徐卫芳
新疆八一钢铁股份有限公司炼钢厂，乌鲁木齐，830022
摘 要：为实现转炉留渣+双渣工艺吹炼前期一次倒渣的高效脱磷，应用正规离子溶液模型对脱磷反应热力学规律进行了计算，分析了影响转炉的渣－金间磷分配比LP的主要因素；同时，对热力学计算和现场试验结果进行了对比分析，转炉吹炼前期脱磷较佳的工艺控制条件是：炉渣碱度R控制在1.5左右，一次倒渣温度控制在1330 - 1360℃，渣中(FeO)控制在16~17%。在冶炼过程中，铁水的成分和温度的稳定性对留渣+双渣工艺过程操作顺利控制影响较大。
关键词： 留渣+双渣 脱磷 正规离子溶液模型
1 前言
转炉冶炼可分为单一转炉冶炼（单渣法、双渣法）和两座转炉联合冶炼的所谓双联法两类工艺方法。针对超低磷要求的钢种，冶金学者对采用传统双渣脱磷工艺（造两次渣）的一次倒渣（以下简称“一倒”）条件和操作要求等进行了较详细的研究[1~3]。传统双渣法脱磷效果好，易于实现超低磷的要求，但石灰等辅料和钢铁料消耗大，成本高。双联法广泛应用于日本的钢铁企业，能够降低原辅料的消耗，但需额外增加专门用于脱磷的转炉，脱磷后出铁加大了铁水温降，且其铁水相当于半钢，给后续冶炼与造渣工艺增加负担[4~6]。我国提钒炼钢为了实现有价元素钒的富集，也采用双联法。近年来，面对竞争激烈的市场环境，国内许多钢铁企业[7-9]开始试验研究留渣+双渣工艺。然而，在低碱度渣脱磷研究结果相对较少且尚难以统一[10~11]，所以有必要利用热力学理论对其进行热力学分析，特别是应进行铁液低碱度渣脱磷的热力学平衡实验（本文不详细平衡实验研究），为脱磷工艺研究提供指导。
留渣+双渣工艺的思想源自于双联工艺，出钢后，留下一部分或全部的上一炉含一定量氧化铁的高碱度终渣，溅渣护炉确认炉渣固化后，兑入铁水进行吹炼，在吹炼到一定程度后将首批渣尽可能倒尽；然后，重新造渣吹炼进入脱碳期。留渣+双渣工艺的优点是加速吹炼前期初渣形成，利用低温阶段快速脱磷，同时通过高碱度终渣热态循环以利用，实现降低石灰和钢铁料消耗的效果。另外，若前期一倒脱磷率能达到较好效果（如脱磷率≥50-60%），可以明显减轻脱碳期脱磷任务，减轻钢水过氧化程度，有助于提高钢水纯净度。本文根据在国内某钢厂的留渣+双渣工艺试验，运用离子模型计算了前期脱磷热力学，并与现场实验结果进行对比分析和讨论。
2 钢液和炉渣成分的选择
在150 t顶底复吹转炉上进行了留渣+双渣工艺冶炼试验，试验共进行11炉。采用化学分析法测量的一次倒渣时典型炉渣和半钢金属成分见表1，表2。
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3 脱磷过程的热力学计算
炼钢过程的脱磷反应是在金属液与熔渣界面进行的。一般采用碱性氧化的方法，如CaO就是强的脱氧剂。首先是[P]被氧化成（P2O5），而后与CaO结合成稳定的磷酸钙。高碳钢脱磷应创造[P]优先于[C]氧化的热力学条件。这不仅关系到脱磷渣系的选择，也关系到初炼钢水成份的选择。下面结合渣钢反应的有关热力学研究结果，作综合计算，以分析脱磷的条件。
3.1 渣钢之间脱磷反应的热力学计算
根据脱磷的离子理论[12~13]，磷在熔渣中以磷氧络离子存在，而是通过[P]被氧化成P5+，在熔渣界面极化成O2-形成的：
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LP主要取决于熔渣成分和温度，表明了熔渣的脱磷能力，LP越大说明脱磷能力越强，脱磷越完全。从平衡常数KP和LP的比较中可以看出，LP在一定程度上反映了KP的大小或炉渣脱磷能力的大小。而从KP值和LP值的比较中可得，促进炉渣对金属脱磷的热力学因素有：（FeO）的活度、炉内钢液温度和炉渣碱度[14]。
应用正规离子溶液模型计算LP，先求出Fe2+及P5+的活度系数，这时可用下列简单反应
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式（1）~（8）中：αi—熔体中组元i的活度；f i , γi—钢液和渣中组元i的活度系数；w[i]，x(i)—钢液和渣中组元i的质量分数和摩尔分数；KP—反应平衡常数，由实验得出KP = 2.34×10-2，与温度的关系不大；T—钢液温度，K。
3.2 脱磷热力学计算结果及分析
炉渣中FeO含量、钢液温度和炉渣碱度对LP的影响分别示于图1～图4。
典型计算结果如图1所示。可以看出，大部分LP的理论计算值远远大于实验值。仅炉次E的计算值接近于实验值。炉渣的氧化铁含量越高，磷在渣铁间的分配比LP越大。反应式中[O]的高低实际上是由(FeO)的活度αFeO决定的。因此，要提高磷在渣铁间的分配比LP，必须提高(FeO)的活度。在低温、低碱度条件下，氧化铁的活度系数变化不大，增加(FeO)的浓度是增大αFeO的主要手段，且(FeO)含量高可以增加熔渣的流动性，对脱磷的动力学条件有利。按上述炉次试验的测量数据来看，大部分炉次总体LP偏低：炉次A和B的(FeO)含量过低，而炉次F、G则因(FeO)含量过高反而导致脱磷能力下降；炉次C的碱度过高，估计是因为化渣不好，严重影响LP。
随着渣中FeO含量的增加，在炉次D（渣中FeO = 16~17%）处LP达到最大值；在进一步提高(FeO)含量，LP反而下降。这是因为(FeO)是去磷反应的氧化剂，同时它还能加速石灰熔化成渣和降低炉渣的黏度。但是，如果(FeO)的浓度过高，会使渣中CaO浓度下降，导致渣中不稳定的3FeO·P2O5增多，稳定的4FeO·P2O5减少[15]，反而使炉渣脱磷的效果降低。
由于目前没有掌握小于2.0碱度条件下炉渣脱磷的热力学平衡规律，实验室严格测量低碱度脱磷热力学规律还有待于进行。
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通过理论计算和现场实验，反应温度对LP的影响分别示于图2、图3。从图2中可以看出，转炉脱磷的冶炼过程温度控制尽可能的低一点（曲线1），对脱磷的热力学条件是十分有利的。但是应该辨证地看待温度的影响，尽管升高温度会使去磷反应的平衡常数KP值减小，然而较高的温度会使炉渣的黏度下降，加速石灰的成渣速度和渣中各组元的扩散速度，强化了磷自金属液向炉渣的转移，其影响可能超过KP值的降低。当然，温度过高时KP值的降低将起主导作用，会使炉渣的去磷效率下降钢中含磷量升高，严重影响LP（曲线2）。因此将温度控制在一个合适的范围内[16~17]，即保证石灰基本熔化又使炉渣有较好的流动性，对脱磷过程最为有效。
图3表明在现场试验条件下，不同一倒温度控制下的脱磷情况。排除极个别的炉次A渣中（FeO）= 17.96%和D（R = 0.58），在炉次B和C处获得较高的LP，其中炉次B（T = 1325℃）的LP达到最大值，其碱度为R = 1.5，FeO = 16.52%。一倒温度控制涉及炉内脱磷以及初期脱碳反应进程，同时涉及炉渣流动性，需要通过更多的测量优化一个最佳的控制范围。
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碱度对磷分配系数的影响如图4所示。通过脱磷热力学计算，当碱度控制在R = 1.5且(FeO) = 16.5%时，LP可以达到或超过400，如图中炉次A，与之对应的实验炉次B的LP达到最大值。碱度过低，如低于1时脱磷效果不好；另一方面，虽然高碱度、高氧化铁的炉渣能使磷强烈的氧化为P2O5，并与CaO结合成稳定的磷酸钙。增加渣中CaO可以增大γCaO，降低P2O5的活度系数γP2O5，使磷在渣铁间的分配比LP提高，如炉次C、D和E。但由于在转炉脱磷吹炼前期，温度一般不超过1380 - 1400℃，造碱度过高（如达到2甚至更高）的炉渣十分困难，不但增加石灰消耗，同时化渣困难，渣中固相比例上升，炉渣流动性不好，反而影响了脱磷的效果，如实验炉次F，所以对于脱磷吹炼前期过程的炉渣碱度R控制在1.5 - 1.8为宜。
另外，转炉留渣+双渣工艺需要铁水成分、温度尽可能波动较小，如铁水[Si]波动大，温度波动大，势必带来操作稳定性难度提高。
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4 结论
应用正规离子溶液模型，通过脱磷热力学计算与现场试验数据分析得到如下结论：转炉吹炼一次倒渣时，将碱度和温度分别控制在R = 1.5左右，T = 1330 - 1360℃，同时将(FeO)控制在16 - 17%，可获得较高的LP。现场操作关键在于控制炉内过程的稳定性，尽可能保证前期化渣效果和炉渣良好的流动性。同时，低碱度炉渣脱磷的热力学规律有待测量。
参 考 文 献
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联系人：徐卫芳，女，45岁，炼钢工程师，新疆乌鲁木齐市头屯河区新疆八一钢铁股份有限公司炼钢厂, 邮编：830022； E-mail:xuwf@bygt.com.cn