大型转炉脱磷热力学规律及脱磷工艺优化研究★

栗聖凯，郝赳赳

（山西工程职业学院，山西 太原 030009）

在钢铁产品中，磷含量的生产标准越来越严格，在冶炼过程中，如何在保持正常生产效率的基础上，创造低成本高效率脱磷工艺成为了研究的焦点问题之一。在大型转炉冶炼环境下，废钢返回利用的比例和次数都有上升趋势。在返回利用的过程中，微量元素不断富集，对冶炼优质钢产生了一定的影响。一些高科技领域产业要求超纯净钢材。只有超纯净钢材产品才能具有高强度、高寿命、超低温韧性等优势。特别是含磷量高的钢铁产品难以在高科技领域市场中存活。因此，本课题的研究在钢铁冶炼领域符合发展前沿的要求，具有较强的现实意义。

1 脱磷热力学基本规律概述

有关碱性炼钢炉渣的脱磷平衡的相关分析可以追溯到20世纪40年代的平炉炼钢。转炉炼钢过程借助氧化性的基本条件，以及渣的碱性（CaO）来将磷清除，也就是说，在渣-钢界面间实现脱磷反应。脱磷反应基本过程如下方程组所示。

式中，n的取值为3或4。

目前，平炉炼钢已经少见，转炉已经成为世界首选。Suito依据MgO在转炉炼钢中的重要价值，在不断的实验与Healy公式理论分析的基础上，创造了新的Suito公式，用以描述脱磷平衡在渣钢间熔池的基本运作方式。此公式可以有效描述脱磷热力学基本原理。转炉脱磷决定于熔池热动力学（Lp）的条件。其中，Lp计算过程如下。

式中：T为炉渣融化温度。

从公式（4）、（5）中可以看出，Suito提出的新的脱磷热力学计算方式适用范围得到了加大的提升，其中，R处于0.15~26.00范围之内，w(Fe)为8.66%~69.74%范围之内。

通过相关文献的研究与工程实践可知，冶炼过程中平衡和实际的熔池热力学是一个慢慢抵近的过程。在前期，由于时间间隔相对短且搅拌条件还没有达到理想状态，两者在转炉冶炼环境下的偏离较远。相比之下，在冶炼中期，在温度和脱碳氧位的作用下两者偏离要弱一些。在冶炼后期，脱磷氧位接近炉渣氧位，炉间渣慢慢和平衡接近。结合Suito提出的新的脱磷热力学计算方式，在元素的选择性氧化原则作用下，在转炉炼钢冶炼的前期和后期符合脱磷的热力学的基本要求。

2 大型转炉脱磷工艺优化方法分析

2.1 底吹搅拌工艺的优化试验方案

从文献[1]中可知，在转炉平台中，不仅熔池混匀时间与底吹强度的影响较大，而且钢渣传质也会因为底吹强度的变化而产生较大的变化。本文以SXM钢厂为例，对其50次实际钢铁冶炼底吹强度对比数据进行研究。

从表1中得知：在冶炼前期，保持转炉冶炼的其他操作不变的基础上底吹强度与氧步之间的关系，适当增加底吹强度有利于化渣效率及超低碳钢的冶炼终点钢渣反应平衡的实现。

表1 底吹强度与氧步关系

2.2 底吹搅拌工艺的优化试验效果

通过在转炉冶炼前期增强底吹强度，搅拌水平和熔池流动性得到改善，并且得到了如下试验效果：

1）成渣速度得到了优化。

2）气体、渣、钢的混合效果更佳，反映显著加剧。

3）返干现象得到了有效的抑制。

在实际试验过程中，采集到TSC-S（R）型转炉副枪探头和TSO-S（R）型转炉副枪探头测量得到的含磷量、含碳量、终点碳氧积等数据，经过前后对比可知，各类指标均得到了显著优化。

表2为在冶炼前期，保持转炉冶炼的其他操作不变的基础上底吹强度与含磷量、含碳量、终点碳氧积等前后数据对比结果。通过对比可知，TSC-磷含量（质量分数）从0.039%下降到增强底吹强度后的0.032%；TSO-磷含量从0.018%下降到增强底吹强度后的0.012%。

表2 增强底吹强度前后对比 %

从波动范围角度来看，TSC-磷含量、TSO-磷含量发生波动的范围也得到了一定的优化。

随着终点碳氧积的平均值从增强底吹强度前的0.002 9降到增强底吹强度后的0.002 5，钢水的过氧化问题也可以得到一定的优化。这表现在，底吹搅拌工艺的优化过程不仅可以让钢水收得率得到提高，而且，还可以降低渣中的TFe含量和钢铁原料的用量。与此同时，需要进一步探讨：增强底吹强度的办法会加速炉底、底吹元件老化的速率，需要配合提高补炉、溅渣护炉、底吹快换等工艺的水平。

3 综合优化操作制度研究

通过分析上述大型转炉脱磷工艺优化试验结果，并结合SXM钢厂在实际操作制度方面的调研可知，一方面该钢厂的管理者缺乏对系统化的氧枪操作重视；另一方面，缺乏该钢厂缺乏规范化的氧枪操作制度，同时在造渣料加料、底吹强度和氧枪操作等制度的建设方面也存在一定的不足。

鉴于此，为了得到更加优化的脱磷冶炼方案，该钢厂需要调整造渣料和加料的操作制度。

1）通常情况下需要对第一批造渣料比例进行改善，要采用二级计算得到造渣料的用量。

2）添加渣中的一氧化铁，并与分批加料和强底吹相结合，从而提前成渣的时间，加速化渣。

3）在前期化渣有一定的难度，造成脱氧在前期的效率偏低。在前期也就是吹氧之前的4 min采取高枪位操作，逐渐增加熔池内的温度，让脱磷最适宜的温度尽可能保持更长的时间。

4）在综合优化操作制度的试验中，为了化渣快速，采取分批加入造渣料、强底吹和前期高枪位三管齐下方式，通过观察转炉脱磷现场可以看出，化渣前期较好，成渣时间也缩短。

4 结语

含磷量高不利于钢材的可塑性和韧性的提升，还会导致低温环境下钢材冷脆断裂的问题。在SXM钢厂的实际生产过程中，本文通过具体的试验数据的分析，探索生产低磷洁净钢材的工艺实现路径。在大型转炉的底吹搅拌前期是脱磷最佳时间节点。为了提高脱磷效果，应该转变以往一次性加料的生产习惯，采用分批加入造渣料。在增强底吹强度的同时还需要采取高枪位的措施。与此同时，还需要注意将熔池温度的控制。在渣内添加FeO，从而提高化渣的速度，搅拌熔池的水平得到提升，提高钢渣反应速度，达到脱磷最适宜的热力学、动力学条件。在大型转炉冶炼环境下，本文从脱磷热力学基本规律出发，依据科学方法，探索大型转炉脱磷工艺优化方法和综合优化操作制度。