顶吹转炉脱磷热力学分析和工艺优化

2017-03-28曲涛齐长林于学挺

山东工业技术 2017年4期

关键词：措施

曲涛+齐长林+于学挺

摘要：磷在大多数钢中都是有害元素，脱磷是转炉炼钢的主要任务，本文从热力学角度入手，分析了顶吹转炉炼钢脱磷的影响因素，提出了优化转炉脱磷的措施，对强化顶吹转炉炼钢脱磷、提高钢材质量有重要意义。

关键词：顶吹转炉；脱磷；措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.028

1 前言

磷在钢中（除炮弹钢、耐蚀钢以外）是有害元素，易使钢发生“冷脆”现象，尤其在高碳钢中更是明显，其原因是由于磷元素富集在铁素体晶界上形成“固溶强化”的作用，造成晶粒间的强度提高，从而产生脆性。除此之外，磷含量越高越容易在结晶边界析出磷化物，降低钢的冲击值[2]。因此，控制顶吹转炉炼钢过程中的脱磷反应是控制回磷和提高钢材质量重要而复杂的工作。

2 脱磷的热力学分析

2.1 温度

由上可知，温度越高。K值越小，因此，低温对脱磷有利。但需要指出的是，提高熔池温度，会使磷的分配比降低，对磷从金属向炉渣的转移不利。但温度升高降低了炉渣的粘度，加速了石灰的熔解，从而有利于磷从金属向炉渣的转移。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，同时也有利于石狄的溶解，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，会降低磷在钢一渣中的分配比，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 炉渣碱度

因为CaO是使aP205降低的主要因素，增加（CaO）达到饱和含量可以增大aCa0，亦即增加自由CaO（不与酸性氧化物结合）的浓度，会使（P205）提高或鋼中[P]降低。但渣中（CaO）过高，将使炉渣变稠，同样不利于脱磷。要根据温度和炉渣情况采取不同的处理方法。

2.3 （FeO）的影响

（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（CaO）的脱磷作用。（FeO）与碱度对脱磷的综合影响是，碱度在2.5以下，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。因此要根据各个转炉的冶炼情况调节脱磷过程中的（FeO）的浓度。

2.4 渣量

增加渣量，可以在Lp一定的条件下，降低钢水中的磷含量，从而有利于转炉的脱磷。冶炼过程中高磷铁水时，常常采用大渣量脱磷，增大了渣量也就意味着稀释了渣中（P205）的浓度，但是一次性的大渣量会给操作带来很多麻烦，还会增加Fe元素的损耗，降低了金属元素的回收率，而多次换渣也会增大钢水和热量的损失，从环境和能源有效利用方面考虑应避免大渣量。可适当采用双渣法进行冶炼。

3 顶吹转炉脱磷工艺优化

为了提高顶吹转炉脱磷的效率，从影响脱磷的几个因素进行了优化。

3.1 对温度的控制和优化

对于转炉吹炼过程，温度是主要的参数，温度对炉内反应、渣料熔化、炉衬的寿命、钢水的质量都有很大的影响。控制温度的办法主要是适时加入需要数量的冷却剂（废钢、铁矿石、氧化铁皮等），并为直接命中终点提供保障。

在吹炼过程中可以根据对炉况的判断来进行调整，吹炼前期，如果碳焰上来的早，表明熔池的温度较高，可适当提前加入二批渣料进行控制；反之，碳焰是那个来的晚，表明前期温度底，应适当降枪加强各个元素的氧化来提高熔池的温度。吹炼中期，可根据炉口火焰并参照氧枪进出水温度差来判断熔池的温度，如果熔池的温度高，则应加入冷却剂进行调整；若温度低，可降枪提高熔池的温度。在吹炼后期，若温度过高，也可加冷却剂进行适当的降温，相反，温度低，应加入Fe-Si或Fe-Al合金，但是在加入前必须要补加石灰，以防止钢水回磷。

3.2 优化造渣制度和优化

造渣制度就是要在转炉冶炼过程中加入造渣材料，使之与吹炼过程中的氧化物结合形成一种具有良好性能的炉渣，以满足脱磷、减少炉衬的侵蚀、减少和防止金属喷溅等。优化造渣制度就是要确定合适的造渣方法，渣料的加入数量和时间，以及如何能快速成渣。比如优化装料，采用活性石灰造渣，留渣操作，为下一炉补充一定的物理热，强化前期熔池的搅拌等措施都有利于转炉炼钢快速成渣。在吹炼过程中炉渣必须遵循“早化、化透、作黏、挂上”的原则[4]。

3.3 优化供氧制度和优化

向熔池内供氧在转炉炼钢过程中最重要的工艺，是氧化脱磷的必要条件，供氧制度的合理与否对脱磷、造渣等有重要的影响。

氧枪的喷头在转炉吹氧工作过程中，虽然有高压氧流和高压水的双重冷却，但是由于喷头长期处在炙热的气氛中，并不段受到溅起的高温熔渣和金属液滴的冲刷，其表面因长时间高温作用而发生变形，甚至出现喷头被逐渐熔蚀、烧穿而漏水[5]，进而影响了吹炼过程供氧，对钢水的质量和产量都产生了不利影响。因此要优化喷头的内部结构（包括优化兜水板形状、中心入水口、上顶和下底的导水方式、端底厚度等），改进喷头端底的形状（扩大喉口直径等[6]），增加循环水的流速[11]，选用耐热性能好的材料等，防止因喷头变形、粘钢给冶炼带来不利的影响。

优化供氧制度包括设计一个合理、耐用的氧枪，对氧枪内部结构进行改善，强化供氧强度，根据冶炼情况合理地选择适当的枪位及其供氧操作。

3.4 控制或降低钢水回磷的措施

回磷是由于渣中P2O5被还原，可尽量减少出钢过程下渣量，其措施有三条：①加强出钢口维护，不使出钢口过大。②采用挡渣帽挡

住出钢时前期下渣。③采用比重介于渣一钢之间的挡渣球，用挡渣球挡尾渣出钢[7]。

4 结论

（1）影响顶吹转炉的热力学因素有温度、碱度、（FeO）、渣量。根据顶吹转炉炼钢中脱磷的特点，钢水中有害元素-----磷的去除的有利条件是：高碱度、高氧化性、良好流动性的熔渣、充分的熔池搅动、适当的温度和大渣量[1].

（2）在冶炼过程中要根据原料特点、操作工艺、炉况等对起影响因素进行合理的温度、造渣、供氧的优化和控制，以达到稳定有效的脱磷，提高钢材的质量。

（3）通过改善氧枪的结构、尺寸、类型及枪位的控制，改善熔池内传热及传质的效率，促进钢水的脱硫，进而改善杂质的去除速度。

（4）控制或降低钢水回磷。

参考文献：

[1]雷亚，杨治立等.炼钢学[M].冶金工业出版社，2010：1-134.

[2]崔忠圻，刘北兴.金属学与热处理原理（第3版）[M].哈尔滨工业大学出版社，2007：41-147.