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鐵水預處理脫磷劑的實驗研究

文檔作者：魏穎娟習曉峰2 張西鋒3 文檔來源： 1陜西冶金設計院有限公司 2陜西龍鋼集團煉鋼廠 3中國重型機械研究院有限公司		點擊數：	更新時間： 2021年03月05日
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?陜西省冶金設計研究院有限公司技術專欄?

鐵水預處理脫磷劑的實驗研究

魏穎娟,習曉峰2,張西鋒3
                  (1陜西冶金設計院有限公司,陜西西安7100322陜西龍鋼集團煉鋼廠
                  陜西韓城7154053中國重型機械研究院有限公司,陜西西安710032

摘要:本文從脫磷反應的熱力學及動力學條件出發,在實驗室的條件下,以Ca-fe2O3
         CaF2為脫磷劑的主要研究渣系,對不同配比關系的固體合成脫磷劑及預熔脫磷劑進行脫磷實驗研究
         得出適合鐵水預處理的最佳配比關系的脫磷劑;在此基礎之上,考慮用轉爐渣、精細鐵礦和燒結礦粉
        來代替脫磷劑中部分氧化劑和固定劑進行脫磷實驗,確定其最佳配比關系。
             關鍵詞:鐵水預處理脫磷;預熔脫磷劑;轉爐渣
             中圖分類號:TF111文獻標識碼:A文章編號:1001-196X(2010)2-0068-05

Experimentalresearchondephosphorizerforhotmetalpretreatment
                             WEIYingjuan,XIXfeng,ZHANGXrfeng
                 1ShaanxiMetalhgicalDesignResearchInstiuteCo,Ltd,Xian710032China
                     2ShaaxiLongmen&amp;amp;SteelGCa,LtdHancheng715405China
                     3ChnaNatonalHeavyMachneryReseardIstitteXian710032Chna)

AbstractAcondingtohemodynamisandkinetiesconditinsofdephosphorizatinmeactionbasedonthe
        shgserieswithCa0-Fe0,-CaF2asdephosphorizeranexperinentalreseardhwascarriedouttoinvestgate
          hedifferentconfectingschemeofsolidsynthetidephosphorizerandpre-melteddephosphorizerinhispaper
         andhebestconfectingscheneofdephosporizerhasbeenobtanedBasedthereseardhaboveacertainpor
          tionofoxilantandativeinthedephosphorizerwassubstintedwBOFsagiranorefnesandsinterinthe
        experinenttodeteminethebestconfectingschemeofdephosphorizer
        KeywordsdephosphorizerbrhotmetalpretreamentpremelteddephosphorizecBOFslag

磷含量提出了更高的要求。磷在大多數鋼中是一
  1前言
                                                      種有害元素,能顯著降低鋼的塑性和韌性,尤其
       隨著科學技術的發展以及連鑄技術和爐外處是回火韌性和沖擊韌性,低溫條件下,韌性的變
  理技術的推廣和使用,鋼材純凈度得到了顯著提壞尤為顯著,導致鋼的“冷脆”,并隨鋼中碳、
  高,可改善鋼材的加工性能、力學性能和使用性氮、氧含量的增加,磷的這種危害作用增強。而
  能。在鋼材(特別是高附加值產品)市場競爭日且,磷是降低鋼水表面張力的元素,隨鋼水中磷
  趨激烈的今天,許多廠家為提高產品競爭力,努含量的增加,鋼水表面張力降低得越顯著,從而
  力提高鋼的潔凈度,改善鋼材性能,對鋼中硫、降低鋼的抗裂性能。鋼水中的磷也能顯著擴大液
                                                      相和固相之間的兩相區,造成嚴重的成分偏析,
  收稿日期:2010-09-26修訂日期:2010-10-14                                                      且在鐵固溶體中的擴散速率很小,因而磷的偏析
  作者簡介:魏穎娟(1983),女,硬士,陜西冶金設計院有限公很難消除,從而嚴重影響鋼的性能,造成機械性

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 2010(S2)                                    重型機械                                      69
  幾乎不能脫磷,鐵礦石中的磷進入生鐵中,致使和o減小有利于脫磷反應向正方向進
  生鐵中的磷高達0.1%~1.0一般生鐵中的行;增加渣中(FeO)含量,使鐵水(0)含量
  磷主要在煉鋼時氧化去除,但傳統的煉鋼工藝很提高,有利于鐵水中磷的氧化去除;脫磷反應
  難達到冶煉低磷鋼([P]<0.0~0.02%)和是強放熱反應(=-103345J/moD,降低
  超低磷鋼([P<0.00%)的要求,且增加轉反應溫度,將使反應平衡常數增大,有利于脫
  爐冶煉負荷,增長冶煉周期,增加生產成本。這磷。同時,由上式可知,在脫磷劑用量一定的
  就迫切要求簡化轉爐的冶煉功能,將脫磷移到煉條件下,固定劑和氧化劑之間存在著互為制約
  鋼爐外進行鐵水預處理脫磷是主要的脫磷方的關系,在脫磷劑配比中增加氧化劑表示減少
  式,其可以減輕轉爐脫硅、脫磷任務,降低轉爐固定劑用量,二者之比取0.95~1.05時,可使
  煉鋼終點磷含量,提高轉爐鋼的質量,實現少渣鐵水中的磷含量降低到最少
  多段冶煉,優化轉爐操作,提高轉爐煉鋼各項經22脫磷動力學分析
  濟技術指標,為經濟地冶煉低磷優質鋼、實現全
                                                           鐵水預處理脫磷屬于渣-鐵之間的界面反
  連鑄、連鑄連軋、熱裝熱送提供了技術保障。同應,對其動力學研究可采用液液反應中的雙膜
  時鐵水預處理氧化脫磷與其它脫磷環節相比具有理論模型來對反應速度和反應機理進行分析探
  明顯的熱力學優勢,一方面鐵水溫度低于鋼水溫討5鐵水脫磷反應主要是鐵水中的[P]和渣
  度,溫度低有利于脫磷,另一方面鐵液中有大量中的氧通過擴散到達反應界面,然后在界面上發
  的碳存在,由于碳和磷在鐵水中的相互作用,使生化學反應,最后生成的P2O和[Fe]再以擴散
  磷的活度系數增大,因此在鐵水中脫磷比鋼水脫的方式從相界面傳遞到渣相和鐵相中去。其各組
  磷更容易進行。從而使得鐵水預處理脫磷技術發元在熔渣、鐵液兩相中的濃度分布如圖1所示
  展迅速,已成為鋼鐵工業的一個重要環節。在鐵
                                                      圖中、分別為渣相及鐵液相邊界層厚度;
  水預處理脫磷劑研究中,可考慮用廉價的冶金原C(O)、CP1分別為PO4和P在渣相及鐵液中
  料和冶煉過程產生的廢棄物,如轉爐渣、精細礦
                                                      的濃度;C(-)為P在渣膜一側界面的濃度;
  粉以及燒結礦等物質來代替脫磷劑中的氧化劑和
                                                      CP為P在鐵液膜一側界面處的濃度。根據雙膜
  固定劑,降低脫磷劑的生產成本,提高資源的二
  次利用率,減少環境污染,在保證高效脫磷的前理論推導出脫磷速度的反應方程式為
  提下,實現節約資源,變廢為寶。                        _d[%_.1.Lp%P]-(%)
                                                                                    LP1                                                                                                  (2)
   2鐵水預處理脫磷的理論分析
                                                      式中,A為渣鐵界面積,V為鐵液的體積、
   2.1脫磷熱力學分析                               為鐵液、熔渣密度,k、k為鐵液、熔渣的傳
       鐵水預處理脫磷反應是在鐵液與熔渣界面進質系數,LF為磷在渣鐵間的分配系數。
  行的,首先是鐵水中的[P]被鐵液中的氧氧化為                                                           鋼-渣界面的脫磷反應速度很大,因此鐵水
   (P2O5),而后與固定劑(CaO、MgO、BaO、預處理脫磷反應的限制環節是渣鋼界面兩側的傳
  NO等)結合成穩定的磷酸鹽渣而去除掉。其主質即、k研究證明,多數情況下,氧的傳
  要反應表示如下:                                                      質為非限制環節,脫磷速率由界面兩側磷的傳
                                                      質,尤其是熔渣側磷的傳質所控制,有效改善磷
          P]+3(02)+2O]=(P2)(1)在鋼渣中的傳質,可使脫磷反應速度加快。
                      (PO]-)(]-)                                                                 (po:)
              KPfin[P]aor-)
  則                        X(P02-)(]-)
              [P]=                                                                                 -
                      KP{(02-)]                                  鐵水             C
       可以看出,強化脫磷的熱力學條件是提高
                                                                圖應的學

70                                      重型機械                                     2010(S2)

3實驗方法                                                      脫磷劑中Fe2O3和CaO的相對量,影響脫磷效果,
                                                      而且過高的CaF2對爐襯有明顯的侵蝕作用,縮短
       脫磷實驗是在功率為8W的井式電阻爐中進鐵水包襯的使用壽命,研究發現當預處理渣中
  行。將(C)=4.4.4,(si=0.1%,(CaF2)>15時,對爐襯將產生明顯的侵蝕作用
 (Mn)=0.10%~0.15,(P)=0.190.23%,對環境也有嚴重污染,一般將其控制在~10%
   (S)=0.002%的鐵樣放入外套高純石墨坩堝的剛左右也能達到較好的脫磷效果
  玉坩堝內,再在氮氣保護的條件下,將鐵樣隨坩堝                100
  置于井式電阻爐內進行加熱,在1350C溫度下進行
  實驗。實驗內容主要包括以下幾部分:                                60
       (1)以CaO、FeO3、CaF2等純化學試劑為
  原料配制固體合成脫磷劑,研究不同氧化劑、固
  定劑及助熔劑之間最佳配比關系
       (2)在固體合成脫磷劑實驗基礎之上,對固
  體脫磷劑進行預熔處理后進行脫磷實驗。                                                                圖2固體合成脫磷劑的脫磷效果
       (3)在純化學試劑為原料的實驗基礎之上,
  考慮用冶金渣塵及其它冶金原料如:轉爐渣、精4.2預熔脫磷劑
  細鐵礦和燒結礦粉來代替脫磷劑中部分氧化劑和                                                           將上述配比關系的脫磷劑進行了預熔處理
  固定劑進行脫磷實驗。                                                      后,按相同的工藝路線和條件進行鐵水預處理脫
                                                      磷實驗,實驗結果如圖3所示。其脫磷效果都比
   4實驗結果分析                             較明顯,經過3mn處理后可將鐵水中的磷降低
   4.1固體合成脫磷劑                                                      到0.07以下,脫磷率達69.57%以上,最高脫
       本實驗的固體合成脫磷劑主要成分為:氧化磷率可達96.14%;而經過10mn的脫磷處理后
  鐵40%~65%,分析純Ca030%~50%,分析純預熔脫磷劑均能將鐵水中的(P)由0.19%
 Ca215,在1350C下,加入量為鐵水量0.23%降低到0.01以下,脫磷率均大于
  的10%的條件下進行了十組實驗,實驗結果如圖90%,最高能降低到0.0052%,脫磷率可達到
  2所示。上述配比關系的固體合成脫磷劑經過397.3%。所以,該配比關系預熔脫磷劑均能實現
  min脫磷處理后均能將鐵水(P)由0.2%冶煉低磷鋼、超低磷鋼和一些特殊性能鋼的要
 0.23%降低到0.1%以下,脫磷率均大于求,特別是y2-2組、2-3和YY2-8組
  52.17,其中YH2-1和YH2-3組配比的脫磷同時,由圖3也可以看出,預熔脫磷劑的脫磷率
  劑能將鐵水(P)降低為0.03%以下,脫磷率分均大于相應配比關系的固體合成脫磷劑的脫磷
  別為84.0%和85.22%;經過10min的脫磷處理率0~3mn時預熔脫磷劑的脫磷曲線比固體合
  后使鐵水(P)由0.2B~0.23%降低到0.042%成脫磷劑的脫磷曲線的斜率大,3~10min時固
  以下,脫磷率均大于81.74%,其中YH2-3和體合成脫磷劑的脫磷反應仍繼續進行而預熔脫磷
  YH2-9組配比的脫磷劑能將鐵水(P)由0.23%劑的脫磷反應已達到了平衡狀態,但10mn時
  降低為0.011%,脫磷率達到95.22%,這主要是者的脫磷率均達到了較低的水平。這說明預熔
  該配比中CaF2含量較高,在脫磷處理時CaF2                                                      脫磷劑和固體合成脫磷劑最終的脫磷效果基本相
  到助熔作用,不僅降低CaO和FeO3的熔化溫度,                                                      同,均能實現鐵水預處理高效脫磷的目的。只是
  并能在較低的溫度下增加CaO在渣中的溶解度,                                                      在把磷降低到相同水平時預熔脫磷劑的脫磷速率
  形成高堿度脫磷渣,使脫磷反應得以快速的進要大于固體合成脫磷劑的脫磷速率。這主要是由
  行6,而且CaF2將破壞SD2(S2主要是脫磷劑于預熔脫磷劑在進行預熔處理過程中各成分已經
  中的FeO3將鐵水中的硅氧化所得產物)在CaO過比較充分的熔化及化學反應,形成了低熔點的
  表面形成的網狀2Ca?SO2硬殼,加快石灰的溶CaO與Fe03的化合物,即鈣鐵石和少量鈣鐵氧

2010(S2)                                    重型機械                                      71
  程的熱損失,使得在脫磷反應過程中,鐵液表面         同時,在預熔脫磷劑最佳配比關系的基礎上
  較短時間內渣-金界面的脫磷反應便由固-液反用BO代替最優配方中部分Ca配制復合預熔
  應轉變為液-液反應,極大地改善了脫磷的動力脫磷劑進行脫磷實驗(實驗條件與預熔脫磷劑脫
  學條件。而固體合成脫磷劑加入鐵水以后有一個磷實驗完全相同)。實驗結果如表1所示,可看
  石灰熔解的成渣過程,所以反應速度較慢,在較出,含BO(BaCO3在高溫分解為BaO)的預熔脫
  長時間內進行的是固-液反應                   磷劑比純CaO的預熔脫磷劑相比具有明顯的脫
               100                                    磷效果。從離子理論的觀點看:Mg、Ca+、
               80                                     s2、Ba2離子的半徑逐步增大,其與熔體中
                60                                     02離子結合能力順序減弱,而與PO離子的
                                                      結合能力則依次增強,因此在固定劑總含量不變
                                                      的條件下在鐵水預處理脫磷劑中,適量配入BO
                        時間m                          有利于提高脫磷率。
              圖3預熔脫磷劑的脫磷效果
                                     表1加入BaCO3對脫磷效果的影響
                     序號BaCO3含量初始磷含量10mn磷含量脫磷率
                       12         00            021           0016         9238
                                               021           0010         95.24

4.3含轉爐渣脫磷劑                               之間時脫磷率基本保持不變,均大于91.43%,
       從轉爐渣的成分可以看出,轉爐渣中的有效使鐵水中的磷由0.21%降低到0.018以下,其
  成分(氧化鈣(38.4~48.5%)、氧化鐵中含轉爐渣為45.73%的脫磷率最高,為
   (24.6%~28.7%)、氧化硅(8%~15%))及94.76;當脫磷劑中轉爐渣含量進一步增加到
  含量和鐵水預處理脫磷劑的主要成分較為接近,56.49%時,脫磷率反而大幅度下降到73.33%,
  因此可用轉爐渣代替脫磷劑中部分氧化鈣和氧鐵水中的磷由0.2%降低到0.056,這可能是
  化鐵,并配加一定量的助熔劑來實現鐵水預處理由于在保持脫磷劑總量不變時,轉爐渣中氧化鈣
  脫磷,此方法不僅能較為理想的發揮轉爐渣應用與氧化鐵的有效濃度低,所以隨著轉爐渣的增加,
  價值,減少對環境的污染,而且能大大降低脫磷使脫磷劑中有效氧化鐵與氧化鈣總量有所降低,
  劑成本,提高鐵水預處理效果。但由于轉爐致使脫磷率下降;且在脫磷劑成分一定的情況下,
  渣熔化溫度高,必須通過添加助熔劑降低其熔化隨著轉爐渣加入量的增加,帶入的其他不利于脫
  溫度,以適應鐵水預處理溫度的要求,而且轉爐磷反應進行的P2O3的含量也相應增加,從而使脫
  渣中含有不等量的P2O5及SD2等不利于鐵水預磷效果降低因此含轉爐渣的預熔脫磷劑應用
  處理脫磷的有害物質,為此本實驗研究是在純化于工業生產時必須注意轉爐渣的配加量不能過大,
  學試劑確定的最佳預熔脫磷劑配比關系基礎上盡量不要大于50%,以保證脫磷效果。
  分別選用18.1%、33.11%、45.73%、56.49%                100
  的轉爐渣(此處的轉爐渣含量是指轉爐渣中的有                  80
  用成分)部分代替預熔脫磷劑中的FeO3和CaO                60
  進行脫磷實驗,并且對脫磷劑進行預熔處理。實                40
  驗結果如圖4所示。可看出,用轉爐渣代替部分                  20
   預熔脫磷劑能實現較好的脫磷效果(與用純化學                     0102030405060
                                                                          1020      050
  試劑配制的預熔脫磷劑在相同條件下具有同樣的                         轉爐渣配加量/%

72                                      重型機械                                     2010(S2)
   4.4其他冶金原料配制脫磷劑                     鐵水預處理脫磷劑。實驗結果表明,含轉爐渣的
       由于燒結礦中含有一定量低熔點的2C預熔脫磷劑的脫磷效果與常規脫磷劑相當,在轉
 FeO3、caf等化合物其具有較強的爐渣配加量為45.73%時含轉爐渣的預熔脫磷劑
  脫磷能力。為此,在普通預熔型鐵水預處理脫磷的脫磷效果最好,使鐵水中的磷由0.21%降低
  劑確定的最優配比關系的基礎上固定脫磷劑中到0.011%,脫磷率為94.76;
  氧化劑、固定劑、助熔劑配比關系不變,配加          (4)對精細鐵礦粉、燒結礦等其它冶金原料
 58.58%的榆鋼燒結礦,來替代脫磷劑中FeO3用作脫磷劑也進行了實驗,發現其脫磷效果也是
  和CaO配制含燒結礦的預熔脫磷劑,并在此基可觀的,在燒結礦配加量為58.58%時,脫磷率
  礎上進行脫磷實驗,經過10mn可使鐵水中的可達到95.24%,而配加精細礦粉的預熔脫磷劑
  磷由0.21%降低為0.010%,脫磷率為5.24%,可將鐵水的磷由0.21%降低為0.015%,脫磷率
  可見,在實驗條件相同的情況下用燒結礦代替純為92.85%
  化學試劑中的FeO3和CaO配制的預熔型脫磷劑參考文獻:
  的脫磷效果和用純化學試劑配制的脫磷劑的脫磷1]黃希祜鋼鐵冶金原理M北京:冶金工業出
  效果相差不大,這將使鐵水預處理脫磷劑成本大          版社,2004
  為降低。                                                      [2]YindongYangAMcleanLanD.Sommerville
       同時,精細鐵礦粉中含有大量氧化鐵,可考                                                           Sudyonphosphateandsulphilecapacitiesof-
  慮在精細鐵礦粉中配加CaO配制預熔型鐵水預                                                            CachslagsJ].Steelwesearch199566(3):
                                                            103-109
  處理脫磷劑,其也能有效降低脫磷劑成本。本實
                                                      3]樂可襄,李杰用Ca2-Fe2O3基熔劑進行鐵水
  驗所用脫磷劑是在最優配比關系的基礎之上,給
                                                            預處理脫磷[』鋼鐵研究學報,200618(9):
  榆鋼精細礦粉中配加40%Ca和10%CaF2在         1012
  1300預熔而成。再和預熔型脫磷劑相同的工藝【4]張家蕓冶金物理化學[M].北京:冶金工業出
  條件下進行脫磷實驗。實驗結果顯示,用精細鐵          版社,,《2004l13014L《
  礦粉配制的預熔型脫磷劑也能滿足鐵水預處理要5]李文超冶金與材料物理化學[M].北京:冶金
  求,可使鐵水中的磷由0.21%降低為0.015%,          工業出版社.200301319
  脫磷率為92.85%                                                     6]吳寶國,駱小剛,董元篪,等改變鈣系脫磷劑
                                                            熔渣組成對脫磷的影響[煉鋼,200420(2):
   5結果                                               27-30
      (1)配比關系為:40%~65%e03、35                                                      7]周云,王濤,王世俊,等,用預熔渣對鐵水脫磷
                                                            的實驗研究[J煉鋼,200521(5):33-36
   50%Ca、6%1Ca2的混合型脫磷劑和8]戰東平,姜周華,王文忠,等預熔精煉渣鋼水
  預熔型脫磷劑,在1350℃,加入量為10%的條          深脫硫實驗研究[材料與冶金學報,20021
  件下均能實現較好的脫磷效果,可使鐵水中的磷          (1):6568
  由0.21%降低至0.018%以下,脫磷率達9%以【9]樂可襄,董元篪,王世俊Ca-fe3-ca2鐵
   上,但預熔脫磷劑的脫磷速率要大于固體合成脫          水預處理脫磷熔劑的研究[J.煉鋼,200117
  磷劑的脫磷速率;                                                            (1):4850
       (2)在得到的最佳配方的基礎上研究了復合【10]王兆達.冶金保護材料理論與實踐[M]沈陽:
  預熔脫磷劑,主要是用BaO代替部分CaO,實                                                             東北大學出版社,2005
  驗結果證實了含BaO的復合預熔脫磷劑脫磷率郭上型郭湛轉爐渣用于鐵水預處理脫磷的工
                                                             藝實驗[J].鋼鐵研究學報,200618(9):
  比一般的預熔脫磷劑要高;                                 13-16
       (3)轉爐渣含有大量的CaO和MgO等堿性[12朱苗勇現代冶金學(鋼鐵冶金卷)M]北京
  氧化物及FeO3和FO氧化劑,因而,可以用轉           冶金工業出版社,2004
  爐渣替代預熔脫磷劑中部分CaO和FeO3來配制

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