轉(zhuǎn)爐脫磷熱力學及雙渣操作分析

轉(zhuǎn)爐脫磷熱力學及雙渣操作分析一、轉(zhuǎn)爐脫磷的冶金條件眾所周知,FeO和CaO是生成穩(wěn)定磷酸鹽的最主要的氧化物。在轉(zhuǎn)爐煉鋼中,我們以FeO為氧化劑,以CaO為磷氧化產(chǎn)物的穩(wěn)定劑。通常煉鋼脫磷反應如下:1在渣鋼界面上][5][5(5OFeFeO+=(12在與渣相相鄰的金屬層中(][5][252OPOP=+(23在與金屬相相鄰的渣層中4((4(5252OPCaOCaOOP?=+(3總反應描述為[]((([]FeOPCaOCaOFeOP5445252+?=++(4根據(jù)薩馬林的數(shù)據(jù)(5在式(5中,氧化物和磷酸四鈣的活度甩摩爾分數(shù)表示。Kp隨溫度的升高急劇減小,在1673、1773和1873K下。Kp相應為7.8×108、3.5×107、2.1×106。根據(jù)式(5,在金屬與爐渣平衡的情況下,(6由式(6可見,促進爐渣對金屬脫磷的熱力學因素有:1加人固體氧化劑(鐵礦石、鐵皮或用高槍位向熔池吹氧以增大a(FeO2加入石灰和促進石灰在堿性渣中迅速溶解的物質(zhì)以增大a(CaO,亦即增大自由CaO(不與酸性氧化物結(jié)合的的濃度;3用更新與金屬接觸的渣相的方法,亦即放渣和加入CaO與FeO造新渣的方法來減小4(52OPCaOa?4保持適當?shù)牡蜏?因為溫度從1673增到1873K,使反應(4的平衡常數(shù)Kp減小到1/370。應當指出,上述關(guān)于溫度對脫磷影響的結(jié)論,僅僅是從熱力學觀點看是正確06.1547008lglg4(5(4(52-==?TaaKaKCaOFeOpOPCaOp4(5(4(52][%CaOFeOpOPCaOaaKaP?=的,為了加速脫磷必須有適當?shù)母邷?因為高溫可以迅速生成高堿度鐵質(zhì)爐渣,和保證得到均質(zhì)流動的爐渣使傳質(zhì)過程加速。我們引入脫磷指數(shù)LP—熔渣的脫磷在渣—鐵間的分配比作為衡量熔渣的脫磷能力的大小,其值越大則表明熔渣的脫磷能力越大。LP可由如下反應式推得2[P]+5[O]=(P2O5(7[][]552252525252ofPfNaaaKoPOOPPPOPpP???=?=γ(8(][52POPLP=(9從平衡常數(shù)Kp和LP的比較中可看出,Lp在一定程度上反映了Kp的大小或爐渣脫磷能力的大小。而從Kp值和LP值的比較中可得,影響脫磷指數(shù)LP的因素是很多的,其中最主要的因素是爐內(nèi)鐵液溫度(影響Kp值、爐渣堿度和渣中(FeO的活度(影響γ(P2O5和α[O]。1.溫度對脫磷的影響溫度對脫磷指數(shù)LP的影響是通過降低溫度使Kp增大來實現(xiàn)的,脫磷是一個強放熱反應,升高溫度Kp值減小,因此低溫有利于脫磷,但同時爐內(nèi)鐵水溫度還要滿足渣料熔化的要求。由脫磷方程得到:LgK=40067/T-15.06(10由上式計算得K值如下:t℃140015001600K7.8×1083.5×1072.1×106可見,隨著爐內(nèi)鐵液溫度降低,Kp值明顯上升,換句話說,溫度每降低100℃,Kp值就升高一個數(shù)量級。由此可見,轉(zhuǎn)爐脫磷的冶煉過程溫度控制盡可能的低一點,對脫磷的熱力學條件是十分有利的。上圖為雙渣法轉(zhuǎn)爐煉鋼的一倒溫度與一倒P分配系數(shù)的關(guān)系,當溫度上升,磷在渣鋼之間的分配比上升,直到1350℃~1400℃之間時,分配比達到頂點,當溫度再升高,磷在渣鋼之間的分配比下降。另外,溫度的繼續(xù)升高,使C-O反應進入快速反應階段,也影響到脫[P]效果。因此,選擇1350℃~1400℃作為轉(zhuǎn)爐脫磷一倒溫度是最為合理的。從熱力學條件來看,降低溫度有利于去磷反應的進行。但是應該辨證地看待溫度的影響,盡管升高溫度會使去磷反應的平衡常數(shù)Kp值減小,然而與此同時,較高的溫度會使爐渣的黏度下降,加速石灰的成渣速度和渣中各組元的擴散速度,強化了磷自金屬液向爐渣的轉(zhuǎn)移,其影響可能超過Kp值的降低。當然,溫度過高時Kp值的降低將起主導作用會使爐渣的去磷效率下降鋼中含磷量升高。因此將溫度控制在一個合適的范圍內(nèi),保證石灰基本熔化并使爐渣有較好的流動性,對脫磷過程最為有效。通過對出鋼溫度和成品P進行分析:從上表可以看出:降低出鋼溫度可以有效地降低成品P含量。鑒于鐵水P的不斷升高,為確保品種鋼進站和成品P含量滿足要求,建議廠部下調(diào)現(xiàn)行鋼種作業(yè)指導書的氬前溫度20-30℃。2.爐渣堿度的影響一般高堿度、高氧化鐵的爐渣能使磷呈現(xiàn)強烈的氧化趨勢(P2O5,并與(CaO結(jié)合成穩(wěn)定的磷酸鈣。因此增加渣中(CaO可以增大aOCa,降低五氧化二磷的活度系數(shù)52OP,磷在渣鐵間的分配比LP提高。但在轉(zhuǎn)爐脫磷吹煉前期,為了保證終點有較高的[C],溫度一定不能超過1400℃,而在這樣的溫度下,液態(tài)渣的堿度不可能高。同時片面追求高堿度,則渣中固相比例上升,反而影響了脫磷的效果,所以對于脫磷吹煉前期過程的爐渣堿度控制在1.5-2.0為宜。3.爐渣(FeO影響爐渣的氧化鐵含量越高,磷在渣鐵間的分配比LP越大。反應式中[O]的高低實際上是由熔渣中FeO的活度FeOa決定。因此,要提高磷在渣鐵間的分配比LP,必須提高熔渣FeO的活度。在低溫、低堿度條件下,(FeO的活度系數(shù)變化不大,增加渣中(FeO的濃度是增大FeOa的主要手段,且(FeO含量高可以增加熔渣的流動性,對脫磷的動力學條件也是很有好處的。堿度一定的條件下,渣中(FeO含量較低時,磷在鋼渣之間的分配系數(shù)Lp隨著渣中(FeO含量的增高而增高,而且在(FeO含量=16%時達到最大值,在進一步提高時Lp反而下降。這是因為,(FeO是去磷反應的氧化劑,同時它還能加速石灰熔化成渣和降低爐渣的黏度。但是,如果渣中(FeO的濃度過高,會使渣中(CaO濃度下降,導致渣中不穩(wěn)定的(3FeO·P2O5增多,穩(wěn)定的(4FeO·P2O5減少,反而使爐渣脫磷的效果降低。4.渣量的影響隨著脫磷反應的進行,渣中(P2O5的濃度的不斷升高,爐渣脫磷效果逐漸降低,在一定的條件下,增大渣量的必然回使渣中(P2O5的濃度降低,破壞磷在鋼、渣間分配的平衡性,促進脫磷反應的繼續(xù)進行,使鋼中的磷含量進一步降低。所以爐內(nèi)渣量的多少,決定著鋼液的脫磷程度?；驹硎?即在保證爐內(nèi)渣量合適的條件下,增加了爐渣的總量,可以提高爐渣的去磷率。5.爐渣黏度的影響因為煉鋼溶池中的脫磷反應主要是在爐渣與金屬液兩相的界面上進行的,所以反應速度與爐渣黏度有關(guān)。通常情況下,爐渣黏度愈低,反應物(FeO向鋼、渣界面的擴散轉(zhuǎn)移速度就愈快,反應產(chǎn)物(P2O5離開界面溶入爐渣的速度也愈快。因此,在脫磷所要求的高堿度條件下,應及時加入稀渣劑(瑩石改善爐渣的流動性,以促進脫磷反應的順利進行。但必須注意,所加稀渣劑不能過量,否則爐渣黏度過低,將嚴重侵蝕爐襯,不僅會將的爐襯的使用壽命,而且還使渣中MgO含量增加,稀渣劑的作用消失后爐渣反而變得更稠。6.入爐鐵水Si的影響進爐鐵液成分對脫磷過程沒有直接影響,但在冶煉過程中鐵液中某些元素的氧化產(chǎn)物對爐渣的性質(zhì)有影響。如鐵水中含硅量過高,影響爐渣堿度,所以不利于脫磷,在吹煉初期,由于金屬中硅的迅速被氧化,渣中含有大量的(SiO2,不利于迅速提高爐渣堿度,因此通常要限制鐵水中的含硅量。且[Si]高增加渣量容易引起大噴濺,造成大量的金屬料消耗,嚴重時還會使轉(zhuǎn)爐停吹,敗壞生產(chǎn)節(jié)奏。二、關(guān)于脫磷的一些資料查詢?yōu)閰⒖纪袀儗D(zhuǎn)爐脫磷的一些研究及成果,共閱讀了關(guān)于脫磷方面的文獻90余篇,并對其中十四篇實用性較強的進行了歸納總結(jié)如下1、造渣操作及其對脫磷的影響.沈克強.冶金叢刊?？?85期.2010年2月1爐渣堿度控制在2.8—3.5范圍內(nèi),且具有合適的終點溫度,就能滿足冶煉一般鋼種的脫磷問題。2脫磷反應的關(guān)鍵是過程渣要化透和有適當?shù)腇eO含量,并不是片面地追求高堿度。2、脫磷冶煉工藝研究.李濤,許曉東.鋼鐵.第37卷增刊.2002年10月80t轉(zhuǎn)爐冶煉工藝改進方案針對72A等高碳鋼中磷含量高的問題,結(jié)合三煉鋼目前的轉(zhuǎn)爐冶煉控制水平,提出了雙渣操作和終點低拉增碳相結(jié)合的冶煉工藝。2.5.1冶煉前期控制在配料合理的前提下,控制好前期槍位是決定脫磷效果的重要因素,其前期槍位控制如圖5所示,前期渣倒渣時間控制在開吹4min-4.5min,這段時間可分為三個階段,一是化渣階段,即配料時需一次性加人較大量白灰,使初渣堿度控制在2.7-2.9范圍,同時加人1000--1500噸/爐礦石,用以降低爐渣粘度,實現(xiàn)大渣量,并且采用高槍位操作,在短時間內(nèi)化好渣,提高渣中FeO含量;二是強烈脫磷階段,即當轉(zhuǎn)爐爐口噴出物不帶鐵粒,呈片狀且掛在爐壁時,說明爐渣已經(jīng)化好,此時需降槍操作,強烈攪拌熔池,使鋼液與渣子充分接觸,這樣才能起到良好脫磷效果,同時隨著脫磷反應的進行,渣中(FeO逐漸降低;三主要是倒前期渣,由于前一階段降槍操作,鋼中碳、渣中(FeO隨著脫磷的進行大量降低,但爐渣堿度始終是逐漸升高的,此時的爐渣粘度低,流動性不好,為了便于多倒渣,提高槍位操作,適量提高渣中(FeO,同時加人100-300kg螢石來改善爐渣流動性,倒出大量爐渣,提高前期脫磷率。3、雙聯(lián)煉鋼過程脫磷工藝的研究.陳嘉穎.上海大學.碩士學位論文1對轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)冶煉過程,1400℃、堿度1.0-1.5左右能為脫磷提供較好的熱力學條件。2在轉(zhuǎn)爐脫磷脫碳少渣雙聯(lián)冶煉實際操作中應當注意石灰熔化的動力學條件。脫磷期不需要加入大量石灰,且應努力促使石灰熔化,盡量減少其結(jié)團。對一鋼不銹鋼工程轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)冶煉的情況,可以向脫磷轉(zhuǎn)爐加入脫碳轉(zhuǎn)爐的返回渣替代石灰,以提高成渣速度并降低渣料成本。4、制度影響轉(zhuǎn)爐深脫磷實驗研究.煉鋼.第25卷第6期.2009年12月1在實驗室條件下,對等同轉(zhuǎn)爐后期條件的鋼水進行深脫磷,可獲得82%以上的脫磷率及w([P]<0.0030%(最低可達0.0005%的極低磷水平;2根據(jù)實驗分析,轉(zhuǎn)爐后期進行深脫磷的造渣制度:R=3.2~4.0;渣量在6.2~8.4kg/t;w(FeO=25.0%~30.0%;5、高碳鋼高拉碳前期脫磷過程控制.劉躍,劉瀏,佟溥翹,趙繼宇,吳建鵬,李小明,王國平.煉鋼.第22卷第2期.2006年4月試驗方案在復吹轉(zhuǎn)爐吹煉前期(0~480s,采用低溫(≤1380℃、較強底吹攪拌(在標準狀態(tài)下底吹攪拌強度為每分鐘每噸鋼0.10~0.15m3,中等爐渣堿度(2.0~2.5和適度爐渣氧化性(TFe≤15%的丁藝控制原則,對鐵水進行少渣脫磷預處理。并在“一倒”時盡可能倒出高磷渣。從初步試驗結(jié)果看,必須遵循以下操作原則才能獲得較高的前期脫磷效率:1一次倒爐排渣的鋼水(或半鋼溫度控制在1380~1410℃;2前期吹煉的時間>8min;3前期吹煉過程采用最強的底攪拌強度(標準狀態(tài)下,每噸鋼每分鐘在0.125m3時以上,底吹總氣量(在標準狀態(tài)下大于800m3/h;4開吹的低槍位脫硅操作與高槍位脫磷操作應協(xié)調(diào)好,保證化渣效果和抑制碳的過分氧化;5鐵水硅質(zhì)量分數(shù)在0.55%以下。從試驗效果看,由于較好地控制了上述操作參數(shù),脫磷率分別達到87%和93%。充分說明了采用該工藝操作的前期脫磷效果。6、轉(zhuǎn)爐低碳鋼冶煉脫磷的因素分析.卓偉偉,雷強,王慶祥,尹振芝.鋼鐵研究.第36卷第5期.2008年10月1磷在爐渣和鋼水中的分配比隨爐渣氧化性的增加而增加。2磷在爐渣和鋼水中的分配比在一定爐渣堿度范圍內(nèi)隨著爐渣堿度的增加而增加;當堿度高到一定程度后,則隨堿度的升高而下降。根據(jù)漣鋼的試驗結(jié)果,當爐渣堿度為4.5左右時,磷在爐渣和鋼水中的分配比獲得最大值。3磷在爐渣和鋼水中的分配比在一定的溫度范圍內(nèi)隨著溫度的增加而增加;當溫度高到一定程度后,則隨溫度的升高而下降。根據(jù)漣鋼的試驗結(jié)果,當溫度為1680℃左右時,磷在爐渣和鋼水中的分配比獲得最大值。7、南鋼120t頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐脫磷的因素分析.李晶,姚國偉,阿不力克木,余健,史志強,岳鐵軍,姚永寬,耿建林,劉德祥,孟令東.冶金研究.2008通過對南鋼頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐脫磷試驗研究,得出以下結(jié)論:1南鋼轉(zhuǎn)爐可生產(chǎn)出磷含量低于0.008%,最低0.004%的鋼。2冶煉初期鐵水溫度低于1250℃,初期采用低槍位操作;大于1300℃,初期要適當采用高槍位操作。冶煉終點出鋼溫度盡量保證在1650℃以下。3當終渣堿度為4.5左右時,磷在渣鋼間的分配系數(shù)獲得最大值,脫磷能力最強。4終渣(FeO為20%左右時,磷在渣鋼間的分配系數(shù)獲得最大值,脫磷能力也最強。8、復吹轉(zhuǎn)爐脫磷工藝分析與實踐.原麗君,田勇,馬成,張曉軍,張守東.2007中國鋼鐵年會論文集根據(jù)上述分析,為強化質(zhì)量管理,提高鋼的潔凈度,對生產(chǎn)低磷鋼的操作要點做如下總結(jié):1在保證掛罐溫度要求前提下,出鋼溫度盡量靠近下限;2成品[P]≤0.015%時,可采用單渣法冶煉,成品P≤0.010%時,采用雙渣法冶煉;3單渣法渣料分多次加入,第一次加入量最大,以保證前期爐渣堿度,要求在規(guī)定時間內(nèi)加完全部渣料,以保證渣料充分熔化;4雙渣法要求在吹氧5分鐘前加完所有一倒前渣料,以保證渣料充分熔化;二倒要求在下槍吹氧后加入足量白灰、白云石及稀渣劑,保證二次造渣;5冶煉前期須盡快造好渣,調(diào)整好槍位,保持熔渣的高(FeO、高堿度、好的流動性;6出鋼過程中嚴格控制轉(zhuǎn)爐下渣。9、轉(zhuǎn)爐脫磷率保證高附加值品種生產(chǎn).李海寶生產(chǎn)實踐表明:吹煉前期脫磷是去磷控制的中心環(huán)節(jié),堿度R=2.1,溫度T=1350℃~1500℃,TFe=8%的爐渣是較好去磷控制的關(guān)鍵因素;10、青鋼80t轉(zhuǎn)爐脫磷影響因素分析及實踐.郭發(fā)軍,徐志成,陸巧彤.山東冶金.第31卷第4期.2009年8月1轉(zhuǎn)爐脫磷溫度需要控制得低一些,尤其是前期,應控制在1350~1450℃。2爐渣終渣堿度不小于3.5,初期渣堿度控制在1.8~2.0。3轉(zhuǎn)爐渣中的氧化鐵含量應控制在15%~20%。4轉(zhuǎn)爐采用雙渣法操作,可有效地控制磷含量。11、梅鋼中磷鐵水低磷鋼冶煉問題的探討.唐洪樂,汪洪峰,孫曉輝.鋼鐵.第43卷第10期.2008年10月梅鋼低磷鋼生產(chǎn)實踐梅鋼低磷鋼冶煉主要采用轉(zhuǎn)爐同爐鐵水脫磷煉鋼法,其冶煉的要點是造好前期渣,在前期渣化透并有一定的反應時間后,使渣中具有較高的磷含量時,倒出部分前期渣,為中后期脫磷減輕壓力。此時鋼水的磷含量在0.025%~0.045%,碳含量為2.3%~3.5%,脫磷率達88%。溫度一般控制在1380--1450℃。梅山采用雙渣冶煉低磷鋼,終點磷含量可以控制到0.010%以下,脫磷率達到94%以上,而石灰消耗基本上與正常單渣法冶煉相當。梅鋼目前鐵水磷的質(zhì)量分數(shù)為0.18%~0.21%,采用頂?shù)讖痛倒に?進行轉(zhuǎn)爐同爐鐵水脫磷煉鋼操作冶煉,可以將磷的質(zhì)量分數(shù)降到0.010%。12、高碳鋼脫磷工藝分析及實踐.白艷青,張志紅,張中華,李家征,江福先,門志剛.河北冶金.2009年第1期總第169期.2009年1月通過控制吹煉各時期的爐渣、槍位、供氧等工藝參數(shù),在高硅高磷(0.080-0.100%鐵水條件下,轉(zhuǎn)爐可以采用高碳出鋼工藝生產(chǎn)高碳鋼,并將大幅降低生產(chǎn)成本。1宣鋼一煉鋼高碳低磷鋼生產(chǎn)工藝中的前、中期倒爐(渣時間應分別控制在350s、750s左右。2前期去磷是重點,堿度應控制在2.5左右,倒渣溫度不宜超過1400℃。3在終點[C]控制在0.3%--0.8%范圍的情況下,終點[P]可穩(wěn)定控制在0.015%以內(nèi),終點溫度達到1610℃以上。4采用高碳出鋼工藝后,熔池終點[O]可由約400×10-6降至100×10-6左右,可顯著降低熔池終點氧,從而降低鋼鐵料和合金消耗。13、復吹轉(zhuǎn)爐冶煉X65管線鋼脫磷工藝研究.徐文杰,李安東,劉國勇.上海金屬.第3l卷第4期.2009年7月轉(zhuǎn)爐雙渣脫磷操作要點根據(jù)所用鐵水Si含量均值小于O.30%的特點,前期脫磷工藝的核心在于開吹最初300s內(nèi)將渣量控制在35kg/t以下。比原工藝渣量少17%,使化渣更充分,爐渣流動性更好,在較低溫度下保證轉(zhuǎn)爐吹煉前期的脫磷效率,為倒渣后實現(xiàn)少渣精煉、均衡脫碳速度、高溫出鋼創(chuàng)造有利條件。獲得較高前期脫磷效率的操作原則歸納如下。1一次倒爐排渣時的鋼水(或半鋼溫度控制在1350--1400℃;2前期吹煉的時同,即轉(zhuǎn)爐“一倒”時間控制在7min左右;3前期吹煉過程采用較低的底吹攪拌強度;4開吹的低槍位脫硅操作與高槍位脫磷操作應協(xié)調(diào)好,保證化渣效果和迅速形成沫渣。14、復吹轉(zhuǎn)爐雙渣法生產(chǎn)低磷鋼工藝實踐.王海寶,徐莉,劉春明,寧林新.四川冶金.第30卷第4期.2008年8月供氧制度與底吹模式對脫磷的影響為了取得較快的化渣效果,轉(zhuǎn)爐前期吹煉一般采用供氧強度≤2.5Nm3/min/t,及變槍位恒流量操作方式,基本處于軟吹狀態(tài),前期吹煉過程≤6min。由于爐渣堿度較低及采用軟吹模式,因此若入爐鐵水Si≥0.50%時極易發(fā)生噴濺,所以在吹煉過程中預見噴濺發(fā)生即要降低槍位,投加礦石壓渣;如果吹煉在5min以上,不需壓渣,提槍搖爐倒渣,盡可能多的多倒富磷渣,防止冶煉后期回磷。由于雙渣前期吹煉應用軟吹模式,脫磷動力學條件不足,底吹流量控制直接影響到前期脫磷效果,因此一定強度的底吹流量保證了轉(zhuǎn)爐脫磷的動力學要求。首鋼二煉鋼轉(zhuǎn)爐底吹模式分A、B、C和D四種,本操作采用B模式,底吹流量為800Nm3/h,提槍后再進行15—30s的底吹攪拌,可以使渣鋼充分混合,提高脫磷效果,試驗爐次在雙渣后半鋼磷含量可以控制在0.030%以內(nèi),最低磷含量為0.016%。通過理論計算與現(xiàn)場試驗相結(jié)合,要穩(wěn)定控制鋼材磷含量在0.010%以下主要通過以下措施:1通過優(yōu)化轉(zhuǎn)爐雙渣前期工藝,合理控制爐渣的堿度(2.0--2.5、溫度(1340—1400℃和TFe(14%--20%含量,可以獲得較高的脫磷率,脫磷效果較理想;2若要穩(wěn)定得到[P]≤O.010%的鋼水,出鋼時需要控制[P]≤0.007%,要控制好前期脫磷和后期回磷;通過總結(jié)以上論文觀點，結(jié)合邢鋼實際操作，為有效提高轉(zhuǎn)爐前期脫磷率，搞好轉(zhuǎn)爐雙渣操作，總結(jié)雙渣操作要點如下：雙渣法的操作要點為：1、供氧強度控制在2-3Nm3/min/t；（若前期供氧強度過大，硅錳氧化期縮短，石灰來不及熔化完全，倒爐時有大量的石灰塊堆積在一起，如果降低供氧強度，適當延長脫磷段吹煉時間能改善石灰熔化）；2、倒渣前吹煉時間控制在總供氧時間的35%--40%；3、前期爐渣堿度控制在2—3；4、雙渣時的溫度控制在1350—1400℃；5、前期吹煉過程底吹強度控制在0.1—0.15Nm3/min/t；轉(zhuǎn)爐雙渣脫磷試驗方案：由上述分析及文獻可提出以下試驗方案（50t轉(zhuǎn)爐）：1、雙渣前轉(zhuǎn)爐供氧強度為3Nm3/min/t，底吹強度為0.1Nm3/min/t（4.8Nm3/min），倒渣后恢復正常操作；2、槍位控制原則：開吹使用高槍位增加渣中FeO，使用兩分鐘后降低槍位，出低溫渣時適當提高槍位，低溫渣過去后再次降低槍位，冶煉前