转炉脱磷、造渣工艺

ShenyangNEUMetallurgicalTechnologyCorporationLimited技术精益求精·创新永无止境转炉脱磷、造渣工艺EMTI沈阳东大冶金科技股份有限公司东大冶金磷的危害磷的危害磷在钢中以[Fe2P]形式存在，也可以用[P]表示。磷虽然能提高钢的强度，但随着含磷量增加，钢的塑性和韧性降低（特别是低温冲击韧性的降低），即使钢的脆性增加，通常称之为“冷脆性”。随着C、N、O含量增加，磷的这种有害作用加剧。磷在钢坯中的偏析度很大，而在α和γ固溶体内的扩散速度却很小，使它不容易均匀化。因此，按照用途不同对钢中磷含量有严格要求：普碳钢：[P]≤0.045%优质碳素钢：[P]≤0.035%高质量：中厚板[P]＜0.010%作为复杂冲压零件时必须把P、S含量控制的较低，因为复杂零件要求钢板很高的塑性。IF钢[P]＜0.015%东大冶金1.脱P反应1.脱P反应2[P]+5[O]=P2O52[P]+5(FeO)=(P2O5)+5Fe3(FeO)+(P2O5)=(3FeO·P2O5)（聚磷酸铁）根据热力学条件，此反应在低温（T＜1450℃）条件下是稳定的，可以去P；在高温（T＞1450℃）条件下，3FeO·P2O5不稳定，因此在炼钢高温条件下，只有使（P2O5）生成更稳定的化合物，即必须把3Fe2·P2O5转变为更稳定的化合物：3CaO·P2O5或4CaO·P2O5，才能确保磷的去除。2[P]+8(FeO)=(3FeO·P2O5)+5Fe东大冶金1.脱P反应当熔渣具有高碱度，因而含有大量游离CaO时，发生如下置换反应:(3FeO·P2O5)+3(CaO)=(3CaO·P2O5)+3FeO如果与上述(2.1)方程加和，得:2[P]+5(FeO)+3(CaO)=(3CaO·P2O5)+5Fe（聚磷酸钙）2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5Fe（焦磷酸钙）去P的基本条件：高(FeO)、高(CaO)高碱度，大渣量和较低温度及良好搅拌的动力学条件。东大冶金2.影响脱磷的因素分析2.1熔渣碱度的影响从CaO-FeO-SiO2-P2O5系渣同含磷铁液的平衡试验及生产研究中均可发现，增加渣中CaO或石灰的用量会提高P2O5的含量或使钢中[P]降低，如图2.1所示。（图2.1是1600℃条件下的情况。如果温度高于1600℃，则曲线向右上方移动，既碱度应提高。）提高碱度对脱磷有利。图2.1碱度和[FeO]对平衡[P%]的影响图2.2碱度对磷分配比的影响然而，CaO的含量过高将使炉渣变黏，这并不利于脱磷。熔渣碱度的影响还可以由图2.2得到证明，碱度CaO/SiO2越高，磷分配比越大。东大冶金2.影响脱磷的因素分析2.2FeO的影响FeO对脱磷反应的影响比较复杂，因为它与其他因素有着密切的联系。当其他条件一定时，在一定限度内增加FeO将使LP增大。FeO不仅是金属中磷的氧化剂，而且还能直接同P2O5结合成化合物3FeO·P2O5：但3FeO·P2O5在高温时并不稳定，所以仅靠3FeO·P2O5是起不到良好脱磷效果的。FeO有促进石灰熔化的作用，但如FeO含量过高将稀释CaO。因此FeO与炉渣碱度对脱磷的综合影响是：碱度＜2.5时，增加碱度对脱磷影响大；碱度在2.5~4.0之间时，增加FeO对脱P有利，但过高的FeO含量会使脱磷能力下降。3(FeO)+(P2O5)=(3FeO·P2O5)东大冶金2.3温度的影响脱磷反应是放热反应：3FeO+P2O5=3(FeO)·P2O5△H=-384KJ/mol3CaO+P2O5=3(CaO)·P2O5△H=-678KJ/mol故低温对去磷有利，实际炼钢过程中，为保证去磷应抓住前期早化渣，低温去磷，中期温度不过高，终点应采用下限温度出钢。东大冶金2.影响脱磷的因素分析2.4渣量的影响增加渣量可以降低钢中[P]，因渣的增加意味着P2O5浓度的稀释，从而使Ca3P2O8的含量也相应地减小，所以对脱磷有利。但是渣量大会使铁损和热损失增大。一般渣量≈10~15%，在保证去磷条件下，采用最小渣量。东大冶金2.5金属成分的影响铁水中[Si]的影响：铁水中硅含量过高对磷的氧化过程有重要影响，会夺取供入熔池更多的氧。会影响到炉渣碱度而不利于脱磷。氧气转炉初期，含硅量高，吹炼初期脱磷时间后移，需将铁水含硅量降至0.10%~0.15%时，P才能大量氧化。铁水中碳的影响：在氧气转炉冶炼过程中，主要的反应是2[C]+O2=2CO，在冶炼初期，T＜1470℃，磷可以优先氧化，当T＞1470℃，碳开始大量氧化，若想磷与碳同时氧化或优先氧化应优先形成碱性氧化渣。综上所述，为了使脱磷反应进行完全，必要的热力学条件是：炉渣的碱度较大(R=3~4)，氧化铁含量较高（(FeO)≈15~20%），熔池温度合适（不过高），适当的渣量。东大冶金3.氧气转炉各期脱磷3.氧气转炉各期脱磷从开吹到总吹炼时间的30%~40%时间里，脱磷速度最大，速度值波动在0.007%~0.021%P/min。在40%~85%的总吹炼时间内，脱磷有些停滞甚至发生回升现象；在最后总时间15%的范围内，脱磷速度又有所提高，速度值约为0.002%~0.01%P/min。由此可见，前期具有较高的脱磷率，而前期最高可达60~80%，总的脱磷率90~95%。氧气转炉脱磷，大体上分为三个阶段：图4.1吹炼中钢水及渣成分的变化（85t转炉）东大冶金3.氧气转炉各期脱磷3.1吹炼初期11吹炼初期。熔池温度较低，这是有利于去磷的一个方面。但是更重要的，是在熔池温度逐渐提高的过程中，抓紧时机尽快在前期造成具有一定碱度和氧化铁较高、流动性好的炉渣。只有这样才具备了从铁水中快速脱磷的充分条件。一般说来，前期渣的脱磷效率是很高的，60~80%。前期渣中的(FeO)含量对脱磷反应的进行有重要作用，这是因为：①(FeO)高。可以大量生成3FeO·P2O5，从而为生成3CaO·P2O5创造了必不可少的前提。②(FeO)有利于石灰的迅速熔化。有效地提高前期渣的碱度，为把3CaO·P2O5生成之后，稳定在炉渣内创造了必要的条件。③有利于泡沫渣的生成，使铁水和炉渣更好地乳化。因而，增加铁水和炉渣的接触表面，当然有利于脱磷。东大冶金3.氧气转炉各期脱磷影响前期脱磷的主要因素是碱度。而高的(FeO)含量只是一个不可缺少的条件——也是在操作上前期快速成渣的手段。换言之，就是控制喷枪，使(FeO)在10~15%左右。炉渣前期碱度为1.5左右，碱度提高更有利于脱磷,但因前期温度低，客观上不可能造成高碱度炉渣。并且在此(FeO)含量范围，碱度在0.82~1.5范围内，炉渣具有较低的粘度，而碱度高于1.5时，粘度值随碱度增加而快速提高，炉渣流动性显著变差，不利于脱磷。总之，通常必须根据铁水条件把前期渣碱度控制在1.5左右；而（FeO）在10~15%左右或更高些。12东大冶金3.氧气转炉各期脱磷3.2吹炼中期13此期，由于熔池温度的提高，3(FeO)·P2O5在渣中更不稳定；必须迅速将新生的3(FeO)·P2O5转变成较稳定的3CaO·P2O5。所以，渣中(CaO)的作用就显得更重要了，这就要求我们逐渐提高炉渣碱度。然而，由于此期脱碳速度大，渣中(FeO)含量，降低到7~12%左右，渣子出现“返干”，产生回磷现象。这时的操作关键就是要控制渣中(FeO)含量，使它在10~12%或高一些。加入少量萤石等其它助熔剂、加入矿石、氧化铁皮或适当提高枪位，但是中期是碳剧烈氧化期，不能变化太快，抑制脱碳反应突然温度降低，防止喷溅。据上所述，碳的大量氧化，对脱磷是不利的。东大冶金3.氧气转炉各期脱磷同时，也要看到脱碳作用对脱磷反应的有利方面。其有利方面表现在：①由于脱碳反应产生的强烈搅动，使金属粒子在渣中悬浮的数量大大增加。经研究得出：吹炼前期渣中，金属粒的含量约为10~20%。而中期则增加到40~70%，显然，金属与炉渣的接触表面，中期比前期增大很多，有利于脱磷。例如，取样分析熔池含[P]量为0.10%时，金属小粒的含磷量为0.007~0.008%。②碳的氧化，提高了熔池温度，虽然渣中(FeO)含量中期比前者减少了。但是温度的提高有利于石灰熔化，提高炉渣碱度，而碱度的提高对脱磷的有利作用，抵消或超过了(FeO)降低及温度提高对脱磷的不利作用。FeO降低会使渣返干，形成2CaO·SiO2。总之，吹炼中期，适当掌握喷枪高度非常重要。如果控制不当，此期不但不能脱磷，还可能出现回磷现象。14东大冶金3.氧气转炉各期脱磷3.3吹炼末期15吹炼末期，尽管喷枪已降到较低位置，但这时渣中(FeO)还是很快地增加着。这一方面是由于脱碳速度下降。(FeO)在渣中的聚集量逐渐增加。另外这时熔池温度也渐渐接近出钢温度。炉渣中石灰熔化速度加快，碱度又进一步提高。这就是吹炼后期还能脱磷的原因。末期操作的关键是控制合适的终点温度和炉渣成分。东大冶金综上所述：从操作上看，前期的主要矛盾方面在于石灰的渣化，这就应加强铁水与炉渣间的搅动，消除石灰结团。中期在于炉渣“返干”的问题，关键是保证渣中(FeO)有合适的含量，必要时刻考虑补加些氧化铁皮（最好在碳大量氧化，炉渣返干之前不久）。后期在于防止过高的终点温度，加强炉内搅拌。不言而喻，炉渣的成分和流动性及泡沫程度是整个操作中的主要控制对象之一。小结东大冶金4.转炉冶炼过程钢液磷含量控制4.1转炉冶炼枪位变化对脱磷的影响开吹时稍低的氧枪枪位，可以使石灰分散避免结团，增大石灰的表面积。另外，在低枪位下[C]-[O]反应容易发生，因此低枪位可以增加对熔池的搅拌，O2流股在穿透时生成的气泡与钢液间的界面就是反应界面，局部的[C]-[O]反应会导致(FeO)降低，因此，在开吹后，低枪位的时间不能太长，以避免渣中FeO被过分消耗，影响脱磷效果。合适的枪位，保持氧气流股对熔池有一定的冲击深度（L/L0=0.7~0.75）和冲击面积，使生成的(FeO)和消耗的(FeO)处于平衡状态，保持吹炼的稳定。前期：若铁水温度低于1300℃，采用较低枪位，大供氧量，迅速提高温度、化渣，促使脱磷；如果铁水温度高于1300℃，这时枪位可以提高。中期：为保持全程化渣，并根据炉内化渣情况，从高枪位开始逐渐下降。后期：从低枪位上升达到最高枪位（化渣），然后迅速降枪（降低FeO）。东大冶金4.转炉冶炼过程钢液磷含量控制4.2炉渣控制对脱磷的影响18冶炼的前5min，有试验结果证明，碱度为1.40时，脱磷率达54.01%。因此，应根据铁水温度，前期选择相应的碱度，达到最好的脱磷效果。如果从双渣法工艺在前期后放渣的角度考虑，前期碱度控制为1.5左右为宜，如果不采用双渣法工艺，也有许多钢厂将前期碱度控制在1.8-2.0，也能起到良好的脱磷效果。炉渣碱度对钢液脱磷的影响：为提高前期脱磷效率，除了提高渣碱度及氧化性外，还应创造脱磷良好的动力学条件。东大冶金4.转炉冶炼过程钢液磷含量控制(FeO)对脱磷反应的影响比较复杂，当(FeO)很低时，石灰不能很好熔化，显然不能脱磷。(FeO)过高，将稀释(CaO)的浓度，降低了(CaO)的作用。(FeO)与碱度对脱磷的综合影响是：碱度在2.5以下，增加碱度（加大石灰用量）对脱磷影响大。碱度在2.5~4.0时，增加(FeO)对脱磷有利。但过高的(Fe