高福彬 李建文 王玉剛

（河北鋼鐵集團(tuán)邯鋼公司）

0 前言

目前國(guó)內(nèi)外轉(zhuǎn)爐脫磷工藝有以下三種：一種是傳統(tǒng)的單渣法，即整個(gè)轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程只造一次渣,中間不倒渣，終點(diǎn)直接出鋼。該方法操作簡(jiǎn)單，吹煉時(shí)間短，渣量較大，脫磷效果一般，適合對(duì)終點(diǎn)磷含量要求不高的鋼種。第二種是轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法，該方法是依據(jù)熱力學(xué)原理，將轉(zhuǎn)爐吹煉分為脫磷期和脫碳期，分別在兩個(gè)轉(zhuǎn)爐進(jìn)行吹煉。脫磷結(jié)束后迅速出鋼，然后將鋼水轉(zhuǎn)移至脫碳爐進(jìn)行脫碳造渣操作。轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法脫磷率高，能夠大幅降低輔料的消耗[1-2]，但是轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法需要兩個(gè)轉(zhuǎn)爐來(lái)分別進(jìn)行脫磷和脫碳，轉(zhuǎn)爐利用效率降低，投資較大、熱損大。另外一種就是轉(zhuǎn)爐雙渣+留渣工藝，該工藝是先在轉(zhuǎn)爐進(jìn)行脫磷吹煉，脫磷結(jié)束后快速倒出脫磷渣，然后在同一個(gè)轉(zhuǎn)爐進(jìn)行脫碳操作，脫碳結(jié)束后出鋼留渣，留在轉(zhuǎn)爐內(nèi)的脫碳渣作為下一爐次脫磷劑繼續(xù)進(jìn)行脫磷操作。該工藝不僅實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐渣的循環(huán)利用，而且減少了爐渣的排放量和環(huán)境污染，有效提高了生產(chǎn)效率，受到大多數(shù)鋼廠的青睞。為此，筆者對(duì)“留渣+雙渣”脫磷工藝進(jìn)行了熱力學(xué)分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 邯鋼120 t轉(zhuǎn)爐基本情況

1.1 轉(zhuǎn)爐設(shè)備概況

邯鋼一煉鋼廠現(xiàn)有3座120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，年設(shè)計(jì)產(chǎn)能300萬(wàn)t，轉(zhuǎn)爐爐容比0.96 m3/t，轉(zhuǎn)爐總裝料量150 t，采用5孔氧槍噴頭，設(shè)計(jì)馬赫數(shù) 1.98， 供 氧 強(qiáng) 度 3.2～3.6 Nm3/t·min，8塊彌散管式底吹透氣磚均勻分布，底吹供氣強(qiáng)度0.02～0.22 Nm3/t·min，采用LT除塵工藝，同時(shí)還配備了副槍系統(tǒng)、二級(jí)模型、紅外線(xiàn)下渣檢測(cè)系統(tǒng)和滑板擋渣系統(tǒng)，主要產(chǎn)品為重軌鋼、彈簧鋼、軸承鋼等。

1.2 鐵水和石灰概況

2018年9 ―12 月，120 t轉(zhuǎn)爐鐵水成分和轉(zhuǎn)爐煉鋼用石灰統(tǒng)計(jì)情況分別見(jiàn)表1、表2。

表1 2018年9―12月120 t轉(zhuǎn)爐鐵水成分統(tǒng)計(jì)

表2 120 t轉(zhuǎn)爐石灰成分統(tǒng)計(jì)

從表1可以看出，鐵水P含量的平均值為0.11%，鐵水溫度為1 340 ℃，Si含量的平均值為0.33%，C含量的平均值為4.5%，鐵水條件比較理想。

從表2可以看出，石灰中的CaO含量的平均值為89.35%，燒損3.65%，平均活性度為357.25 mL，石灰質(zhì)量良好。

2 “留渣+雙渣”工藝脫磷的熱力學(xué)分析

2.1 溫度對(duì)轉(zhuǎn)爐前期脫磷的影響分析

在轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程中，鐵水中的Si、Mn、P、Fe、C等元素會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，由于各元素與氧的結(jié)合能力不同，將會(huì)發(fā)生選擇性氧化，主要反應(yīng)公式如下：

式中：M——合金元素，x、y——化學(xué)計(jì)量。

由式（1）可知：

式中：R——常數(shù)，8.314；α——活度。

由式（2）可知，某一元素在鐵液中與氧反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)的氧位主要與元素的活度、氧化產(chǎn)物活度及形成該元素氧化物的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能有關(guān)，鐵液中某元素的平衡氧位越低，則該元素越容易被氧化。通過(guò)提高鐵液中反應(yīng)物的活度和降低渣中生成物的活度，可以提高該元素與氧的結(jié)合能力。

根據(jù)邯鋼120 t轉(zhuǎn)爐鐵水平均入爐成分，假定轉(zhuǎn)爐脫磷之前鐵水中碳、硅、錳、磷的含量分別為4.45%、0.33%、0.19%、0.11%，以及脫磷渣中CaO、SiO2、MnO、P2O5、FeO、MgO含量分別為35%、20%、8%、4%、16%、9%，可以繪制出lgα0-T關(guān)系圖(如圖1所示，圖中紅色的虛線(xiàn)與黑色的實(shí)線(xiàn)分別表示其lgα），其中在爐氣中的CO分壓Pco為 100 kPa。

圖1 鐵水不同元素的lgα0-T關(guān)系

從圖1可以看出，在低溫區(qū)域，Si與氧的結(jié)合能力最強(qiáng)，其次是Mn、P、C、Fe，故脫硅反應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行。留渣+雙渣脫磷過(guò)程中，假定上一爐脫碳終渣中P2O5的含量在2%以上，脫磷開(kāi)始階段，鐵水中碳含量在4.45%左右，根據(jù)lgα0與溫度的關(guān)系，4.45%碳含量變化曲線(xiàn)和2%P2O5變化曲線(xiàn)相交的點(diǎn)為脫磷到脫碳的轉(zhuǎn)化點(diǎn)，即1 360 ℃，隨著脫磷的不斷進(jìn)行，脫磷渣中P2O5的含量不斷升高，當(dāng)溫度超過(guò)1 360 ℃時(shí)，鐵水中伴隨著脫碳過(guò)程的進(jìn)行發(fā)生脫磷反應(yīng)，當(dāng)渣中的P2O5含量達(dá)到4%左右，鐵水中的碳含量在3.5%左右，溫度在 1 360～1 410 ℃時(shí)，仍以脫磷為主。當(dāng)溫度繼續(xù)上升時(shí)，將以脫碳為主。由于溫度過(guò)低，將影響渣金間反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件，因此脫磷溫度區(qū)間控制在1 360～1 410 ℃較合適。

2.2 堿度對(duì)轉(zhuǎn)爐前期脫磷的影響分析

在轉(zhuǎn)爐實(shí)際脫磷過(guò)程中，熱力學(xué)最關(guān)心的是回磷點(diǎn)的確定，當(dāng)轉(zhuǎn)爐脫磷中鐵水的溫度超過(guò)一定溫度后會(huì)出現(xiàn)回磷，此溫度理解為回磷點(diǎn)溫度，脫磷溫度一般要求低于此溫度，以確保脫磷效率和鋼樣P含量的穩(wěn)定控制?！傲粼?雙渣”法中脫磷階段的回磷點(diǎn)是實(shí)際脫磷過(guò)程中磷的分配比LP2剛好等于熱力學(xué)平衡計(jì)算出來(lái)的LP1所對(duì)應(yīng)的溫度，高于此溫度則回磷。根據(jù)物料平衡原則，并假定P從鋼液脫除后全部進(jìn)入渣中，LP2可以表示為：

式中：LP2——實(shí)際脫磷中P的分配比；(P)——留渣中P含量，%；——上一爐留渣量，t；[P]1——原料鐵水中磷含量，w%；——鐵水重量，t；[P]2——原料廢鋼中磷含量——廢鋼重量，t；[P]steel——半鋼終點(diǎn)磷含量，——脫磷結(jié)束后鋼水量，t； ——脫磷結(jié)束后渣量，t。

根據(jù)脫磷反應(yīng)方程可知脫磷反應(yīng)的分配系數(shù)LP1為：

根據(jù)熔渣的磷容量與溫度及光學(xué)堿度間的關(guān)系，可知：

磷容量為：

式中：αO——氧的活度；αFeO——氧化鐵活度；T——開(kāi)爾文溫度，K；CP——磷容量；（%P）——渣中磷含量，%；[%P]——鋼中磷含量，w%。

根據(jù)式（5）、式（6）、式（7），可以進(jìn)一步推導(dǎo)出渣-鋼間磷的分配系數(shù)：

根據(jù)式（3）和式（8），并結(jié)合邯鋼120 t轉(zhuǎn)爐的實(shí)際情況，120 t轉(zhuǎn)爐的出鋼量140 t，全部留渣量為10 t，留渣中的P2O5含量為2.2%，廢鋼為25 t，鐵水為130 t，鐵水初始P含量為0.11%，廢鋼中的P含量為0.4%，脫磷階段的目標(biāo)P含量為0.07%。為方便比較，這里不考慮爐渣組分對(duì)終渣量的影響，根據(jù)式（4）可以計(jì)算出LP2，并分別將其與不同堿度條件下、不同全鐵含量下的LP1圖繪制在一起，如圖2所示。

從圖2可以看出，爐渣堿度在1.5～2.0區(qū)間，其回磷溫度在1 400～1 450 ℃區(qū)間，堿度在1.3～1.5區(qū)間，回磷溫度在1 360～1 400 ℃區(qū)間，綜合考慮，堿度控制在1.5～2.0區(qū)間，終點(diǎn)溫度控制在1 400 ℃以下，利于轉(zhuǎn)爐脫磷，不會(huì)出現(xiàn)回磷現(xiàn)象。

2.3 渣中T Fe含量對(duì)轉(zhuǎn)爐前期脫磷的影響分析

堿度為1.6時(shí)不同全鐵含量下脫磷渣的LP與溫度的關(guān)系如圖3所示。

圖2 不同堿度條件下對(duì)應(yīng)的熱力學(xué)平衡LP1和實(shí)際LP2的交點(diǎn)

圖3 堿度為1.6時(shí)不同全鐵含量下脫磷渣的LP與溫度的關(guān)系

從圖3可以看出，磷的分配比隨著全鐵含量的升高而增加，從10%的全鐵含量增加到15%時(shí)，磷的分配比提升較快，進(jìn)一步提升全鐵含量，磷的分配比增加的幅度逐漸放緩，考慮到過(guò)高的全鐵含量將帶來(lái)一定的鐵損問(wèn)題，建議將渣中的全鐵含量控制在15%～20%較為合適。

2.4 脫磷渣熔點(diǎn)、粘度、表面張力及發(fā)泡性分析

為了解實(shí)際脫磷溫度條件下熔渣的物理特性，利用Factsage 軟件分別計(jì)算了不同全鐵含量下CaO-FeO-SiO2-MgO-MnO渣系的熔點(diǎn)、粘度、表面張力與堿度、溫度之間的相互關(guān)系，如圖4所示。

圖4 不同TFe含量下熔渣熔點(diǎn)隨堿度的變化情況

從圖4可以看出，熔渣的熔點(diǎn)隨著堿度的升高而迅速上升。渣中全鐵含量的提高有助于降低熔渣的熔點(diǎn)，當(dāng)熔渣中的全鐵含量控制在15%～20%區(qū)間、堿度在1.1～1.4區(qū)間、脫磷終點(diǎn)溫度為1 400 ℃左右時(shí)，熔渣基本處于熔化狀態(tài)，流動(dòng)性較好。當(dāng)熔渣堿度為1.5時(shí)，熔點(diǎn)在1 450～1 500 ℃區(qū)間，熔渣處于液相為主的液固兩相區(qū)，此區(qū)間仍具備良好的脫磷效果。隨著熔渣堿度進(jìn)一步的提高，熔點(diǎn)迅速提升，熔渣流動(dòng)性下降。

計(jì)算不同T Fe含量下及溫度下的熔渣粘度隨熔渣堿度的變化，如圖5所示。

圖5 不同T Fe含量及溫度下的熔渣粘度隨堿度的變化

從圖5可以看出，TFe含量的增加、脫磷終點(diǎn)溫度的提高有利于降低熔渣黏度。當(dāng)爐渣中的TFe含量為15%～20%、脫磷終點(diǎn)溫度在1 420 ℃以下、堿度在1.0～1.5范圍時(shí)，爐渣具有較低的粘度（0.1～0.5 Pa·s）；當(dāng)堿度超過(guò)1.5時(shí)，粘度上升較快，最高接近1.8 Pa·s，如果要提高脫磷堿度，則需要相應(yīng)提高脫磷終點(diǎn)溫度及全鐵含量，以保證爐渣的流動(dòng)性。

爐渣表面張力對(duì)爐渣發(fā)泡性有很大影響，表面張力低，爐渣易發(fā)泡，而爐渣發(fā)泡性對(duì)雙渣法冶煉前期倒渣有影響。1 400 ℃時(shí)爐渣的表面張力計(jì)算公式[3]為：

式中：σ1400℃——1 400 ℃下熔渣的表面張力，達(dá)因/cm；NX——x組元的摩爾分?jǐn)?shù)。

根據(jù)式（6）可以計(jì)算出在其他組元不變，不同T Fe含量條件下的表面張力變化情況，如圖6所示。

從圖6可以看出，在熔渣堿度1.0～2.0的區(qū)間范圍內(nèi)，表面張力曲線(xiàn)變化不明顯，全鐵含量的升高能夠降低熔渣的表面張力，但影響較小，表面張力整體在0.5～0.535 N/m范圍內(nèi)波動(dòng)，堿度偏低，全鐵含量升高則表面張力低，有益于造泡沫渣。

圖6 不同T Fe含量下熔渣表面張力σ隨堿度的變化

轉(zhuǎn)爐脫磷結(jié)束后中間倒渣的情況是新一代雙渣法脫磷效率能否提高的關(guān)鍵技術(shù)，其中，爐渣的泡沫性對(duì)中間倒渣過(guò)程有著重要影響。爐渣發(fā)泡性能差，則倒渣過(guò)程很容易倒鐵，嚴(yán)重影響金屬鐵的收得率；爐渣發(fā)泡性能太好，則渣罐易溢渣，盛渣量較低，倒渣時(shí)間延長(zhǎng)。為了防止泡沫化程度超出范圍，出現(xiàn)轉(zhuǎn)爐口溢渣的情況，倒渣前須壓槍?zhuān)詼p少爐渣泡沫化程度。因此，控制適度的爐渣發(fā)泡性，保證既能足量倒渣，又不影響鐵損及倒渣時(shí)間是雙渣脫磷取得成功的關(guān)鍵。渣中適量的微小固體顆粒有利于提高渣粘度，提高泡沫化指數(shù)；然而，如果固體顆粒過(guò)大或過(guò)多，渣變得粘稠，則很難形成有效氣泡，用來(lái)起泡的氣體將沿渣體中的裂縫離開(kāi)渣層，起不到發(fā)泡效果[4]。而粘度受溫度、堿度和全鐵含量的影響非常大，所以在實(shí)際生產(chǎn)中較難控制。從前面的分析來(lái)看，堿度控制在1.5左右，溫度在1 400 ℃左右，其粘度及熔點(diǎn)、表面張力均較為理想，對(duì)爐渣發(fā)泡性來(lái)說(shuō)是較為合適的范圍，可降低風(fēng)險(xiǎn)，方便倒脫磷渣。

3 “留渣+雙渣”工藝的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

根據(jù)前期計(jì)算的結(jié)果，在一鋼120 t轉(zhuǎn)爐進(jìn)行了“留渣+雙渣”工藝的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，具體流程為：前一爐次出鋼且全部留渣→濺渣護(hù)爐同時(shí)輕燒白云石進(jìn)行爐渣固化→濺渣結(jié)束后加入石灰→加入廢鋼→兌鐵水→進(jìn)行脫磷階段吹煉。各環(huán)節(jié)加料及吹煉制度控制方案見(jiàn)表4。

根據(jù)以上試驗(yàn)方案，統(tǒng)計(jì)了4爐次輔料消耗數(shù)據(jù)，詳見(jiàn)表5。

從表5可以看出，采用“留渣+雙渣”工藝后，在不加石灰石及其他輔料條件下，石灰消耗降至27.12 kg/t以下，最低達(dá)19.24 kg/t，輕燒白云石消耗降至13.03 kg/t以下，最低達(dá)7.5 kg/t。

4 結(jié)論

“留渣+雙渣”工藝前期脫磷的最佳熱力學(xué)條件為，脫磷期溫度 在1 360～1 410 ℃之間，堿度在1.6～1.7之間，TFe含量在15%～20%之間，且前期脫磷溫度隨堿度的增加相應(yīng)增加。

表4 “留渣+雙渣”工藝試驗(yàn)方案

表5 石灰、輕燒白云石、燒結(jié)礦消耗情況 kg/t

“留渣+雙渣”工藝的應(yīng)用，能夠降低煉鋼渣料的消耗，減少渣量，進(jìn)而降低煉鋼工序成本。該工藝在留渣過(guò)程中需要特別注意留渣是否完全固化，只有留渣全部固化后方可兌鐵，否則容易造成噴濺。