电弧炉炼钢脱磷的研究与实践

摘要:结合安龙钢铁公司的实际生产，对炼钢过程磷的含量进行分析，模拟炼钢的实际生产条件，通过试验找出了磷成分超标的原因。从炼钢炉内和钢包内脱磷热力学条件入手，对该公司的炼钢现状进行工艺改进，达到了预期的目的。关键词:脱磷;熔炼;电弧炉安龙钢铁有限公司（以下简称安龙）现有3座30t电炉和1座40tLF钢包精炼炉。2002年主要生产Q215,20MnSi连铸坯，出钢时P≤0.04%就能够满足钢的成分要求;2004年钢铁市场疲软，安龙不得不转向冶炼弹簧钢（60Si2Mn）和轴承钢。由于这些钢种对出钢的磷含量要求比较严(P≤0.014%)，经常出现因磷成分不合格而回炉现象。目前，在国内的中小型钢铁企收，对脱磷的研究大多数集中在炼钢炉内，创造脱磷的热力学和动力学有利条件，达到冶炼钢种的要求，很少有生产超低磷钢的论述。河南科技大学材料学院与安龙技术人员进行技术攻关，根据小电炉炼钢生产实际，运用科学手段进行分析和实践，摸索出一条有效解决电炉生产低磷钢的途径。1脱磷的热力学条件按照分了理论说，脱磷反应是界面反应，脱磷反应主要在熔渣-金属界面进行，反应式为:5(Fe0)=5[O]+5[Fe]2[P]+5[O]=(P2O5)(P2O5)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)2[P]-5(Fe0)+4(Ca0)=(4Ca0·P205)+5[Fe]lgK=lg[a4CaO·P2O5/([%P]2·a5FeO·a4CaO)]=400067/T-15.06式中:K为平衡常数;a为活度;[%P]为磷的百分含量;T为温度。熔化期熔渣中4CaO·P2O5,的浓度很低，且4CaO·P2O5与P2O5的摩尔分数相同，因而式中的4CaO·P2O5的活度可以用P2O5的摩尔分数NP2O5来代替。那么磷的分配比为:LP=NP2O5/[%P]2=K·a5FeO·a4CaO据此可知脱磷的条件为:(1)低温;(2)高碱度;(3)高氧化铁;(4)渣量大的炉渣，即通常所说的三高一低。但碱度及氧化亚铁的百分含量要结合各自的炼钢条件而定。2确定脱磷剂的组成在电炉炼钢的氧化期脱磷过程中，如何把钢液中的磷降到最低成为该课题的重要环节。在氧化期都要加入Ca0基脱磷剂增强脱磷效果。但各个脱磷剂成分不一，为此课题组模拟安龙的氧化期脱磷条件来确定最佳脱磷剂的组成。试验在硅化钼炉中进行。试验用金属料组成为:工收纯铁、磷铁、电解锰等材料，配制成分中Si≤0.025%,P≤0.045%,并在Al2O3坩埚内预熔制成。试验熔剂为Ca0-Fe2O3-CaF2系Ca0基熔剂，熔剂采用化学试剂经人工配制而成。配制Ca0基熔剂时，保持熔剂中Ca0,CaF2的质量百分比为6:4,Fe2O3≤35%。平衡试验时，在每个小Mg0坩埚中装入l0g金属预熔料和6g熔剂，将装料后的Mg0坩埚按3个一组放进一个大石墨坩埚内，再将其置于硅化钥炉内，在1843K温度下，恒温6h,试验结束后将柑锅取出急冷,将试验渣和金属仔细分离，供成分分析。脱磷工艺试验时，将装有预熔金属料130g的Mg0坩埚置于硅化钼炉中，当试验炉达到1843K的恒定温度，并且坩埚内金属料熔完后，将13g脱磷剂加入坩埚中。待其熔化后，每隔5min用纯铁棒加以搅拌，直到20min时取终样，供化学分析用。通过Ca0基熔剂对钢液二次精炼、脱磷工艺性试验，确定熔剂的优化组成及其脱磷效果。图1为熔剂中Fe2O3含量对钢液脱磷率ηP的影响关系。由图1可知，当Fe2O3添加量小于25%时，ηP随着Fe2O3含量增加而不断增大;当Fe2O3含量大于35%时，ηP随Fe2O3含量的增加反而降低。显然，Fe2O3含量在25%～35%范围内时，ηP达到最大值，该值为93%左右。根据试验熔剂中Fe2O3含量增加，相应的Ca0含量降低的条件，综合分析熔剂组成对ηP的影响结果可知，上述ηP曲线的走向趋势符合钢液脱磷的热力学原理。试验表明:采用Ca0(45%～39%)-Fe2O3(25%～35%)-CaF2组成熔剂，脱磷率ηP可达到91%～93%,脱磷后钢液磷含量为0.003%～0.004%。利用Ca0(45%～39%)-Fe2O3(25%～35%)-CaF2系熔剂作为钢液二次精炼的脱磷剂，可得到≥90%的脱磷率，能将钢液中磷含量从0.05%降低至0.005%以下，达到超低磷钢的磷含量水平。3确定钢包中添加剂的成分在电炉内氧化完的钢进入钢包精炼炉内进行高温脱硫时，钢液的回磷往往是造成废品或回炉的主要原因。为此，课题组模拟安龙的还原期脱硫条件，确定向钢包添加添加剂将回磷降低到最低限度的最优方案。首先，通过试验研究Ca0基顶渣组成以及添加强碱性氧化物对钢液脱磷、回磷的影响。顶渣的基本组成为Ca0-SiO2-Fe2O3-MnO2-MgO-P2O5，顶渣碱度(Ca0/SiO2)和氧化性(Fe203+Mn0)的变动范围分别为1.5%～3.5%和5%～15%。顶渣组成及顶渣碱度和氧化性对脱磷、回磷影响的试验结果如图2所示。由图可以看出，(1)随着顶渣碱度或氧化性的降低，ηP曲线由脱磷区域向回磷区域延伸。(2)在碱度为1.5～3.5的范围内，随着顶渣氧化性从小到大升高，钢液磷含量的变化可分为3个区域:①当(Fe2O3+MnO2)＞11.8%时，钢液处于脱磷区域，在此区域内仅发生脱磷反应，说明顶渣的组成为(Ca0/SiO2)比值为3.0～3.5,(Fe2O3+MnO2)为13%～15%时有最好的脱磷效果;②当(Fe2O3+MnO2)＜5.2%时，钢液处于回磷区域，在此区域内仅发生回磷反应。为了防止钢液回磷，应禁止选择该区域的顶渣组成;③当5.2%≤(Fe2O3+MnO2)≤11.8%时，钢液处于脱磷、回磷共存区域。在此区域发生脱磷、回磷的转变，其转变点为图2中ηP曲线与ηP=0分界线的相交点。把转变点对应的顶渣组成称为临界组成，该临界组成为确定钢液的回磷控制渣系提供了判断依据。在实际操作中，控制较高的炉渣氧化性是有困难的，所以需对钢渣进行改性处理。在1853K温度下，向钢包顶渣中添加强碱性氧化物Li2O,Na20,K2O,Ba0替代顶渣中的部分Ca0，进行钢液回磷控制试验。结果表明:①不同添加剂对应不同的ηP曲线。当添加剂加入量不小于10%时，其影响脱磷效果的强弱顺序为Li2O＞Na20＞K2O＞Ba0;②当添加剂加入量不小于10%时，除Ba0外，其余添加剂的ηP曲线均呈抛物线变化，各ηP曲线最高点所对应的添加剂加入量范围为15%～20%。由此，推荐Li2O作为Ca0基顶渣的首选添加剂，最佳添加量为10%～15%，其对应的脱磷率为71.9%。同时说明，添加强碱性氧化物使控制钢液回磷的碱度和氧化性易于达到要求。4优化炼钢工艺2004年3月至2004年12月，利用结合安龙的炼钢实际条件所做的模拟实验结果，对炼钢工艺进行了优化和改进。(1)熔化期的熔氧结合技术。传统冶炼电弧炉熔化期的任务主要是固体炉料的熔化和很少的脱磷量;采取熔氧结合技术时，熔化期的任务不仅是固体炉料的熔化，同时脱磷，减少在熔化期的吸气量。熔化期脱磷在炼钢的熔渣制度下，当熔渣具有一定的碱度和氧化性时，磷的氧化物与Fe0和Ca0形成稳定的磷酸钙进入炉渣而被去除。在熔化期，适时的吹氧助熔是熔化期脱磷的必要条件。根据分了理论及脱磷的热力学条件，熔化期的钢液温度较低(1773～1873K),是低温脱磷的最佳时期。实践表明，在熔化期装料时向炉内适当装一些垫底石灰，每次装料送电5min后进行吹氧助熔，能够达到炉渣碱度为R=25,Fe0为12%～18%时，对于脱磷最为有利。由于氧化期的吹氧助熔使炉渣中Fe0含量大幅度提高，使炉渣具备上述条件，在氧化期就可提前脱磷，能将钢液中的P控制在标准含磷量的一半以下。(2)河南科技大学与安龙联合制作了成分为Ca0(45%)-Fe203(30%)-CaF2(20%)的“科龙”脱磷剂，待熔化期温度为1843K左右加入钢液内，能够把钢液中的磷脱去80%，严格控制氧化完钢液中磷在0.02%以下。(3)钢包内的钢液在LF炉精炼20min左右及精炼完5min向钢包内加入以Li2O(13%)为主、Na20、K2O、Ba0各占3%～5%的强碱性氧化物添加剂，防止回磷的发生。5结语(1)在30～50t中小型电炉炼钢炉内炼钢时，最佳脱磷剂的组成为Ca0(45%～39%)-Fe203(25%～35%)-CaF2系熔剂，此时可得到良好的脱磷率。(2)以最佳添加量为10%～15%Li2O作为Ca0基钢包顶渣的添加剂，可有效地防止钢液在钢包内的回磷。(3)在生产中，由于在电炉内把钢水中的磷降到最低，又在钢包内有效防止了回磷的发生，因而很少出现因成分不符而回炉的现象。连铸坯弹簧钢(60Si2Mn)和轴承钢)再无报废现象，销往北京、南京、成都等地，客户反映良好。