初始条件对铁水预处理脱磷的影响

杜晓建， 牛爱兵

（山西太钢不锈钢股份有限公司炼钢二厂， 山西 太原 030003）

初始条件对铁水预处理脱磷的影响

杜晓建， 牛爱兵

（山西太钢不锈钢股份有限公司炼钢二厂， 山西 太原 030003）

铁水预处理脱磷是不锈钢冶炼工艺中重要的一环。在大生产数据的基础上，分析初始Si含量、初始P含量、初始C含量以及温度对终点P含量的影响。结果显示，在铁水预处理脱磷过程中，初始Si含量与终点P含量正相关，初始Si含量每增加0.1%，则终点P含量增加约0.002%。二元碱度RCaO/RSiO2为3.5～4.0，初始P含量为0.04%～0.06%，终点P含量在0.005%～0.015%之间。在处理温度为1 220～1 320℃，初始C含量为3.8%～4.4%时，初始C含量与终点P含量的对应关系较小。终点P含量随初始温度和处理后温度的升高而升高，同时处理后温度对终点P含量的影响比初始温度的影响更大。

不锈钢 铁水预处理 脱磷

在不锈钢冶炼中，由于缺乏良好的脱磷热力学条件，因而，通常采用低磷的不锈钢返回料或者采用经过铁水预处理脱磷后的铁水。在铁水温度下，由于铁水中的磷不能直接氧化成P2O5气体而去除，而是首先氧化成磷酸，然后与强碱性氧化物结合成稳定的磷酸盐而从铁水中去除。因此，在实际铁水预脱磷过程中，要有效地脱去铁水中的有害杂质磷，首先要有适当的氧化剂将溶解于铁水中的磷氧化，然后采用强有力的固定剂，使被氧化的磷牢固地结合在炉渣中。在铁水预处理过程中，为实现有效的铁水脱磷，需要加入石灰、萤石，还有铁鳞或者烧结除尘灰。本研究针对不同的铁水条件，进行脱磷处理，分析并研究初始条件对终点磷含量的影响。

1 试验材料及方法

图1是铁水预处理设备的示意图，此工艺具有脱硅、脱磷、脱硫“三脱”功能，主要为不锈钢提供低磷铁水，采用喷粉法，即用氮气或空气作载气，用浸没喷枪将粉剂喷入熔池底部；铁水预处理脱磷过程中的氧化剂分为气体氧化剂和固体氧化剂两种形式。气体氧化剂主要为工业用氧和压缩空气中的氧，固体氧化剂主要是以Fe2O3为主要成分的各种物料，主要是烧结除尘灰。

图1 铁水预处理设备示意图

在铁水预处理过程中，由于硅与氧的结合能力远远大于磷与氧的结合能力，所以硅比磷优先氧化，脱磷前必须优先将铁水硅氧化到0.3%以下，磷才能被迅速氧化除去。同时，在脱磷过程中需考虑C与P元素的选择性氧化。因此，本文试验数据来源于生产实际结果，选择初始w（Si）在0.3%以下，C、P以及温度等初始条件不限制。采用石灰系炉渣进行脱磷，二元碱度RCaO/RSiO2控制在3.5～4.0之间。

2 结果分析与讨论

2.1 初始Si含量的影响

下页图2是初始Si含量对终点P含量的关系图。可以看到，初始Si含量与终点P含量正相关，即初始Si含量越高，终点P含量越高。不过，初始w（Si）在0.2%～0.25%之间时，相同初始Si含量对应的终点P含量不同，说明初始Si含量不是终点P含量的唯一影响因素。根据现有数据，回归的关系式为：处理后 w（P）=0.007 09+0.019 60×w（Si）（处理前）。即初始w（Si）每增加 0.1%，则终点 w（P）增加约0.002%。根据氧势图[1]，Si在P之前优先氧化，铁水的初始硅含量越高，脱磷越困难。王海川等人[2]利用Fe203-CaO-CaF2渣系研究了铁水预处理脱硅对脱磷的影响，认为铁水脱磷的最佳初始w（Si）为0.10%～0.15%。乐可襄等人[3]认为硅能与喷吹的脱磷粉剂中的氧或氧化铁反应，且其反应趋势比磷强；认为铁水初始w（Si）在0.10%以下合理的。佐々木直人等人[4]对铁水初始硅含量对脱磷中石灰的效率影响进行了研究，认为在Si氧化后造成铁水温度升高，进而影响铁水脱磷。这些观点与本研究的结果一致，初始w（Si）在0.3%以下，Si含量的增加导致终点P含量高。

图2 初始w（Si）对终点w（P）的影响

2.2 初始P含量的影响

图3是初始P含量对终点P含量的关系图。可以看到，初始P含量越高，终点P含量越高。初始w（P）在0.04%～0.06%之间，而终点w（P）在0.005%～0.015%之间，表明二元碱度RCaO/RSiO2为3.5～4.0，初始w（P）为0.04%～0.06%，在此条件下的脱磷率在70%～90%之间。根据P负荷理论，初始P含量越高，铁水中的和渣中的P元素总量越多。在炉渣成分稳定时，渣中的磷容稳定，其中磷容是磷酸盐容量的简称，它是衡量渣系脱磷能力的重要标志。Jiang Diao等人[5]对炉渣的P2O5溶解度分析后，得出炉渣二元碱度RCaO/RSiO2从1.5提高至3.5，则P2O5溶解度从81.6%增加至97.9%。这表明P2O5溶解度与炉渣的成分关系紧密，在炉渣成分稳定时，初始P含量越高，导致终点P含量难以降低。

2.3 初始C含量的影响

图4是初始C含量对终点P含量的关系图。可以看到，初始C含量与终点P含量的关系趋势线接近于水平，这个结果表明，在处理温度为1220～1320℃，初始w（C）为3.8%～4.4%时，初始C含量与终点P含量的对应关系较小。温度和碳含量是铁水预处理脱磷和转炉脱磷的主要区别，当铁液中存在碳和磷元素时，碳要与磷争夺氧，发生选择性氧化，对脱磷反应的动力学研究[6-8]均认为与碳含量相比，温度的影响更大。徐匡迪等人[9]认为将半钢碳的质量分数控制在3.5%，碱度为1.7，则当温度高于碳与磷的选择性氧化转折温度（约为1 400℃）时，铁液几乎不能脱磷，即使提高碱度，脱磷效果也不明显。李峻[10]认为脱碳量也是影响脱磷效果的重要指标，在相同温度和炉渣碱度条件下，脱磷率随脱碳量变化而变化。因而，当铁水温度较高时，在1 400℃以上，脱磷困难；当温度较低（处于1 220～1 320℃之间），w（C）相对较高（3.8%～4.4%）时，初始 C含量对终点P含量的影响很小。

图3 初始w（P）对终点w（P）的影响

图4 初始w（C）对终点w（P）的影响

2.4 温度的影响

下页图5是初始温度、处理后温度对终点P含量的关系图。可以看到，初始温度越高，终点P含量越高；处理后温度和终点P含量的关系与初始温度对应终点P含量的一致，而且处理后温度对终点P含量的影响比初始温度的影响更大。这是因为终点P含量与终点的铁水条件直接相关，与初始条件的影响相对较小。热力学分析[1]可知温度低有利于脱磷，王庆祥[11]对组成为40%CaO-45%Fe203-15%CaF2的渣剂的脱磷温度进行了研究，得出的最佳脱磷温度为1 350℃左右。乐可襄等人[12]在宝钢二炼钢对铁水温度与脱磷率之间的关系进行了试验研究，在温度由1 360℃上升到1 420℃时，脱磷率从75%下降到65%左右。在本研究中，处理后的温度控制在1 280～1 320℃之间，比前人的1 350℃左右处理温度低约50℃，同时终点P含量能达到工艺需求。表明在动力学条件充足的情况下，处理温度可以处在低位。

图5 初始温度对终点w（P）的影响

3 结论

1）在铁水预处理脱磷过程中，初始Si含量与终点P含量正相关，初始w（Si）每增加0.1%，则终点w（P）增加约 0.002%。

2）二元碱度 RCaO/RSiO2为 3.5～4.0，初始 w（P）为0.04%～0.06%，终点w（P）在0.005%～0.015%之间。

3）在处理温度为 1 220～1 320 ℃，初始 w（C）为3.8%～4.4%时，初始C含量与终点P含量的对应关系较小。

4）终点P含量随初始温度和处理后温度的升高而升高，同时处理后温度对终点P含量的影响比初始温度的影响更大。

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（编辑：苗运平）

Effect of Initial Conditions on Dephosphorization During Hot Metal Pretreatment

Du Xiaojian,Niu Aibin
（Second Steelmaking Plant of Shanxi Taigang Stainless Steel Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030003）

The dephosphorization during hot metal pretreatment was a critical step in stainless steelmaking.Based on production data,the relationships between initial conditions and final phosphor content were analyzed.The results showed that there was a positive correlation between initial silicon content and final phosphor content.When the initial silicon content added 0.1%,the final phosphor content increased 0.002%.The binary basicity (CaO/SiO2)was 3.5～4.0 and the initial phosphor content was 0.04%～0.06%,so the final phosphor content was 0.005%～0.015%.There was no obvious correlation between initial carbon content and final phosphor content under certain conditions,which were at the temperature of 1 220℃～1 320℃ and the initial carbon content of 3.8%～4.4%.Although the final phosphor content increased with the increase ofinitial temperature and final temperature,the final temperature had a great influence on the final phosphor content than the initial temperature.

stainless steel,hot metal treatment,dephosphorization

TF104.4

A

1672-1152（2017）04-0007-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.04.03

2017-07-25

杜晓建（1979—），男，毕业于钢铁研究总院，博士，从事不锈钢工艺改进及质量控制，工程师。