转炉磷行为及钢水回磷分析.doc

湖南省技师综合评审

炼钢职业文章
（国家职业资格二级)

文章类型：论文
文章题目：转炉磷行为及钢水回磷分析

姓 名：杨信权
准考证号：
所在省市：湖南娄底涟钢
工作单位：华菱涟钢

转炉磷行为及钢水回磷分析
华菱涟钢 杨信权
摘要：在转炉出钢及LF精炼过程中往往发生钢水回磷现象,难以使钢材的磷含量降到更低的水平。采用合理的计算方法和现场数据统计，分析转炉——LF精炼流程中钢水发生回磷现象的根本原因。
关键词：转炉；回磷；碱度；合金
Abstract: Steel often occur in tapping and LF converter refining process rephosphorization phenomena, it is difficult to make the phosphorus content of steel down to the lower levels. The calculation method and field data, a reasonable statistical, root cause analysis of LF refining process of molten steel in converter -- back to phosphorus phenomenon.
关键词：转炉；回磷；碱度；合金
Keywords: converter; rephosphorization; alkalinity; alloy

1、绪论
磷对钢的危害无法通过回火等热处理手段来消除，只有通过控制钢水中的磷含量来减小磷对钢材的危害，所以随着用户对钢材质量要求的不断提高,必然要求钢中磷含量越来越低。尽管转炉炼钢可使钢水磷含量降至很低的水平（[P]可以小于0.005%）,但在转炉出钢及LF精炼过程中往往发生钢水回磷现象,难以使钢材的磷含量降到更低的水平。回磷严重时，甚至有可能使整炉钢报废，所以采用合理的计算方法和现场数据统计，分析转炉——LF精炼流程中钢水发生回磷现象的根本原因,对寻找抑制回磷的措施及最佳转炉出钢磷具有现实指导意义。
2、转炉炉内磷行为分析
在碱性转炉里，炉内氧化性气氛具有去磷的热力学条件，只要控制好炉内熔渣碱度、氧化性及钢水温度，渣中与钢水中的磷分配比就可以达到最大，使钢水中的磷含量很低。下面阐述脱磷反应的热力学条件，分析钢水中磷的行为：
2.1热力学分析
TurkdoganET建议在估算渣钢间磷的平衡时，最好不要对炉渣做任何假设，而只考虑以一个最简单的方式表述可能发生的反应，然后用实验数据来确定炉渣成分变化对反应物和反应产物活度的影响，若把钢水中磷与氧发生反应生成P2O5进入渣中作为一个组分(P2O5)来看待，则脱磷反应式可简化为[1]:
2[P]+5[O]=(P2O5) （1）
△ G=—708120+558.6T (J·mol-1)
此时,反应平衡常数k为：

式中 ：
a(P2O5)——渣中P2O5的活度;
γ(P2O5),X(P2O5)——渣中P2O5的活度系数和
摩尔分数;
a[O],a[P]——钢水中溶解氧和溶解磷的活度;
f[P],X[P]——钢水中磷的活度系数和平衡磷含量
在脱磷过程中存在如下反应式[2]：
4CaO+P2O5=（4CaO·P2O5） （2）
把（1）和（2）叠加可以得到如下反应式：
2[P]+5[O]+4CaO=（4CaO·P2O5）
所以脱磷跟渣中CaO、FeO还有钢水温度有关。在脱磷过程中CaO充当吸收剂形成磷酸盐，FeO充当氧化剂，该反应是放热反应，温度影响反应平衡常数。不管是在转炉或者在钢包或者在LF回磷主要是由于上诉几种因素的变化引起的。
3、冶炼后期钢水回磷
3.1 熔池温度
温度升高可引发钢水回磷，在转炉—LF炼钢流程中，转炉后期温度升高，钢水将发生回磷,回磷量视温度升高幅度而不同。若想控制此时回磷,应避免后期温度过高或在顶渣表面加冷却剂。下图表示炉内温度和磷的关系，数据从生产数据（熔剂及铁水条件相近，同一班次）中选择：
图1：温度和[P]的关系
从上图可以看出，随着终点温度的升高[P]也升高，在现有炉渣条件下（碱度为4.0左右），温度为1620~1690℃区间内，温度升高1℃，回磷0.000125%，在温度为1690℃以后，温度升高1℃，回磷0.00033%。
3.2钢水氧化性
在冶炼08Al时，出钢定氧，数据如下表所示，该表是同一班次不同炉座的数据（冶炼条件可以近视相等）。
炉号
石灰
轻烧
矿石
生白
钢水量
温度
氧
钢水P
3347710
4308
886
3172
872
99.6
1615
656
0.007
3347709
4204
786
3609
609
98
1622
827.2
0.006
3347707
3996
896
3298
898
101.3
1624
879.1
0.01
3110823
5200
972
2869
769
101.4
1695
1003
0.012
3110824
4408
698
3679
679
99
1647
1023
0.008
3230059
4911
1088
3774
474
101.8
1621
1052
0.007
3110825
4306
786
5017
517
101.1
1691
1173
0.019
3230057
4335
1029
3545
945
99.226
1660
1179
0.014
3230058
4741
783
3600
700
98.7
1646
1278
0.012
3110826
4121
987
3521
821
99.6
1627

通过上面数据作图2，如下：

图2：磷与氧的关系
钢水平衡磷含量如图2所示可见，钢水中[O]的含量超过1100ppm时,钢水平衡磷含量增加，在600~1100ppm之间，钢水[P]在0.01%以下，但是超过1100ppm时，钢水磷处于0.01~0.015之间。随着钢水氧化性增加，钢水回磷。原因可能如下：
l CaO/FeO的比值比较小，产生钢水回磷；
l 温度高回磷；
由于数据比较少，规律性不是很明显，希望在这方面继续收集数据。
3.3 炉渣碱度
从脱磷热力学条件可以知道，炉渣碱度降低时，钢水平衡磷含量值增大，钢水将发生回磷。图3是[P]和碱度之间的关系：

图3：[P]和碱度的关系
在现有工艺条件下，碱度在4以下时，炉渣碱度每降低0.1，钢水平均回磷量为0.001%，碱度在4以上时，随碱度的升降，钢水回磷几乎为0%。在冶炼CSP钢时炉后加石灰，碱度几乎在4以上,所以碱度不是引发该流程钢水回磷的根本原因，但进一步提高碱度，有利于抑制钢水回磷，或者在出钢过程中加入Na2O、BaO等高碱度化合物可提高精炼渣碱度，从而减少回磷。
4、合金回磷（增磷）
在现有所冶炼钢种中，合金回磷主要发生在硅锰合金和硅铁上，由于HRB335、HRB400和Q345B等钢种硅锰合金加入量比较大，所以合金回磷主要发生在以上钢种。合金(合金中w（P）=0.150%)加入后的钢水增磷量可用X[P]表示,则有：
X[P]=(合金加入量合·金磷含量)/钢水量
图4是用上式计算得到的各类合金的加入量对钢水回磷的影响。可见，钢水增磷量与吨钢合金消耗呈正比。

图4：吨钢合金消耗和回磷的关系
从上图可以看出以上钢种回磷为0.003~0.004%。
5、出钢过程中的回磷
由于方坯出钢脱氧没有加石灰，导致在出钢脱氧过程中，被钢水卷入钢包的渣氧化性减弱，而碱度也不能达到要求（4以上），所以合金及渣中的（P）全部还原，进入钢水中，用Y[P]表示由转炉下渣引起的钢水回磷量用Y(P2O5)表示氧化渣(P2O5)的含量，则：
Y=总回磷量—合金回磷量
下表是根据上式计算的Y值
炉号
总回磷
合金回磷量
下渣回磷
3110484
0.0080
0.0035
0.0045
3110485
0.0080
0.0032
0.0048
3110487
0.0100
0.0035
0.0065
3110488
0.0060
0.0033
0.0027
3110489
0.0060
0.0033
0.0027
3230764
0.0100
0.0035
0.0065
3230765
0.0060
0.0032
0.0028
3230766
0.0050
0.0032
0.0018
3230767
0.0060
0.0039
0.0021
3230768
0.0070
0.0032
0.0038
3230769
0.0060
0.0032
0.0028
3230772
0.0050
0.0031
0.0019
3347394
0.0040
0.0035
0.0005
3347395
0.0070
0.0033
0.0037
3347398
0.0080
0.0032
0.0048
3347399
0.0080
0.0031
0.0049
3347401
0.0070
0.0029
0.0041
3347403
0.0050
0.0034
0.0016
平均
0.0068
0.0033
0.0035
CSP钢水在出钢过程中加入石灰及其他精炼材料，渣的碱度比较高，在没有下渣或者下渣量比较小的情况下，交接点磷还会减少。当下渣量比较多的情况下，可以多加石灰提高碱度来抑制回磷
6、LF精炼回磷
转炉出钢后，LF阶段的冶炼温度通常比氩站阶段高，所以温度升高是LF精炼过程中钢水回磷的原因之一，此时升温幅度由钢种决定，为不可控制的因素，只能严格控制下渣量或减少铁合金带入的磷。炉渣碱度越低，炉渣氧化性越小，熔池温度对回磷的影响越大，所以在LF精炼过程中要保持足够的碱度才能抑制回磷。
7、结论
1) 转炉内钢水回磷随着温度的升高而增加：在现有炉渣条件下（碱度为4.0左右），温度为1620~1690℃区间内，温度升高1℃，回磷0.000125%，在温度为1690℃以后，温度升高1℃，回磷0.00033%。建议尽量降低转炉出钢温度减少冶炼后期回磷，出钢温度应该控制在CSP钢应该小于1650℃，方坯1690℃（上机除外）。钢包必须保证红包；
2) 钢中[P]在钢水[O]《1100ppm以下，随氧化性增加而减少，而[O]大于1100ppm时，钢水会回磷，由于数据不是很多，该规律有待深入研究；
3) 为防止或者减少转炉内回磷，渣的必须足够的碱度，应该保持在4.0左右，过高的碱度只能防止回磷，但限制了脱磷的动力学条件，使渣的脱磷效果减弱；
4) 合金回磷主要是发生在硅锰合金上，HRB335、HRB400和Q345B等钢种合金回磷量平均0.0033%，CSP钢合金回磷几乎为0%；
5) 方坯下渣回磷量平均为0.0035%，CSP钢在出钢过程中加入石灰及其他精炼材料，渣的碱度比较高，所以在出钢过程中几乎不回磷，当下渣量比较多可以多加石灰提高碱度抑制回磷；
6) LF回磷量与精炼时间、温度及下渣的多少有关，在强还原气氛中只有渣的碱度达到4.0以上及减少下渣量，才能减少回磷。

参 考 文 献
[1] 曲英，炼钢学原理.北京：冶金工业出版社，1980.
[2] 王雅贞 氧气顶吹转炉炼钢工艺与设备 冶金工业出版社 2001