張?zhí)煨?,徐曉東,王 晶
(承德石油高等??茖W(xué)校 工業(yè)技術(shù)中心,河北 承德 067000)
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120 t轉(zhuǎn)爐雙渣法脫磷熱力學(xué)研究
張?zhí)煨?,徐曉東,王 晶
(承德石油高等??茖W(xué)校 工業(yè)技術(shù)中心,河北 承德 067000)
在熱力學(xué)上對120 t轉(zhuǎn)爐雙渣法冶煉低磷鋼進(jìn)行了溫度研究,提出了研究轉(zhuǎn)爐脫磷的溫度控制理論。確定了最佳的一次倒渣溫度在1 350~1 450 ℃范圍內(nèi),最佳的終點溫度在1 590~1 610 ℃之間。運用熱力學(xué)軟件Factsage對一次倒渣和終點兩個冶煉關(guān)鍵點進(jìn)行計算,得到最佳的脫磷堿度和氧化亞鐵含量。計算表明,最佳的一倒脫磷堿度應(yīng)該在2.5左右,最佳氧化亞鐵含量在20%~25%之間;終渣堿度在4~4.2范圍內(nèi),終渣氧化亞鐵含量控制在15%~20%之間,此時脫磷效果最佳。
雙渣法;脫磷;Factsage;溫度;堿度;氧化亞鐵含量
鑒于市場競爭的激烈程度日益加劇,提高鋼材質(zhì)量的呼聲越來越高,對鋼中磷含量的要求也越來越嚴(yán)格。近年來需求大增的表面硬化優(yōu)質(zhì)合金鋼、深沖鋼、超低碳IF鋼、軸承鋼、石油管線鋼和海洋用鋼等鋼種對鋼中磷含量都有很高的要求,如高寒地區(qū)的石油管道、天然氣管道、海上采油平臺、航空用鋼和大斷面鋼件等,往往要求鋼材中的含磷量小于0.01%甚至0.005%[1]。因此,降低鋼中磷含量成為提高鋼材質(zhì)量的一項重要措施。
脫磷反應(yīng)在高爐冶煉環(huán)境下是很難發(fā)生的,礦石中的磷幾乎全部還原進(jìn)入生鐵,致使生鐵的磷含量有時高達(dá)0.1%~1.0%。生鐵中的磷除了在鐵水預(yù)處理時除去一部分外,主要是在煉鋼氧化作用下去除,而國內(nèi)外許多鋼廠不存在鐵水預(yù)處理工藝[2]。因此,為了達(dá)到深脫磷的目的,國內(nèi)外鋼廠紛紛開發(fā)了不同的脫磷工藝,具有代表性的如住友鹿島廠的SARP[3,4]法、新日鐵名古屋廠的LD-ORP[5]工藝、新日鐵室蘭廠的 (MURC)工藝[6]、寶鋼的BRP[7]工藝。無論上面的何種脫磷工藝都采用了中途倒一次渣再進(jìn)行冶煉的路線-雙渣法。溫度、堿度、氧化亞鐵含量是影響轉(zhuǎn)爐脫磷的主要因素。本文針對雙渣法冶煉工藝,結(jié)合熱力學(xué)軟件Factsage,得到最佳的冶煉參數(shù)。
轉(zhuǎn)爐煉鋼過程的脫磷反應(yīng)表達(dá)式[8]:
2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]
(1)
(2)
(3)
根據(jù)文獻(xiàn)[8]記載,碳磷也會出現(xiàn)選擇性氧化。當(dāng)轉(zhuǎn)爐溫度高于碳磷選擇性氧化溫度時,磷被碳還原,同時還有一定程度的脫磷反應(yīng)發(fā)生。在某一確定溫度時,有脫磷反應(yīng)和磷還原反應(yīng)相等,即磷元素處于被FeO氧化和被碳還原的動態(tài)平衡中,此時轉(zhuǎn)爐內(nèi)脫磷渣有最大的(P2O5)含量和前期最大的脫磷率。當(dāng)高于此溫度時,轉(zhuǎn)爐內(nèi)則開始處于回磷狀態(tài)。由此,提出以該溫度作為轉(zhuǎn)爐雙渣冶煉工藝脫磷一倒溫度和終點溫度。
碳磷選擇性氧化表達(dá)式如下:
2[P]+5CO=5[C]+(P2O5)
(4)
(5)
(6)
其中:
(7)
(8)
(9)
表達(dá)式(3)中a4CaO·P2O5、aFeO、aCaO采用爐渣分子理論計算,認(rèn)為P2O5、SiO2可與渣中CaO、MgO、MnO結(jié)合成為4RO·P2O5和2RO·SiO2。RO代表CaO、MgO、MnO幾種氧化物之和。表1給出了鐵溶液中元素的相互作用系數(shù)值[8]。
表1 鐵溶液內(nèi)元素相互作用系數(shù)
120 t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐采用雙渣法生產(chǎn)低磷鋼一次倒渣和冶煉終點時典型金屬熔池和爐渣成分分別如表2、表3[9,10]。
表2 一次倒渣和終點金屬熔池成分 (%)
表3 一次倒渣和終點爐渣成分 (%)
1.1 一倒溫度的確定
利用數(shù)據(jù)可以計算得到脫磷和碳還原磷的動態(tài)平衡圖。由圖1可知,溫度從1 340℃開始,碳還原磷反應(yīng)開始發(fā)生,同時伴有脫磷反應(yīng)。在1 440 ℃左右,兩個反應(yīng)趨于平衡,此時脫磷量達(dá)到最大值。溫度再升高,還原磷含量大于氧化量,此時回磷發(fā)生。因此,一次倒渣溫度區(qū)間應(yīng)該控制在1 350~1 450 ℃ 范圍內(nèi),并且越接近1 450 ℃越有利于脫磷。
1.2 出鋼溫度的確定
圖2是根據(jù)終點金屬熔池成分得到的脫磷和還原磷與溫度關(guān)系。由圖可知,溫度從1 590 ℃開始,碳還原磷反應(yīng)開始發(fā)生,同時伴有脫磷反應(yīng)。在1 610 ℃左右,兩個反應(yīng)趨于平衡,此時脫磷量達(dá)到最大值。溫度再升高,還原磷含量大于氧化量,此時回磷發(fā)生。因此,終點溫度區(qū)間應(yīng)該控制在1 590~1 610 ℃之間。
磷分配比Lp是衡量脫磷效果好壞的重要參數(shù)。結(jié)合前面計算的一倒溫度和終點溫度范圍,本次研究采用一倒溫度1 450 ℃、終點溫度1 610 ℃,運用Factsage軟件計算雙渣法脫磷渣在不同二元堿度 R=(%CaO)/(%SiO2)和(%FeO)下的Lp值,得到最優(yōu)配置方案。計算中,渣金比10 ∶100,初始磷含量0.15%。各鋼廠自身條件的差異造成一倒堿度和終渣堿度變化很大,為了保證計算的合理性,我們擴大計算范圍,一倒堿度在2.0~3.4,終渣堿度在3.0~5.0之間。表4列舉了一倒和終點各參數(shù)變化范圍。
表4 一倒和終點各參數(shù)變化范圍
2.1 一倒堿度、(%FeO)對脫磷的影響
圖3是Factsage軟件計算雙渣法一倒堿度和(%FeO)對脫磷效果的影響。從(a)圖中可以得出結(jié)論:在低堿度階段(R<2.5),Lp隨著(%FeO)濃度提高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。Lp在(%FeO)濃度處于20%~25%時最大。(b)圖中堿度R>2.5以后,同一堿度下,LP隨著(%FeO)濃度升高逐漸增大。對于渣中同等濃度(%FeO)時,堿度R由2.0升高到2.4,Lp也隨之升高,相反堿度R由2.6升高到3.4時Lp逐漸減小。因此最佳的一倒脫磷堿度應(yīng)該在2.5左右,最佳(%FeO)在20%~25%之間。
2.2 終渣堿度、(%FeO)對脫磷的影響
圖4是Factsage軟件計算1 630℃下雙渣法終渣堿度和(%FeO)對脫磷效果的影響。從(a)、(b)圖中可以得出結(jié)論:終渣(%FeO)含量<24%時,爐渣堿度對Lp影響不大;終渣(%FeO)含量在25%~30%時,Lp隨著堿度升高而增大。(c)、(d)圖中可以發(fā)現(xiàn)同樣的變化趨勢,只不過(%FeO)含量的分界點在20%左右。無論哪種堿度,在同一堿度下,Lp隨著(%FeO)濃度升高都是增大的。因此,在低(%FeO)時,調(diào)節(jié)爐渣堿度對Lp影響不大;在高(%FeO)時,升高爐渣堿度可以增大Lp。結(jié)合轉(zhuǎn)爐冶煉終渣(%FeO)不能太高,同時還要保證渣量和其它反應(yīng),最佳的終渣(%FeO)控制在15%~20%之間,終渣堿度在4~4.2范圍內(nèi)。
鞍鋼120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐入爐鐵水成分見表5,鐵水中Si、Mn含量相對較高,并且波動大。為實現(xiàn)低磷目標(biāo)該廠采用了雙渣法,主要冶煉參數(shù)見表6。
表5 鐵水條件
表6 雙渣法冶煉參數(shù)
鞍鋼雙渣法冶煉終點溫度在1 650 ℃以上,與理論計算結(jié)果存在一定偏差。這是由于理論計算的爐渣堿度在3.5左右,而實際中爐渣堿度達(dá)到了4以上,因此需要更高的溫度來保證爐渣具有良好的脫磷動力學(xué)條件。對鞍鋼55爐次雙渣脫磷效果進(jìn)行了記錄,轉(zhuǎn)爐出鋼磷含量平均達(dá)到0.006 3%,成品磷含量平均控制在0.008 5%。
當(dāng)鐵水磷含量超過0.12%的情況下,鐵水中的[Si]達(dá)到0.5%及以上,轉(zhuǎn)爐脫磷的難度就會增加,此時雙渣法脫磷十分有效。本文對一倒和終點兩個時間節(jié)點上的主要熱力學(xué)參數(shù):溫度、堿度、氧化亞鐵含量進(jìn)行了計算,對實際生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)作用,并得到如下結(jié)論:
1)一次倒渣溫度應(yīng)控制在1 350~1 450 ℃范圍內(nèi)。最佳的一倒脫磷堿度應(yīng)該在2.5左右,最佳氧化亞鐵含量在20%~25%之間。
2)終渣溫度控制在1 610 ℃左右,最佳終渣堿度在4~4.2范圍內(nèi),終渣氧化亞鐵含量控制在15%~20%之間。
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Thermodynamic Study on Double Slag Dephosphorization in 120 t Converter
ZHANG Tian-xu, XU Xiao-dong, WANG Jing
(Industrial Technology Center, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China)
This article studies the temperature of double slag method on the thermodynamics in 120 t converter, then it puts forward the dephosphorization theory of temperature control. It is concluded that the dephosphorization effect is the best when temperature is 1 350~1 450 ℃ at first deslagging, while end temperature is 1 590~1 610 ℃. This article mainly gets the best basicity and FeO in the first and end deslagging for double slag process through Factsage software calculation. It shows the best basicity is 2.5 and(%FeO)is between 20% and 25% when the first deslagging while the best basicity is between 4 and 4.2 and(%FeO)is 15%~20% when the end deslagging.
double slag method; dephosphorization; Factsage; temperature; basicity;(%FeO)
2016-05-09
張?zhí)煨?1987-),男,河北承德人,承德石油高等??茖W(xué)校工業(yè)技術(shù)中心助教,主要從事實踐教學(xué)工作。
TF71
A
1008-9446(2016)05-0031-05