣中ＦｅＯ質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，脫磷率達(dá)到最大值；再進(jìn)一步提高ＦｅＯ質(zhì)量分?jǐn)?shù)，脫磷率反而下降。這是因?yàn)椋疲澹鲜侨チ追磻?yīng)的氧化劑，同時(shí)它還能加速石灰熔化成渣和降低爐渣的黏度。但是，如果ＦｅＯ的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高，會(huì)使渣中ＣａＯ質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，導(dǎo)致渣中不穩(wěn)定的３ＦｅＯ·Ｐ２Ｏ５增多，穩(wěn)定的４ＣａＯ·Ｐ２Ｏ５減少，反而使?fàn)t渣脫磷的效果降低。同時(shí)也會(huì)造成鐵流失，鋼鐵料收得率降低。
４ 控制水平與存在問(wèn)題
由以上分析得出，使脫磷率較高的工藝控制點(diǎn)為：前期倒渣溫度控制在１ ３２０～１ ４００℃；爐渣堿度控制在１．８～２．０。并以此為依據(jù)進(jìn)行了再生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證。使用雙渣冶煉與之前常規(guī)工藝比較如圖５所示。終點(diǎn)平均出鋼磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)由０．０１１％降低至０．００８ ５％，終點(diǎn)脫磷率達(dá)到９２．８％，平均終點(diǎn)出鋼碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)由０．１３％提高至０．２０５％。目前，轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程對(duì)前期脫磷已有較好控制，且出鋼碳、出鋼磷、出鋼溫度已達(dá)到工藝要求；但冶煉過(guò)程中仍然存在一些問(wèn)題，如因前泡沫性較強(qiáng)、倒渣率較低；轉(zhuǎn)爐終渣ＭｇＯ質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，濺渣護(hù)爐效果較差。
５ 結(jié)論
（１）通過(guò)對(duì)影響轉(zhuǎn)爐前期倒?fàn)t情況與脫磷率進(jìn)行分析得出：當(dāng)半鋼溫度在１ ３２０～１ ４００℃時(shí)脫磷率較高，提高爐渣堿度有利于提高脫磷率，但當(dāng)堿度高于２．０時(shí)脫磷效果減弱，當(dāng)渣中ＦｅＯ質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)２５％時(shí)脫磷率明顯降低。
（２）使用雙渣冶煉前期倒渣溫度控制在１ ３２０～１ ４００℃，爐渣堿度控制在１．８～２．０時(shí)，出鋼磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)由０．０１１％降低至０．００８ ５％，終點(diǎn)脫磷率達(dá)到９２．８％，平均終點(diǎn)出鋼碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)由０．１３％提高至０．２０５％。
（３）冶煉過(guò)程中仍然存在一些問(wèn)題，如因前泡沫性較強(qiáng)，倒渣率較低；轉(zhuǎn)爐終渣ＭｇＯ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，濺渣護(hù)爐效果較差。
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