复吹转炉深脱磷技术在国内的应用与进展

朱英雄1，钟良才1，萧忠敏2

(1．东北大学钢铁冶金研究所，辽宁沈阳110004；2．武汉钢铁(集团)公司研究院，湖北武汉430080)

摘 要：国内钢厂采用复吹转炉深脱磷主要工艺有单渣法(冶炼低碳钢)、单炉新双渣法、两炉双联法。采用的前期脱磷工艺参数是：适当降低供氧强度、大幅度提高底吹供气强度、适当延长脱磷期时间、熔池温度控制在磷、碳氧化反应转化温度之下、控制适当的炉渣碱度和T．Fe含量，复吹转炉的脱磷效果明显。冶炼低碳钢时，终点钢水ω(P)可控制到0．0048％～0．0080％，冶炼中、高碳钢时，终点钢水ω(P)可控制到0．01％的水平，达到深脱磷的目的。

关 键 词：复吹转炉；深脱磷；单渣法；单炉新双渣法；两炉双联法

脱磷、脱硫是炼钢工艺的重要任务。采用铁水预处理脱硫或者钢水炉外精炼脱硫技术后，脱硫不再成为难题，能够满足任何钢种对硫含量的要求。

尽管采用铁水预处理或者复吹转炉传统工艺进行脱磷，但都未能达到最优化操作工艺和低能耗、稳定的深脱磷目标。21世纪以来，我国开展了复吹转炉深脱磷工艺路线研究与应用，在不同吨位、不同钢种、新建厂与老厂等复吹转炉上，采用单渣法、双渣法、双渣留渣法、单炉新双渣法、两炉双联法等全面深入开展深脱磷工艺技术的研究与应用，取得了很大的进展。本文总结和分析了近几年来国内相关钢厂根据各自的生产条件，采用单渣法、单炉新双渣法、两炉双联法深脱磷工艺技术和应用简况，供有关钢厂采用复吹转炉冶炼低磷和超低磷钢时参考、借鉴。

1 深脱磷的基础理论分析

众所周知，复吹转炉传统脱磷工艺主要依靠高碱度、高氧化性、大渣量的炉渣进行脱磷。但是要想深脱磷，首先必须按照铁水中硅、锰、磷、碳等元素的先后氧化顺序，创造条件使铁水中的磷能够被大量氧化进入炉渣，才能达到深脱磷目标。

在冶炼过程中，复吹转炉熔池中磷与硅、锰以及碳等同时发生氧化反应，但是硅、锰、碳等氧化反应对磷的氧化反应均有不同程度的限制作用。冶炼前期低温阶段，铁水中硅、锰氧化的自由能绝对值△Gθ分别高于磷的70％和30％左右[1]；铁水中硅、锰的质量分数，一般分别高于磷的4和3倍左右。无论是对氧亲和能力，还是含量，硅、锰两元素都比磷大很多，因此，在冶炼前期低温的环境里，铁水中磷的氧化受到硅、锰氧化的限制。只有铁水中硅被氧化到例(Si)≤0．1％时，即转炉吹氧约4min后，磷才有机会开始被大量氧化[2]。但是，由于硅、锰等氧化放热使熔池温度很快升高，当升高到超过磷、碳氧化的转化温度以后，脱磷反应又被碳的氧化反应限制。其原因是随着温度升高，铁液中碳的氧化自由能△Gθ绝对值比磷逐渐增大；特别是当硅、锰氧化结束时，熔池ω(C)≈3．0％～3．5％，高于ω(P)的29～34倍之多，无论对氧的亲和能力，还是含量多少，碳元素都比磷大很多。因此，在冶炼中、后期钢中磷的氧化反应完全被碳的氧化反应所抑制，甚至还有被还原的可能。

由上述理论分析可知，在复吹转炉吹炼前期的低温阶段有利于脱磷氧化反应的热力学条件下，脱磷反应受到硅、锰氧化反应的影响，磷的氧化量仅占30％～40％。在熔池温度升高的中、后期阶段不利脱磷氧化的热力学条件下，又受到碳的氧化反应的影响，磷的氧化几乎停止[3]。由此可见，在复吹转炉传统的脱磷冶炼工艺过程中，很难把铁水中磷含量脱到极低的水平。只有按照元素氧化先后的规律，抓住冶炼前期硅、锰元素氧化完毕与中期碳元素氧化开始前之间的契机，优化脱磷各项工艺参数，使铁水中磷大量的被氧化进入炉渣中，为深脱磷创造条件；在同一个冶金容器—复吹转炉熔池里，在温度这一热力学条件上，脱磷与脱碳是相互矛盾的。如果创造条件将二者氧化反应按照先后顺序进行，或者分别在不同的冶金容器进行处理，即分而炼之，排除或减少干扰脱磷氧化反应的因素，就能够达到深脱磷的目的。

2 目前国内深脱磷工艺路线研究与应用

在20世纪末期，曾经采用铁水罐和鱼雷罐等设备进行脱硅、脱磷的铁水预处理工艺以及复吹转炉采用传统的双渣法或双渣留渣法等冶炼工艺进行脱磷操作，在实际应用中均取得了一定的效果。但是由于铁水预处理设备容量小、冶金反应动力学条件差、生产效率低、消耗高、环境污染以及脱磷效果还未达到深脱磷目标，无法满足低成本、大批量的生产低磷含量的洁净钢种的要求，逐渐被新的深脱磷工艺取代。

21世纪以来，国内冶金工作者经过学习、研究、开发初步形成复吹转炉深脱磷工艺。目前，国内钢厂复吹转炉采用深脱磷工艺有：冶炼低碳钢的单渣法、单炉新双渣法、两炉双联法。

2．1 冶炼低碳钢的单渣法深脱磷工艺

采用单渣法深脱磷工艺主要是冶炼低碳钢为主，以鞍钢180t复吹转炉[4]为代表的脱磷工艺，要求冶炼终点钢水ω(P)≤0．008％。其单渣法深脱磷工艺参数如表1所示。

从表1可知，该厂180t复吹转炉采用单渣法深脱磷工艺的特点是：1)延长冶炼前期脱磷时间；2)降低冶炼前期供氧强度；3)大渣量、高碱度、高氧化性操作。复吹转炉单渣法深脱磷前期冶炼采用延长时间和降低供氧强度的操作，在国内外尚属首次。该工艺充分利用冶炼前期低温有利脱磷的热力学条件，优化工艺参数，进行深脱磷操作，并结合造高碱度、高氧化性以及大渣量的炉渣，保证前期脱磷产物P2O5全部被渣中CaO固化成3CaO·P2O5或4CaO·P2O5高熔点化合物稳定在渣中，达到深脱磷的目的。该厂180t复吹转炉单渣法深脱磷终点钢水达到ω(P)≤0．008％水平。但是该工艺造渣剂等消耗偏高。国内武钢[5]、鞍钢[6]、攀成钢[7]等钢厂的复吹转炉，均采用单渣法不同程度优化深脱磷工艺参数，都取得了较好的脱磷效果。

2．2 单炉新双渣法冶炼前期深脱磷工艺

2．2．1 单炉新双渣法、两炉双联法工艺选择

采用单炉新双渣法，还是采用两炉双联法深脱磷工艺，主要由下述因素决定：1)产品即钢种磷含量要求；2)低磷或超低磷钢种产量规模大小；3)产品种类以及规模效益；4)相关配套铁水脱硫、炉外精炼设备以及连铸等生产系统设备是否能够配合低磷含量的洁净钢种冶炼；5)依据新建厂和老厂的现场设备、物流等条件是否畅通。

根据上述条件，新建厂若采用两炉双联法工艺，有两种方案：一种是建专用脱磷炉和专用脱碳炉分别布置在不同的垮间；另一种方案是加料跨具有一定宽度条件下，转炉预脱磷完后出半钢，经钢包车运至加料垮，从炉前平台开口吊起半钢罐兑入其它转炉内进行半钢脱碳少渣冶炼。老厂往往因加料垮宽度不够，无法从平台开口提升半钢罐，因此可采用单炉新双渣法。

国内一些老厂，80～300t的复吹转炉相继开发应用单炉新双渣法冶炼低磷或超低磷钢。所谓单炉新双渣法是在传统双渣法基础上，调整优化前期脱磷冶炼工艺参数，在一座转炉内完成深脱磷任务和半钢冶炼任务。其冶炼工艺流程见图1。

老厂选择单炉新双渣工艺的优点：不需要增加大设备、投资少；既可以生产低磷钢种，又可以迅速恢复常规的单渣法生产一般磷含量的钢种；生产调控方便，适合市场变化需要。

2．2．2 单炉新双渣法冶炼前期深脱磷工艺参数确定

1)适当延长前期脱磷时间。在冶炼前期低温条件下，铁水的磷比硅、锰对氧的亲和力小，含量又少，因此磷的氧化速度慢。从文献[2]可知，吹炼开始至5min时，铁水ω(Si)由0．54％降至约0．05％左右，此时脱磷率为44％；至9min时，脱磷率高达59％。传统的双渣法冶炼，一般在5min左右倒渣，如果按上述结果，传统的双渣法冶炼前期脱磷率也仅仅只有44％的水平。由此可见，适当延长吹炼前期的时间，并且在合理优化的供氧强度和温度等条件下，铁水中磷就能得到充分的氧化而被去除，脱磷率就可以大幅度提高。目前国内外实践证明吹炼前期脱磷时间一般控制在8～12min。具体时间要根据铁水中硅、锰、磷含量高低或者冶炼钢种要求深脱磷程度而决定。适当延长前期脱磷时间，还有利于石灰熔化，也有利于脱磷反应进行[8]。

2)适当降低冶炼前期脱磷的供氧强度。目前国内采用单炉新双渣法工艺的钢厂，复吹转炉冶炼前期深脱磷的供氧强度差别很大，分别采用正常脱碳时供氧强度的1／1、1／2、2／3、4／5等。按照铁水一般条件，即主要成分在ω(C)=4．5％、ω(Si)=0．5％、ω(Mn)=0．4％、ω(P)=0．1％条件下，经过计算，结果表明，若前期硅、锰、磷和部分碳、铁元素氧化需要的氧气量为1；中期碳氧化需要的氧气量较前期增加50％左右；后期少量碳和铁的氧化需要的氧气量则降低至前期的20％左右。

复吹转炉传统的冶炼供氧制度：早期是恒枪位、变压力和变流量操作，后来采用变枪位、恒压力和恒流量操作；现在已有很多厂采用变枪位、变流量和变压力操作。由上述计算结果比较可以认为冶炼过程不同时期供氧强度适当变化，是根据各时期元素氧化需要氧气量来决定的，这样供氧更为合理。单炉新双渣法冶炼前期主要是硅、锰、磷以及部分碳和铁等元素被氧化，与中期快速脱碳为主的需要氧气量相比，不需要很大的供氧强度即可满足。各厂可以根据本厂铁水条件计算硅、锰、磷和部分碳、铁元素氧化需要的氧气量，就可以确定冶炼前期的供氧强度。如前面的铁水条件计算结果，冶炼前期合适的供氧强度约为正常供氧强度的2／3左右，并且在冶炼4min左右，即硅元素氧化将要结束时，只剩下磷氧化为主，由于磷含量低，供氧强度还可以进一步降低至正常时的1／2左右[9]。

冶炼前期，在满足硅、锰、磷以及部分碳和铁元素所需要的氧气量的条件下，适当降低前期的供氧强度，避免了在大的供氧强度下，剩余过多的氧气去氧化铁水碳、铁等元素，造成熔池升温加快影响脱磷效果。降低供氧强度冶炼，就是实施软吹操作进行化渣脱磷。

3)冶炼前期脱磷温度控制。当铁水中硅、锰氧化终了，磷将开始大量氧化时，如果不能控制好因硅、锰等元素氧化放热使熔池温度快速上升，达到或超过碳、磷氧化的转化温度，那么磷的氧化将被碳的氧化所抑制。因此必须通过热平衡计算后加入一定数量的冷却剂和降低供氧强度等措施控制熔池升温速度。在冶炼前期将温度控制在碳、磷氧化的转化温度以下，使铁水中磷的氧化反应在低温、相对较长时间里得到充分进行。

目前，大多数钢厂把冶炼前期脱磷温度控制在1350℃以下。但也有不少钢厂把冶炼前期脱磷温度控制得较高，如1400、1450、1490℃等。通过理论计算，可以得出铁水磷、碳氧化反应达平衡时的温度，文献[1]称之为磷、碳氧化反应的转化温度。一般铁水条件下，理论计算其转化温度在1350℃左右。低于此温度为[P]—[O]氧化反应优先，高于此温度为[C]—[O]氧化反应优先。国内许多钢厂实践证明，转炉前期脱磷温度控制在1330～1350℃为最佳。既能保证脱磷效果，又能为后续半钢冶炼提供温度和碳含量的保证。

4)冶炼前期提高底吹供气强度。为了弥补由于冶炼前期降低顶吹供氧强度而使熔池搅拌效果减弱，影响脱磷的冶金反应动力学条件，因此在冶炼前期必须提高底吹供气强度。提高底吹供气强度不仅加速铁液中硅、锰、磷等元素向第一反应区(冲击区)的扩散速度，同时也使渣—钢混合良好，加速脱磷反应进行[10]。

作为冷却剂加入熔池的废钢量，国内一般在8％～10％，废钢熔点约在1500℃。冶炼前期脱磷温度一般控制在1350℃以下，因此依靠熔池温度的物理热熔化是不可能的，提高底吹供气强度，有助于废钢熔化[11]。其原因是因为废钢(碳含量低)表面层被铁液中碳(含量高)渗入而降低熔点被熔化，称为化学熔化原理。底吹强度的提高，加快了向废钢表面输送铁水中碳含量渗入的同时，又将渗入碳的废钢表面熔化层携带走，使废钢表面层不断更新而逐渐被熔化。但是由于熔化脱磷温度控制在1350℃以下的低温条件，因此不宜采用大块、厚的废钢，尤其在转炉双联法中专用脱磷炉，更需要注意，避免挂冷料。

目前国内大多数钢厂在冶炼前期底吹供气强度控制在0．15～0．25m3／(t·min)。

5)冶炼前期炉渣碱度、T．Fe含量控制。脱磷与炉渣碱度、氧化性有着密切关系。转炉冶炼前期脱磷温度控制在1350℃左右，很难使石灰熔化提高炉渣碱度。因此，应采用有利化渣的喷孔夹角大的氧枪喷头，加入适量的铁矿石、烧结矿、污泥球、铁矾土等造渣剂，有利于提高渣中T．Fe含量，促进石灰快速熔化。

正如前述冶炼前期脱磷温度控制在碳、磷氧化转化温度之下，因此减缓或减少[C]与[O]、(FeO)、(Fe2O3)的反应，也有利提高渣中T．Fe含量。文献[2]、[12]介绍传统工艺冶炼开始至5min，铁水中ω(C)仅剩下2．8％～3．0％，渣中ω(T．Fe)只有7％。而单炉新双渣法冶炼开始至8～12min的冶炼前期，铁水中ω(C)还剩3．0％～3．5％，渣中ω(T．Fe)高达12％～16％。实践结果比较，尽管单炉新双渣法冶炼前期供氧强度降低，但是消耗在铁水碳需要的氧气量和渣中(FeO)、(Fe2O3)量大幅度减少，因此渣中ω(T．Fe)相对比较高，一般控制在12％～16％。

单炉新双渣法冶炼前期脱磷加入石灰量仅在15～30kg／t，但是由于渣中T．Fe含量高，冶炼时间延长等原因，能够促使石灰熔化完全，所以炉渣中碱度仍然较高，一般能够达到1．5～2．0。

传统理论认为，炉渣碱度必须达到2．5以上时，才能形成(3CaO·P2O5)、(4CaO·P2O5)的高熔点化合物固化脱磷产物(P2O5)不被还原，达到提高脱磷效率。单炉新双渣法冶炼前期碱度控制在1．5～2．0，很多钢厂控制在1．5～1．8，仍然获得较高的脱磷率。其原因在于前期冶炼过程中，渣中(P2O5)未必都能形成上述高熔点化合物，也可以形成(3FeO·P2O5)、(3MnO·P2O5)等过渡化合物，随着前期终点倒渣时，将含有磷的各种化合物一起倒掉，仍然达到较高的脱磷率。

6)冶炼前期脱磷终点时多倒渣。单炉新双渣法提高冶炼前期脱磷效果，很重要的操作是把冶炼前期含磷高的炉渣倒掉。国内有部分钢厂开始采用单炉新双渣法初期阶段终点磷含量较高的一个很重要原因是不能把冶炼前期脱磷的炉渣倒掉。在后续半钢冶炼过程中，未与渣中(CaO)结合的自由(P2O5)，以及(3FeO·P2O5)、(3MnO·P2O5)等过渡不稳定的化合物，都有可能被钢液中碳所还原，加重半钢脱磷任务。只有渣层厚、活跃的泡沫渣才能顺利地被倒出。应该掌握前期脱磷时间的最后时刻内造好泡沫渣，观察炉口炉渣向上涌动或抛出状况，确定倒渣时间，一般能够倒出2／3～3／4的炉渣[13]。

上述单炉新双渣法冶炼，前期脱磷的主要参数的确定，必须考虑它们之间相互制约的关系，缺一或选择不正确都会影响其它工艺参数正常实施或发挥作用。文献[9]介绍了福建三钢100t复吹转炉单炉新双渣法前期脱磷工艺参数，如表2所示。该厂100t复吹转炉采用单炉新双渣法冶炼中、高碳钢，终点钢水达到ω(C)平均为0．11％，ω(P)平均为0．010％的水平。

由于单炉新双渣法工艺实施快，并且各厂都具有传统的双渣法冶炼技术基础，因此在国内已经有较多钢厂开展研究与应用。目前应用该技术的钢厂，如武钢[14]、沙钢[15]、首秦[16]等，冶炼前期脱磷率达到65％～70％水平以及各项技术经济指标比传统的双渣法前期冶炼均得到很大的改善。

2．3 两炉双联法深脱磷专用炉冶炼工艺

我国新建的转炉两炉双联法迄今为止只有首钢京唐钢厂5座300t大转炉，其中建在异垮间的两座脱磷专用炉，与其相配的3座半钢少渣冶炼的脱碳专用炉。从整体装备、流程和技术水平而言，是世界一流的转炉两炉双联法冶炼工艺。另外，如文献介绍，宝钢300t[11]、莱钢120t[17]、鞍钢100t[18]等复吹转炉先后经过小的改造后，将深脱磷后的半钢倒出，重新再兑入同一座转炉内或其它转炉内进行半钢冶炼操作，即在同垮间同一座转炉或其它转炉内完成两项任务的双联法冶炼工艺。两炉双联法冶炼工艺流程见图2。

2．3．1 两炉双联法深脱磷专用炉冶炼工艺参数

脱磷专用炉冶炼工艺参数为：1)适当降低脱磷期间的供氧强度；2)适当延长脱磷期的时间；3)脱磷期温度控制；4)提高专用炉脱磷期底吹供气强度；5)脱磷期炉渣碱度和T．Fe含量控制。

脱磷专用炉冶炼工艺参数确定原则，大致与前叙的单炉新双渣法的相同。文献[19]介绍首钢京唐钢厂300t复吹转炉两炉双联法脱磷炉的脱磷工艺参数，如表3所示。两炉双联法专用脱磷炉进行脱磷处理后，出半钢与含磷高的炉渣完全分离，避免后续半钢冶炼脱磷任务加重及其脱磷效果不稳定性，是目前国内外最优化的深脱磷工艺路线。从首钢京唐300t脱磷专用炉效果可知，一般脱磷率可稳定在70％以上。该厂300t转炉采用两炉双联法冶炼低碳钢时，终点钢水ω(P)稳定控制在0．005％以下。

2．3．2 两炉双联法出钢挡渣技术

两双联法脱磷专用炉和脱碳专用炉的两次出钢过程下渣量控制是深脱磷冶炼工艺最后关键的工艺操作。目前国内一些大钢厂均采用国内开发研制的滑板挡渣技术，文献[9]介绍钢包渣层厚度可控制在27mm(渣量5kg／t)，避免回磷或大幅度降低回磷率。

2．4 半钢少渣冶炼

单炉新双渣法和两炉双联法在半钢冶炼操作工艺大致相同，它们具有的特点：

1)不再加废钢，保证出钢温度。经过脱磷后的半钢温度一般在1350℃左右，ω(C)=3．2％～3．5％，半钢冶炼终了出钢温度一般在1630～1670℃。

2)少渣操作。经过脱磷后的半钢ω(P)=0．02％～0．03％，后续半钢冶炼石灰加入15～25kg／t就可以把ω(P)脱到0．004％～0．010％。据文献[9]、[20]介绍脱磷期间和脱碳期间石灰加入量总和分别在41、32kg／t。

3)实现“一键式”自动化炼钢。半钢冶炼期间，恢复正常的顶吹供氧强度和底吹供气强度操作工艺。因为半钢冶炼任务主要是降低碳含量、升温为主，因此便于实现“一键式”自动化炼钢，首钢京唐复吹两炉双联法脱碳炉终点C—T双命中率大幅度提高，大于90％[21]。

4)降碳过程加锰矿直接合金化。利用半钢冶炼降碳过程，加入锰矿被钢液中碳直接还原合金化，如文献[17]介绍可降低出钢加锰合金成本。

5)终点炉渣返回脱磷工艺应用。冶炼终点的炉渣，除了溅渣护炉应用一部分，余后的炉渣返回脱磷期应用。文献[20]介绍300t脱磷炉脱磷期应用其脱碳炉的炉渣量5t。返回渣应用不仅降低原料成本，而且有利于脱磷渣的快速形成。

3 复吹转炉双联法功能扩大及进一步深入研究开发

3．1 单炉新双渣法和两炉双联法功能扩大

双联法工艺不仅限于深脱磷操作工艺，早在2005年攀钢就采用复吹转炉双联法，优化专用脱钒转炉操作工艺参数，成功的冶炼残余钒低(ω(V)≤0．05％)、碳含量高(ω(C)=3．37％)、温度合适(≥1360℃)的半钢，达到了提钒保碳的目的[22]。为了提取或去除某种金属元素，或者冶炼钢种需要加入的元素，利用该元素与碳的氧化转化温度，将温度控制在该转化温度之上或之下，就可以实现脱磷保碳、提钒保碳、提镍保碳、提钛保碳、脱碳保铬、脱碳保磷(耐候钢)等，并且在冶炼半钢中加入锰矿、铬矿、钒和钛等元素的氧化物原料，进行直接合金化。其中一些技术已得到应用，一些技术还有待进一步研究开发。

3．2 进一步优化单渣法、单炉新双渣法、两炉双联法脱磷工艺参数

脱磷期或脱磷炉的供氧强度、熔池温度、炉渣碱度和T．Fe含量、底吹供气强度以及脱磷期时间长短等工艺技术参数各厂差别较大。需要进一步优化工艺参数和有关基础理论支撑以及进一步研究开发。如在降低供氧强度条件下提高底吹供气强度时，需要考虑低的供氧强度和高的底吹供气强度条件下的底枪结构、支数和布置等是否合适。另外溅渣护炉炉底易上涨，使底吹效果降低，对提高底吹供气强度有很大影响，因此如何维护底枪，保证提高底吹供气强度的效果尤为重要。

4 结论

1)根据铁水中硅、磷含量高低，冶炼钢种时深脱磷的要求，复吹转炉单炉新双渣法、两炉双联法脱磷期的工艺参数为：适当降低顶吹供氧强度；大幅度提高底吹供气强度至0．15～0．25m3／(t·min)；适当延长脱磷时间到8～12min；温度控制在碳、磷氧化的转化温度之下，一般控制在1350℃以内；控制炉渣碱度在1．5～2．0、ω(T．Fe)=12％～16％；单炉新双渣法适时尽可能多倒出含磷炉渣。

2)复吹转炉采用传统的单渣法在优化冶炼前期脱磷工艺参数条件下，也能够达到深脱磷的目的，终点钢水可控制到ω(P)≤0．008％的水平，但是造渣剂、钢铁料等消耗比较高。

3)应用单炉新双渣法工艺，脱磷期的脱磷率可达65％～70％的水平，冶炼中、高碳钢时，终点钢水ω(C)平均为0．11％，终点ω(P)平均可控制到0．01％。单炉新双渣法深脱磷工艺适应我国众多老厂应用。该方法不需要增加大的投资、投产快；既可冶炼低磷钢种，也可恢复单渣法冶炼一般磷含量的钢种；生产调控方便，适应市场需要。

4)转炉双联法脱磷工艺最佳，脱磷炉的脱磷率可达到70％以上，冶炼低碳钢时，终点钢水ω(P)可控制在0．005％以下的水平。该脱磷工艺适应大批量稳定生产低磷或超低磷的高品质钢种，是洁净钢生产或实现炼钢自动化操作最佳工艺路线。

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