铁水脱磷预处理研究

摘 要：本文对w[P]为0.30%左右的中磷铁水进行了脱磷预处理研究。分别研究生产温度、脱磷剂用量、助熔剂种类和Fe3O4过剩系数对铁水脱磷效率的影响。研究显示，生产温度控制在1400℃，脱磷剂用量控制在76g/kg，Fe3O4过剩系数控制在25%左右时，脱磷效果较好。本实验对各参数有关的生产影响进行了研究，有利于优化生产工艺，提高生产稳定性。

关键词：中磷铁水，预处理，脱磷

中图分类号：TF704.4 文献标识码：A

1 概述

磷是绝大多数钢种中的有害元素，容易在晶界偏析，引起钢的低温脆性和回火脆性。铁水预处理是指铁水在进入炼钢炉前，为除去某些有害成分或回收某些有益成分而进行的处理过程。近年来， 随着科学技术的迅速发展，用户对钢质量的要求不断提高[1]。铁水预处理一般分为铁水脱硫预处理和铁水“三脱”（脱硅、脱硫、脱磷）预处理。铁水预处理工艺对现代钢厂尤为重要，已经从最初为满足冶炼低硫或极低硫钢种的需求，发展成为炼铁-炼钢-凝固过程优化不可分割的重要环节，特别是随着专用转炉脱硅、脱磷工艺技术的开发与进展，正在形成一种全量铁水进行“三脱”预处理的先进工艺。新一代钢厂应大胆采用全量铁水三脱预处理工艺，以建立起高效低成本的洁净钢生产工艺平台，增强产品竞争力，加快大型转炉节奏，提高生产效率，以实现紧凑、高效、节能的循环型经济发展模式。铁水预处理的选择需要考虑效果、成本、效率等因素[2-3]。

铁水预处理工艺，从熔剂加入方式上分为两种，一种是喷粉法：用氮气或空气输送，用浸没喷枪将粉剂喷入熔池底部；另一种是底部吹气法：将熔剂加在铁水表面，炉底通过透气砖吹氮气搅拌。

本文对中磷铁水进行了脱磷预处理研究。研究了生产温度、脱磷剂用量、助熔剂种类和Fe3O4过剩系数对铁水脱磷效率的影响。

2 实验方法

本实验在实验室以w[P]为0.35%的中磷铁水为研究对象进行脱磷预处理。脱磷剂用量、助熔剂种类和Fe3O4过剩系数对铁水脱磷效率的影响，从而找出最适合武钢生产的工艺条件和参数。实验在立式高温碳管炉中进行。立式高温碳管炉由水冷炉体、高电流低电压变压器、配电控制柜和进出水箱等组成。实验中所采用的铁样是用武钢高炉生铁制备，将生铁在中频感应电炉中熔化、脱硅和添加磷铁，然后浇铸成一定直径的圆棒，再按每段重量500g左右的要求截成许多小段。渣剂原料中，氟化钙为分析纯试剂，氧化铁和CaO采用武钢现场所用轧钢皮和块状活性石灰，轧钢皮不需经过粉碎，活性石灰粉碎后，和氟化钙粉末混均加入。

2.1 温度对铁水脱磷效果的影响

采用基准渣系，即CaO过剩系数为0.45，Fe3O4过剩系数为0.25， CaF2/CaO为0.5。分别在1250℃、1300℃和1400℃下，使用刚玉坩埚和高温碳管炉进行实验。

本系列实验使用刚玉坩埚，加入大量脱磷剂和吹入搅拌气体使铁水碳含量降低很多，铁水熔点升高。因此，在做1250℃实验时铁水冻结，实验无法继续进行。所以图1中仅列出了1300℃和1400℃的脱磷结果。

图1 1300℃和1400℃下铁水磷含量随时间的变化（w[P]0=0.35%）

图1表明，脱磷反应进行得很快，5min左右差不多已经完成，[%P]降到0.05%～0.10%，之后一段较长时间内脱磷反应进行速度很慢，[%P]缓慢下降；20min以后开始回磷。回磷的原因，主要是因为炉渣中的FeO、CaO逐渐消耗，3CaO·P2O5生成逐渐增多，导致脱磷反应的热力学条件恶化，结果磷又从熔渣中被还原返回到铁水中去。

在温度较高的时候，可以适当缩短处理时间，这样既可以得到较高的脱磷率，也可以加快铁水预处理的生产节奏。

2.2 助熔剂种类对铁水脱磷效率的影响

助熔剂种类系列实验在CaO利用率、Fe3O4利用率、温度、坩埚等实验条件都完全相同。在1350℃下，使用石墨坩埚和高温碳管炉进行实验。结果见图2。

图2 脱磷剂种类对脱磷率的（w[P]0=0.35%）

对于中磷铁水脱磷，使用CaCl2作助熔剂对脱磷有利，脱磷率达到了83.42%。此脱磷率比使用CaF2作助熔剂高出2.67个百分点。

2. 3 Fe3O4过剩系数对铁水脱磷效果的影响

计算配渣方案时规定：CaO过剩系数为0.45；CaCl2/CaO为0.5；脱磷后生成的化合物为3CaO·P2O5，脱硅后生成的化合物为2CaO·SiO2；使用刚玉坩埚和高温碳管炉进行实验。脱磷率与Fe3O4过剩系数的关系绘于图3中。

图3 Fe3O4过剩系数对脱磷率的影响（w[P]0=0.35%）

Fe3O4过剩系数指的是超过Fe3O4理论需要量的比例。由图3可以看出，在Fe3O4过剩较少的时候，增加Fe3O4配比对脱磷率的影响不明显；当Fe3O4过剩率超过15%以后，增加Fe3O4的用量，脱磷逐渐增加，到35%时达到最大值；继续增加Fe3O4用量，脱磷率又下降。

适当提高炉渣的氧化性，有利于脱磷效率。但同时因为FeO浓度增加同时还使P2O5的活度系数增大，导致炉渣的磷容量减小，脱磷能力下降。由于这两方面的原因，存在一个对应于脱磷率峰值的最佳FeO含量，亦即一个最佳的Fe3O4过剩系数。

脱磷效率还与渣的粘度有关。本系列Fe3O4过剩系数为45%、35%，25%的实验中，观察到炉渣的粘度较大，部分渣聚集成团，流动困难。而Fe3O4过剩系数为15%、5%的实验中，渣粘度小。由折算得知，本系列5组实验的脱磷渣，其初始FeO浓度分别为55.79%、51.64%、48.07%、44.95%和42.22%。这说明，在FeO浓度超过一定值时，FeO的增加会使炉渣粘度升高。

本系列实验在Fe3O4过剩系数等于35%时，脱磷率达到最大值82.54%。总的来说，在研究的氧供应量范围内，脱磷率与Fe3O4过剩率的关系不明显。其原因可能是Fe3O4过剩系数高时，过剩的氧主要用来氧化铁水中的碳，而没有发挥氧化磷的作用。

2.4 Fe3O4过剩系数对铁水脱碳量影响的研究

配渣方案同2.3。使用刚玉坩埚和高温碳管炉进行实验。脱磷率、脱碳量与Fe3O4过剩系数的关系绘于图4中。

图4 Fe3O4过剩系数对脱磷率和脱碳量的影响（w[P]0=0.35%）

由图4可知，Fe3O4过剩系数对铁水脱碳量的影响明显分为三个时期，第1个时期Fe3O4过剩系数小于大约15%，此时增加Fe3O4用量对脱碳量没有影响；第2个时期Fe3O4过剩系数在15%～35%之间，此时脱碳量随Fe3O4用量增加而增大；第3个时期Fe3O4过剩系数超过35%，此时脱碳量随Fe3O4用量增加而急剧增大。

综合考虑脱磷和脱碳的问题，将Fe3O4过剩系数控制在25%左右比较合适，这时的脱磷率比较高，脱碳量大约0.45个百分点。

结语

（1）在1400℃时，既可以得到较高的脱磷率，也可以加快铁水预处理的生产节奏；

（2）对于中磷铁水脱磷，使用CaCl2作助熔剂对脱磷有利；

（3）综合考虑脱磷和脱碳的问题，将Fe3O4过剩系数控制在25%左右比较合适。

参考文献

[1] 赵昌武. 武钢炼铁工序节能降耗分析[J]. 炼铁，2001（2）：13～15.

[2] 冯聚和，艾立群，刘建华. 铁水预处理与钢水炉外精炼[M]. 北京：冶金工业出版社，2006：84～85.

[3] 王涛， 夏幸明. 铁水“三脱”的工艺特点及对转炉冶炼的影响[J]. 炼钢，2005，21（2）：7～11.