第36卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.36 Suppl.1 2014年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2014 复吹转炉双渣深脱磷工艺实践 胡晓光四，李晶”，武贺”，周朝刚”，蔡可森，吴国平) 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)南京钢铁股份有限公司，南京210035 ☒通信作者，E-mail:ts.hg@163.com 摘要为了提出适合南钢的操作原则和控制目标，根据转炉脱磷反应基本热力学原理和复吹转炉双渣脱磷工艺特点，针对 南钢铁水条件，分析了铁水硅含量、温度、磷含量对脱磷的影响并提出合理的治炼方案。南钢120t复吹转炉双渣深脱磷工艺 实践表明，通过优化造渣、供氧、一次倒渣及终点控制等工艺操作，能取得转炉终点钢液磷的质量分数≤40×10~“和脱磷率达 97.3%的脱磷效果.按照优化后的方案进行冶炼能满足南钢超低磷钢的生产需要. 关键词双渣法：深脱磷：一次倒渣控制：终点控制 分类号TF713.1 Practice of double slag deep dephosphorization technology in combined blown converter HU Xiao--guang》,M Jing'',WUe”,ZHOU Chao-gang',CAl Ke-sen》,WU Guo-ping》 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Nanjing Iron and Steel Co.Ltd.Nanjing 210035,China Corresponding author,E-mail:ts.hxg@163.com ABSTRACT In order to present the operating principles and the appropriate control objectives for Nan Steel,according to dephos- phorization theory and characteristics of double slag dephosphorization in combined blown converter,together with the conditions of mol- ten iron in Nan Steel,the influences of silicon content,temperature and phosphorus content on dephosphorization were analyzed and the reasonable smelting solution was presented.The result shows that it can achieve the dephosphorization effect that phosphorus content is less than 4 x 10and the dephosphorization rate is 97.3%,by using the optimizing process operation of slagging,oxygen blowing, first deslagging and end-point control,in Nan Steel 120t combined blown converter.The need of ultra-low phosphorus steel produce can be met through the optimized solutions. KEY WORDS double slag process:deep dephosphorization:first deslagging controlling:end-point controlling 磷对绝大多数钢种来说都是有害元素，其中大吹转炉采用双渣法进行超低磷钢的生产试验研究 量优质钢要求磷质量分数低于0.015%，尤其深冲 钢和高级别管线钢等对磷含量要求苛刻的钢种，应 1脱磷理论分析 尽可能降低磷含量.因此，脱磷是炼钢过程的基本 任务之一-).现在国外都在研究双联转炉脱 在转炉治炼过程中，脱磷反应为渣金界面反应 磷，也有学者对双渣工艺做过一些研究-，但 因此，只有当炉内初渣熔化后，脱磷反应才能进行. 各个企业的情况不同，操作控制原则也不同.目前 在转炉熔池渣一金界面磷的氧化脱除由以下环节 南京钢铁股份有限公司（以下简称“南钢”）炼钢工 组成 艺流程为，高炉铁水→混铁炉→预处理脱硫→转炉 (1)氧在渣一金界面的传递： LF精炼→RH精炼→连铸，为适应市场对高级优 (FeO)=[Fe][O]. (1) 质钢的需求，在无铁水脱磷预处理条件下，120t复 (2)渣一金界面磷的氧化： 收稿日期：2013-11-22 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.s1.038:http://jourals.ustb.edu.en
第 36 卷 增刊 1 2014 年 4 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 Suppl． 1 Apr． 2014 复吹转炉双渣深脱磷工艺实践 胡晓光1) ，李 晶1) ，武 贺1) ，周朝刚1) ，蔡可森2) ，吴国平2) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 南京钢铁股份有限公司，南京 210035 通信作者，E-mail: ts． hxg@ 163． com 摘 要 为了提出适合南钢的操作原则和控制目标，根据转炉脱磷反应基本热力学原理和复吹转炉双渣脱磷工艺特点，针对 南钢铁水条件，分析了铁水硅含量、温度、磷含量对脱磷的影响并提出合理的冶炼方案． 南钢 120 t 复吹转炉双渣深脱磷工艺 实践表明，通过优化造渣、供氧、一次倒渣及终点控制等工艺操作，能取得转炉终点钢液磷的质量分数≤40 × 10 － 6 和脱磷率达 97. 3% 的脱磷效果． 按照优化后的方案进行冶炼能满足南钢超低磷钢的生产需要． 关键词 双渣法; 深脱磷; 一次倒渣控制; 终点控制 分类号 TF713. 1 Practice of double slag deep dephosphorization technology in combined blown converter HU Xiao-guang1) ，LI Jing1) ，WU He 1) ，ZHOU Chao-gang1) ，CAI Ke-sen2) ，WU Guo-ping2) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Nanjing Iron and Steel Co． Ltd． ，Nanjing 210035，China Corresponding author，E-mail: ts． hxg@ 163． com ABSTＲACT In order to present the operating principles and the appropriate control objectives for Nan Steel，according to dephosphorization theory and characteristics of double slag dephosphorization in combined blown converter，together with the conditions of molten iron in Nan Steel，the influences of silicon content，temperature and phosphorus content on dephosphorization were analyzed and the reasonable smelting solution was presented． The result shows that it can achieve the dephosphorization effect that phosphorus content is less than 4 × 10 － 5 and the dephosphorization rate is 97. 3% ，by using the optimizing process operation of slagging，oxygen blowing， first deslagging and end-point control，in Nan Steel 120 t combined blown converter． The need of ultra-low phosphorus steel produce can be met through the optimized solutions． KEY WOＲDS double slag process; deep dephosphorization; first deslagging controlling; end-point controlling 收稿日期: 2013--11--22 DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． s1． 038; http: / /journals． ustb． edu． cn 磷对绝大多数钢种来说都是有害元素，其中大 量优质钢要求磷质量分数低于 0. 015% ，尤其深冲 钢和高级别管线钢等对磷含量要求苛刻的钢种，应 尽可能降低磷含量． 因此，脱磷是炼钢过程的基本 任务之 一［1--3］． 现在国外都在研究双联转炉脱 磷［4--6］，也有学者对双渣工艺做过一些研究［7--8］，但 各个企业的情况不同，操作控制原则也不同． 目前 南京钢铁股份有限公司( 以下简称“南钢”) 炼钢工 艺流程为，高炉铁水→混铁炉→预处理脱硫→转炉 →LF 精炼→ＲH 精炼→连铸，为适应市场对高级优 质钢的需求，在无铁水脱磷预处理条件下，120 t 复 吹转炉采用双渣法进行超低磷钢的生产试验研究． 1 脱磷理论分析 在转炉冶炼过程中，脱磷反应为渣金界面反应． 因此，只有当炉内初渣熔化后，脱磷反应才能进行． 在转炉熔池渣--金界面磷的氧化脱除由以下环节 组成［9］． ( 1) 氧在渣--金界面的传递: ( FeO) =［Fe］+［O］． ( 1) ( 2) 渣--金界面磷的氧化:
·208· 北京科技大学学报 第36卷 2(P)+50]=(P205). (2) 性炉渣有利于脱磷反应的进行0 (3)渣-金界面及渣相侧脱磷产物的固定： (P,0,)+3(Ca0)=-(3Ca0P20s). (3) 2工艺实践与分析 (4)脱磷总反应为： 针对南钢的铁水条件、设备状况及工艺制度等 2(P)+5(Fe0)+4(Ca0)=(4Ca0P,0)+5Fe], 因素考虑，开展了120t复吹转炉双渣法深脱磷生产 (4) 试验，重点研究了铁水条件、造渣制度、供氧制度、一 倒控制和终点控制等对转炉脱磷的影响，初步探索 Ig K =Ig- a4ca0-P29340067 *dpeo"acao T -15.06. (5) 得出复吹转炉双渣法深脱磷的主要工艺控制参数 式中：K为脱磷反应的化学平衡常数：T为熔池温 2.1铁水条件分析 度，K;a:为金属熔池或炉渣组分的活度. 对南钢入炉铁水温度、成分及装入量进行统计 由上式可知，影响脱磷的主要因素是熔池温度、 分析，结果如表1所示.可见，铁水温度及成分波动 炉渣成分和金属液成分.要想获得治炼终点超低磷 范围均较大，在此原料条件下完成转炉深脱磷任务 出钢，必须增大平衡常数K,即低温、高碱度、高氧化 必须优化工艺制度 表1入炉铁水条件 Table 1 Conditions of charging hot metal 铁水中各元素的质量分数/% 项目 温度/℃ 装入量/t Si Mn 范围 1204~1351 4.46-5.00 0.31-0.68 0.27~0.42 0.114-0.1420.002-0.028146.10-150.20 平均 1298 4.81 0.44 0.32 0.127 0.019 148.31 由脱磷热力学分析可知，铁液中的碳、硅会降低 2.1.1铁水硅含量对脱磷的影响 磷的溶解度，并提高磷的活度系数∫，而锰与磷会形 铁水硅含量主要影响炉渣碱度和渣量，在碱 成磷化物，降低磷的活度.同时，转炉吹炼初期硅、 度控制一定的条件下，铁水硅含量增加，渣量变 锰的存在会与磷争夺氧，只有当硅氧化至痕迹量时， 大，增大了炉渣脱磷量，从而降低了钢液磷含量. 磷才开始大量氧化.因此，有必要分析铁水条件对 铁水硅含量与终点磷含量和脱磷率的关系，如图1 转炉脱磷的影响. 所示. 45 a 99.0 (b) 40 98.5 35 哥98.0 97.5 新 96.5 9606 0.2 04 08 0.2 0.4 0.6 0.8 0.6 入炉铁水硅质量分数% 人炉铁水硅质量分数修 图1入炉铁水硅含量对转炉脱磷的影响.()磷质量分数：(b)脱磷率 Fig.I Effect of silicon content in hot metal on converter dephosphorization:(a)mass fraction of phosphorus;(b)dephosphorization rate 由图1可知，转炉终点钢液磷含量先随铁水硅 响，同时大渣量稀释了渣中(P,0)含量，促进了脱 含量的升高而增大，超过一定值后又随铁水硅含量 磷反应的进行.转炉终点脱磷率亦表现出先随铁水 的升高而降低，即在铁水硅质量分数0.45%的阶段，随硅含量 量影响吹炼前期的脱磷速率，但对于吹炼终点而言， 的增大渣量亦增大，削弱了硅对脱磷反应的不利影 因铁水硅含量的增加易于化渣，在碱度足够的前提
北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 2( P) + 5［O］= ( P2O5 ) ． ( 2) ( 3) 渣--金界面及渣相侧脱磷产物的固定: ( P2O5 ) + 3( CaO) = ( 3CaO·P2O5 ) ． ( 3) ( 4) 脱磷总反应为: 2( P) +5( FeO) +4( CaO) = ( 4CaO·P2O5 ) +5［Fe］， ( 4) lg K = lg a4CaO·P2O5 a2 P ·a5 FeO ·a4 CaO = 40067 T － 15. 06． ( 5) 式中: K 为脱磷反应的化学平衡常数; T 为熔池温 度，K; ai 为金属熔池或炉渣组分的活度． 由上式可知，影响脱磷的主要因素是熔池温度、 炉渣成分和金属液成分． 要想获得冶炼终点超低磷 出钢，必须增大平衡常数 K，即低温、高碱度、高氧化 性炉渣有利于脱磷反应的进行［10］． 2 工艺实践与分析 针对南钢的铁水条件、设备状况及工艺制度等 因素考虑，开展了 120 t 复吹转炉双渣法深脱磷生产 试验，重点研究了铁水条件、造渣制度、供氧制度、一 倒控制和终点控制等对转炉脱磷的影响，初步探索 得出复吹转炉双渣法深脱磷的主要工艺控制参数． 2. 1 铁水条件分析 对南钢入炉铁水温度、成分及装入量进行统计 分析，结果如表 1 所示． 可见，铁水温度及成分波动 范围均较大，在此原料条件下完成转炉深脱磷任务 必须优化工艺制度． 表 1 入炉铁水条件 Table 1 Conditions of charging hot metal 项目 温度/℃ 铁水中各元素的质量分数/% C Si Mn P S 装入量/t 范围 1204 ～ 1351 4. 46 ～ 5. 00 0. 31 ～ 0. 68 0. 27 ～ 0. 42 0. 114 ～ 0. 142 0. 002 ～ 0. 028 146. 10 ～ 150. 20 平均 1298 4. 81 0. 44 0. 32 0. 127 0. 019 148. 31 由脱磷热力学分析可知，铁液中的碳、硅会降低 磷的溶解度，并提高磷的活度系数 fP，而锰与磷会形 成磷化物，降低磷的活度． 同时，转炉吹炼初期硅、 锰的存在会与磷争夺氧，只有当硅氧化至痕迹量时， 磷才开始大量氧化． 因此，有必要分析铁水条件对 转炉脱磷的影响． 2. 1. 1 铁水硅含量对脱磷的影响 铁水硅含量主要影响炉渣碱度和渣量，在碱 度控制一定的条件下，铁水硅含量增加，渣 量 变 大，增大了炉渣脱磷量，从而降低了钢液磷含量． 铁水硅含量与终点磷含量和脱磷率的关系，如图 1 所示． 图 1 入炉铁水硅含量对转炉脱磷的影响． ( a) 磷质量分数; ( b) 脱磷率 Fig． 1 Effect of silicon content in hot metal on converter dephosphorization: ( a) mass fraction of phosphorus; ( b) dephosphorization rate 由图 1 可知，转炉终点钢液磷含量先随铁水硅 含量的升高而增大，超过一定值后又随铁水硅含量 的升高而降低，即在铁水硅质量分数 ＜ 0. 45% 的阶 段，降低入炉铁水硅含量有利于降低终点钢液磷含 量，而在铁水硅质量分数 ＞ 0. 45% 的阶段，随硅含量 的增大渣量亦增大，削弱了硅对脱磷反应的不利影 响，同时大渣量稀释了渣中( P2 O5 ) 含量，促进了脱 磷反应的进行． 转炉终点脱磷率亦表现出先随铁水 硅含量的降低而降低，超过一定值后又随铁水硅含 量的升高而升高的变化趋势． 分析认为，铁水硅含 量影响吹炼前期的脱磷速率，但对于吹炼终点而言， 因铁水硅含量的增加易于化渣，在碱度足够的前提 ·208·
增刊1 胡晓光等：复吹转炉双渣深脱磷工艺实践 ·209· 下，渣量增加也有利于深脱磷的进行. 度和碳磷的选择性氧化，从而对脱磷造成一定影响 由上述分析可见，控制入炉铁水硅质量分数在 由图2可知，转炉终点磷含量随铁水温度的升 0.20%~0.40%范围内，不但有利于降低转炉治炼 高而降低，同时脱磷率随铁水温度的升高而增大 终点磷含量和提高终点脱磷率，同时，也有利于减少 为获得活跃的前期炉渣，促进一次倒渣前脱磷反应 转炉辅料消耗、降低治炼成本 的进行，控制入炉铁水温度大于1300℃，有利于实 2.1.2铁水温度对脱磷的影响 现转炉治炼前期的高效脱磷和终点钢液磷质量分数 入炉铁水温度主要影响转炉吹炼初期的成渣速 控制在4×10-5以下出钢. 90 99.0 0(a 985 (b) 70 98.0 97.5 97.0 96.5 40 96.0 30 95.5 95.0 新20 94.5 10 94.0 93.5 920 124012601280130013201340 1360 240 1260 12801300132013401360 人护铁水温度/℃ 人炉铁水温度℃ 图2入炉铁水温度对转炉脱磷的影响.(a)磷质量分数：(b)脱磷率 Fig.2 Effect of hot metal temperature on converter dephosphorization:(a)mass fraction of phosphorus:(b)dephosphorization rate 2.1.3铁水磷含量对脱磷的影响 的95%以上，其次为废钢和造渣辅料带入磷量.入 磷元素收支平衡计算分析表明，转炉冶炼过程 炉铁水磷含量与终点钢液磷含量和脱磷率的关系， 磷收入量主要来自铁水带入磷量，占到磷收入总量 如图3所示 50 99.0m (a) (b) 45 40 985 35 30 98.0 ◆ ◆ 20 ◆ 97.5 新10 97.0 5 .10 96.5 0.12 0.14 0.16 .10 0.12 0.14 0.16 人炉铁水磷质量分数修 入炉铁水磷质量分数/修 图3入炉铁水磷含量对转炉脱磷的影响.(a)磷质量分数：(b)脱磷率 Fig.3 Effect of Phosphorus content in hot metal on converter dephosphorization:(a)mass fraction of phosphorus:(b)dephosphorization rate 由图3可知，随入炉铁水磷含量的升高转炉终 下造渣方案：开吹时向转炉中一次性加入吨钢(70 点钢液磷含量升高、脱磷率降低.试验结果表明，控 ±5)kg的一次渣料，即在开始吹氧的同时加入活性 制铁水磷含量在0.12%以下，有利于实现转炉终点 石灰40kg,轻烧白云石10kg,轻烧镁球5kg,烧结返 脱磷率>97.5%和终点钢液<4×10-5的出钢控制 矿5kg;一次倒渣后，加入吨钢(45±5)kg的二次渣 目标. 料，即在脱碳吹炼过程中加入活性石灰30kg,轻烧 2.2造渣制度分析 白云石为5kg,烧结返矿为10kg,脱碳治炼过程中以 转炉原辅材料特别是治金石灰质量直接影响着 稳定操作、优化造渣为前提，分批次加入二次渣料， 吹炼过程炉渣的形成和脱磷能力.为此，转炉双渣 转炉吹炼TSC取样前加完所有渣料. 深脱磷生产试验主要采用活性石灰、轻烧白云石、轻 辅料消耗与终点钢液磷含量的关系，如图4所 烧镁球、烧结返矿造渣.针对终点钢液磷质量分数 示.可见，随辅料消耗增大，终点钢液磷含量降低， <4×10-5的控制目标，根据铁水平均成分，提出以 即确保一定的渣量有利于实现转炉终点超低磷出钢
增刊 1 胡晓光等: 复吹转炉双渣深脱磷工艺实践 下，渣量增加也有利于深脱磷的进行． 由上述分析可见，控制入炉铁水硅质量分数在 0. 20% ～ 0. 40% 范围内，不但有利于降低转炉冶炼 终点磷含量和提高终点脱磷率，同时，也有利于减少 转炉辅料消耗、降低冶炼成本． 2. 1. 2 铁水温度对脱磷的影响 入炉铁水温度主要影响转炉吹炼初期的成渣速 度和碳磷的选择性氧化，从而对脱磷造成一定影响． 由图 2 可知，转炉终点磷含量随铁水温度的升 高而降低，同时脱磷率随铁水温度的升高而增大． 为获得活跃的前期炉渣，促进一次倒渣前脱磷反应 的进行，控制入炉铁水温度大于 1300 ℃，有利于实 现转炉冶炼前期的高效脱磷和终点钢液磷质量分数 控制在 4 × 10 － 5 以下出钢． 图 2 入炉铁水温度对转炉脱磷的影响． ( a) 磷质量分数; ( b) 脱磷率 Fig． 2 Effect of hot metal temperature on converter dephosphorization: ( a) mass fraction of phosphorus; ( b) dephosphorization rate 2. 1. 3 铁水磷含量对脱磷的影响 磷元素收支平衡计算分析表明，转炉冶炼过程 磷收入量主要来自铁水带入磷量，占到磷收入总量 的 95% 以上，其次为废钢和造渣辅料带入磷量． 入 炉铁水磷含量与终点钢液磷含量和脱磷率的关系， 如图 3 所示． 图 3 入炉铁水磷含量对转炉脱磷的影响． ( a) 磷质量分数; ( b) 脱磷率 Fig． 3 Effect of Phosphorus content in hot metal on converter dephosphorization: ( a) mass fraction of phosphorus; ( b) dephosphorization rate 由图 3 可知，随入炉铁水磷含量的升高转炉终 点钢液磷含量升高、脱磷率降低． 试验结果表明，控 制铁水磷含量在 0. 12% 以下，有利于实现转炉终点 脱磷率 ＞ 97. 5% 和终点钢液 ＜ 4 × 10 － 5 的出钢控制 目标． 2. 2 造渣制度分析 转炉原辅材料特别是冶金石灰质量直接影响着 吹炼过程炉渣的形成和脱磷能力． 为此，转炉双渣 深脱磷生产试验主要采用活性石灰、轻烧白云石、轻 烧镁球、烧结返矿造渣． 针对终点钢液磷质量分数 ＜ 4 × 10 － 5 的控制目标，根据铁水平均成分，提出以 下造渣方案: 开吹时向转炉中一次性加入吨钢( 70 ± 5) kg 的一次渣料，即在开始吹氧的同时加入活性 石灰 40 kg，轻烧白云石 10 kg，轻烧镁球 5 kg，烧结返 矿 5 kg; 一次倒渣后，加入吨钢( 45 ± 5) kg 的二次渣 料，即在脱碳吹炼过程中加入活性石灰 30 kg，轻烧 白云石为5 kg，烧结返矿为10 kg，脱碳冶炼过程中以 稳定操作、优化造渣为前提，分批次加入二次渣料， 转炉吹炼 TSC 取样前加完所有渣料． 辅料消耗与终点钢液磷含量的关系，如图 4 所 示． 可见，随辅料消耗增大，终点钢液磷含量降低， 即确保一定的渣量有利于实现转炉终点超低磷出钢． ·209·
·210 北京科技大学学报 第36卷 0.0045 通过对转炉治炼前期熔池内C、P、Fe三者选择 0.0040 性氧化的平衡分析，提出转炉治炼前期耦合脱磷反 0.0035 应，如式(7)所示，并以此式△G=0的温度指导转炉 0.0025 冶炼前期的一次倒渣操作. 0.0020 5C0+5(Fe0)+4P]=2(P,0)+5[C]+5Fe], 0.0015 (6) 0.001 80 90100110120130140160 a呢 吨铁料人炉总辅料量g △G=-549521.7122+964.2626T+RTn 图4辅料消耗与终点钢液磷含量的关系 ano'Po Fig.4 Relationship between materials consumption and phosphorus (7) content of endpoint liquid steel 式中，Pco表示C0气体分压，R是气体常数. 计算表明，转炉治炼前期耦合脱磷反应的平衡 2.3供氧制度分析 温度在1400~1450℃之间.由于熔池温度升高后 在原料和设备条件一定的前提下，氧枪的操作 碳氧化速度呈指数级增大，渣中F0含量迅速降 方式是决定脱磷效果的关键.在治炼过程中，采用 低，炉渣易返干，对脱磷不利，同时熔池温度不易准 变流量、变枪位供氧操作.其中，吹炼前期采用弱供 确控制，故实际生产中将一次倒渣温度按在1400~ 氧强度2.83.3m3.(mint)-,吹炼6min后即一 1430℃的范围控制. 次倒渣后供氧强度增大至3.5~3.8m3.(mint)l, 吹炼前期，铁水中的硅锰迅速氧化，渣中的 转炉吹炼至TSC后调整供氧强度在3.0~3.5m3· (S02)较高而熔池温度尚低，为了加速头批渣料的 (mint)-1,吹炼过程采取“高→低→高→低”的枪 熔化尽早去磷并减轻炉衬侵蚀，除加适量烧结返矿 位控制模式。 助熔外还应采用较高枪位，保证渣中的(FO)达到 前期低供氧强度有利于脱磷.分析认为，吹炼 并维持在20%~25%的控制水平，促进石灰熔化， 前期热力学条件是脱磷的主要矛盾，前期低供氧强 尽快形成具有一定碱度的炉渣，利用前期脱磷的低 度有利于化渣和抑制脱碳反应速度的快速升高，有 温、适当碱度、高(FO)的最佳时机进行最大限度的 利于提高前期脱磷效率；在吹炼中后期，大部分磷被 脱磷 脱除后，动力学条件即钢液中P和炉渣中P,0,的传 由于铁水温度及成分波动范围较大，这就要求 质将成为限制脱磷反应速度的主要影响因素，此时 治炼初期要根据铁水温度及废钢比采用不同的操作 采用较大供氧强度和高低交替的枪位控制等有利于 制度.当铁水温度较低(1300℃以下)时，转炉开吹 加强熔池搅拌的工艺操作，有利于促进转炉冶炼中 1~2min要采用较低枪位和较大氧流量以使硅、锰 后期深脱磷反应的进一步进行，为渣金间脱磷反应 迅速氧化和提高熔池温度，加速石灰的溶解，迅速形 的平衡创造有利条件 成初期渣，充分利用吹氧3~6min熔池温度较低 2.4过程控制分析 (1350~1400℃)、炉渣Fe0较高、碱度适当的优势， 2.4.1一次倒渣控制分析 快速高效脱磷.若铁水温度较高(1380℃以上)，治 虽然脱磷是放热反应，从热力学角度分析，提高 炼初期要适当增大废钢比或多加入部分铁矿石，采 温度不利于脱磷反应的进行，但需要指出的是，脱磷 用高枪位、低氧流量吹炼，抑制炉温的快速升高，同 反应主要是发生在渣一金界面上，且反应速度与炉 时也有利于石灰的溶解，延长治炼在低温区(1350~ 渣黏度有关，熔池温度升高加速石灰溶解化渣和炉 1400℃)的运行时间. 渣黏度的降低，从动力学方面有利于磷从金属向炉 治炼前期一次倒渣操作时炉渣成分及碱度情 渣的转移 况，如表2所示. 表2转炉治炼前期一次倒渣的炉渣成分及碱度情况 Table 2 Composition and basicity of first deslagging in presmelting of converter 一倒炉渣各成分的质量分数/% 项目 碱度，R Ca0 Mgo Mn0 Fe0 Si0, P205 范围 25.4-40.9 5.7-8.1 4.26.2 14.3-18.4 12.6-22.9 2.9w3.9 1.64-2.25 平均 33.9 6.5 5.7 17.2 17.6 3.3 1.9
北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 4 辅料消耗与终点钢液磷含量的关系 Fig． 4 Ｒelationship between materials consumption and phosphorus content of endpoint liquid steel 2. 3 供氧制度分析 在原料和设备条件一定的前提下，氧枪的操作 方式是决定脱磷效果的关键． 在冶炼过程中，采用 变流量、变枪位供氧操作． 其中，吹炼前期采用弱供 氧强度 2. 8 ～ 3. 3 m3 ·( min·t) － 1 ，吹炼 6 min 后即一 次倒渣后供氧强度增大至 3. 5 ～ 3. 8 m3 ·( min·t) － 1 ， 转炉吹炼至 TSC 后调整供氧强度在 3. 0 ～ 3. 5 m3 · ( min·t) － 1 ，吹炼过程采取“高→低→高→低”的枪 位控制模式． 前期低供氧强度有利于脱磷． 分析认为，吹炼 前期热力学条件是脱磷的主要矛盾，前期低供氧强 度有利于化渣和抑制脱碳反应速度的快速升高，有 利于提高前期脱磷效率; 在吹炼中后期，大部分磷被 脱除后，动力学条件即钢液中 P 和炉渣中 P2O5的传 质将成为限制脱磷反应速度的主要影响因素，此时 采用较大供氧强度和高低交替的枪位控制等有利于 加强熔池搅拌的工艺操作，有利于促进转炉冶炼中 后期深脱磷反应的进一步进行，为渣金间脱磷反应 的平衡创造有利条件． 2. 4 过程控制分析 2. 4. 1 一次倒渣控制分析 虽然脱磷是放热反应，从热力学角度分析，提高 温度不利于脱磷反应的进行，但需要指出的是，脱磷 反应主要是发生在渣--金界面上，且反应速度与炉 渣黏度有关，熔池温度升高加速石灰溶解化渣和炉 渣黏度的降低，从动力学方面有利于磷从金属向炉 渣的转移． 通过对转炉冶炼前期熔池内 C、P、Fe 三者选择 性氧化的平衡分析，提出转炉冶炼前期耦合脱磷反 应，如式( 7) 所示，并以此式 ΔG = 0 的温度指导转炉 冶炼前期的一次倒渣操作． 5CO + 5( FeO) + 4［P］= 2( P2O5 ) + 5［C］+ 5［Fe］， ( 6) ΔG = －549521. 7122 +964. 2626T + ＲTln a2 P2O5 ·a5 C a5 FeO ·a4 P ·P5 CO ． ( 7) 式中，PCO表示 CO 气体分压，Ｒ 是气体常数． 计算表明，转炉冶炼前期耦合脱磷反应的平衡 温度在 1400 ～ 1450 ℃ 之间． 由于熔池温度升高后 碳氧化速度呈指数级增大，渣中 FeO 含量迅速降 低，炉渣易返干，对脱磷不利，同时熔池温度不易准 确控制，故实际生产中将一次倒渣温度按在 1400 ～ 1430 ℃的范围控制． 吹炼前 期，铁 水 中 的 硅 锰 迅 速 氧 化，渣 中 的 ( SiO2 ) 较高而熔池温度尚低，为了加速头批渣料的 熔化尽早去磷并减轻炉衬侵蚀，除加适量烧结返矿 助熔外还应采用较高枪位，保证渣中的( FeO) 达到 并维持在 20% ～ 25% 的控制水平，促进石灰熔化， 尽快形成具有一定碱度的炉渣，利用前期脱磷的低 温、适当碱度、高( FeO) 的最佳时机进行最大限度的 脱磷． 由于铁水温度及成分波动范围较大，这就要求 冶炼初期要根据铁水温度及废钢比采用不同的操作 制度． 当铁水温度较低( 1300 ℃ 以下) 时，转炉开吹 1 ～ 2 min 要采用较低枪位和较大氧流量以使硅、锰 迅速氧化和提高熔池温度，加速石灰的溶解，迅速形 成初期渣，充分利用吹氧 3 ～ 6 min 熔池温度较低 ( 1350 ～ 1400 ℃ ) 、炉渣 FeO 较高、碱度适当的优势， 快速高效脱磷． 若铁水温度较高( 1380 ℃ 以上) ，冶 炼初期要适当增大废钢比或多加入部分铁矿石，采 用高枪位、低氧流量吹炼，抑制炉温的快速升高，同 时也有利于石灰的溶解，延长冶炼在低温区( 1350 ～ 1400 ℃ ) 的运行时间． 冶炼前期一次倒渣操作时炉渣成分及碱度情 况，如表 2 所示． 表 2 转炉冶炼前期一次倒渣的炉渣成分及碱度情况 Table 2 Composition and basicity of first deslagging in pre-smelting of converter 项目 一倒炉渣各成分的质量分数/% CaO MgO MnO FeO SiO2 P2O5 碱度，Ｒ 范围 25. 4 ～ 40. 9 5. 7 ～ 8. 1 4. 2 ～ 6. 2 14. 3 ～ 18. 4 12. 6 ～ 22. 9 2. 9 ～ 3. 9 1. 64 ～ 2. 25 平均 33. 9 6. 5 5. 7 17. 2 17. 6 3. 3 1. 9 ·210·
增刊1 胡晓光等：复吹转炉双渣深脱磷工艺实践 ·211· 通过采用上述治炼工艺操作，基本达到了转炉 池磷质量分数脱至0.021%~0.032%和脱磷率> 治炼初期快速成渣脱磷的目的，有效促进了转炉冶 70%的化渣与脱磷效果. 炼前期脱磷反应的进行.试验结果表明，将一次倒 2.4.2终点控制分析 渣时间按开吹6min和1400~1430℃控制时，可以 转炉吹炼后期枪位应适当高些，基本任务是调 实现一次倒渣时炉渣碱度为1.64~2.25，平均碱度 好炉渣的氧化性和流动性，继续利用高碱度、高 1.9:渣中P205质量分数为2.9%~3.9%，平均P205 (FO)终渣尽量的去除磷，进行深脱磷反应. 质量分数为3.3%；渣中F0质量分数为14.3%~ 终点钢液和炉渣控制情况分别如表3和表4 18.4%,平均Fe0含量17.2%；一次倒渣时金属熔 所示. 表3转炉治炼终点钢液温度及成分 Table 3 Temperature and composition of endpoint steel in converter 终点钢液各元素的质量分数/% 项目 温度/℃ 脱磷率/% Si Mn 范围 15891668 0.029-0.0570.004-0.022 0.030-0.079 0.0018-0.00410.0053-0.0198 94.298.5 平均 1640 0.040 0.015 0.051 0.0035 0.0132 97.3 表4转炉治炼终点炉渣成分 Table 4 Composition of endpoint slag in converter 终点炉渣各成分的质量分数/% 项目 碱度，R 分配比，L Mgo MnO FeO Si032 P205 范围 33.8-45.8 4.9~7.2 1.9-3.015.4-25.2 4.9~9.81.3-2.4 4.2-5.1 137~320 平均 43.3 6.3 2.4 21.6 8.6 1.6 4.8 231 转炉治炼终点出钢温度控制在15891668 1300℃，有利于稳定实现转炉终点超低磷出钢 ℃，平均温度为1640℃.终点碳质量分数控制在 (2)开吹时向转炉中一次性加入吨钢70±5kg 0.029%~0.057%,平均碳质量分数为0.040%. 的一次渣料；一次倒渣后，分批次加入吨钢45±5kg 由于试验采用双渣治炼工艺，一次倒渣后炉内 的二次渣料，且在转炉吹炼TSC取样前加完所有 SO,量显著减少，故终渣碱度偏高，实际控制在 渣料. 4.2~5.1,平均碱度为4.8.终渣Fe0质量分数为 (3)控制一次倒渣在开吹6min和1400~1430 15.4%~25.2%,平均Fe0质量分数为21.6%. ℃时，可形成平均碱度为1.9、P,0,质量分数为 同理，由于转炉治炼前期一次倒渣将炉内高磷渣 3.3%、F0质量分数为17.2%的前期炉渣和实现 排出炉外，炉内磷量显著减少，终渣Pz0含量也明 一次倒渣时金属熔池磷含量脱至0.021%~ 显较低，控制在1.3%~2.4%，平均P,0,质量分 0.032%、脱磷率>70%的脱磷效果. 数为1.6%.终渣磷分配比L达到了137~320，平 (4)控制治炼终点温度在1640℃、碳质量分数 均L,为231.试验炉次终点钢液磷质量分数控制 0.040%、碱度4.8、F0质量分数21.6%、P203质量 在0.0018%~0.0041%，平均磷质量分数为 分数1.6%的条件下，实现了转炉冶炼终点脱磷率 0.0035%,实现了转炉治炼终点钢液≤4×10的 达97.3%和钢液磷质量分数≤4×10-5的治炼 出钢控制目标.同时，钢液终点脱磷率达到了 效果 94.2%~98.5%,平均脱磷率为97.3%，也实现了 参考文献 转炉深脱磷目标 [1]Wu X F,Li D G,Cao D,et al.Study and practice on technologies 3结论 of deep dephosphorization with single slag in 260 t combined con- verter.J Steel Making,2011,27 (2):1 通过对南钢120t复吹转炉进行双渣冶炼超低 (万雪峰，李德刚，曹东，等.260t复吹转炉单渣深脱磷工艺研 究与实践.炼钢，2011,27(2)：1) 磷钢的探索试验，得出以下结论 2] Hao X D,Li JX,Zhang L F,et al.The development of hot metal (1)控制入炉铁水硅质量分数在0.20%~ pretreatment technologies in BOF.J Research on Iron Steel, 0.40%范围，磷质量分数 2008,36(5):52
增刊 1 胡晓光等: 复吹转炉双渣深脱磷工艺实践 通过采用上述冶炼工艺操作，基本达到了转炉 冶炼初期快速成渣脱磷的目的，有效促进了转炉冶 炼前期脱磷反应的进行． 试验结果表明，将一次倒 渣时间按开吹 6 min 和 1400 ～ 1430 ℃ 控制时，可以 实现一次倒渣时炉渣碱度为 1. 64 ～ 2. 25，平均碱度 1. 9; 渣中 P2O5质量分数为2. 9% ～ 3. 9% ，平均 P2O5 质量分数为 3. 3% ; 渣中 FeO 质量分数为 14. 3% ～ 18. 4% ，平均 FeO 含量 17. 2% ; 一次倒渣时金属熔 池磷质量分数脱至 0. 021% ～ 0. 032% 和脱磷率 ＞ 70% 的化渣与脱磷效果． 2. 4. 2 终点控制分析 转炉吹炼后期枪位应适当高些，基本任务是调 好炉渣的氧化性和流动性，继续利用高碱度、高 ( FeO) 终渣尽量的去除磷，进行深脱磷反应． 终点钢液和炉渣控制情况分别如表 3 和表 4 所示． 表 3 转炉冶炼终点钢液温度及成分 Table 3 Temperature and composition of endpoint steel in converter 项目 温度/℃ 终点钢液各元素的质量分数/% C Si Mn P S 脱磷率/% 范围 1589 ～ 1668 0. 029 ～ 0. 057 0. 004 ～ 0. 022 0. 030 ～ 0. 079 0. 0018 ～ 0. 0041 0. 0053 ～ 0. 0198 94. 2 ～ 98. 5 平均 1640 0. 040 0. 015 0. 051 0. 0035 0. 0132 97. 3 表 4 转炉冶炼终点炉渣成分 Table 4 Composition of endpoint slag in converter 项目 终点炉渣各成分的质量分数/% CaO MgO MnO FeO SiO2 P2O5 碱度，Ｒ 分配比，Lp 范围 33. 8 ～ 45. 8 4. 9 ～ 7. 2 1. 9 ～ 3. 0 15. 4 ～ 25. 2 4. 9 ～ 9. 8 1. 3 ～ 2. 4 4. 2 ～ 5. 1 137 ～ 320 平均 43. 3 6. 3 2. 4 21. 6 8. 6 1. 6 4. 8 231 转炉冶炼终点出钢温度控制在 1589 ～ 1668 ℃ ，平均温度为 1640 ℃ ． 终点碳质量分数控制在 0. 029% ～ 0. 057% ，平均碳质量分数为 0. 040% ． 由于试 验 采 用 双 渣 冶 炼 工 艺，一次倒渣后炉内 SiO2量显 著 减 少，故终渣碱度偏高，实 际 控 制 在 4. 2 ～ 5. 1，平均碱度为 4. 8． 终渣 FeO 质量分数为 15. 4% ～ 25. 2% ，平 均 FeO 质 量 分 数 为 21. 6% ． 同理，由于转炉冶炼前期一次倒渣将炉内高磷渣 排出炉外，炉内磷量显著减少，终渣 P2O5含量也明 显较低，控制在 1. 3% ～ 2. 4% ，平均 P2 O5 质量分 数为 1. 6% ． 终渣磷分配比 Lp达到了 137 ～ 320，平 均 Lp为 231． 试验炉次终点钢液磷质量分数控制 在 0. 0018% ～ 0. 0041% ，平 均 磷 质 量 分 数 为 0. 0035% ，实现了转炉冶炼终点钢液≤4 × 10 － 5 的 出钢 控 制 目 标． 同 时，钢液终点脱磷率达到了 94. 2% ～ 98. 5% ，平均脱磷率为 97. 3% ，也实现了 转炉深脱磷目标． 3 结论 通过对南钢 120 t 复吹转炉进行双渣冶炼超低 磷钢的探索试验，得出以下结论． ( 1 ) 控制入炉铁水硅质量分数在 0. 20% ～ 0. 40% 范围，磷质量分数 ＜ 0. 12% ，且铁水温度 ＞ 1300 ℃，有利于稳定实现转炉终点超低磷出钢． ( 2) 开吹时向转炉中一次性加入吨钢 70 ± 5 kg 的一次渣料; 一次倒渣后，分批次加入吨钢 45 ± 5 kg 的二次渣料，且在转炉吹炼 TSC 取样前加完所有 渣料． ( 3) 控制一次倒渣在开吹 6 min 和 1400 ～ 1430 ℃时，可形成平均碱度为 1. 9、P2 O5 质 量 分 数 为 3. 3% 、FeO 质量分数为 17. 2% 的前期炉渣和实现 一次 倒 渣 时 金 属 熔 池 磷 含 量 脱 至 0. 021% ～ 0. 032% 、脱磷率 ＞ 70% 的脱磷效果． ( 4) 控制冶炼终点温度在 1640℃、碳质量分数 0. 040% 、碱度 4. 8、FeO 质量分数 21. 6% 、P2O5质量 分数 1. 6% 的条件下，实现了转炉冶炼终点脱磷率 达 97. 3% 和钢液磷质量分数 ≤4 × 10 － 5 的 冶 炼 效果． 参 考 文 献 ［1］ Wu X F，Li D G，Cao D，et al． Study and practice on technologies of deep dephosphorization with single slag in 260 t combined converter． J Steel Making，2011，27( 2) : 1 ( 万雪峰，李德刚，曹东，等． 260 t 复吹转炉单渣深脱磷工艺研 究与实践． 炼钢，2011，27( 2) : 1) ［2］ Hao X D，Li J X，Zhang L F，et al． The development of hot metal pretreatment technologies in BOF． J Ｒesearch on Iron ＆ Steel， 2008，36( 5) : 52 ·211·
·212 北京科技大学学报 第36卷 (郝旭东，李建新，张临峰，等.转炉脱磷工艺的发展.钢铁研 phosphorization slag produced by duplex high phosphorus hot metal 究，2008,36(5)：52) refining.S0lm,2012,52(6):955 B]Kang F,Lu Z X,Jiang X F,et al.Research and development of Yang X,Sun F M,Yang J I,et al.Optimization of low phosphorus BRP technology at Baosteel.J /ron and Steel,2005,40(2):25 steel production with double slag process in BOF.Journal of ron (康复，陆志新，蒋晓放，等.宝钢BRP技术的研究与开发.钢 and Steel Rearch,Interationnal,2013,20(8):41 铁，2005,40(2)：25) 8] Tian Z H,Li B H,Zhang X M,et al.Double slag operation dephos- 4]Kitamura S Y,Miyamoto K I,Shibata H.et al.Analysis of dephos- phorization in BOF for producing low phosphorus steel.Journal of phorization reaction using a simulation model of hot metal dephos- Iron and Steel Rearch,Interationnal,2009,16(3):6 phorization by multiphase slag.IS/J Int,2009,49(9):1333 9]Wei S K.Thermodynamics of Process Metallurgy.Beijing:Science [5]Chang K L,Hwang W J.Chou W H,et al.Investigation of blo- Press,2010 wing high silicon hot metal by double slag process /Extended Ab- (魏寿坤.治金过程热力学.北京：科学出版社，2010) stracts of Ninth International Conference on Molten Slags,Fluxes [10]Qu Y.Principle of Steel Making.2nd.Ed.Beijing.Metallurgical and Salts (MOLTEN12).Beijing,2012:1 Industry Press,1994 [6]Jiang D,Bing X,Wang Y H.et al.Recovery of phosphorus from de- (曲英.炼钢学原理.2版.北京：治金工业出版社，1994)
北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 ( 郝旭东，李建新，张临峰，等． 转炉脱磷工艺的发展． 钢铁研 究，2008，36( 5) : 52) ［3］ Kang F，Lu Z X，Jiang X F，et al． Ｒesearch and development of BＲP technology at Baosteel． J Iron and Steel，2005，40( 2) : 25 ( 康复，陆志新，蒋晓放，等． 宝钢 BＲP 技术的研究与开发． 钢 铁，2005，40( 2) : 25) ［4］ Kitamura S Y，Miyamoto K I，Shibata H． et al． Analysis of dephosphorization reaction using a simulation model of hot metal dephosphorization by multiphase slag． ISIJ Int，2009，49( 9) : 1333 ［5］ Chang K L，Hwang W J，Chou W H，et al． Investigation of blowing high silicon hot metal by double slag process / / Extended Abstracts of Ninth International Conference on Molten Slags，Fluxes and Salts ( MOLTEN12) ． Beijing，2012: 1 ［6］ Jiang D，Bing X，Wang Y H． et al． Ｒecovery of phosphorus from dephosphorization slag produced by duplex high phosphorus hot metal refining． ISIJ Int，2012，52( 6) : 955 ［7］ Yang X，Sun F M，Yang J I，et al． Optimization of low phosphorus steel production with double slag process in BOF． Journal of Iron and Steel Ｒearch，Interationnal，2013，20( 8) : 41 ［8］ Tian Z H，Li B H，Zhang X M，et al． Double slag operation dephosphorization in BOF for producing low phosphorus steel． Journal of Iron and Steel Ｒearch，Interationnal，2009，16( 3) : 6 ［9］ Wei S K． Thermodynamics of Process Metallurgy． Beijing: Science Press，2010 ( 魏寿坤． 冶金过程热力学． 北京: 科学出版社，2010) ［10］ Qu Y． Principle of Steel Making． 2nd． Ed． Beijing． Metallurgical Industry Press，1994 ( 曲英． 炼钢学原理． 2 版． 北京: 冶金工业出版社，1994) ·212·
