100t顶吹转炉双渣深脱磷工艺研究与实践
100t顶吹转炉双渣深脱磷工艺研究与实践
万雪峰曹东李德刚廖相巍王丽娟贾吉祥康伟常桂华
（鞍钢股份有限公司技术中心）
摘要本文通过对100t顶吹转炉双渣法深脱磷的工业性试验研究，结合不同吹炼时期冶炼特点，确立了吹炼过程需要控制的原料及操作制度等关键措施。控制倒炉温度、碱度、渣中w(FeO)及熔渣流动性等因素均是取得良好脱磷效果的重要保证。应用双渣法深脱磷生产试验取得了转炉出钢磷含量平均达到w[P]=63×10-6，成品平均磷含量达到w[P]=85×10-6的实绩。
关键词双渣深脱磷倒炉顶吹转炉
Technical study and practice on deep dephosphorization with double slags in 100t top blowing converter
Wan Xuefeng Cao Dong Li Degang Liao Xiangwei Wang Lijuan
Jia Jixiang Kang Wei Chang Guihua
(Technology Center of AnSteel Co., Ltd.)
Abstract Based on the industrial test study of deep dephosphorization with double slags in the 100t top blowing converter, combined with different characters during the total blowing time, some key measures of the raw materials and operating system are established during the blowing process. The temperature of molten steel, bacisity, w(FeO) and fluidity of slag at converter turning down are the important guarantees to ensure dephosphrization effect. Then the average result of w[P] of tapping can reach 63×10-6 and the final average result of w[P] in products can reach 85×10-6 with double slags in industrial test.
Key words double slags， deep dephosphorization， turning down，top blowing converter
转炉在传统炼钢工艺流程中不仅仅具有脱碳、升温、初步合金化的作用，而且也是最为理想的脱磷反应器。随着客户对高品种低磷钢的要求日趋苛刻，转炉承载的脱磷任务也日趋加重[1]。因此，为实现低磷钢的冶炼目标，必须充分利用转炉吹炼过程中高氧化性氛围、高碱度炉渣的热力学条件及超音速氧气射流搅拌的良好动力学条件进行深脱磷，同时在后续的精炼过程采取一切可以阻止或减轻回磷的技术。顶吹转炉单渣法脱磷技术在生产成本、冶炼周期、生产顺行及劳动强度等方面具有一定的优势，但只能将磷脱到w[P]=100×10-6左右，因此为得到更低磷含量的钢水，就必须开发顶吹转炉双渣或双联深脱磷技术。本文仅就100t顶吹转炉双渣法深脱磷技术进行工艺研究与实践。
1 铁水条件
铁水中其他元素的存在会不同程度地影响脱磷效果。碳、硅会降低磷的溶解度，并提高它的活度系数f；锰会与磷形成磷化物，从而降低磷的活度，但硅、锰的存在会与磷争夺氧，从而抑制磷的氧化。同时
]P[
低温条件也有利于脱磷；但从动力学角度看，低温又会增大渣的黏度，降低渣的流动性，反而阻碍磷的脱除。因此，最有效的脱磷条件是在一个最佳的铁水成分范围及温度范围内(1723～1773K)进行。在实际脱磷操作
第八届（2011）中国钢铁年会论文集
过程中，现场操作人员对于以上诸多矛盾须加以综合考虑，铁水条件如表1所示。可见，无论是成分还是温度波动范围均较大，因此，必须通过优化工艺参数来实现低磷目标。
表1铁水及废钢条件
项目铁水w[C]/% 铁水w[Si]/% 铁水w[Mn]/% 铁水w[P]/% 铁水w[S]/% 铁水温度/℃铁水量/t 废钢量/t 平均 4.13 0.48 0.117 0.064 0.087 1303 98.8 16.7 最大 4.57 0.90 0.740 0.097 0.21 1379 108.5 25.6 最小 3.59 0.18 0.014 0.040 0.002 1203 82.5 6.3
2 工艺控制
在铁水条件一定的前提下，要实现深脱磷目标必须优化吹炼制度，合理控制过程参数，把握倒炉时机等。吹炼过程进行第一次倒炉放渣和第二次倒炉放渣，以下简称一倒、二倒。
2.1一倒控制
关于脱磷的主要影响因素在大量的文献[2-10]中已有深入的讨论及研究，本文仅针对现实生产中工艺控制要点进行分析研究。
2.1.1 铁水w[Si]对脱磷率的影响
由图1可看出在保证碱度R的前提下，铁水w[Si]对脱磷率没有明显影响。虽然在整个铁水w[Si]范围内，一倒脱磷率基本稳定在60%左右，但实际操作中，考虑到化渣效果及脱磷渣量，应控制铁水w[Si]≥ 0.30%。
图1 一倒脱磷率与铁水w[Si]的关系
2.1.2 一倒温度对脱磷率的影响
从热力学分析脱磷反应是放热反应，因此较低的温度有利于脱磷反应的进行。如图2所示，在T<1400℃范围内，脱磷率随着温度的升高而降低；但当T>1400℃时，脱磷率随着温度的升高反而升高。造成这种现象的主要原因是在目前100t顶吹转炉设备条件下，前期化渣只能依赖吹氧时间来保证，若吹氧时间不足，达不到理想的化渣效果，就无法保证脱磷反应的动力学条件，反而不利于脱磷反应的正常进行。可见，就具体设备条件而言，在T<1400℃时，热力学条件是脱磷的主要矛盾，但当T>1400℃时，脱磷的主要矛盾已转化为动力学条件。
图2 一倒脱磷率与温度的关系
100t 顶吹转炉双渣深脱磷工艺研究与实践 2.1.3 一倒供氧制度对脱磷率的影响
考虑到脱磷反应的动力学条件，需要对一倒的吹氧时间进行下枪-起渣-抬枪的分段分析，以确定和优化一倒脱磷率与吹氧时间的最佳时机。如图3所示，起渣时间平均6min ，此时渣中的石灰才能够充分熔化。虽然吹炼时间越长脱磷率越高，但考虑整个生产节奏，控制吹氧时间在9～11min 时第一次倒炉放渣，脱磷效率平均为60%。
图3 一倒脱磷率与操枪吹氧时间的关系
2.1.4 一倒熔渣碱度R 对脱磷率的影响
如图4所示，一倒时熔渣碱度R 控制在2.0 图4 一倒脱磷率与熔渣碱度的关系 2.1.5 一倒渣中w (FeO)对脱磷率的影响 由图5中可以看出，无论是理论计算，还是生产实际均已证明，渣中高渣中w (FeO)有利于脱磷。前期渣中w (FeO)不应低于20%，否则不但炉渣易返干，而且有效碱度R 也难以提高。根据理论脱磷反应，渣中有一定量的(FeO)和(CaO)不仅在热力学上保证稳定生成脱磷产物3CaO.P 2O 5或4CaO.P 2O 5，而且在动力学上也有利于脱磷反应顺利进行。 图5 一倒脱磷率与熔渣w (FeO)的关系 第八届（2011）中国钢铁年会论文集 通过以上分析可知，提高熔渣w(FeO)、延长吹氧时间，控制铁水w[Si]、碱度R及一倒温度在合适范围等措施均有利于提高一倒脱磷率。 2.2二倒控制 2.2.1 二倒温度对钢水w[P]的影响 兼顾热力学及动力学脱磷温度，由图6可以看出最佳二倒脱磷温度控制在1580～1650℃范围，钢水磷含量最低w[P]≈100×10-6。 图6 二倒钢水w[P]与二倒温度的关系 2.2.2 二倒熔渣R对钢水w[P]的影响 由图7可看出，二倒碱度R控制在3.0左右，钢水磷含量可以控制得较低w[P]≈100×10-6。 图7 二倒钢水w[P]与熔渣碱度R的关系 2.2.3 二倒炉渣(FeO)对钢水w[P]的影响 由图8可看出，二倒钢水磷含量w[P]随渣中w(FeO)的升高而降低。为实现钢水w[P]≈100×10-6目标，应控制渣中氧化铁w(FeO)>25%。 图8 二倒钢水w[P]与熔渣w(FeO)的关系 2.2.4 二倒供氧制度对脱磷率的影响 由图9中可看出在二倒期间，脱磷效果受吹氧时间影响很大，脱磷率随吹炼时间的延长而升高。由于吹炼时间越长，对熔池的搅拌越充分，钢-渣界面更替越频繁，反应进行得更加彻底。同时熔渣中的石灰溶解 100t顶吹转炉双渣深脱磷工艺研究与实践 也更加完全，这些均有利于磷从钢水向熔渣中转移。 图9 二倒脱磷率与吹炼时间的关系 二倒温度、碱度R、渣中w(FeO)及熔渣流动性等因素仍是脱磷反应的重要前提条件。在保证钢质前提下，适当延长吹炼时间有利于进一步脱磷，同时控制好出钢温度、终渣碱度和熔渣的黏稠度是控制转炉回磷的关键。 一倒和二倒的吹炼条件及任务不同的本质决定了各自控制的目标及要点的不同，尽管具体控制参数不同，但也存在共性要素，如提高熔渣w(FeO)、延长吹氧时间均有利于脱磷，炉渣碱度R和熔池温度均存在最佳脱磷范围等。 2.3终点控制 除了要求满足脱磷目标之外，还必须要满足出钢的其他各项指标合格，因此，终点控制需根据钢种的不同要求，达到各项指标的兼顾及优化。 2.3.1 终点温度对磷含量的影响 由于不同钢种对合金需求的种类及数量差异很大，由此引起的合金化过程温度波动也不相同，由图10可看出，在满足钢种出钢温度要求的同时，应尽可能将出钢温度降低，当出钢温度控制在1680℃以下时，钢水磷含量基本稳定在60×10-6左右。 图10 钢水w[P]与出钢温度的关系 2.3.2 终渣碱度对终点磷含量的影响 由图11可看出，虽然由于终渣碱度普遍偏高，导致终渣碱度对钢水w[P]的影响已不再明显，但在转炉出钢前，为保护转炉的脱磷效果，防止因出钢过程的下渣导致钢水回磷，必须向炉内额外增加适量的白灰，使终渣变稠，所以碱度应控制在3.0以上为宜。 2.3.3 铁水磷含量对终点磷含量的影响 由图12可看出，当脱磷工艺保持一定时，即脱磷率一定时，铁水w[P]越高，则出钢w[P]也相应升高，所以铁水w[P]是直接影响出钢w[P]的最重要因素之一。 第八届（2011）中国钢铁年会论文集 图11 钢水w[P]与终渣碱度R的关系 图12 终点w[P]与初始w[P]的关系 3 冶炼过程磷含量的变化和脱磷率的变化 由图13、图14可看出，一倒、二倒的脱磷效果是决定整个脱磷过程成功与否的关键，随着前期脱磷效率的提高，整体的脱磷效果也在提高，因此加大转炉吹炼前期的脱磷效率，可为精炼工序提供一个更加宽松的控磷空间。 图13 整个工艺过程中w[P]的变化趋势图14 整个工艺过程中脱磷率的变化趋势 4 试验结果 在100t顶吹转炉上共进行了55炉双渣深脱磷生产试验，并取得了预期的脱磷效果，转炉出钢磷含量平均达到w[P]=63×10-6，成品磷含量平均控制在w[P]=85×10-6，如表2所示。 表2双渣法脱磷生产试验结果 磷含量控制情况（平均）/×10-6 脱磷方案 试验炉数炉型/t 半钢w[P] 终点w[P] 成品w[P] 双渣260(110-500) 63(40-100) 85(55-105) 55 100 100t顶吹转炉双渣深脱磷工艺研究与实践 5 结论 倒炉温度、碱度、渣中w(FeO)及熔渣流动性等因素均是脱磷反应的重要前提条件。从铁水控制到转炉出钢应做好以下措施: (1) 为实现迅速化渣的目的，铁水w[Si]不能低于0.30%，同时铁水w[P]越低，出钢磷含量也越低。 (2) 第一次倒炉的起渣时间在6min左右，吹氧时间控制在9～11min，温度控制在1400～1450℃，熔渣碱度控制在2.0～3.0，渣中w(FeO)>20%，倒炉放渣，脱磷效果较好。 (3) 第二次倒炉的温度控制在1580～1650℃，碱度控制在3.0左右，渣中w(FeO)>25%，钢渣的脱磷效果较好。 (4) 在满足钢种出钢温度要求的同时，应尽可能降低出钢温度，终渣碱度控制在3.0以上。 参考文献 [1] 朱志红．低磷钢生产工艺研究[J]，重型机械科技，2005，3：14-19. [2] 钟文斌．复吹转炉冶炼中高碳钢脱磷过程控制[J]，新疆钢铁， 2009，4：31-33. [3] 陈坤．中磷铁水单渣法生产高品质管坯钢工艺研究[J]，炼钢， 2010，26(1)：36-39. [4] 刘浏．超低磷钢的冶炼工艺[J]，特殊钢， 2000，21(6)：20-24. [5] 杨文远．大型转炉炼钢过程的冶金反应[J]，钢铁研究学报， 2000，12(Z1)：22-26. [6] Balajiva K, V ajragupta P．A laboratory Investigation of the Phosphorus Reaction in the Basic Steeling Process [J], JISI, 1946, 153: 115-150. [7] Balajiva K, V ajragupta P．The Effect of Temperature on the Phosphorus Reaction in the Basic Steeling Process [J], JISI, 1947, 155(6): 563-567. [8] Suito H．Phosphorus Distribution between Liquid Iron and MgO Saturated Slag of the System CaO-MgO-FeOx-SiO2 [J], Trans. ISIJ, 1981, 21(2): 250-259. [9] Kawauchi Y．On the Dephosphorization Reaction in Converter Refining of Low-Silicon Hot Metal [J], Tetsu-to-Hagane, 1979, 65(6): 737. [10] Healy G W. A New Look at Phosphorus Distribution [J], JISI, 1970, 208(6): 664-668.