摘要：通过选择合适的熔渣，在感应炉中进行钢水深脱磷，将钢液中的磷质量分数降低至10×10^-6左右。通过热力学计算，得到了本次实验磷在渣铁间的分配比，并对实际脱磷量和理论脱磷量进行了比较。通过动力学计算，得出了一组实验中磷在钢液中的传质系数，表明了感应炉中良好的动力学条件。

关键词：深脱磷；感应熔炼；热力学；传质系数

    超纯净钢生产是钢铁工业发展的重要方向之一，纯净钢生产技术正在成为钢铁企业的核心竞争技术。随着科学技术的不断进步，材料工业对优质钢的需求日益增加，特别是要求钢中磷、硫质量分数均在0．01％水平以下。磷是钢中的有害元素，容易在晶界偏析，引起钢的低温脆性和回火脆性，降低钢的可焊性、抗裂纹性、抗腐蚀性。高级优质钢对钢中磷含量的要求越来越严格，特别是对于低温用钢、海洋用钢、抗氢致裂纹钢甚至要求有更低的磷含量。对于某些军用钢、高温用钢和特殊结构用钢只能用真空感应炉熔炼，这就要求原料中的初始磷、硫含量很低。为了生产一些特殊用钢和为一些特殊钢生产提供优质原料，近年来很多冶金工作者在钢水深脱磷方面开展了大量的研究和探索，解决钢水深脱磷问题是冶炼纯净钢的一个重要课题，具有十分重要的意义。本工作试图利用感应炉进行钢水深脱磷的实验研究，为低磷钢甚至超低磷钢的工业化生产寻找新的途径。

1实验方法

    本次实验是在25 kg感应炉中进行的，实验的目的就是选取初始磷含量较低(ω(P)<200×10^-6)的钢样，在感应炉中通过造高碱度的渣，利用感应炉良好的动力学条件使钢液中的磷质量分数达到0．001％左右。

1．1  脱磷渣的配制

    钙系脱磷渣是目前应用最广泛的渣系，来源广，价格低，并与硫及磷的氧化物有很强的结合能力，是钢铁冶金中广为应用的造渣材料。最常用的石灰系熔剂通常由固定剂CaO，氧化剂FeO，助熔剂CaF₂3部分组成。在渣系组元确定的情况下，脱磷效果好坏的关键就是搞清各个成分的配比及一些影响因素。根据磷的分配比LP与渣中FeO、碱度之间的关系图，炉渣碱度对脱磷指数影响的关系图以及炉渣中m(CaO)／m(FeO)与脱磷指数的关系图，并从文献[2～5]关于脱磷渣成分配比的研究得到：一般情况下，钢水炉外脱磷渣中ω(FeO)=15％～20％，ω(CaO)=60％～75％和ω(CaF₂)=8％～11％时为最佳。本实验中选择的脱磷剂组成为：ω(石灰)=65％、ω(氧化铁)=20 %、ω(萤石)=15％。

1．2  实验原料和方案

    我们选了2组试样，原料的主要成分见表1。

    表1是脱磷试验渣料方案，其中DPI采用双渣5％+5％的渣量，DP2采用单渣8％的渣量。实验过程中每隔10 min取样一次，40 min后浇注出钢。

2实验结果分析与讨论

2．1  实验结果

    钢水深脱磷的实验结果如表2。

2．2实验结果分析

2．2．1  热力学计算与实际结果比较

    根据离子理论，脱磷反应的离子式为：

    2[P]+5(Fe²⁺)+8(O^2-)=2(PO^3-₄)+5[Fe](1)

    从熔渣离子反应式可导出下列L，的计算公式：

    我们所用渣料中(％CaO)=65，(％FeO)=20，可得(%∑Fe)=15．56，温度t=1 600℃，代入(1)式得：

    在钢渣中总的磷含量和分配比Lp已知的情况下，对于DP1来说，当第一次渣量为5％，初始磷的质量分数为16×10^-5时，钢液质量为22．4kg时，计算得到反应达到平衡时的理论钢液磷质量分数为2．1×10^-6，而实际上40min后磷的质量分数为5×10^-5，反应没达到平衡，实际脱磷量大约为理论脱磷量的69．7％。扒渣后，加入第二次渣量也为5％，初始磷质量分数为5×10^-5，计算得到反应达到平衡时的理论钢液磷质量分数为0．6×10^-6，而钢水终点磷质量分数为0．001%,反应也没达到平衡，实际脱磷量大约为理论脱磷量的80．97％。

    对于DP2来说，当渣量为8％时，初始磷质量分数为17×10^-5时，钢液质量为21．55 kg时,计算得到反应达到平衡时的钢液磷质量分数为1．366×10^-6。而钢水终点的磷质量分数为0．001％，反应也没达到平衡，实际脱磷量大约为理论脱磷量的94．88％。

    由此可知脱磷反应都没有达到平衡，渣量越大，实际脱磷量与理论脱磷量的比值越高，越接近理论值。实际的磷含量达不到理论值与很多因素有关，除了热力学的因素以外，还有反应时间，动力学条件等等。

2．2．2钢水脱磷动力学分析

    从图1和图2我们可以看出，在实验过程中，钢水磷含量随脱磷时间的延长而下降，且最终的钢水P质量分数都是0．001％。这说明只要选择好合适的渣和渣量，在感应炉中进行钢水深脱磷是完全可行的。

     从图2的两条曲线很容易看出，加入8％渣量的脱磷速度要比5％渣量的快，P含量下降更迅速，这说明渣量增加，脱磷速度快，脱磷效果好。但是比较整个单渣和双渣可以看出，10％的渣量和8％的渣量脱磷的最后结果都是脱到0．001％，所以过多的增加渣量对钢液的实际脱磷意义不大，反而会加重炼钢负担，降低炉衬寿命。

  从实验数据中看出，磷含量的下降主要集中在前20 min，也就是说在本实验的条件下脱磷反应进行得相当快，按照双膜理论可得脱磷反应的速率式：

  式(4)中，r_p为脱磷反应速率，s^-1；k_m为磷在钢液中的扩散速率常数，s^-1；k_s为磷在熔渣中的扩散速率常数，s^-1；￡为反应时间，s。

  本次实验是在高温，高碱度，高氧化性的条件下进行的，初始磷含量较低，由上述热力学计算可知L_p=1 546．4，很大，满足L_p>>k_m/k_s。及(％P₂O₅)／L_p《[％P]，则可将式(4)简化为r_p=k_m[%P]，即可得：

    lg([％P]／[％P。])=－k_mt/2．3    (5)

  选取DP2来计算磷在钢液中的传质系数，如果反应是在20min达到平衡，即t=1 200 s，

[％P]=0．001，[％P。]=0．017，代入式(5)可得扩散速率常数：

    k_m=0．002 36

  测得感应炉直径D=0．16 m，即可计算出本实验中磷在钢液中的传质系数：

   βm=k_mV_m/A=3．613×10^-4。    (6)

式(6)中，β_m为磷在钢液中的传质系数，m／s；Vm为钢液体积，m³；A为钢渣接触面积，m²。

    可见感应炉中脱磷时传质系数很大，一般比转炉中磷在钢液中的传质系数高1个数量级，即用感应炉熔炼能大大改善了反应进行的动力学条件。

    实验和理论计算均表明，在感应炉中有良好的热力学(温度可控)和动力学条件，通过选择合适的熔渣，在感应炉中进行钢水深脱磷是完全可行的。在目前对低磷钢甚至超低磷钢的需求日益增加的今天，在工业上利用感应炉来进行深脱磷，大批量地生产低磷钢甚至超低磷钢的应用前景将会很好。

3结论

    (1)1豆过选择合适的熔渣，在感应炉中进行钢水深脱磷，脱磷反应速度快，随着渣量增加，速度越快，能将钢液中ω(P)降低至0．001％左右；

    (2)通过热力学计算，在本实验条件下磷在渣钢间的分配比Lp=1 546．4，计算出DP1第一次渣的实际脱磷量大约为理论脱磷量的69．7％；DP1第二次渣的实际脱磷量大约为理论脱磷量的80．97％。DP2的实际脱磷量大约为理论脱磷量的88％。即渣量越大，实际脱磷量与理论脱磷量的比值越高，实验结果越接近理论值；

    (3)通过动力学的计算，得出了DP2磷在钢液中的传质系数为3．613×10^-4m／s，即在感应炉中脱磷时传质较快，具有良好的动力学条件；

    (4)实验和理论分析证明，利用感应炉钢水深脱磷完全可行，工业上若能实现感应炉生产低磷甚至超低磷特殊用钢，应用前景将会很好。