300t顶底复吹转炉炉渣磷酸盐容量计算分析及预测模型

工程科学学报，第38卷，增刊1：8389,2016年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,Suppl.1:83-89,June 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.s1.015:http://journals.ustb.edu.cn 300t项底复吹转炉炉渣磷酸盐容量计算分析及预测 模型 孙彦辉)四，赵长亮12》，罗磊》，赵志超” 1)北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京10心083 2)首钢京唐钢铁联合有限责任公司，唐山063200 ☒通信作者，E-mail:sun_yanhui(@163.com 摘要通过对某钢厂脱磷转炉炉渣磷酸盐容量计算和分析并结合前人的研究成果，得出实测炉渣磷酸盐容量与炉渣中碱 性氧化物含量、炉渣光学碱度、炉渣中全铁含量和温度的变化关系，并结合生产数据拟合出炉渣的组成与炉渣磷酸盐容量的 表达式.将文献报道的不同炉渣磷酸盐容量模型的计算值与实测值进行了对比和分析.基于共存理论建立了本渣系炉渣磷 酸盐容量预测模型，误差分析表明该预测模型准确可信，将为现场生产提供理论指导 关键词炉渣：磷酸盐容量：共存理论；预测模型 分类号TF703.6 Calculation and analysis of slag phosphate capacity and prediction model in 300t top- and bottom-blowing converter SUN Yan-hui ZHAO Chang-liang),LUO Lei,ZHAO Zhi-chao 1)Collaborative Innovation Center of Steel Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Shougang Jingtang United Iron and Steel Co.,Lid,Tangshan 063200,China Corresponding author,E-mail:sun_yanhui@163.com ABSTRACT The effect of alkaline oxide content,optical basicity,total iron content in slag and temperature on the measured slag phosphate capacity was investigated through the calculation and analysis of the slag phosphate capacity during the converter dephospho- rization process combined with previous study.The relationship between phosphate capacity and composition of slag was fitted accord- ing to the production data.In addition,different prediction models of phosphate capacity were compared and analyzed from previous studies.Based on the coexistence theory,the prediction model of phosphate capacity in slag system was established,and the error analysis shows that the prediction model is accurate and credible,which can provide a theoretical guidance for the field production. KEY WORDS slag:phosphate capacity:coexistence theory:prediction model 对于绝大多数钢种来说磷是一种有害元素.磷能钢材的磷含量提出了严格的要求.对于低磷或者超低 显著降低钢的回火韧性和冲击韧性：磷使钢的冷脆转磷钢种要求磷的质量分数小于0.01%甚至小于 变温度升高导致“冷脆”：磷在钢水凝固过程中的偏析0.005%，其治炼过程要从包括铁水预处理脱磷、转炉 会造成钢局部组织异常和机械性能不均匀：磷在一定 炉内脱磷、钢水炉外脱磷等工艺入手，尽可能降低钢中 程度上影响钢材的焊接性能；有些学者认为钢中硫、磷 的磷含量. 等杂质元素的晶间偏析是铸坯产生中间裂纹的内 磷酸盐容量是衡量炉渣脱磷能力的一个很重要的 因-刀.鉴于磷对钢性能的诸多不利影响，钢铁企业对 参数，它只与温度和炉渣成分有关，适用于铁水预处理 收稿日期：20160106

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1: 83--89，2016 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，Suppl． 1: 83--89，June 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． s1． 015; http: / /journals． ustb． edu． cn 300 t 顶底复吹转炉炉渣磷酸盐容量计算分析及预测 模型 孙彦辉1) ，赵长亮1，2) ，罗 磊2) ，赵志超1) 1) 北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京 100083 2) 首钢京唐钢铁联合有限责任公司，唐山 063200  通信作者，E-mail: sun_yanhui@ 163． com 摘 要 通过对某钢厂脱磷转炉炉渣磷酸盐容量计算和分析并结合前人的研究成果，得出实测炉渣磷酸盐容量与炉渣中碱 性氧化物含量、炉渣光学碱度、炉渣中全铁含量和温度的变化关系，并结合生产数据拟合出炉渣的组成与炉渣磷酸盐容量的 表达式． 将文献报道的不同炉渣磷酸盐容量模型的计算值与实测值进行了对比和分析． 基于共存理论建立了本渣系炉渣磷 酸盐容量预测模型，误差分析表明该预测模型准确可信，将为现场生产提供理论指导． 关键词 炉渣; 磷酸盐容量; 共存理论; 预测模型 分类号 TF703. 6 Calculation and analysis of slag phosphate capacity and prediction model in 300 t top￾and bottom-blowing converter SUN Yan-hui1)  ，ZHAO Chang-liang1，2) ，LUO Lei2) ，ZHAO Zhi-chao1) 1) Collaborative Innovation Center of Steel Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Shougang Jingtang United Iron and Steel Co． ，Ltd，Tangshan 063200，China  Corresponding author，E-mail: sun_yanhui@ 163． com ABSTＲACT The effect of alkaline oxide content，optical basicity，total iron content in slag and temperature on the measured slag phosphate capacity was investigated through the calculation and analysis of the slag phosphate capacity during the converter dephospho￾rization process combined with previous study． The relationship between phosphate capacity and composition of slag was fitted accord￾ing to the production data． In addition，different prediction models of phosphate capacity were compared and analyzed from previous studies． Based on the coexistence theory，the prediction model of phosphate capacity in slag system was established，and the error analysis shows that the prediction model is accurate and credible，which can provide a theoretical guidance for the field production． KEY WOＲDS slag; phosphate capacity; coexistence theory; prediction model 收稿日期: 2016--01--06 对于绝大多数钢种来说磷是一种有害元素． 磷能 显著降低钢的回火韧性和冲击韧性; 磷使钢的冷脆转 变温度升高导致“冷脆”; 磷在钢水凝固过程中的偏析 会造成钢局部组织异常和机械性能不均匀; 磷在一定 程度上影响钢材的焊接性能; 有些学者认为钢中硫、磷 等杂质元素的晶间偏析是铸坯产生中间裂纹的内 因［1--7］． 鉴于磷对钢性能的诸多不利影响，钢铁企业对 钢材的磷含量提出了严格的要求． 对于低磷或者超低 磷钢 种 要 求 磷 的 质 量 分 数 小 于 0. 01% 甚 至 小 于 0. 005% ，其冶炼过程要从包括铁水预处理脱磷、转炉 炉内脱磷、钢水炉外脱磷等工艺入手，尽可能降低钢中 的磷含量． 磷酸盐容量是衡量炉渣脱磷能力的一个很重要的 参数，它只与温度和炉渣成分有关，适用于铁水预处理

·84 工程科学学报，第38卷，增刊1 脱磷、转炉炉内脱磷和钢水炉外脱磷等环节.国内外 果因，图1给出了炉渣中碱性氧化物含量与炉渣磷酸 学者对不同渣系的热力学计算过程都有磷酸盐容量的 盐容量的变化关系.由图1可知，随着炉渣中碱性氧 计算，在1673K时，Ba0-BaF2的磷酸盐容量在104~ 化物含量的增加不同渣系的炉渣磷酸盐容量呈增大趋 10”之间，Ca0-CaF,的磷酸盐容量在103~104之 势.含有Na,O的渣系在渣中碱性氧化物含量很低时， 间网.由于不同的炉渣理论都存在不同的假设，很难 炉渣的磷酸盐容量就能达到了105~1092之间，相比 通过炉渣的成分和结构去计算磷酸盐容量，本文选取 其他渣系炉渣磷酸盐容量高出约1个数量.现场转炉 转炉现场的生产数据，通过钢液的成分、温度及炉渣中 治炼终点钢水温度在1650℃以上，炉渣的磷酸盐容量 P,0,的含量计算炉渣的磷酸盐容量，分析不同炉渣磷 在105~107.5之间，比实验室1600℃实验条件下炉 酸盐容量模型计算的准确性并总结出适用于现场生产 渣的磷酸盐容量低1~2个数量级，说明低温条件下脱 的磷酸盐容量预测模型，为生产应用提供理论依据 磷反应的平衡常数更大. 20.0 1 理论背景 ■实验室Ca()-(CF,-F0渣系 0实脸军B-O-Ca,-Fr0渣系 19.5 △实验室BO-CaO-(GaF渣系 熔渣吸收磷的能力称为磷容量.在氧化性条件 e实验室Na.SiO,-BO渣系 19.0 'A实测渣系i 下，Wagner网根据气-渣间的反应(1)定义了渣-气磷 酸盐容量C心，如式(3)所示. 18.5 日+0.(g0+20)=0,0 △---0- ◆ 18.0 dpo'- 17.5 Koo (2) 17.0 AA Ko(ao-）n(9%P0) 24283236404448525660 碱性氧化物质量分数经 (3) 图1炉渣中碱性氧化物含量与炉渣磷酸盐容量关系 式中，K为反应(1)的平衡常数，ao-为熔渣相中02- Fig.I Relationship between the content of alkaline oxide and the slag phosphate capacity 的活度，∫o为熔渣相中PO”的活度系数，(%P0) 为熔渣相中PO”的质量百分浓度，P。,、P。分别为渣钢 2.2炉渣中全铁含量与磷酸盐容量的关系 界面的氧分压和磷分压 结合生产数据分析了炉渣中全铁含量与炉渣磷酸 下面的热力学数据用来计算磷容量，磷分压由式 盐容量之间的变化关系，见图2.由图2可知，当炉渣 (4)、(5)@计算： 中全铁的质量分数由10%增大到26%时，炉渣的磷酸 (e=P], 盐容量逐渐减小后趋于稳定.这说明当炉渣中全铁含 (4) 量达到一定值后，增加炉渣中F0含量会稀释炉渣中 △G9=-157700+5.4T,J/mol. (5) 的碱性氧化物含量，并不能达到增强炉渣脱磷能力的 氧分压由式(6)、(7)四计算： 效果，所以合适的炉渣全铁质量分数应该在10%~ 20.g=D1. (6) 15%之间.当炉渣中全铁含量相同时，随着炉渣碱度 的增加，炉渣的磷酸盐容量呈增大趋势，但炉渣碱度 △G9=-117110-3.39T,J/mol. (7) R=4~5相比于炉渣碱度R=3~4时炉渣的磷酸盐 根据公式(3)~(7)，得到磷容量的计算式如下： 容量变化不大.这说明随着炉渣碱度的增加，炉渣的 IgCpo:=IgLp -Igfp -2.51g [0]-2.51gfo+ 脱磷能力逐渐增强：当炉渣碱度达到一定值时，增大炉 lgK。+2.5lgK。+0.49. (8) 渣碱度对炉渣的脱磷能力影响不大，所以合适的炉渣 式中，∫。是以质量分数为1%的溶液为标准态钢液 碱度应该在R=3~4. 中回的活度系数，采用(9)、(10)计算。四 2.3温度与磷酸盐容量的关系 lgf6=e[%0]=(-17501T+0.734[%0],(9) 结合生产数据以及其他研究者的研究结果，图 Ig/ef [%o P]+ef [C]+e [O] 3给出了温度与炉渣磷酸盐容量的变化关系.由图3 0.062[%P]+0.13[%C]+0.13[%0].(10) 可知，随着温度的升高炉渣磷酸盐容量呈减小趋势，这 2磷酸盐容量的影响因素 与热力学分析低温有利于脱磷反应进行相一致.文献 数据中温度在1813~1993K范围时，炉渣的磷酸盐 2.1炉渣中碱性氧化物含量与磷酸盐容量的关系 容量在1018~10935之间.实测数据温度在1846~ 结合现场生产数据以及其他研究者的研究结 1990K范围，炉渣磷酸盐容量在105~10.5之间.在

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 脱磷、转炉炉内脱磷和钢水炉外脱磷等环节． 国内外 学者对不同渣系的热力学计算过程都有磷酸盐容量的 计算，在 1673 K 时，BaO--BaF2的磷酸盐容量在 1024 ～ 1027之 间，CaO--CaF2 的 磷 酸 盐 容 量 在 1023 ～ 1024 之 间［8］． 由于不同的炉渣理论都存在不同的假设，很难 通过炉渣的成分和结构去计算磷酸盐容量，本文选取 转炉现场的生产数据，通过钢液的成分、温度及炉渣中 P2O5的含量计算炉渣的磷酸盐容量，分析不同炉渣磷 酸盐容量模型计算的准确性并总结出适用于现场生产 的磷酸盐容量预测模型，为生产应用提供理论依据． 1 理论背景 熔渣吸收磷的能力称为磷容量． 在氧化性条件 下，Wagner［9］根据气--渣间的反应( 1) 定义了渣--气磷 酸盐容量 CPO3 － 4 ，如式( 3) 所示． 1 2 P2 ( g) + 5 4 O2 ( g) + 3 2 ( O2 － ) = ( PO3 － 4 ) ， ( 1) KPO3 － 4 = aPO3 － 4 a3 /2 O2 － P1 /2 P2 P5 /4 O2 ， ( 2) CPO3 － 4 = KPO3 － 4 ( aO2 － ) 3 /2 fPO3 － 4 = ( % PO3 － 4 ) P1 /2 P2 P5 /4 O2 ． ( 3) 式中，KPO3 － 4 为反应( 1) 的平衡常数，aO2 － 为熔渣相中 O2 － 的活度，fPO3 － 4 为熔渣相中PO3 － 4 的活度系数，( % PO3 － 4 ) 为熔渣相中PO3 － 4 的质量百分浓度，PO2 、PP2 分别为渣钢 界面的氧分压和磷分压． 下面的热力学数据用来计算磷容量，磷分压由式 ( 4) 、( 5) ［10］计算: 1 2 P2 ( g) =［P］， ( 4) ΔG = － 157700 + 5. 4T，J /mol． ( 5) 氧分压由式( 6) 、( 7) ［11］计算: 1 2 O2 ( g) =［O］， ( 6) ΔG = － 117110 － 3. 39T，J /mol． ( 7) 根据公式( 3) ～ ( 7) ，得到磷容量的计算式如下: lgCPO3 － 4 = lgLP － lgfP － 2. 5lg ［% O］－ 2. 5lgfO + lgKP + 2. 5lgKO + 0. 49． ( 8) 式中，fP、fO 是以质量分数为 1% 的溶液为标准态钢液 中［P］的活度系数，采用( 9) 、( 10) 计算 fP、fO ［12］． lg fO = e O P［% O］= ( － 1750 /T + 0. 734) ［% O］，( 9) lg fp = e P P［% P］+ e C P［% C］+ e O P［% O］= 0. 062［% P］+ 0. 13［% C］+ 0. 13［% O］． ( 10) 2 磷酸盐容量的影响因素 2. 1 炉渣中碱性氧化物含量与磷酸盐容量的关系 结合现场生产数据以及其 他 研 究 者 的 研 究 结 果［13］，图 1 给出了炉渣中碱性氧化物含量与炉渣磷酸 盐容量的变化关系． 由图 1 可知，随着炉渣中碱性氧 化物含量的增加不同渣系的炉渣磷酸盐容量呈增大趋 势． 含有 Na2O 的渣系在渣中碱性氧化物含量很低时， 炉渣的磷酸盐容量就能达到了 1018. 5 ～ 1019. 2之间，相比 其他渣系炉渣磷酸盐容量高出约 1 个数量． 现场转炉 冶炼终点钢水温度在 1650 ℃以上，炉渣的磷酸盐容量 在 1016. 5 ～ 1017. 5之间，比实验室 1600 ℃ 实验条件下炉 渣的磷酸盐容量低 1 ～ 2 个数量级，说明低温条件下脱 磷反应的平衡常数更大． 图 1 炉渣中碱性氧化物含量与炉渣磷酸盐容量关系 Fig． 1 Ｒelationship between the content of alkaline oxide and the slag phosphate capacity 2. 2 炉渣中全铁含量与磷酸盐容量的关系 结合生产数据分析了炉渣中全铁含量与炉渣磷酸 盐容量之间的变化关系，见图 2． 由图 2 可知，当炉渣 中全铁的质量分数由 10% 增大到 26% 时，炉渣的磷酸 盐容量逐渐减小后趋于稳定． 这说明当炉渣中全铁含 量达到一定值后，增加炉渣中 FeO 含量会稀释炉渣中 的碱性氧化物含量，并不能达到增强炉渣脱磷能力的 效果，所以合适的炉渣全铁质量分数应该在 10% ～ 15% 之间． 当炉渣中全铁含量相同时，随着炉渣碱度 的增加，炉渣的磷酸盐容量呈增大趋势，但炉渣碱度 Ｒ = 4 ～ 5 相比于炉渣碱度 Ｒ = 3 ～ 4 时炉渣的磷酸盐 容量变化不大． 这说明随着炉渣碱度的增加，炉渣的 脱磷能力逐渐增强; 当炉渣碱度达到一定值时，增大炉 渣碱度对炉渣的脱磷能力影响不大，所以合适的炉渣 碱度应该在 Ｒ = 3 ～ 4． 2. 3 温度与磷酸盐容量的关系 结合生产数据以及其他研究者的研究结果［14］，图 3 给出了温度与炉渣磷酸盐容量的变化关系． 由图 3 可知，随着温度的升高炉渣磷酸盐容量呈减小趋势，这 与热力学分析低温有利于脱磷反应进行相一致． 文献 数据［14］中温度在 1813 ～ 1993 K 范围时，炉渣的磷酸盐 容量在 1018 ～ 1019. 35 之间． 实 测 数 据 温 度 在 1846 ～ 1990 K 范围，炉渣磷酸盐容量在 1016. 5 ～ 1018. 5之间． 在 · 48 ·

孙彦辉等：300t顶底复吹转炉炉渣磷酸盐容量计算分析及预测模型 ·85 18.4 1900-1990K 工业生产数据 DR=2-3 反应很难达到平衡.这也说明实际生产中炉渣的磷酸 18.2 ⊙ △R=45 盐容量还有进一步提升的空间 18.0 K=3-4R=45 20 17.8方 △ 19 E17.62 ”口0的a △ 三17.4 18 17.2 9日0马0 oo. 17.0 16 16.8 15 Ga0-Mg0-CaF-Fe0-Si0,-P,030 16.6 CaO-Mg0-Fe0-SiO.-P.O7 10121416182022242628 14 Cao-Mno-Mgo-Fe0-SiO,-AL,0.J (%TFe) 13 Cao-Ba0-GaF.-Fe0us 图2炉渣中全铁含量与炉渣磷酸盐容量关系 。本研究(T=1953-1993K) Fig.2 Relationship between the content of total iron in slag and the 154058062060700740.78 slag phosphate capacity 光学碱度 图4光学碱度与炉渣磷酸盐容量关系 现场转炉治炼终点的钢水温度条件下，炉渣磷酸盐容 Fig.4 Relationship between the optical basicity and the slag phos- 量比实验室温度条件下炉渣磷酸盐容量低1~2个数 phorus capacity 量级，说明低温条件下脱磷反应的平衡常数更大 2.5炉渣组成与磷酸盐容量的关系 19.5 。文献数据 为了更加方便、直观地预测该渣系炉渣的磷酸盐 19.0 0 △实测数据 容量，给现场生产提供一定理论指导，本文作者综合分 析了现场生产500炉低磷钢种的转炉治炼数据，利用 185 0 1 stOpt分析软件拟合出该渣系的炉渣磷酸盐容量计算 18.0 公式，具体见图5. 19.0r 17.5 1900-1930k 18.5 17.0 18.0 190K 离× 1960-1990K 18001820184018601880190019201940196019802000 17.5 州 第可8 T/K 图3温度与炉渣磷酸盐容量关系 17.0 :盟4总0 。1900-1930K克值 .10001020k Fig.3 Relationship between the temperature and the slag phosphorus 41930-1960 1930 96 capacity 16.5 =196-199)人 米1960-1990K拟合值 2.4光学碱度与磷酸盐容量的关系 16.0628303234363840424446 结合生产治炼数据以及其他研究者的研究结 果3,5网，图4给出了炉渣光学碱度与炉渣磷酸盐容 图5炉渣成分与磷酸盐容量关系 量之间的关系.由图4可知，随着炉渣光学碱度的增 Fig.5 Relationship between the composition of slag and the slag phosphate capacity 加不同渣系炉渣磷酸盐容量呈现增大趋势，具体表现 为当炉渣光学碱度小于0.70时，炉渣磷酸盐容量随着 由图5可知，不同含量炉渣组成的磷酸盐容量拟 光学碱度呈直线增加趋势：当炉渣光学碱度大于0.70 合值与实测值吻合度很高：在不同的温度范围下炉渣 时，随着光学碱度的增加炉渣磷酸盐容量平缓增加，但 组元变量W={(%Ca0)+0.143(%Mg0)-0.00334 变化值不大.局限于现场生产条件，本次研究实测炉 (%fe)+5.24(%P,03)-1.442(%Mn0)-0.889% 渣的光学碱度范围在0.70~0.75之间，炉渣磷酸盐容 Si02-0.629(%AL,0,)}与炉渣磷酸盐容量严格满足 量随着光学碱度呈增大趋势，但变化范围不大.当光 相同的直线变化关系.这说明根据生产数据拟合出的 学碱度在0.70~0.75之间时，本次研究炉渣磷酸盐容 计算公式可以很好地预测该渣系炉渣的磷酸盐容量. 量在105~105之间，明显低于在相同光学碱度下其 本实验条件下，炉渣的磷酸盐容量预测模型的计 他研究者的炉渣磷酸盐容量(10.5-1085).分析可 算公式如下： 能的原因如下：其他研究者在实验室中进行脱磷实验 lgCpo=0.031{(9%Ca0）+0.143(9%Mg0)- 时炉渣磷酸盐容量更接近理论值，而在实际生产中受 0.003343(9%TFe)+5.242(%P20)-1.442(%Mn0）- 反应时间、化渣情况和动力学条件等因素的影响，渣钢 0.880(%Si0,)-0.6294(%Al,0,)}+

孙彦辉等: 300 t 顶底复吹转炉炉渣磷酸盐容量计算分析及预测模型 图 2 炉渣中全铁含量与炉渣磷酸盐容量关系 Fig． 2 Ｒelationship between the content of total iron in slag and the slag phosphate capacity 现场转炉冶炼终点的钢水温度条件下，炉渣磷酸盐容 量比实验室温度条件下炉渣磷酸盐容量低 1 ～ 2 个数 量级，说明低温条件下脱磷反应的平衡常数更大． 图 3 温度与炉渣磷酸盐容量关系 Fig． 3 Ｒelationship between the temperature and the slag phosphorus capacity 2. 4 光学碱度与磷酸盐容量的关系 结合生产冶炼数据以及其 他 研 究 者 的 研 究 结 果［13，15--19］，图 4 给出了炉渣光学碱度与炉渣磷酸盐容 量之间的关系． 由图 4 可知，随着炉渣光学碱度的增 加不同渣系炉渣磷酸盐容量呈现增大趋势，具体表现 为当炉渣光学碱度小于 0. 70 时，炉渣磷酸盐容量随着 光学碱度呈直线增加趋势; 当炉渣光学碱度大于 0. 70 时，随着光学碱度的增加炉渣磷酸盐容量平缓增加，但 变化值不大． 局限于现场生产条件，本次研究实测炉 渣的光学碱度范围在 0. 70 ～ 0. 75 之间，炉渣磷酸盐容 量随着光学碱度呈增大趋势，但变化范围不大． 当光 学碱度在 0. 70 ～ 0. 75 之间时，本次研究炉渣磷酸盐容 量在 1016. 5 ～ 1017. 5之间，明显低于在相同光学碱度下其 他研究者的炉渣磷酸盐容量( 1017. 5 ～ 1018. 5 ) ． 分析可 能的原因如下: 其他研究者在实验室中进行脱磷实验 时炉渣磷酸盐容量更接近理论值，而在实际生产中受 反应时间、化渣情况和动力学条件等因素的影响，渣钢 反应很难达到平衡． 这也说明实际生产中炉渣的磷酸 盐容量还有进一步提升的空间． 图 4 光学碱度与炉渣磷酸盐容量关系 Fig． 4 Ｒelationship between the optical basicity and the slag phos￾phorus capacity 2. 5 炉渣组成与磷酸盐容量的关系 为了更加方便、直观地预测该渣系炉渣的磷酸盐 容量，给现场生产提供一定理论指导，本文作者综合分 析了现场生产 500 炉低磷钢种的转炉冶炼数据，利用 1stOpt 分析软件拟合出该渣系的炉渣磷酸盐容量计算 公式，具体见图 5． 图 5 炉渣成分与磷酸盐容量关系 Fig． 5 Ｒelationship between the composition of slag and the slag phosphate capacity 由图 5 可知，不同含量炉渣组成的磷酸盐容量拟 合值与实测值吻合度很高; 在不同的温度范围下炉渣 组元变量 W = { ( % CaO) + 0. 143( % MgO) － 0. 00334 ( % Fe) + 5. 24 ( % P2 O5 ) － 1. 442 ( % MnO) － 0. 88% SiO2 － 0. 629( % Al2O3 ) } 与炉渣磷酸盐容量严格满足 相同的直线变化关系． 这说明根据生产数据拟合出的 计算公式可以很好地预测该渣系炉渣的磷酸盐容量． 本实验条件下，炉渣的磷酸盐容量预测模型的计 算公式如下: lgCPO3 － 4 = 0. 031{ ( % CaO) + 0. 143( % MgO) － 0. 003343( % TFe) + 5. 242( % P2O5 ) － 1. 442( % MnO) － 0. 880( % SiO2 ) － 0. 6294( % Al2O3 ) } + · 58 ·

86· 工程科学学报，第38卷，增刊1 59212.160/T-13.83. (11) K+)+23531.25 T 3磷酸盐容量预测模型 2.439388+1g∑n. (13) 3.1磷酸盐容量预测模型的建立 3.2不同磷酸盐容量计算模型及计算结果分析 目前已经有许多理论和经验公式用于预测渣钢反 氧分压也由式(14)n计算： 应之间的脱磷能力，为充分考虑炉渣的中间结构，本文 lgPo.=2lgae0-22710/T+3.87,J/mol.(14) 应用炉渣结构共存理论来研究该渣系的脱磷能力 根据公式(3)、(4)、(5)、(11)，炉渣磷酸盐容量 对于七元渣系Ca0Si02-Mg0-fe0-Mn0-Al,0,- 计算式也可以表示为 P,0,根据炉渣结构的共存理论，确定该渣系的结构单 IgCpo:=IgLp -5/2lgareo-lgf +36628/T-4.63 元如下 (15) 离子和简单分子：Ca2,Mg2,fe2,Mn2,02, Si02,Al203,P205: 其中ao可以通过假设ro=2来计算四 复杂化合物：3Ca0·Si02,2Ca0·Si02,3Ca0Si02, 炉渣磷酸盐容量C也可使用炉渣的化学成分 Ca0AL202,12Ca07Al203,Ca0AL203,Ca02Al203, 用公式(16)和(17)2四表示： Ca06Al2 0,2Mgo-SiO2,MgoSiO2,MgoAl2O,2FeO lgCp=0.0938{(%Ca0）+0.50(9%Mg0)+ .Si0,,Fe0.AL,O3,MnO-Si02,2Mn0-Si02,MnOAl2O3, 0.30(%Fe,0)+0.35(%P,0)+ 3Al,032Si02,2Ca0·Al203·Si02,Ca0·Al2032Si02, 0.46(%Mn0)}+32500/T-17.74, (16) Ca0-Mg0·SiO2,Ca0·Mg0·2Si02,2Ca0·Mg0·2Si02, IgCpo:-=IgCp +21680/T+1.87. (17) 3Ca0·Mg0·2Si02,2Ca0·P20,3Ca0·P20,4Ca0· 另外炉渣磷酸盐容量也可以由炉渣的光学碱度来 P20,3fe0·P20,4Fe0·P20,3Mn0·P20,2Mg0· 表示，见公式(18)围： P205,3Mg0-P205. lgCm=14.7074+7.4895. (18) 利用各个中间产物的生产吉布斯自由能以及反应 综上，不同的炉渣磷酸盐容量表达式见表1，部分 物的物质的量守恒建立Ca0-SiO2-MgO-Fe0-MnO- 炉次钢水成分和炉渣成分见表2，不同炉渣磷酸盐容 A山，0，-P20,七元渣系计算模型，利用1 stOpt软件求解 量模型的计算结果见表3. 高次非线性方程组解出各个组元的作用浓度.模型的 不同炉渣磷酸盐容量模型的计算值与实测值的对 建立及计算过程参考文献20]，假设文献八元渣系 比结果如图6所示.由图6可知，MCT模型的计算值 CaO-SiO,-MgO-FeO-Fe,O,-MnO-Al,O,-P,O Fe,O, 和实测值非常接近，其变化趋势也比较一致，绝对误差 含量为0. 均控制在0.8以内，相对误差均在4.5%以内，说明依 炉渣的磷分配比Lp=(%P,0)1(%P)2可以通 据共存理论建立的磷酸盐容量预测模型能够较为准确 过式(12)计算： 地反映本渣系磷酸盐容量的大小：Healy模型和Suito Lr =141.94Nf(K.+Ko-.No+ 模型的计算值与实测值比较接近，但Healy模型的计 算值略大于实测值，Suito模型的计算值略小于实测 Kar-.Nico+K2co.Noo+KcNo+ 值；田氏模型和Sommerville模型的计算值明显大于实 Kco-.No+KN 测值；Yasushi模型明显小于实测值，而Suito模型1的 K3Mgo-P.o.Nto+K3Mo-P.o.NVo) (12) 计算值比实测值小1到2个数量级，不适用该渣系炉 其中，No为Fe0的摩尔量，Nco为CaO的摩尔量，No 渣磷酸盐容量的计算.可能的原因包括Healy模型、 为Mg0的摩尔量，No为Mn0的摩尔量，热力学数据 Suito模型、Suito模型1和Sommerville模型均是在特定 Kp0,、KFo-P0、K0-P0,、K2C0-PA,、K300PA,、K2e0-P0 的渣系下拟合而成的经验公式，与本次研究的渣系不 KMso-Pa,和Kwo-PA,见文献2O]. 完全相同，所以其计算值与实测存在一定误差.田氏 由公式(8)、(12)联立可推导出Ca0-Si02-Mg0- 模型是前人总结光学碱度与炉渣磷酸盐容量的经验公 Fe0-Mn0-AL,0,P,0,炉渣磷酸盐容量Co模型，即 式，公式的总结包括了多人实验数据的回归处理，而光 磷容量终端国际模型(International Model Capacity Ter-- 学碱度基本包括了全部常规炉渣成分对炉渣磷酸盐容 minal,IMCT)一Cpo预报模型： 量的影响，其计算值比较接近炉渣的理论磷酸盐容量， IgCro:=51g Nreo -2.51gao +Igfp +lg [%o P]+ 而在现场生产条件下实测炉渣磷酸盐容量与理论值还 Ig(K.+Ko-o.No+ 有一定差距，这可能是田氏模型计算结果较实测值偏 Ka.No+Ko-No+KNo+ 大的原因.Yasushi模型使用了包括现场测定的参数 Kaco-P.o.Nco+K2Mgo-Po.Nio+ Lp∫p,建立在炉渣分子理论基础上的计算值ao,最终

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 59212. 160 /T － 13. 83． ( 11) 3 磷酸盐容量预测模型 3. 1 磷酸盐容量预测模型的建立 目前已经有许多理论和经验公式用于预测渣钢反 应之间的脱磷能力，为充分考虑炉渣的中间结构，本文 应用炉渣结构共存理论来研究该渣系的脱磷能力． 对于七元渣系 CaO--SiO2 --MgO--FeO--MnO--Al2O3 -- P2O5，根据炉渣结构的共存理论，确定该渣系的结构单 元如下． 离子 和 简 单 分 子: Ca2 － ，Mg2 － ，Fe2 － ，Mn2 － ，O2 － ， SiO2，Al2O3，P2O5 ; 复杂化合物: 3CaO·SiO2，2CaO·SiO2，3CaO·SiO2， CaO·Al2 O3，12CaO·7Al2 O3，CaO·Al2 O3，CaO·2Al2 O3， CaO·6Al2O3，2MgO·SiO2，MgO·SiO2，MgO·Al2O3，2FeO ·SiO2，FeO·Al2O3，MnO·SiO2，2MnO·SiO2，MnO·Al2O3， 3Al2O3 ·2SiO2，2CaO·Al2 O3·SiO2，CaO·Al2 O3·2SiO2， CaO·MgO·SiO2，CaO·MgO·2SiO2，2CaO·MgO·2SiO2， 3CaO·MgO·2SiO2，2CaO·P2 O5，3CaO·P2 O5，4CaO· P2O5，3FeO·P2 O5，4FeO·P2 O5，3MnO· P2 O5，2MgO· P2O5，3MgO·P2O5 ． 利用各个中间产物的生产吉布斯自由能以及反应 物的物质的量守恒建立 CaO--SiO2 --MgO--FeO--MnO-- Al2O3 --P2O5七元渣系计算模型，利用 1stOpt 软件求解 高次非线性方程组解出各个组元的作用浓度． 模型的 建立及计算过程参考文献［20］，假设文献八元渣系 CaO--SiO2 --MgO--FeO--Fe2O3 --MnO--Al2O3 --P2O5中 Fe2O3 含量为 0． 炉渣的磷分配比 LP = ( % P2O5 ) /( % P) 2 可以通 过式( 12) 计算: LP = 141. 94N5 FeO∑ nf2 P ( KP2O5 + K3FeO·P2O5 N3 FeO + K4FeO·P2O5 N4 FeO + K2CaO·P2O5 N2 CaO + K3CaO·P2O5 N3 CaO + K4CaO·P2O5 N4 CaO + K2MgO·P2O5 N2 MgO + K3MgO·P2O5 N3 MgO + K3MnO·P2O5 N3 MnO ) ． ( 12) 其中，NFeO为 FeO 的摩尔量，NCaO为 CaO 的摩尔量，NMgO 为 MgO 的摩尔量，NMnO为 MnO 的摩尔量，热力学数据 KP2O5 、K3FeO·P2O5 、K4FeO·P2O5 、K2CaO·P2O5 、K3CaO·P2O5 、K2MgO·P2O5 、 K3MgO·P2O5 和 K3MnO·P2O5 见文献［20］． 由公式( 8) 、( 12) 联立可推导出 CaO--SiO2 --MgO-- FeO--MnO--Al2O3 --P2O5 炉渣磷酸盐容量 CPO3 － 4 模型，即 磷容量终端国际模型( International Model Capacity Ter￾minal，IMCT) --CPO3 － 4 预报模型: lgCPO3 － 4 = 5lg NFet O － 2. 5lgaO + lgfP + lg［% P］+ lg( KP2O5 + K3FeO·P2O5 N3 FeO + K4FeO·P2O5 N4 FeO + K2CaO·P2O5 N2 CaO + K3CaO·P2O5 N3 CaO + K4CaO·P2O5 N4 CaO + K2MgO·P2O5 N2 MgO + K3MgO·P2O5 N3 MgO + K3MnO·P2O5 N3 MnO ) + 23531. 25 T + 2. 439388 + lg ∑ n． ( 13) 3. 2 不同磷酸盐容量计算模型及计算结果分析 氧分压也由式( 14) ［21］计算: lgPO2 = 2lgaFet O － 22710 /T + 3. 87，J /mol． ( 14) 根据公式( 3) 、( 4) 、( 5) 、( 11) ，炉渣磷酸盐容量 计算式也可以表示为 lgCPO3 － 4 = lgLP － 5 /2lgaFet O － lgfP + 36628 /T － 4. 63． ( 15) 其中 aFet O可以通过假设 rFet O = 2 来计算［22］． 炉渣磷酸盐容量 CPO3 － 4 也可使用炉渣的化学成分 用公式( 16) 和( 17) ［22］表示: lgCP = 0. 0938{ ( % CaO) + 0. 50( % MgO) + 0. 30( % FetO) + 0. 35( % P2O5 ) + 0. 46( % MnO) } + 32500 /T － 17. 74， ( 16) lgCPO3 － 4 = lgCP + 21680 /T + 1. 87． ( 17) 另外炉渣磷酸盐容量也可以由炉渣的光学碱度来 表示，见公式( 18) ［13］: lgCPO － 3 4 = 14. 707Λ + 7. 4895． ( 18) 综上，不同的炉渣磷酸盐容量表达式见表 1，部分 炉次钢水成分和炉渣成分见表 2，不同炉渣磷酸盐容 量模型的计算结果见表 3． 不同炉渣磷酸盐容量模型的计算值与实测值的对 比结果如图 6 所示． 由图 6 可知，IMCT 模型的计算值 和实测值非常接近，其变化趋势也比较一致，绝对误差 均控制在 0. 8 以内，相对误差均在 4. 5% 以内，说明依 据共存理论建立的磷酸盐容量预测模型能够较为准确 地反映本渣系磷酸盐容量的大小; Healy 模型和 Suito 模型的计算值与实测值比较接近，但 Healy 模型的计 算值略大于实测值，Suito 模型的计算值略小于实测 值; 田氏模型和 Sommerville 模型的计算值明显大于实 测值; Yasushi 模型明显小于实测值，而 Suito 模型 1 的 计算值比实测值小 1 到 2 个数量级，不适用该渣系炉 渣磷酸盐容量的计算． 可能的原因包括 Healy 模型、 Suito 模型、Suito 模型1 和 Sommerville 模型均是在特定 的渣系下拟合而成的经验公式，与本次研究的渣系不 完全相同，所以其计算值与实测存在一定误差． 田氏 模型是前人总结光学碱度与炉渣磷酸盐容量的经验公 式，公式的总结包括了多人实验数据的回归处理，而光 学碱度基本包括了全部常规炉渣成分对炉渣磷酸盐容 量的影响，其计算值比较接近炉渣的理论磷酸盐容量， 而在现场生产条件下实测炉渣磷酸盐容量与理论值还 有一定差距，这可能是田氏模型计算结果较实测值偏 大的原因． Yasushi 模型使用了包括现场测定的参数 LP、fP，建立在炉渣分子理论基础上的计算值 aFeO，最终 · 68 ·

孙彦辉等：300t顶底复吹转炉炉渣磷酸盐容量计算分析及预测模型 ·87 表1炉渣磷酸盐容量计算模型 Table 1 Models of slag phosphate capacity statistics Cpog~或Lp模型 适用渣系 表达式 参考文献 Co-的定义 所有渣系 IgCro-=lgLp -lgfp -2.51g [0]-2.5lgfo +lgkp +2.5lgko +0.49 9-11] lgCpo-=51gNpe0-2.5lgao+lgfp+lg [P]+lg(KPa0s +K3Fao-P20s Nio+ K4FO-P20 NEo+K2Co-PONo+K3C0-P20NCo+K4C0-P20 NCo+ MCT模型 所有渣系 Kw0-00+人0pn,0+Kw0,N月o）+2353L.25+ 20 T 2.439388+g∑n Ca0-MgO-Fe,O- gCog-=0.0938{(9%Ca0)+0.50(%Mg0)+0.30(9%Fe,0)+ Suito模型 22] P203-Mn0 0.35(%P,0,)+0.46(9%Mn0)}+54180/T-15.87 田氏模型 所有渣系 IgCpo-=14.7074+7.4895 03] Yasushi模型 所有渣系 lgC0g-=lg4p-5/2lg0e,0-lgf+36628/T-4.63 22] Ca0-Si02-Mgo- Healy模型 e器-0+0os(%C0+25g(%Ta-16 [23] A203-Mn0-Si02 (%P205） Ca0-Si02-Mgo- Suito模型1 g%可 -=0.0720(%Ca0)+0.3(%Mg0)+0.6(%P205)+ 24-25] Fe,0-P205 0.6(%Mn0)+34.72g(%TFd]+1570-10.520 T (%P205）11000 Ca0-Si02-Mgo- +-0.000628(%Si02)2+ T Sommerville模型 g%可 26-27] Fe0-MnO 062(%Ca0)+127.5(%Me0）+28.5(%Mn0]+2.5lg(9%Fe0)-10.40 T 表2炉次基本信息 Table 2 Basic information of furnace 炉渣化学成分（质量分数）/% 钢水化学成分（质量分数）/% 炉次 T/℃ Ca0 Si02 ∑n Mgo FeO Si Mn 0 137.1013.3014.7927.701.26 0.942.860.028<0.010.0190.0050.0090.079 1671 2.158 2 40.1712.5311.6424.441.74 1.423.530.030<0.010.0330.0080.0060.071 1680 2.021 338.0611.8512.4030.410.890.902.100.032<0.010.0220.0070.0110.065 1688 2.207 4 40.2513.2412.5627.060.780.822.250.032<0.010.0200.0060.0090.0591674 2.126 5 40.3913.0710.6229.230.610.62 2.010.031<0.010.0130.0040.0100.073 1679 2.106 6 42.2913.9414.9822.540.650.712.000.028<0.010.0180.0060.0090.056 1677 2.159 7 30.227.527.9123.222.021.171.610.037<0.010.0380.0090.0070.0481679 1.731 8 31.4411.8110.5721.260.930.692.110.030<0.010.0270.0090.0080.07217091.650 9 35.4912.2412.2023.650.870.721.980.055<0.010.0190.0050.0050.0521681 1.908 10 35.95 11.99 12.33 31.98 1.06 0.92 2.210.034<0.010.0190.0100.007 0.082 1676 2.175 表3炉渣磷酸盐容量模型计算结果 Table 3 Calculated results of phosphate capacity model 炉次 定义 MCT模型 Suito模型 田氏模型 Yasushi模型Heay模型 Suito模型1 Sommerville模型 17.45 16.78 17.04 18.11 17.34 17.32 15.79 18.00 2 17.48 17.02 16.99 18.26 17.32 17.42 15.84 17.93 17.40 17.21 16.83 18.16 16.91 17.49 15.89 18.05 17.59 17.36 17.14 18.24 17.17 17.82 16.11 18.36 5 17.36 17.14 17.04 18.20 17.06 17.62 15.85 18.04 6 17.58 16.96 17.27 18.40 17.34 17.79 16.13 18.48 7 17.77 17.84 15.87 18.32 16.97 17.00 16.01 17.30 16.89 16.43 15.57 18.12 16.61 16.21 15.34 16.66 17.65 17.14 16.48 18.22 17.12 17.33 16.05 17.85 10 17.06 17.36 16.85 18.04 16.78 17.28 15.72 17.82

孙彦辉等: 300 t 顶底复吹转炉炉渣磷酸盐容量计算分析及预测模型 表 1 炉渣磷酸盐容量计算模型 Table 1 Models of slag phosphate capacity statistics CPO3 － 4 或 LP 模型 适用渣系 表达式 参考文献 CPO3 － 4 的定义 所有渣系 lgCPO3 － 4 = lgLP － lgfP － 2. 5lg［% O］－ 2. 5lgfO + lgKP + 2. 5lgKO + 0. 49 ［9--11］ IMCT 模型 所有渣系 lgCPO3 － 4 = 5lgNFet O － 2. 5lgaO + lgfP + lg［% P］+ lg( KP2O5 + K3FeO·P2O5 N3 FeO + K4FeO·P2O5N4 FeO + K2CaO·P2O5N2 CaO + K3CaO·P2O5N3 CaO + K4CaO·P2O5N4 CaO + K2MgO·P2O5N2 MgO + K3MgO·P2O5N3 MgO + K3MnO·P2O5N3 MnO ) + 23531. 25 T + 2. 439388 + lg ∑ n ［20］ Suito 模型 CaO--MgO--FetO-- P2O5 --MnO lgCPO3 － 4 = 0. 0938{ ( % CaO) + 0. 50( % MgO) + 0. 30( % FetO) + 0. 35( % P2O5 ) + 0. 46( % MnO) } + 54180 /T － 15. 87 ［22］ 田氏模型 所有渣系 lgCPO3 － 4 = 14. 707Λ + 7. 4895 ［13］ Yasushi 模型 所有渣系 lgCPO3 － 4 = lgLP － 5 /2lgaFetO － lgfP + 36628 /T － 4. 63 ［22］ Healy 模型 CaO--SiO2 --MgO-- Al2O3 --MnO--SiO2 lg ( % P) ［% P］= 22350 T + 0. 08( % CaO) + 2. 5lg( % T. Fe) － 16 ［23］ Suito 模型 1 CaO--SiO2 --MgO-- FetO--P2O5 lg ( % P2O5 ) ［% P］ = 0. 0720［( % CaO) + 0. 3( % MgO) + 0. 6( % P2O5 ) + 0. 6( % MnO) + 34. 72lg( % T. Fe) ］+ 11570 T － 10. 520 ［24--25］ Sommerville 模型 CaO--SiO2 --MgO-- FeO--MnO lg ( % P2O5 ) ［% P］ = 11000 T + － 0. 000628( % SiO2 ) 2 + ［162( % CaO) + 127. 5( % MgO) + 28. 5( % MnO) ］ T + 2. 5lg( % FeO) － 10. 40 ［26--27］ 表 2 炉次基本信息 Table 2 Basic information of furnace 炉次 炉渣化学成分( 质量分数) /% 钢水化学成分( 质量分数) /% CaO SiO2 MgO FeO MnO P2O5 Al2O3 C Si Mn P S O T /℃ ∑ n 1 37. 10 13. 30 14. 79 27. 70 1. 26 0. 94 2. 86 0. 028 ＜ 0. 01 0. 019 0. 005 0. 009 0. 079 1671 2. 158 2 40. 17 12. 53 11. 64 24. 44 1. 74 1. 42 3. 53 0. 030 ＜ 0. 01 0. 033 0. 008 0. 006 0. 071 1680 2. 021 3 38. 06 11. 85 12. 40 30. 41 0. 89 0. 90 2. 10 0. 032 ＜ 0. 01 0. 022 0. 007 0. 011 0. 065 1688 2. 207 4 40. 25 13. 24 12. 56 27. 06 0. 78 0. 82 2. 25 0. 032 ＜ 0. 01 0. 020 0. 006 0. 009 0. 059 1674 2. 126 5 40. 39 13. 07 10. 62 29. 23 0. 61 0. 62 2. 01 0. 031 ＜ 0. 01 0. 013 0. 004 0. 010 0. 073 1679 2. 106 6 42. 29 13. 94 14. 98 22. 54 0. 65 0. 71 2. 00 0. 028 ＜ 0. 01 0. 018 0. 006 0. 009 0. 056 1677 2. 159 7 30. 22 7. 52 7. 91 23. 22 2. 02 1. 17 1. 61 0. 037 ＜ 0. 01 0. 038 0. 009 0. 007 0. 048 1679 1. 731 8 31. 44 11. 81 10. 57 21. 26 0. 93 0. 69 2. 11 0. 030 ＜ 0. 01 0. 027 0. 009 0. 008 0. 072 1709 1. 650 9 35. 49 12. 24 12. 20 23. 65 0. 87 0. 72 1. 98 0. 055 ＜ 0. 01 0. 019 0. 005 0. 005 0. 052 1681 1. 908 10 35. 95 11. 99 12. 33 31. 98 1. 06 0. 92 2. 21 0. 034 ＜ 0. 01 0. 019 0. 010 0. 007 0. 082 1676 2. 175 表 3 炉渣磷酸盐容量模型计算结果 Table 3 Calculated results of phosphate capacity model 炉次 定义 IMCT 模型 Suito 模型 田氏模型 Yasushi 模型 Healy 模型 Suito 模型 1 Sommerville 模型 1 17. 45 16. 78 17. 04 18. 11 17. 34 17. 32 15. 79 18. 00 2 17. 48 17. 02 16. 99 18. 26 17. 32 17. 42 15. 84 17. 93 3 17. 40 17. 21 16. 83 18. 16 16. 91 17. 49 15. 89 18. 05 4 17. 59 17. 36 17. 14 18. 24 17. 17 17. 82 16. 11 18. 36 5 17. 36 17. 14 17. 04 18. 20 17. 06 17. 62 15. 85 18. 04 6 17. 58 16. 96 17. 27 18. 40 17. 34 17. 79 16. 13 18. 48 7 17. 77 17. 84 15. 87 18. 32 16. 97 17. 00 16. 01 17. 30 8 16. 89 16. 43 15. 57 18. 12 16. 61 16. 21 15. 34 16. 66 9 17. 65 17. 14 16. 48 18. 22 17. 12 17. 33 16. 05 17. 85 10 17. 06 17. 36 16. 85 18. 04 16. 78 17. 28 15. 72 17. 82 · 78 ·

·88· 工程科学学报，第38卷，增刊1 19.0 结果的偏差可能产生于炉渣理论的假设以及炉渣中 台1：T使型 18.5 ao计算的准确性. △用氏模型 18.0 又--hi模型 3.3磷酸盐容量预测模型的验证 Hy模型 17.5 qSi模型 将磷酸盐容量的计算值和实测值与模型计算的炉 17.0 Sommerville模型 渣各组元的作用浓度进行拟合，结果如图7所示.由 165 图7可知，随着炉渣组元Ca0和FeO作用浓度的增 16.0 加，炉渣磷酸盐容量的计算值和实测值呈增大趋势：随 15.5 着炉渣组元L,0,作用浓度的升高，炉渣磷酸盐容量 15.0 的计算值和实测值呈减小趋势：炉渣磷酸盐容量的计 5.015516.016.517.017.518.018519.0 实测lgC, 算值和实测值吻合度很高，且变化趋势基本一致.综 上，说明模型准确可信.炉渣磷酸盐容量预测模型能 图6炉渣磷酸盐容量模型计算值与实测值结果对比 Fig.6 Comparison between the calculated slag phosphorus capacity 够准确反映在现场特定的生产条件和操作水平下炉渣 and the measured results 实测磷酸盐容量水平 19.0n 19.0 ◆计算g(C时 ◆实测lg(nv ◆i计算lgCx ◆实测gCv 18.5 18.5 18.0 18.0 17.5 17.0 17.0 16.5 t6.5 1620022024026020300.32 1682602n.3002034036030 19.0 e ◆计算lgC ◆实测gC 18.5 18.0 17.5 e 17.0 16.5 16.0 0.00400050.0060.00070.0%80.0090.00100.0011 N 图7炉渣磷酸盐容量与炉渣组元作用浓度的关系 Fig.7 Relationship between the slag phosphate capacity and the mass action concentrations of slag components 理论指导. 4结论 (3)由于适用范围或者计算假设的局限性，文献 (1)实测炉渣磷酸盐容量随着炉渣中碱性氧化物 报道的不同磷酸盐容量计算模型或磷分配比计算模型 含量的增加而增大，随着炉渣中全铁含量的增加先减 用于计算本次研究渣系的磷酸盐容量时存在一定误 小后趋于稳定，随着温度的升高而减小，随着光学碱度 差，不能准确预测该渣系的磷酸盐容量。 的增加略有增大.在转炉炼钢终点的温度条件下，炉 (4)基于共存理论建立了本渣系炉渣的磷酸盐容 渣的磷酸盐容量比实验室温度条件下炉渣的磷酸盐容 量预测模型，模型的计算值与实测值吻合度良好，绝对 量低1~2个数量级，在现场生产中炉渣的磷酸盐容量 误差均控制在0.8以内、相对误差均在4.5%以内，说 还有进一步提升的空间， 明该预测模型准确可信 (2)结合生产数据利用分析软件拟合出炉渣组成 和温度与炉渣磷酸盐容量的表达式，更加方便、直观地 参考文献 反映炉渣的脱磷能力与组成的关系，为现场生产提供 [1]Wang N X.Effect of phosphorus on the impact toughness of steel

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 图 6 炉渣磷酸盐容量模型计算值与实测值结果对比 Fig． 6 Comparison between the calculated slag phosphorus capacity and the measured results 结果的偏差可能产生于炉渣理论的假设以及炉渣中 aFeO计算的准确性． 3. 3 磷酸盐容量预测模型的验证 将磷酸盐容量的计算值和实测值与模型计算的炉 渣各组元的作用浓度进行拟合，结果如图 7 所示． 由 图 7 可知，随着炉渣组元 CaO 和 FeO 作用浓度的增 加，炉渣磷酸盐容量的计算值和实测值呈增大趋势; 随 着炉渣组元 Al2 O3 作用浓度的升高，炉渣磷酸盐容量 的计算值和实测值呈减小趋势; 炉渣磷酸盐容量的计 算值和实测值吻合度很高，且变化趋势基本一致． 综 上，说明模型准确可信． 炉渣磷酸盐容量预测模型能 够准确反映在现场特定的生产条件和操作水平下炉渣 实测磷酸盐容量水平． 图 7 炉渣磷酸盐容量与炉渣组元作用浓度的关系 Fig． 7 Ｒelationship between the slag phosphate capacity and the mass action concentrations of slag components 4 结论 ( 1) 实测炉渣磷酸盐容量随着炉渣中碱性氧化物 含量的增加而增大，随着炉渣中全铁含量的增加先减 小后趋于稳定，随着温度的升高而减小，随着光学碱度 的增加略有增大． 在转炉炼钢终点的温度条件下，炉 渣的磷酸盐容量比实验室温度条件下炉渣的磷酸盐容 量低 1 ～ 2 个数量级，在现场生产中炉渣的磷酸盐容量 还有进一步提升的空间． ( 2) 结合生产数据利用分析软件拟合出炉渣组成 和温度与炉渣磷酸盐容量的表达式，更加方便、直观地 反映炉渣的脱磷能力与组成的关系，为现场生产提供 理论指导． ( 3) 由于适用范围或者计算假设的局限性，文献 报道的不同磷酸盐容量计算模型或磷分配比计算模型 用于计算本次研究渣系的磷酸盐容量时存在一定误 差，不能准确预测该渣系的磷酸盐容量． ( 4) 基于共存理论建立了本渣系炉渣的磷酸盐容 量预测模型，模型的计算值与实测值吻合度良好，绝对 误差均控制在 0. 8 以内、相对误差均在 4. 5% 以内，说 明该预测模型准确可信． 参 考 文 献 ［1］ Wang N X． Effect of phosphorus on the impact toughness of steel． · 88 ·

孙彦辉等：300t顶底复吹转炉炉渣磷酸盐容量计算分析及预测模型 ·89· Spec Steel,1993(4)53 ability of BaO-CaO-CaF,flux for liquid steel.J Unie Sci Techn- (王能贤.磷对钢冲击韧性的影响.特殊钢，1993(4)：53) ol Beijing,2005,27(3):294 Dong Y C.Wang H C.Dephosphorization of the Steel Production (田志红，孔祥涛，蔡开科，等.BaO-CaO-CaF2系渣用于钢 Process.Beijing:Metallurgical Industry Press,2012 液深脱磷能力.北京科技大学学报，2005,27(3)：294) (董元篪，王海川.钢铁生产过程的脱磷.北京：治金工业出版 [15]Tabuchui S,Honda K,Kaneko T,et al.Development of tech- 社，2012) nology for high-speed pretreatment of hot metal in ladle -Mass Bl Zhang H Y.Control of Rephosphorization in Molten Steel during prduction of low-phosphorous steel /Proceeding of the Sixth In- EAF/BOF Tapping and LF Refining [Dissertation].Shenyang: ternational Iron and Steel Congress.Nagoya,1990:57 Northeastern University,2002 [16]Takeuchi S,Ozawa M,Nozaki T,et al.Effect of oxygen poten- (张贺艳.EAF/BOF出钢及LF精炼过程钢水回磷控制[学位 tial on simultaneous dephosphorization and desulphurization of 论文].沈阳：东北大学，2002) hot metal by injecting CaO-ased fulx.Testuo-Hlagane,1983, 4]Wang Z L,Wang X J,Chen Y,et al.Analysis of the cause of in- 69:1771 tercolumnar crack in CC slab and its precaution measures.fron ǖ7] Wang H C,Zhang Y P,Guo S H,et al.Effect of oxygen poten- Seel,2004,39(7):31 tial on De-Si and De-P during hot metal pretreatment.Jfron (王子亮，王新江，陈煜，等.板坯中间裂纹的成因分析及预 Steel Res,2000,12(6):11 防措施.钢铁.2004,39(7)：31) (王海川，张友平，郭上型，等.铁水氧势对铁水预处理脱磷 [5]Liu J H,Bao Y P,Sun W,et al.Genetic analysis of surface 的影响.钢铁研究学报，2000,12(6)：11) cracks in H beam.Iron Steel,2006,41(8)37 D8] Umieawa K,Matsunaga H,Arim R,et al.The influence of op- (刘建华，包燕平，孙维，等.H型钢表面裂纹成因分析.钢 erating condition on dephosphorization and desulphurization reac- 铁，2006,41(8)：37) tion of hot metal with lime-based flux.Teustu-to-Hlagane,1983, Dong X,Li R.Reasons leading to center crack in slab and pre- 69:1810 ventive measures.Angang Technol,2005(3):41-43 [19]Shinme K,Matsuo T,Aoki T.Dephosphorization and desulphur- (佟新，李蓉.板坯中间裂纹产生的原因及预防措施.鞍钢技 ization of hot metal by CaO-based flux containing Mn02.Testu- 术，2005(3)：41) to-Hagane,1983,69:1787 Xiu L C,Gao J C,Zhao Z H.Study on intermedium cracks of 20]Yang X M,Duan J P,Shi C B,et al.A thermodynamic model continuous casting slab and improvement practice.Steelmaking, of phosphorus distribution ratio between Ca0-Si-MgO-FeO- 2007,23(4):2 (修立策，高靖超，赵志洪.连铸板坯中间裂纹成因分析及改 Fe2O -MnO-Al2O3-P2Os slags and molten steel during a top- bottom combined blown converter steelmaking process based on 进实践.炼钢，2007,23(4)：25) the ion and molecule coexistence theory.Metall Mater Trans B, [8]Nassaralla C,Fruehan R J,Min D J,Thermodynamic study of de- 2011,42(4):738 phosphorization using Ba0-BaF2,CaO-CaF2 and BaO-CaO- 21]Ban-Ya S.Mathematical expression of slag-metal reactions in CaF2 systems.Metall Trans B,1991,22B:33 9]Wagner C.The concept of the basicity of slags.Metall Trans B, steelmaking process by quadratic formalism based on the regular solution model.IS//Int,1993,33(1)2 1975,6B(2):405 [22] [10]Nakamura S,Tsukihashi F,Sano N.Phosphorous partition be- Ogasawara Y,Miki V,Uchida Y,et al,N.Development of high efficicency dephosphorization system in decarburization converter tween Ca0-Ba0-Si0,-Feto slags and liquid iron at 1873 K. utilizing Fe,O dynamic control.IS/J Int,2013.53(10):1786 10t,1993,33(1):53 D23]Healy G W.A new look at phosphorus distribution.J /ron Stee [11]Cai KK,Zhang L F,Liu Z Z.Pure steel production technology ns,1970,208(7):664 and present situation.Henan Metall,2003,11(3):3 (蔡开科，张立峰，刘中柱.纯净钢生产技术及现状.河南治 24]Suito H,Inoue R.Phpsphorus distribution between MgO-saturat- ed Cao-Fe,O-Si02-P2Os-MnO slags and liquid iron.Trans 金，2003,11(3)：3) S,1984,24(1):40 [12]Sigwork G K,Elliott J F.The thermodynamics of liquid dilute iron alloys.Met Sci,1974,18:298 25]Suito H,Inoue R.Phpsphorus distribution between liquid iron [13]Tian Z H.Technology and Theory of Molten Steel Deep Dephos- and Mgo saturated slags of the system CaO-Mgo-Fe0,-SiO2 phorization out of Converter for Production of ultra-ow Phosphorus Trans IS,1981,21(4):250 Steel DDissertation].Beijing:University of Science and Technol- 26]Zhang X F,Sommerville I D,Toguri J M.An equation for the ogy Beijing,2006:65 equilibrium distribution of phosphorus between basic slags and (田志红.超低磷钢炉外钢液深脱硅脱磷的工艺和理论研究 steel.J0M,1983,35(12):93 [学位论文].北京：北京科技大学，2006) 27]Ide K,Fruchan R J.Evaluation of phosphorus reaction equilibri- [14]Tian Z H,Kong X T,Cai KK,et al.Deep dephosphorization um in steelmaking.Iron Steelmaker,2000,27(12):65

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