王鵬飛

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司煉鋼廠第二煉鋼作業(yè)區(qū)，山東 日照 276800）

鋼鐵是世界上應(yīng)用最為廣泛的金屬材料，也是現(xiàn)代化建設(shè)必須依靠的重要的生產(chǎn)資料。鋼材加工有冷加工和熱加工，根據(jù)用途可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼、專業(yè)用鋼等，加工方式的多樣化對(duì)鋼材中的非金屬元素的要求十分嚴(yán)格，尤其是磷元素含量是鋼材質(zhì)量重點(diǎn)的檢驗(yàn)指標(biāo)。

適當(dāng)?shù)牧卓梢蕴嵘摰膹?qiáng)度，但是對(duì)于大多數(shù)的鋼種都是有害元素，磷含量過高會(huì)降低鋼材的塑性、焊接性以及沖擊韌性。研究表明磷在鋼液凝固過程中發(fā)生偏析現(xiàn)象比較集中地聚集在晶界處，導(dǎo)致較低溫度下鋼材性能變脆，通常成為“冷脆”現(xiàn)象。磷含量對(duì)鋼鐵的影響極大，即使很少量的磷（0.01%）也會(huì)導(dǎo)致鋼材的低溫脆性。因此對(duì)于普通的鋼種磷含量要求在0.04%以內(nèi)，在低溫環(huán)境下應(yīng)用的鋼種要求含磷低到0.003%以下，如嚴(yán)寒地區(qū)的鉆井平臺(tái)、船舶、軌道、鋼結(jié)構(gòu)承重件、液化氣管道等[1]。脫磷反應(yīng)是轉(zhuǎn)爐煉鋼過程重要的物理化學(xué)反應(yīng)，也是轉(zhuǎn)爐煉鋼的基本任務(wù)之一。本文通過根據(jù)最常用的轉(zhuǎn)爐煉鋼介紹脫磷工藝?yán)碚?，并結(jié)合實(shí)踐進(jìn)行說明脫磷過程注意事項(xiàng)。

1 磷的來源與存在形式

鐵礦石中含有大量的磷，在高爐煉鐵過程磷基本全部被還原進(jìn)入到鐵水中，鐵水中磷含量與鐵礦石中磷含量成正比，冶煉出來的生鐵中的磷含量甚至能達(dá)到2.0%以上。另外，煉鋼所加入鐵合金也會(huì)帶入大量的磷。鐵水中的磷多以元素磷存在，少部分是磷化物。

2 轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷原理與條件

2.1 轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷原理

轉(zhuǎn)爐吹煉過程鐵水中的磷被氧化生成P2O5進(jìn)入爐渣中，P2O5是酸性氧化物，能與爐渣中的堿性氧化物FeO、CaO、MnO、MgO等生成磷酸鹽化合物，更穩(wěn)定的存在渣中，隨爐渣一起除掉。爐渣堿度較低時(shí)磷多以磷酸鐵（3FeO·P2O5）的形式存在，爐渣堿度較高時(shí)磷多以磷酸鈣（3CaO·P2O5或4CaO·P2O5）的形式存在[2]。

2.1.1 磷的氧化反應(yīng)

磷的氧化反應(yīng)在鋼—渣界面上進(jìn)行，反應(yīng)方程式一般有2種：

標(biāo)準(zhǔn)吉布斯能△Gθ＝-384953+170.24T(J/mol)。

或者：

標(biāo)準(zhǔn)吉布斯能△Gθ＝-142944+65.48T(J/mol)。

2.1.2 P2O5在爐渣中的固定

氧化生成的P2O5如要在渣中穩(wěn)定存于爐渣中，必須與爐渣中的CaO等堿性氧化物反應(yīng)生成穩(wěn)定的磷酸鹽化合物3CaO·P2O5或4CaO·P2O5，反應(yīng)方程式為：

標(biāo)準(zhǔn)吉布斯能△Gθ＝-1486160+6360T。

或者：

標(biāo)準(zhǔn)吉布斯能△Gθ＝-1372200+550.1T。

由反應(yīng)方程式可以看出，轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷原理在于磷的氧化進(jìn)入渣中和轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的磷酸鹽，脫磷速度主要取決于鋼—渣界面磷的氧化反應(yīng)[3]。

2.2 轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷的基本條件

根據(jù)轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷的反應(yīng)方程式，結(jié)合煉鋼實(shí)際生產(chǎn)可知，脫磷效果與轉(zhuǎn)爐鐵水中的氧量、爐渣堿度和溫度有關(guān)，歸納脫磷的基本條件如下：

（1）磷在爐渣中的固定是脫磷的重要環(huán)節(jié)，P2O5一定要與渣中的CaO等堿性氧化物結(jié)合才能穩(wěn)定存在爐渣中，因此可以說CaO是含磷產(chǎn)物的穩(wěn)定劑，爐渣堿度越高越有利于脫磷。在酸性爐渣不能完成脫磷，但爐渣堿度太高不易熔化反而不利于脫磷。

（2）脫磷的量主要與磷的氧化反應(yīng)有關(guān)，鋼液中的[O]含量以及爐渣中的（FeO）都是脫磷反應(yīng)的氧化劑，增加[O]、（FeO）含量都有利于脫磷。研究表明爐渣堿度2.5～3.0和（FeO）15%～20%條件，磷在爐渣中分配比最大，脫磷效果最好。

（3）爐渣量大可以稀釋磷酸鹽的濃度，促進(jìn)P2O5與CaO充分反應(yīng)并正向進(jìn)行，達(dá)到更好的脫磷效果，但爐渣量過大不利吹氧入鋼水和熱傳遞。為達(dá)到更好的脫磷效果兼顧煉鋼質(zhì)量，先將前期脫磷的爐渣先從轉(zhuǎn)爐倒出，再次造渣以加強(qiáng)脫磷效果。

（4）脫磷反應(yīng)是強(qiáng)放熱化學(xué)反應(yīng)，低溫有利于脫磷反應(yīng)正向進(jìn)行，溫度過高則會(huì)逆向進(jìn)行產(chǎn)生“回磷”現(xiàn)象。但是低溫下石灰熔化不良，轉(zhuǎn)爐渣的黏度增大會(huì)導(dǎo)致脫磷效果變差，粘度過大的泡沫渣但同樣不利于脫磷。

2.3 轉(zhuǎn)爐脫磷注意事項(xiàng)

轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷的條件綜合起來簡(jiǎn)稱“三高一低”，即“高堿度、高FeO量、大渣量、低溫”，轉(zhuǎn)爐煉鋼基本上可以完成80%以上的脫磷任務(wù)。脫磷反應(yīng)基本上都是在轉(zhuǎn)爐煉鋼前期進(jìn)行的，該條件下更容易實(shí)現(xiàn)脫磷。實(shí)際煉鋼過程中也時(shí)常會(huì)出現(xiàn)高磷不合格的鋼水，主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)爐煉鋼后期溫度過高導(dǎo)致脫磷條件變差和回磷，生產(chǎn)過程應(yīng)進(jìn)行以下預(yù)防措施：

（1）保證轉(zhuǎn)爐煉鋼末期爐渣堿度足夠高。

（2）做好擋渣工作，盡量減少鋼包下渣。

（3）控制轉(zhuǎn)爐內(nèi)溫度，防止末期溫度過高。

（4）加強(qiáng)攪拌，縮短脫磷反應(yīng)所需時(shí)間。

（5）若鐵水含磷量過高，一次造渣脫磷效果不能滿足要求，就要采用雙渣操作，具體操作是在吹氧煉鋼初渣化好后先將前期渣倒掉，然后繼續(xù)吹氧加料煉鋼。雙渣法操作脫磷效果顯著，但是要注意氧槍粘渣問題。

（6）若鐵水含磷量并不高，但是轉(zhuǎn)爐煉鋼末期發(fā)現(xiàn)磷偏高，需要取樣檢驗(yàn)鐵水中的硅含量是否低于要求，因?yàn)楣韬吭?.2%以下就會(huì)影響化渣，在0.1%以下時(shí)前期渣就化不了，脫磷反應(yīng)無法進(jìn)行。對(duì)策是提高氧槍，優(yōu)先加入氧化鐵皮或者燒結(jié)礦，縮短前期渣化時(shí)間。

3 與轉(zhuǎn)爐煉鋼配合的脫磷措施

3.1 鐵水爐外預(yù)脫磷

轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷雖然高效，但是造渣劑和熔劑投入使用量大，煉鋼時(shí)間變長(zhǎng)，影響生產(chǎn)效率。鐵水脫磷與煉鋼脫磷相似，需要向鐵水中加入氧化劑將磷氧化，進(jìn)入到爐渣中與磷的固定劑反應(yīng)生成較穩(wěn)定產(chǎn)物留在爐渣中。若所加入的固定劑熔點(diǎn)較高，要同時(shí)加入助熔劑促進(jìn)固化劑熔化成渣。鐵水脫磷劑通常都是由氧化劑、固定劑和助熔劑組成，具體成分如下[4]。

（1）氧化劑。常用氧化劑有O2和氧化鐵皮，其他的氧化劑如Fe2(SO4)3、CaSO4的氧化性較FeO強(qiáng)，CaCO3的氧化能力較弱。

（2）固定劑。磷被氧化成P2O5高溫下容易分解，加入CaO、Na2CO3等固定劑可固化脫磷效果。

（3）助熔劑。CaF2和CaCl2鹵化物都有助熔作用，助熔劑加入后能與渣中CaO反應(yīng)生成低熔點(diǎn)物質(zhì)。CaCl2的熔點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CaCl2，助熔效果明顯，脫磷效率提升，但其所產(chǎn)生有毒氣體Cl2需要處理后才能排放。

3.2 機(jī)械攪拌法

向鐵水包中加入提前配制好的脫磷劑，使用耐高溫的機(jī)械攪拌裝置將鐵水與脫磷劑攪拌混勻，必要時(shí)可以同時(shí)向鐵水中吹氧增加氧化性和攪拌力，日本某公司采用機(jī)械攪拌法進(jìn)行鐵水爐外脫磷處理，脫磷效率高達(dá)60%～85%[4]。

3.3 噴吹法

目前鐵水爐外脫磷處理常見的方法是噴吹法，具體方法是通過惰性氣體等將脫磷劑噴吹進(jìn)入鐵水包中，使脫磷劑與鐵水充分混合，增加接觸面迅速進(jìn)行脫磷反應(yīng)。日本某鋼鐵公司以Ar作載氣使用噴吹法進(jìn)行鐵水脫磷處理，脫磷率達(dá)90%左右。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）磷含量對(duì)鋼鐵材料性能影響很大，脫磷是轉(zhuǎn)爐煉鋼的主要任務(wù)之一，轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷條件應(yīng)嚴(yán)格控制“三高一低”，發(fā)現(xiàn)磷含量異常及時(shí)采用有效措施處理。

（2）鐵水爐外脫磷是配合轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷的重要方法，能顯著提高脫磷效率，縮短轉(zhuǎn)爐煉鋼時(shí)間，提倡與轉(zhuǎn)爐脫磷相互配合使用。