70 t顶底复吹转炉“留渣+双渣”前期脱磷工艺研究与实践

张 旭 潘 军 薛 顺 赵 斌 宋 磊

(马鞍山钢铁股份有限公司长材事业部，安徽 马鞍山 243000)

随着市场对钢材质量的要求日趋苛刻，转炉承载的任务也日趋加重。转炉脱磷传统采用大渣量、高碱度、高氧化性的“单渣法”，而大渣量吹炼会造成金属收得率低、原辅料消耗高、粘枪及喷溅严重、能量浪费等问题[1- 3]。为减少转炉渣量、降低辅料及钢铁料消耗，近年来国内众多学者对转炉“留渣+双渣”冶炼工艺进行了广泛的探索[4- 8]，并取得了一定的效果。

马钢长材事业部70 t顶底复吹转炉冶炼所用铁水主要由公司一铁总厂供应，铁水中w(P)=0.126%～0.193%，平均达到0.180%，转炉脱磷难度相对较大。为解决转炉冶炼过程中存在的原辅料及钢铁料消耗高、脱磷效果不稳定等问题，本文以工业试验为基础，通过理论研究与生产实践相结合，对转炉“留渣+双渣”冶炼工艺，尤其是前期脱磷冶炼工艺进行了探索，为实现转炉低成本、高效率冶炼生产奠定了基础。

1 转炉“留渣+双渣”工艺原理

所谓“留渣+双渣”冶炼工艺，是指将转炉上炉部分或全部的高碱度、高∑(FeO)的脱碳渣留在炉中，然后充分利用转炉吹炼过程中高氧化性、高碱度热力学条件及超音速氧气射流搅拌动力学条件进行下炉吹炼前期脱磷，脱磷结束后，倒掉部分富磷渣，重新加料造渣进行第Ⅱ阶段脱碳升温和继续脱磷。马钢长材事业部的“留渣+双渣”工艺路线为：

(1)上炉出钢后将炉渣留在转炉内。

(2)采用溅渣护炉技术，降枪后用氮气将炉渣溅至炉衬表面冷却固化；溅渣结束后摇炉，对炉渣固化加以确认。

(3)装入废钢、铁水，进行第Ⅰ阶段吹炼，在脱磷结束后，倒出40%～60%炉渣，一倒时间为点火确认后2.5～3 min内。

(4)进行第Ⅱ阶段吹炼，并加入少量造渣料，进一步脱磷，吹炼结束后挡渣出钢。

2 转炉脱磷热力学和动力学分析

转炉吹炼前期，硅、锰激烈氧化基本结束后，脱磷反应在渣- 金界面进行，脱磷反应及其平衡常数如式(1)和式(2)所示[9]：

2[P]+5(FeO)+3(CaO)=

(3CaO·P2O5)+5[Fe]

(1)

2.5lgw(T.Fe)

(2)

式(2)中：Lp为磷的分配比，w(CaO)、w(T·Fe)为渣中CaO和全铁含量，%。

由式(2)可知，高碱度、高氧化性炉渣以及低温有利于提高磷的分配比。因此，转炉“留渣+双渣”冶炼工艺的脱磷阶段若要获得良好的脱磷效果，控制前期脱磷阶段的倒渣温度、炉渣碱度以及FeO含量尤为关键。

有研究表明[10]，转炉冶炼过程脱磷反应基本是在渣钢界面上进行，脱磷速率主要受渣钢两侧的传质速率控制。对于顶底复吹转炉而言，氧气流对熔池升温影响最大，采用强顶底复吹模式，不仅有利于前期脱磷阶段金属熔池中硅、磷的氧化去除，还有利于改善渣- 金界面传质条件。因此，充分的搅拌能是促进脱磷反应的动力学条件。

2.1 铁水初始[Si]含量对脱磷的影响

入炉铁水中的硅含量对前期脱磷效果并没有直接影响，但在转炉“留渣+双渣”冶炼工艺吹炼初期，正是由于硅的大量氧化，熔池的温度才得以快速升高。选取60炉不同[Si]含量的铁水进行“留渣+双渣”工艺冶炼，在吹炼脱磷前期结束扒渣后，取样化验钢中[P]含量(分析方法下同)，得出铁水中初始[Si]含量与脱磷率的关系如图1所示。

图1 铁水中初始硅含量对脱磷率的影响Fig.1 Effect of initial silicon content in molten iron on dephosphorization rate

由图1可知，脱磷阶段的脱磷率随着铁水中初始硅含量的增加先升高后降低。当铁水中初始w[Si]=0.4%～0.8%时，脱磷率较高，脱磷效果较好。这是因为硅的氧化放热是转炉前期热量主要来源之一，随着铁水中硅含量的增加，硅氧化释放的热量增加，熔池温度升高，有利于石灰的熔化，同时硅氧化所形成的SiO2在前期也起到了一定的化渣作用。当铁水中初始w[Si]>0.8%时，脱磷率随着硅含量的增加反而逐渐降低。这是因为随着硅含量的进一步增加，产生的酸性物质SiO2增多，为保持炉渣一定的碱度需要加入大量石灰，而石灰不易熔化，炉渣流动性变差，脱磷率降低。因此，考虑到前期化渣效果及脱磷渣量，应控制铁水中初始w[Si]≥0.40%。

2.2 脱磷阶段倒炉温度对脱磷的影响

脱磷反应是放热反应，因此，转炉“留渣+双渣”工艺冶炼前期较低的熔池温度有利于脱磷反应的进行。脱磷阶段倒炉温度与脱磷率的关系如图2所示。

图2 倒炉温度对脱磷率的影响Fig.2 Effect of turndown temperature on dephosphorization rate

由图2可知，当倒炉温度T<1 420 ℃时，脱磷率随着倒炉温度的升高而升高；当倒炉温度T>1 420 ℃，脱磷率随着倒炉温度的升高而降低，倒炉温度在1 380～1 450 ℃范围内脱磷率较高，脱磷效果较好。倒炉温度T<1 420 ℃时，由于熔池温度较低，炉渣未化好、化透，流动性较差，难以获得一定碱度、流动性好的均匀渣，此时脱磷的主要矛盾为动力学条件。随着熔池温度的升高，石灰熔解加速，炉渣的黏度降低，流动性改善，从而有利于磷从金属向炉渣的转移。当T>1 420 ℃时，熔池温度较高，炉渣流动性好，此时脱磷的主要矛盾又转化为热力学条件，温度升高，平衡常数KP值减小，磷的分配比降低，脱磷率也随之降低。因此，为保证前期脱磷和排渣效果，倒炉温度应控制在1 380～1 450 ℃。

2.3 脱磷阶段炉渣碱度对脱磷的影响

由脱磷热力学分析可知，炉渣碱度的高低是影响转炉脱磷效果的一个重要因素。脱磷阶段炉渣碱度与脱磷率的关系如图3所示。

由图3可知，当炉渣碱度R<1.8时，随着碱度的增加，脱磷率逐渐升高；当R>1.8时，随着碱度的增加，脱磷率又逐渐下降。当碱度为1.3～1.8时，脱磷率较高。这是因为在吹炼初期，随着碱度的提高，渣中CaO的有效浓度增加，Lp越大，脱磷率增加；随着碱度的进一步提高，所需加入石灰量增加，由于未预热的石灰大量加入，导致初始形成的液态炉渣冷却，炉渣黏度增大，流动性减弱，同时在石灰表面形成一层冷凝外壳，石灰溶解受阻，化渣速度降低，脱磷率下降。因此，脱磷阶段熔渣碱度R控制在1.3～1.8之间较为合理。

图3 炉渣碱度对脱磷率的影响Fig.3 Effect of slag basicity on dephosphorization rate

2.4 脱磷阶段炉渣FeO含量对脱磷的影响

由脱磷热力学分析可知，炉渣高FeO含量更有利于脱磷反应的进行。脱磷阶段炉渣FeO含量与脱磷率的关系如图4所示。

图4 炉渣FeO含量对脱磷率的影响Fig.4 Effect of FeO content in slag on dephosphorization

由图4可知，当炉渣中w(FeO)<20%时，脱磷率随着渣中FeO含量的增加而增大；当炉渣中w(FeO)>20%时，脱磷率随着渣中FeO含量的增加而减小。而在实际生产中，当炉渣中w(FeO)=15%左右时，就能获得较高的脱磷率。从脱磷的热力学角度看，炉渣中FeO含量越高，炉渣氧化性越强，同时渣中FeO与CaO结合生成低熔点化合物，促进石灰的熔化，降低炉渣的熔点，有利于改善炉渣流动性，从而促进脱磷反应的进行，提高脱磷效果。但当炉渣中FeO含量增加到一定程度后，会稀释炉渣中CaO的浓度，反而不利于脱磷，而且脱磷渣系中高FeO含量对炉衬有一定的侵蚀作用，炉渣中FeO含量越高对炉衬侵蚀越严重，同时过高的FeO含量也会造成铁损失率升高，金属收得率下降。因此倒炉渣中w(FeO)控制在15%～20%较为合理。

2.5 顶底复吹强度对脱磷率的影响

转炉吹炼前期倒渣时间一般控制在开吹后2.5～3 min内，试验共设置了4种氧枪枪位控制模式，以研究顶底吹强度对脱磷率的影响，4种模式下的脱磷效果如表1所示。

由表1结果可知，相比模式1、 模式2和模式3，模式4的脱磷率相对较高，为44%～72%，即采用高- 低- 高枪位、大氧气和底吹流量的吹炼控制工艺参数，可以获得更好的脱磷动力学条件。这是因为模式4的氧枪枪位较低，顶底复吹强度较大，炉渣和铁水充分接触，脱磷速度加快，炉渣脱磷效果得到充分发挥，脱磷率提高。

表1 不同顶底复吹强度下脱磷效果的比较Table 1 Comparison of dephosphorization effects for different top and bottom combined blown strengths

3 工艺实践与效果

3.1 试验条件及工艺控制

马钢长材事业部有4座70 t顶底复吹转炉，主要造渣原料为冶金石灰和轻烧白云石；吹炼氧枪为4孔喷头，供氧强度为3.3～3.6 m3/(t·min)；采用3个双环缝式底吹供气元件，供气流量90～120 m3/h，供气压力0.2～0.4 MPa。铁水的成分、温度及其平均值见表2。

表2 铁水成分及温度Table 2 Composition and temperature of molten iron

由表2可知，铁水中硅与磷含量波动较大，其中硅的质量分数较高，平均达到0.50%；磷的质量分数也较高，平均达到0.180%，转炉脱磷难度大，说明转炉吹炼控制的难点和重点是脱磷。

图5为转炉“留渣+双渣”前期脱磷阶段工艺控制过程。采用强顶底复吹工艺对金属熔池进行搅拌，加快磷在铁液中的传质，提高前期脱磷速率。底吹强度为0.03 m3/(t·min)，氧枪枪位和供氧流量均采取高- 低- 高控制模式，即采用相对高的枪位180 cm以及氧流量15 000 m3/h点火，点火正常后，逐步降低氧枪枪位至130 cm，氧流量13 000 m3/h进行快速脱硅脱锰；脱磷阶段临近结束时提高枪位至140 cm，并适当增加渣中FeO含量，使炉渣一定泡沫化，以确保脱磷渣能顺利足量倒出；前期脱磷阶段供氧时间为180～300 s。

图5 前期脱磷阶段控制工艺Fig.5 Control process of pre- dephosphorization stage

3.2 试验结果

现场试验在马钢长材事业部70 t顶底复吹转炉上进行，共冶炼150余炉次。对相应炉次的初始铁水成分、半钢成分及温度、渣样成分平均值进行统计，结果见表3～表5。

由表3～表5数据可知， 马钢长材事业部的转炉采用“留渣+双渣”冶炼工艺进行试生产，其前期脱磷阶段平均脱磷率为45.57%，磷分配比为65.23。

表3 试验炉次铁水成分及温度Table 3 Composition and temperature of molten iron of trial heats

表4 半钢成分及温度Table 4 Composition and temperature of semi- steel

表5 脱磷阶段渣样成分及碱度Table 5 Composition and basicity of slag in dephosphorization stage

4 结论

(1)通过脱磷热力学分析可知，前期脱磷阶段的倒渣温度、炉渣碱度以及FeO含量是影响脱磷效果的主要因素。

(2)在高- 低- 高氧枪枪位控制、供氧强度为3.6 m3/(t·min)和底吹强度为0.03 m3/(t·min) 控制模式下，可以获得更好的脱磷动力学条件，脱磷率相对较高，达到44%～72%。

(3)前期脱磷阶段倒渣温度控制在1 380～1 450 ℃，碱度R=1.3～1.8，渣中w(FeO)=15%～25%，可以达到前期脱磷阶段平均脱磷率为45.57%，磷分配比LP为65.23的脱磷效果。