高碳铁水脱磷的研究

温丽秀

（山西太钢不锈钢股份有限公司炼钢二厂， 山西 太原 030003）

高碳铁水预处理脱磷对生产低磷钢的意义：第一高碳铁水脱磷能够替代电炉，为AOD直接提供低磷铁水冶炼铬不锈钢，大大降低了不锈钢的冶炼成本，节能电耗，缩短AOD冶炼时间，提高AOD炉壳寿命，在降本增效等方面有重要意义。第二入转炉铁水中的磷可以降低到超低含量，能够提高转炉生产效率，降低炼钢成本，节能降耗，渣量会大量减少，转炉喷溅会减少，从而降低铁损；冶炼高碳钢时高碳出钢，提高合金锰的回收率，转炉冶炼周期降低，渣中TFe含量降低，有利于提高炉龄，有利于转炉冶炼优质钢种，更有利于生产高附加值的高规格钢种。第三能够提高钢材的纯净度，对于冶炼IF等纯净钢[1]是很重要的，可是实现少渣冶炼，减少进入钢包的渣量，减少了钢中的夹杂物，钢中[N]、[H]含量也会降低，从而生产高纯净度的钢种。

高碳铁水脱磷的基本状况：铁水脱磷前必须预脱硅，由于铁水中磷的氧势要比硅的氧势高很多，势必在脱磷的过程中加入脱氧剂后，硅与氧的亲和力大于磷与氧的亲和力，因此硅要比磷优先被氧化，所以为了减少脱磷剂的用量，提高脱磷效率，必须要先将铁水中的硅脱到一定程度再进行深脱磷，日本新日铁君厂K.Sasaki[2]研究表明脱磷前把硅脱到0.1%～0.15%以下时，脱磷效果才会显著提高。1 高碳铁水脱磷的基本热力学分析[3]

1.1 在标准状态下高碳铁水脱磷的热力学分析

在预处理脱磷过程中，通常用的脱磷剂为石灰、红泥球。高炉生产的铁水中含有碳、硅、锰、磷、硫等五大基本元素，本文仅对影响脱磷反应的基本因素以及石灰系脱磷反应进行分析：

将以上三个基本反应在标准状态下应用吉布斯自由能和温度变化的关系绘于图1中。

图1 标准状态下吉布斯自由能与温度变化的关系

由图1知，标准状态下，在高炉铁水预处理的温度范围内（1300～1400℃，即 1573～1673 K）：

1）进行气相氧化脱磷可能为零，所以其中氧化的Δr＞0；

2）[P]氧化成P2O5，再于渣中的CaO结合形成稳定的化合物而溶于渣中，而且随着温度的升高，化合物也能够稳定存在。

1.2 实际状态时铁水热力学分析

在实际状态脱磷时，预处理铁水中温度和成分

经计算的铁水中各成分的活度系数fi可以得到如下结论：

1）在各组元体系中碳与磷的活度系数为正值,随着含碳量的增加,磷的活度也逐步增大,碳氧反应不发生剧烈反应,对脱磷效果显著。

2）铁水中存在的杂质元素对磷的活度系数fi有一定的影响。

本实验铁水脱磷用的炉渣为CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2渣系。由渣中各组元的活度系数γi的计算可以得到如下结论：

1）碱度的影响。增加脱磷剂中CaO的用量，碱度增加，有利于脱磷。但是，渣系中石灰的量过高将使炉渣黏度变大，高熔点物质析出，氧化性渣的流动性变差，这样脱磷效果反而会变差。

2）氧化性的影响。铁水的氧化性即渣中（FeO）的含量。渣中氧化铁含量越高，相应铁水脱磷效果就会越好。

3）渣量的影响。新日铁名古屋厂[4]认为渣量增大，可使γP2O5降低，渣中P2O5的含量增加从而使铁水中磷的含量降低，所以进行多次扒渣操作重新造渣是提高脱磷的有效措施。但是，渣量太大，发生泡沫渣的机率增加，会发生喷溅造成铁损，对降本增效及安全环保等方面都很不利。

2 实验的目的与意义

在山西太钢不锈钢股份有限公司（全文简称太钢）三脱站的条件下，用CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2渣系对铁水做了一系列的氧化脱磷实验，从影响脱磷的4个因数[5]（含碳量、温度、碱度、Fe2O3含量）中，采用正交实验[6]设计确定最优脱磷实验方案，从而为冶炼超低磷钢奠定技术基础。

3 CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2渣系脱磷实验的研究

3.1 实验设备

太钢炼钢二厂北区预处理150 t三脱站。

3.2 实验方案

在三脱站的条件下，试验用太钢6号高炉铁水（成分相对稳定），在选取具有代表性的铁水且成分相近的9炉铁水中，脱磷剂采用CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2渣系，采用正交试验设计从影响脱磷的四个因数中，利用正交实验分析多因素影响试验的一种设是时刻变化的，因此各成分的活度系数也是时刻发生变化的。所以采用铁基液的相互作用活度系数来预计算铁水中各成分的活度系数。计方法。本试验是由实验因素的全部影响因素组合中，进行挑选出有代表性的组合实验进行试验，继而通过对代表性的试验结果全面分析试验的情况，最终找出最优影响因素的脱磷试验方案（见表1）。

表1 正交表L9（34）[7]

3.3 结果与分析

在实验分析中，均使用专用铁水取样器，采用风动送样设备，全自动化验室分析各组元成分。将脱磷前的铁水成分和脱磷后终点成分的分析结果记录见表 2，表 3，表 4。

表2 脱磷温度（1300℃）时铁水初始与终点成分 %

表3 脱磷温度（1350℃）时铁水初始与终点成分 %

表4 脱磷温度（1400℃）时铁水初始与终点成分 %

从No.1到No.9以上3个表的实验结果可以看出：添加不同比例的CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2脱磷剂后，铁水中 C、P、Si、Mn、S 均发生了氧化反应，终点铁水成分几乎都比初始成分低，但是C、Mn、S降低的不多，而脱硅反应进行彻底的原因是在脱磷反应前，首先发生了脱硅反应，当铁水中的硅含量降低到一定值后，才开始发生脱磷反应。

为了便于正交分析和计算，把No.1到No.9铁水脱磷实验的脱磷率记录见表5。

表5 脱磷率 %

在铁水氧化脱磷实验中，把脱磷率作为实验指标对试验结果进行极差计算分析，并找出最优试验方案，分析结果记录见表6。

表6 正交分析与计算

从表6的正交分析与计算中可以看出，因数R的极差是最大的，这表明因数R的改变对实验指标的影响是最大的，因此R是主要考虑的一个因数。R的第三水平对应的数值最大，所以取它的第三水平最好。第一列T和第四列w的极差略小于第三列，说明它们对铁水脱磷的影响较大。第二列即因数C的极差是最小的，说明C的水平的改变对试验因素的影响最小，第一水平对应的数值是最大的，因此取C的第一水平最优。

上述分析得出结论如下：各试验因数对指标（脱磷率）按大小次序的影响来说应当是碱度、温度、w（Fe2O3）、w（C），最好的方案应当R3T2w1C1,即：

碱度，第三水平，R3=3.5；温度,第二水平，T2=1350 ℃；w（Fe2O3），第一水平，w1=20%；w（C），第一水平，C1=3.5%。

可以看出，从以上正交试验的选出的最优方案R3T2w1C1在上述试验的9次实验中都没有出现，但是R3T2w1C1比较接近的是No.5试验。也就是说，在No.5试验中，只有w（C）不是处于最优水平，然而w（C）对铁水脱磷的影响是4个基本因数中最小的一个，从实际生产数据做出的试验结果中看出，No.5的脱磷率94.4%，是这9次实验中最高的一个，这也表明采用正交试验找出的最优试验方案是符合实际生产的。

进而为了最终确定找出的方案R3T2w1C1是否为最优试验方案，按照这个方案再选用一炉成分相近的铁水试验一次，看是否会比No.5更好的试验效果，若是比No.5的试验效果好，就可以确定上述方案为最优试验方案，若比No.5效果差，最终取No.5为最优试验方案。

表7 最优方案的铁水初始与终点成分 %

从表7设计各水平处于最优方案的实验结果中可以看出，No.10的脱磷率为94.6%，稍高于No.5的脱磷率94.4%，这证明实验的理论分析与实际上的结果是一致的，也同时说明铁水含碳量对铁水脱磷的影响并不大，主要是由于氧化脱磷伴随着脱碳，而脱碳产物是一种高熔点物质，析出会是氧化性渣的流动性变差，进而降低了初期磷的传质过程。

从No.1到No.10的实验研究中验证，用CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2脱磷剂采用正交实验设计的最优方案为R3T2w1C1。

4 结论

热力学分析表明，脱磷反应是强放热反应，升高温度，K值减少，因此，低温有利于脱磷；铁水成分的影响主要在氧化脱磷的初期体现，关键是因为铁水的选择性氧化，脱磷产物进入熔渣后改变了炉渣的性质；高氧化铁，高碱度即磷容量大的熔渣及时形成，是加强脱磷的必要条件。

用CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2渣系对铁水做了一系列的脱磷实验，从影响脱磷的四个因数（含碳量、温度、碱度、Fe2O3含量）中，采用正交实验设计确定最优脱磷实验方案的研究中表明：

1）实验各炉次的脱磷率为72.9%～94.6%，实验用CaO-SiO2-Fe2O3-CaF2脱磷剂脱磷效果显著。No.10的脱磷率94.6%最高，它的各因素处于最优方案。

2）铁水含碳量对铁水脱磷的影响不大；渣的碱度对铁水脱磷的影响最大，高碱度是加强脱磷的必要条件，试验中R=3.5时脱磷效果最好；实验中在1350℃时的脱磷效果要明显比1300℃和1400℃好，综合考虑1350℃为最佳脱磷温度；w（Fe2O3）为10%～30%时，渣中增加Fe2O3量对脱磷有利。

[1]王新华.钢铁冶金（炼钢学）[M].北京，高等教育出版社，2005.

[2]SaskiK，NakashimaH，NoseM，elal.AlookatNipponSteelCorporation new optimizing refining process[J].Iron and Steelmaker，1983，10（8）：22-27.

[3]冀成庆.基于CaO-SiO2-FetO-Na2O（Al2O3）渣系的中高磷铁水脱磷动力学研究[D].重庆：重庆大学，2010.

[4]MasakiIna.Metallurgicalcharacteristics ofLDType hot metal pretreat ment[J].CAMP-ISIJ，1991（4）：11-54.

[5]杜晓建，牛爱兵.初始条件对铁水预处理脱磷的影响[J].山西冶金，2017（4）：7-9.

[6]北京大学数学力学系概率统计组.正交设计法：第1版[M].北京：北京大学出版社，1976.

[7]刘文卿.实验设计：第1版[M].北京：清华大学出版社，2000.