120t转炉高拉碳低磷控制工艺研究分析

彭家清，吴锦圆，郭峰

(江苏永联钢铁集团有限公司，江苏张家港215600)

摘 要：根据江苏永钢集团有限公司第三炼钢厂生产的实际情况，在分析了复吹转炉脱磷的热力学与动力学条件的基础上，利用吹炼前期低温的有利条件实现钢—渣充分脱磷、高碳出钢，以实现复吹转炉高效脱磷。出钢磷质量分数在0．010％以内，出钢碳质量分数由原来的平均0．08％左右提高0．40％左右。

关 键 词：转炉；高碳出钢；脱磷

采用新的工艺之前，永钢100t转炉普遍采用增碳法来确保磷的控制，终点碳很低。这使得终渣(FeO)含量升高，导致渣量增大，给冶炼操作带来不利影响，渣中(FeO)升高，引起金属收得率降低，转炉耐材熔损，造成脱氧后钢水再氧化，影响钢水质量；出钢后加入大量的增碳剂会造成成品碳分散度大、成分不均匀、吸收率不稳定；这就需要良好的脱氧、增大搅拌强度和搅拌时间，这不仅延长了冶炼时间、增大了温降，也给后道工序带来麻烦，使炼钢成本提高。据统计，120t转炉冶炼中、高碳钢终点碳在0．10～0．20％为50％，<0．10％占30％，>0．20％仅为20％，平均终点碳为0．08％。增碳剂的加入量平均为600kg／炉。为此决定摸索出新的高碳钢高拉碳低磷控制模式。

1 理论分析及研究

高拉碳技术关键在于“保碳脱磷”，在高碳的情况下，钢渣的氧化性较低，脱磷需要的工艺条件不具备，如何保证低温条件下快速化渣、脱磷，这是控制技术的难点。根据冶金热力学理论[1]，转炉冶炼的高拉碳工艺与低磷钢控制工艺存在一定矛盾。脱磷需要钢—渣间具备很强的氧化势，而转炉在中、高碳出钢时，由于碳氧平衡热力学规律的制约，钢水和炉渣的氧化性相对比较低，很难达到生产低磷钢水所需要的钢—渣间磷的分配系数(希望磷的分配系数控制在100以上)，为此对脱磷反应进行了系统分析。

1．1 脱磷反应热力学分析

磷在钢液中能无限溶解，而其氧化物P2O5在钢中的溶解度很小，因此要去除钢中的磷，首先必须使磷氧化，并使氧化产物能够进入炉渣。其次把磷的氧化物固定在炉渣中，不让它再分解返回到钢液内。

按分子理论，脱磷反应是在钢—渣界面进行的，主要是由以下几个步骤组成的：

5(FeO)=5[O]+5[Fe]

2[P]+5[O]=(P2O5)

(P2O5)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)

2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]

]gK=lg(a4CaO·P2O5)／{[％P]2·a5FeO×a4CaO)=(％4CaO·P2O5×r4CaO·P2O5／{[％P]2×f[％FeO]×rFeO×(％CaO)×r4CaO}=40067／T－15．06    (1)

式中K——脱磷反应的化学平衡常数；

T——钢水温度。

可见，要提高炉渣的脱磷能力，必须适当的低温、高碱度、高(FeO)含量，影响这些因素的有关工艺参数的改变，也就改变了钢中磷的分配。

2 脱磷反应的影响因素

2．1 温度的影响

根据脱磷反应式可知[2]：

W[P]=W(P2O5)／KP×W5(FeO)×W5(CaO)

lgKP=40067／T－15．06    (2)

由(2)公式可知：温度升高使K值下降，最终导致钢中[P]增加。利用(2)式，可以计算出不同温度下脱磷反应的化学平衡常数。

假定转炉冶炼终渣的化学成分不变，则可以计算出钢水终点磷含量与温度的对应关系，如图1。温度升高，K值显著减小，因此，低温对脱磷有利。

但是，温度对脱磷反应的影响应从两方面来考虑：一方面由于脱磷反应是放热反应，高温不利于脱磷，而且高温促使脱碳速度增加，使渣中(FeO)显著降低，也不利于磷的氧化。另一方面，熔池温度适当提高，能使石灰熔化速度加快，炉渣粘度降低，既增加了渣中自由氧化钙的数量，又提高了炉渣中各组分的扩散速度，这就能强化钢一渣界面反应，还可加速磷自金属向炉渣的转移，这种影响有时可能超过KP值降低对脱磷的不利影响。

理论研究表明，最有效的脱磷有一个最佳的温度范围(1450～1500℃)。这就要求冶炼初期，要根据铁水温度采用不同的操作制度。铁水温度低(1250℃以下)，要采用低枪位操作以提高熔池温度，加速石灰的熔解，迅速形成初期渣，充分利用前期炉渣FeO高、炉温低的优势，快速脱磷。若铁水温度特别高(大于1350℃)，冶炼初期要适当采用高枪位操作，并加入部分矿石，抑制炉温的快速升高，同时也有利于石灰的溶解，延长冶炼在低温区(1500℃以下)的运行时间。

实践证明，尽管冶炼终点温度高，会降低磷在钢—渣中的分配比，但脱磷的关键仍然是冶炼过程渣特别是终渣的控制。也就是说温度的影响不如(FeO)和(CaO)显著。

2．2 炉渣影响

1)成渣原理。

由于顶吹转炉的吹炼时间很短，快速成渣就成为顶吹转炉炼钢的核心问题之一。炉渣不仅要满足炼钢的要求，而且应该对炉衬的侵蚀最小。因此，在吹炼过程中炉渣必须遵循“早化、化透、作黏、挂上”八字方针的原则。

从CaO—FeO—SiO2三元相图1600℃等温图中可知[3]，在吹炼初期影响石灰溶解的主要原因是，石灰在渣化过程中，其表面会形成质地致密、高熔点的2CaO·SiO，阻碍着石灰进一步渣化。若渣中有足够的FeO，可使2CaO·SiO解体，其成分点移至液相区，或当SiO2含量超过25％时，石灰溶解有所下降。为了加速石灰溶解，可以加入能急剧降低2CaO·SiO熔点的溶剂如铁矿石、萤石或少量的MgO等。这几种物质都能够扩大CaO—FeO—SiO2三元相图液相区，对成渣有利。

2)渣料的确定。

石灰的加入量必须根据铁水的成分和重量、炉渣碱度及吹炼的钢种对磷、硫的要求，由下列计算公式确定：

石灰的加入量=2．14×[Si％]×R×G×1000／有效CaO％

式中G——铁水量，t；

R——炉渣碱度。

结合生产实际情况，转炉公称容量为120t，铁水的装入量一般为120～130t，总装入量一般为130～140t。如果废钢中的Si含量和铁水的Si含量相同或相近，根据高炉铁水Si含量及其变化情况，现一般硅含量为0．40％左右，R取3．0，铁水含磷量较低，即[P％]小于0．50％时，按公式(1)计算，石灰加入量为3800～5000kg／炉，而作为助熔剂的铁矿石，其加入量要根据炉内温度和造渣情况而定。

3)炉渣碱度的影响。

由造渣过程可知，CaO是使rP2O5降低的主要因素，增加(CaO)达到饱和含量可以增大aCaO，亦即增加自由CaO(不与酸性氧化物结合)的浓度，会使(P2O5)提高或钢中[P]降低。但渣中(CaO)过高，将使炉渣变稠，同样不利于脱磷，如图2所示[4]。

从图2可以看出，当炉渣碱度大于3．0后，脱磷指数随(FeO)增加而增大，随碱度的增加变化不大。实际操作中经常出现石灰加入很多，终点[P]仍然较高的现象，其原因就是炉渣没有化透或温度太高。

实践证明，只要炉渣碱度达到3．0左右，炉渣化透并含有适量的(FeO)，冶炼一般钢种脱磷是没有问题的。这也是最经济的操作方法。

2．3 (FeO)的影响

渣中的氧化铁含量对脱磷有重要影响，因为钢水中的氧含量与炉渣的氧含量在平衡的状态下具有一定比例关系，所以钢液氧势对脱磷有重要的影响。

虽然说渣中的(FeO)对脱磷有重要的影响，单纯从热力学的角度讲是对的，但具体到实际吹炼过程中，渣中的(FeO)不但影响到炉渣的流动性，而且还会影响炉渣中CaO的浓度；所以(FeO)对脱磷反应的影响比较复杂，当(FeO)很低时，石灰不能很好熔化，显然不能脱磷。但若(FeO)过高，将稀释渣中CaO的浓度，从而降低了钢渣脱磷效果。碱度在2．5以下时，增加碱度(石灰用量)对脱磷的影响大。碱度在2．5～4．0时，增加(FeO)对脱磷有利，但过高的(FeO)反而使脱磷能力下降，转炉吹炼前期渣中的FeO含量应控制在20％左右。如图3所示。

图3表明，要达到较高的LP，对于一定的炉渣，(FeO)含量以14％～18％、(％CaO)／(％FeO)比值以2．5～3．0为最好。

3 使用效果

目前永钢转炉冶炼高碳钢，均采用高拉碳低磷控制技术，经过长时间实验，取得良好的效果。目前生产中，吹炼前期去磷效果极为显著，在吹炼前期(约300s)、中期(约750s)及终点时，熔池[P]能分别降低至0．025％、0．016％和0．010％以下。实际生产中终点碳命中率在90％以上。出钢[C]能稳定控制在0．30％～0．50％之间，平均可达到0．40％，从而使得终点[O]控制在100×10-6左右，终点温度分布在1570～1590℃之间(最高达1600℃)，能满足LF炉生产节奏的要求。

参 考 文 献：

[1]   王雅贞，等．氧气顶吹转炉炼钢工艺与设备[M]．北京：冶金工业出版社．2005：70—75．

[2]   干勇．炼钢—连铸新技术800问．北京：冶金工业出版社，2003：11—30．

[3]   Jonsson L Modeling of fluid conditions around the slag／metal interface in“gas—stirred” ladle[J]．ISIJ International，1996，36(9)：1127．

[4]   Pan J w，Bjrkman B Numerical analysis on the similarity between steel ladles and hot—water models regarding natural convection phenomena[J]．ISIJ International．2002，42(1)1．