邯钢120 t转炉“留渣+双渣”脱磷工艺研究

高福彬 李建文 王玉刚

（河北钢铁集团邯钢公司）

0 前言

目前国内外转炉脱磷工艺有以下三种：一种是传统的单渣法，即整个转炉吹炼过程只造一次渣,中间不倒渣，终点直接出钢。该方法操作简单，吹炼时间短，渣量较大，脱磷效果一般，适合对终点磷含量要求不高的钢种。第二种是转炉双联法，该方法是依据热力学原理，将转炉吹炼分为脱磷期和脱碳期，分别在两个转炉进行吹炼。脱磷结束后迅速出钢，然后将钢水转移至脱碳炉进行脱碳造渣操作。转炉双联法脱磷率高，能够大幅降低辅料的消耗[1-2]，但是转炉双联法需要两个转炉来分别进行脱磷和脱碳，转炉利用效率降低，投资较大、热损大。另外一种就是转炉双渣+留渣工艺，该工艺是先在转炉进行脱磷吹炼，脱磷结束后快速倒出脱磷渣，然后在同一个转炉进行脱碳操作，脱碳结束后出钢留渣，留在转炉内的脱碳渣作为下一炉次脱磷剂继续进行脱磷操作。该工艺不仅实现了转炉渣的循环利用，而且减少了炉渣的排放量和环境污染，有效提高了生产效率，受到大多数钢厂的青睐。为此，笔者对“留渣+双渣”脱磷工艺进行了热力学分析及现场试验。

1 邯钢120 t转炉基本情况

1.1 转炉设备概况

邯钢一炼钢厂现有3座120 t顶底复吹转炉，年设计产能300万t，转炉炉容比0.96 m3/t，转炉总装料量150 t，采用5孔氧枪喷头，设计马赫数 1.98， 供 氧 强 度 3.2～3.6 Nm3/t·min，8块弥散管式底吹透气砖均匀分布，底吹供气强度0.02～0.22 Nm3/t·min，采用LT除尘工艺，同时还配备了副枪系统、二级模型、红外线下渣检测系统和滑板挡渣系统，主要产品为重轨钢、弹簧钢、轴承钢等。

1.2 铁水和石灰概况

2018年9 ―12 月，120 t转炉铁水成分和转炉炼钢用石灰统计情况分别见表1、表2。

表1 2018年9―12月120 t转炉铁水成分统计

表2 120 t转炉石灰成分统计

从表1可以看出，铁水P含量的平均值为0.11%，铁水温度为1 340 ℃，Si含量的平均值为0.33%，C含量的平均值为4.5%，铁水条件比较理想。

从表2可以看出，石灰中的CaO含量的平均值为89.35%，烧损3.65%，平均活性度为357.25 mL，石灰质量良好。

2 “留渣+双渣”工艺脱磷的热力学分析

2.1 温度对转炉前期脱磷的影响分析

在转炉吹炼过程中，铁水中的Si、Mn、P、Fe、C等元素会发生氧化反应，由于各元素与氧的结合能力不同，将会发生选择性氧化，主要反应公式如下：

式中：M——合金元素，x、y——化学计量。

由式（1）可知：

式中：R——常数，8.314；α——活度。

由式（2）可知，某一元素在铁液中与氧反应达到平衡时的氧位主要与元素的活度、氧化产物活度及形成该元素氧化物的标准吉布斯自由能有关，铁液中某元素的平衡氧位越低，则该元素越容易被氧化。通过提高铁液中反应物的活度和降低渣中生成物的活度，可以提高该元素与氧的结合能力。

根据邯钢120 t转炉铁水平均入炉成分，假定转炉脱磷之前铁水中碳、硅、锰、磷的含量分别为4.45%、0.33%、0.19%、0.11%，以及脱磷渣中CaO、SiO2、MnO、P2O5、FeO、MgO含量分别为35%、20%、8%、4%、16%、9%，可以绘制出lgα0-T关系图(如图1所示，图中红色的虚线与黑色的实线分别表示其lgα），其中在炉气中的CO分压Pco为 100 kPa。

图1 铁水不同元素的lgα0-T关系

从图1可以看出，在低温区域，Si与氧的结合能力最强，其次是Mn、P、C、Fe，故脱硅反应优先进行。留渣+双渣脱磷过程中，假定上一炉脱碳终渣中P2O5的含量在2%以上，脱磷开始阶段，铁水中碳含量在4.45%左右，根据lgα0与温度的关系，4.45%碳含量变化曲线和2%P2O5变化曲线相交的点为脱磷到脱碳的转化点，即1 360 ℃，随着脱磷的不断进行，脱磷渣中P2O5的含量不断升高，当温度超过1 360 ℃时，铁水中伴随着脱碳过程的进行发生脱磷反应，当渣中的P2O5含量达到4%左右，铁水中的碳含量在3.5%左右，温度在 1 360～1 410 ℃时，仍以脱磷为主。当温度继续上升时，将以脱碳为主。由于温度过低，将影响渣金间反应的动力学条件，因此脱磷温度区间控制在1 360～1 410 ℃较合适。

2.2 碱度对转炉前期脱磷的影响分析

在转炉实际脱磷过程中，热力学最关心的是回磷点的确定，当转炉脱磷中铁水的温度超过一定温度后会出现回磷，此温度理解为回磷点温度，脱磷温度一般要求低于此温度，以确保脱磷效率和钢样P含量的稳定控制。“留渣+双渣”法中脱磷阶段的回磷点是实际脱磷过程中磷的分配比LP2刚好等于热力学平衡计算出来的LP1所对应的温度，高于此温度则回磷。根据物料平衡原则，并假定P从钢液脱除后全部进入渣中，LP2可以表示为：

式中：LP2——实际脱磷中P的分配比；(P)——留渣中P含量，%；——上一炉留渣量，t；[P]1——原料铁水中磷含量，w%；——铁水重量，t；[P]2——原料废钢中磷含量——废钢重量，t；[P]steel——半钢终点磷含量，——脱磷结束后钢水量，t； ——脱磷结束后渣量，t。

根据脱磷反应方程可知脱磷反应的分配系数LP1为：

根据熔渣的磷容量与温度及光学碱度间的关系，可知：

磷容量为：

式中：αO——氧的活度；αFeO——氧化铁活度；T——开尔文温度，K；CP——磷容量；（%P）——渣中磷含量，%；[%P]——钢中磷含量，w%。

根据式（5）、式（6）、式（7），可以进一步推导出渣-钢间磷的分配系数：

根据式（3）和式（8），并结合邯钢120 t转炉的实际情况，120 t转炉的出钢量140 t，全部留渣量为10 t，留渣中的P2O5含量为2.2%，废钢为25 t，铁水为130 t，铁水初始P含量为0.11%，废钢中的P含量为0.4%，脱磷阶段的目标P含量为0.07%。为方便比较，这里不考虑炉渣组分对终渣量的影响，根据式（4）可以计算出LP2，并分别将其与不同碱度条件下、不同全铁含量下的LP1图绘制在一起，如图2所示。

从图2可以看出，炉渣碱度在1.5～2.0区间，其回磷温度在1 400～1 450 ℃区间，碱度在1.3～1.5区间，回磷温度在1 360～1 400 ℃区间，综合考虑，碱度控制在1.5～2.0区间，终点温度控制在1 400 ℃以下，利于转炉脱磷，不会出现回磷现象。

2.3 渣中T Fe含量对转炉前期脱磷的影响分析

碱度为1.6时不同全铁含量下脱磷渣的LP与温度的关系如图3所示。

图2 不同碱度条件下对应的热力学平衡LP1和实际LP2的交点

图3 碱度为1.6时不同全铁含量下脱磷渣的LP与温度的关系

从图3可以看出，磷的分配比随着全铁含量的升高而增加，从10%的全铁含量增加到15%时，磷的分配比提升较快，进一步提升全铁含量，磷的分配比增加的幅度逐渐放缓，考虑到过高的全铁含量将带来一定的铁损问题，建议将渣中的全铁含量控制在15%～20%较为合适。

2.4 脱磷渣熔点、粘度、表面张力及发泡性分析

为了解实际脱磷温度条件下熔渣的物理特性，利用Factsage 软件分别计算了不同全铁含量下CaO-FeO-SiO2-MgO-MnO渣系的熔点、粘度、表面张力与碱度、温度之间的相互关系，如图4所示。

图4 不同TFe含量下熔渣熔点随碱度的变化情况

从图4可以看出，熔渣的熔点随着碱度的升高而迅速上升。渣中全铁含量的提高有助于降低熔渣的熔点，当熔渣中的全铁含量控制在15%～20%区间、碱度在1.1～1.4区间、脱磷终点温度为1 400 ℃左右时，熔渣基本处于熔化状态，流动性较好。当熔渣碱度为1.5时，熔点在1 450～1 500 ℃区间，熔渣处于液相为主的液固两相区，此区间仍具备良好的脱磷效果。随着熔渣碱度进一步的提高，熔点迅速提升，熔渣流动性下降。

计算不同T Fe含量下及温度下的熔渣粘度随熔渣碱度的变化，如图5所示。

图5 不同T Fe含量及温度下的熔渣粘度随碱度的变化

从图5可以看出，TFe含量的增加、脱磷终点温度的提高有利于降低熔渣黏度。当炉渣中的TFe含量为15%～20%、脱磷终点温度在1 420 ℃以下、碱度在1.0～1.5范围时，炉渣具有较低的粘度（0.1～0.5 Pa·s）；当碱度超过1.5时，粘度上升较快，最高接近1.8 Pa·s，如果要提高脱磷碱度，则需要相应提高脱磷终点温度及全铁含量，以保证炉渣的流动性。

炉渣表面张力对炉渣发泡性有很大影响，表面张力低，炉渣易发泡，而炉渣发泡性对双渣法冶炼前期倒渣有影响。1 400 ℃时炉渣的表面张力计算公式[3]为：

式中：σ1400℃——1 400 ℃下熔渣的表面张力，达因/cm；NX——x组元的摩尔分数。

根据式（6）可以计算出在其他组元不变，不同T Fe含量条件下的表面张力变化情况，如图6所示。

从图6可以看出，在熔渣碱度1.0～2.0的区间范围内，表面张力曲线变化不明显，全铁含量的升高能够降低熔渣的表面张力，但影响较小，表面张力整体在0.5～0.535 N/m范围内波动，碱度偏低，全铁含量升高则表面张力低，有益于造泡沫渣。

图6 不同T Fe含量下熔渣表面张力σ随碱度的变化

转炉脱磷结束后中间倒渣的情况是新一代双渣法脱磷效率能否提高的关键技术，其中，炉渣的泡沫性对中间倒渣过程有着重要影响。炉渣发泡性能差，则倒渣过程很容易倒铁，严重影响金属铁的收得率；炉渣发泡性能太好，则渣罐易溢渣，盛渣量较低，倒渣时间延长。为了防止泡沫化程度超出范围，出现转炉口溢渣的情况，倒渣前须压枪，以减少炉渣泡沫化程度。因此，控制适度的炉渣发泡性，保证既能足量倒渣，又不影响铁损及倒渣时间是双渣脱磷取得成功的关键。渣中适量的微小固体颗粒有利于提高渣粘度，提高泡沫化指数；然而，如果固体颗粒过大或过多，渣变得粘稠，则很难形成有效气泡，用来起泡的气体将沿渣体中的裂缝离开渣层，起不到发泡效果[4]。而粘度受温度、碱度和全铁含量的影响非常大，所以在实际生产中较难控制。从前面的分析来看，碱度控制在1.5左右，温度在1 400 ℃左右，其粘度及熔点、表面张力均较为理想，对炉渣发泡性来说是较为合适的范围，可降低风险，方便倒脱磷渣。

3 “留渣+双渣”工艺的现场实施

根据前期计算的结果，在一钢120 t转炉进行了“留渣+双渣”工艺的现场试验，具体流程为：前一炉次出钢且全部留渣→溅渣护炉同时轻烧白云石进行炉渣固化→溅渣结束后加入石灰→加入废钢→兑铁水→进行脱磷阶段吹炼。各环节加料及吹炼制度控制方案见表4。

根据以上试验方案，统计了4炉次辅料消耗数据，详见表5。

从表5可以看出，采用“留渣+双渣”工艺后，在不加石灰石及其他辅料条件下，石灰消耗降至27.12 kg/t以下，最低达19.24 kg/t，轻烧白云石消耗降至13.03 kg/t以下，最低达7.5 kg/t。

4 结论

“留渣+双渣”工艺前期脱磷的最佳热力学条件为，脱磷期温度 在1 360～1 410 ℃之间，碱度在1.6～1.7之间，TFe含量在15%～20%之间，且前期脱磷温度随碱度的增加相应增加。

表4 “留渣+双渣”工艺试验方案

表5 石灰、轻烧白云石、烧结矿消耗情况 kg/t

“留渣+双渣”工艺的应用，能够降低炼钢渣料的消耗，减少渣量，进而降低炼钢工序成本。该工艺在留渣过程中需要特别注意留渣是否完全固化，只有留渣全部固化后方可兑铁，否则容易造成喷溅。