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铁水预处理脱磷剂的实验研究

文档作者：魏颖娟习晓峰2 张西锋3 文档来源： 1陕西冶金设计院有限公司 2陕西龙钢集团炼钢厂 3中国重型机械研究院有限公司		点击数：	更新时间： 2021年03月05日
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•陕西省冶金设计研究院有限公司技术专栏•

铁水预处理脱磷剂的实验研究

魏颖娟,习晓峰2,张西锋3
                  (1陕西冶金设计院有限公司,陕西西安7100322陕西龙钢集团炼钢厂
                  陕西韩城7154053中国重型机械研究院有限公司,陕西西安710032

摘要:本文从脱磷反应的热力学及动力学条件出发,在实验室的条件下,以Ca-fe2O3
         CaF2为脱磷剂的主要研究渣系,对不同配比关系的固体合成脱磷剂及预熔脱磷剂进行脱磷实验研究
         得出适合铁水预处理的最佳配比关系的脱磷剂;在此基础之上,考虑用转炉渣、精细铁矿和烧结矿粉
        来代替脱磷剂中部分氧化剂和固定剂进行脱磷实验,确定其最佳配比关系。
             关键词:铁水预处理脱磷;预熔脱磷剂;转炉渣
             中图分类号:TF111文献标识码:A文章编号:1001-196X(2010)2-0068-05

Experimentalresearchondephosphorizerforhotmetalpretreatment
                             WEIYingjuan,XIXfeng,ZHANGXrfeng
                 1ShaanxiMetalhgicalDesignResearchInstiuteCo,Ltd,Xian710032China
                     2ShaaxiLongmen&amp;amp;SteelGCa,LtdHancheng715405China
                     3ChnaNatonalHeavyMachneryReseardIstitteXian710032Chna)

AbstractAcondingtohemodynamisandkinetiesconditinsofdephosphorizatinmeactionbasedonthe
        shgserieswithCa0-Fe0,-CaF2asdephosphorizeranexperinentalreseardhwascarriedouttoinvestgate
          hedifferentconfectingschemeofsolidsynthetidephosphorizerandpre-melteddephosphorizerinhispaper
         andhebestconfectingscheneofdephosporizerhasbeenobtanedBasedthereseardhaboveacertainpor
          tionofoxilantandativeinthedephosphorizerwassubstintedwBOFsagiranorefnesandsinterinthe
        experinenttodeteminethebestconfectingschemeofdephosphorizer
        KeywordsdephosphorizerbrhotmetalpretreamentpremelteddephosphorizecBOFslag

磷含量提出了更高的要求。磷在大多数钢中是一
  1前言
                                                      种有害元素,能显著降低钢的塑性和韧性,尤其
       随着科学技术的发展以及连铸技术和炉外处是回火韧性和冲击韧性,低温条件下,韧性的变
  理技术的推广和使用,钢材纯净度得到了显著提坏尤为显著,导致钢的“冷脆”,并随钢中碳、
  高,可改善钢材的加工性能、力学性能和使用性氮、氧含量的增加,磷的这种危害作用增强。而
  能。在钢材(特别是高附加值产品)市场竞争日且,磷是降低钢水表面张力的元素,随钢水中磷
  趋激烈的今天,许多厂家为提高产品竞争力,努含量的增加,钢水表面张力降低得越显著,从而
  力提高钢的洁净度,改善钢材性能,对钢中硫、降低钢的抗裂性能。钢水中的磷也能显著扩大液
                                                      相和固相之间的两相区,造成严重的成分偏析,
  收稿日期:2010-09-26修订日期:2010-10-14                                                      且在铁固溶体中的扩散速率很小,因而磷的偏析
  作者简介:魏颖娟(1983),女,硬士,陕西冶金设计院有限公很难消除,从而严重影响钢的性能,造成机械性

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 2010(S2)                                    重型机械                                      69
  几乎不能脱磷,铁矿石中的磷进入生铁中,致使和o减小有利于脱磷反应向正方向进
  生铁中的磷高达0.1%~1.0一般生铁中的行;增加渣中(FeO)含量,使铁水(0)含量
  磷主要在炼钢时氧化去除,但传统的炼钢工艺很提高,有利于铁水中磷的氧化去除;脱磷反应
  难达到冶炼低磷钢([P]<0.0~0.02%)和是强放热反应(=-103345J/moD,降低
  超低磷钢([P<0.00%)的要求,且增加转反应温度,将使反应平衡常数增大,有利于脱
  炉冶炼负荷,增长冶炼周期,增加生产成本。这磷。同时,由上式可知,在脱磷剂用量一定的
  就迫切要求简化转炉的冶炼功能,将脱磷移到炼条件下,固定剂和氧化剂之间存在着互为制约
  钢炉外进行铁水预处理脱磷是主要的脱磷方的关系,在脱磷剂配比中增加氧化剂表示减少
  式,其可以减轻转炉脱硅、脱磷任务,降低转炉固定剂用量,二者之比取0.95~1.05时,可使
  炼钢终点磷含量,提高转炉钢的质量,实现少渣铁水中的磷含量降低到最少
  多段冶炼,优化转炉操作,提高转炉炼钢各项经22脱磷动力学分析
  济技术指标,为经济地冶炼低磷优质钢、实现全
                                                           铁水预处理脱磷属于渣-铁之间的界面反
  连铸、连铸连轧、热装热送提供了技术保障。同应,对其动力学研究可采用液液反应中的双膜
  时铁水预处理氧化脱磷与其它脱磷环节相比具有理论模型来对反应速度和反应机理进行分析探
  明显的热力学优势,一方面铁水温度低于钢水温讨5铁水脱磷反应主要是铁水中的[P]和渣
  度,温度低有利于脱磷,另一方面铁液中有大量中的氧通过扩散到达反应界面,然后在界面上发
  的碳存在,由于碳和磷在铁水中的相互作用,使生化学反应,最后生成的P2O和[Fe]再以扩散
  磷的活度系数增大,因此在铁水中脱磷比钢水脱的方式从相界面传递到渣相和铁相中去。其各组
  磷更容易进行。从而使得铁水预处理脱磷技术发元在熔渣、铁液两相中的浓度分布如图1所示
  展迅速,已成为钢铁工业的一个重要环节。在铁
                                                      图中、分别为渣相及铁液相边界层厚度;
  水预处理脱磷剂研究中,可考虑用廉价的冶金原C(O)、CP1分别为PO4和P在渣相及铁液中
  料和冶炼过程产生的废弃物,如转炉渣、精细矿
                                                      的浓度;C(-)为P在渣膜一侧界面的浓度;
  粉以及烧结矿等物质来代替脱磷剂中的氧化剂和
                                                      CP为P在铁液膜一侧界面处的浓度。根据双膜
  固定剂,降低脱磷剂的生产成本,提高资源的二
  次利用率,减少环境污染,在保证高效脱磷的前理论推导出脱磷速度的反应方程式为
  提下,实现节约资源,变废为宝。                        _d[%_.1.Lp%P]-(%)
                                                                                    LP1                                                                                                  (2)
   2铁水预处理脱磷的理论分析
                                                      式中,A为渣铁界面积,V为铁液的体积、
   2.1脱磷热力学分析                               为铁液、熔渣密度,k、k为铁液、熔渣的传
       铁水预处理脱磷反应是在铁液与熔渣界面进质系数,LF为磷在渣铁间的分配系数。
  行的,首先是铁水中的[P]被铁液中的氧氧化为                                                           钢-渣界面的脱磷反应速度很大,因此铁水
   (P2O5),而后与固定剂(CaO、MgO、BaO、预处理脱磷反应的限制环节是渣钢界面两侧的传
  NO等)结合成稳定的磷酸盐渣而去除掉。其主质即、k研究证明,多数情况下,氧的传
  要反应表示如下:                                                      质为非限制环节,脱磷速率由界面两侧磷的传
                                                      质,尤其是熔渣侧磷的传质所控制,有效改善磷
          P]+3(02)+2O]=(P2)(1)在钢渣中的传质,可使脱磷反应速度加快。
                      (PO]-)(]-)                                                                 (po:)
              KPfin[P]aor-)
  则                        X(P02-)(]-)
              [P]=                                                                                 -
                      KP{(02-)]                                  铁水             C
       可以看出,强化脱磷的热力学条件是提高
                                                                图应的学

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3实验方法                                                      脱磷剂中Fe2O3和CaO的相对量,影响脱磷效果,
                                                      而且过高的CaF2对炉衬有明显的侵蚀作用,缩短
       脱磷实验是在功率为8W的井式电阻炉中进铁水包衬的使用寿命,研究发现当预处理渣中
  行。将(C)=4.4.4,(si=0.1%,(CaF2)>15时,对炉衬将产生明显的侵蚀作用
 (Mn)=0.10%~0.15,(P)=0.190.23%,对环境也有严重污染,一般将其控制在~10%
   (S)=0.002%的铁样放入外套高纯石墨坩埚的刚左右也能达到较好的脱磷效果
  玉坩埚内,再在氮气保护的条件下,将铁样随坩埚                100
  置于井式电阻炉内进行加热,在1350C温度下进行
  实验。实验内容主要包括以下几部分:                                60
       (1)以CaO、FeO3、CaF2等纯化学试剂为
  原料配制固体合成脱磷剂,研究不同氧化剂、固
  定剂及助熔剂之间最佳配比关系
       (2)在固体合成脱磷剂实验基础之上,对固
  体脱磷剂进行预熔处理后进行脱磷实验。                                                                图2固体合成脱磷剂的脱磷效果
       (3)在纯化学试剂为原料的实验基础之上,
  考虑用冶金渣尘及其它冶金原料如:转炉渣、精4.2预熔脱磷剂
  细铁矿和烧结矿粉来代替脱磷剂中部分氧化剂和                                                           将上述配比关系的脱磷剂进行了预熔处理
  固定剂进行脱磷实验。                                                      后,按相同的工艺路线和条件进行铁水预处理脱
                                                      磷实验,实验结果如图3所示。其脱磷效果都比
   4实验结果分析                             较明显,经过3mn处理后可将铁水中的磷降低
   4.1固体合成脱磷剂                                                      到0.07以下,脱磷率达69.57%以上,最高脱
       本实验的固体合成脱磷剂主要成分为:氧化磷率可达96.14%;而经过10mn的脱磷处理后
  铁40%~65%,分析纯Ca030%~50%,分析纯预熔脱磷剂均能将铁水中的(P)由0.19%
 Ca215,在1350C下,加入量为铁水量0.23%降低到0.01以下,脱磷率均大于
  的10%的条件下进行了十组实验,实验结果如图90%,最高能降低到0.0052%,脱磷率可达到
  2所示。上述配比关系的固体合成脱磷剂经过397.3%。所以,该配比关系预熔脱磷剂均能实现
  min脱磷处理后均能将铁水(P)由0.2%冶炼低磷钢、超低磷钢和一些特殊性能钢的要
 0.23%降低到0.1%以下,脱磷率均大于求,特别是y2-2组、2-3和YY2-8组
  52.17,其中YH2-1和YH2-3组配比的脱磷同时,由图3也可以看出,预熔脱磷剂的脱磷率
  剂能将铁水(P)降低为0.03%以下,脱磷率分均大于相应配比关系的固体合成脱磷剂的脱磷
  别为84.0%和85.22%;经过10min的脱磷处理率0~3mn时预熔脱磷剂的脱磷曲线比固体合
  后使铁水(P)由0.2B~0.23%降低到0.042%成脱磷剂的脱磷曲线的斜率大,3~10min时固
  以下,脱磷率均大于81.74%,其中YH2-3和体合成脱磷剂的脱磷反应仍继续进行而预熔脱磷
  YH2-9组配比的脱磷剂能将铁水(P)由0.23%剂的脱磷反应已达到了平衡状态,但10mn时
  降低为0.011%,脱磷率达到95.22%,这主要是者的脱磷率均达到了较低的水平。这说明预熔
  该配比中CaF2含量较高,在脱磷处理时CaF2                                                      脱磷剂和固体合成脱磷剂最终的脱磷效果基本相
  到助熔作用,不仅降低CaO和FeO3的熔化温度,                                                      同,均能实现铁水预处理高效脱磷的目的。只是
  并能在较低的温度下增加CaO在渣中的溶解度,                                                      在把磷降低到相同水平时预熔脱磷剂的脱磷速率
  形成高碱度脱磷渣,使脱磷反应得以快速的进要大于固体合成脱磷剂的脱磷速率。这主要是由
  行6,而且CaF2将破坏SD2(S2主要是脱磷剂于预熔脱磷剂在进行预熔处理过程中各成分已经
  中的FeO3将铁水中的硅氧化所得产物)在CaO过比较充分的熔化及化学反应,形成了低熔点的
  表面形成的网状2Ca•SO2硬壳,加快石灰的溶CaO与Fe03的化合物,即钙铁石和少量钙铁氧

2010(S2)                                    重型机械                                      71
  程的热损失,使得在脱磷反应过程中,铁液表面         同时,在预熔脱磷剂最佳配比关系的基础上
  较短时间内渣-金界面的脱磷反应便由固-液反用BO代替最优配方中部分Ca配制复合预熔
  应转变为液-液反应,极大地改善了脱磷的动力脱磷剂进行脱磷实验(实验条件与预熔脱磷剂脱
  学条件。而固体合成脱磷剂加入铁水以后有一个磷实验完全相同)。实验结果如表1所示,可看
  石灰熔解的成渣过程,所以反应速度较慢,在较出,含BO(BaCO3在高温分解为BaO)的预熔脱
  长时间内进行的是固-液反应                   磷剂比纯CaO的预熔脱磷剂相比具有明显的脱
               100                                    磷效果。从离子理论的观点看:Mg、Ca+、
               80                                     s2、Ba2离子的半径逐步增大,其与熔体中
                60                                     02离子结合能力顺序减弱,而与PO离子的
                                                      结合能力则依次增强,因此在固定剂总含量不变
                                                      的条件下在铁水预处理脱磷剂中,适量配入BO
                        时间m                          有利于提高脱磷率。
              图3预熔脱磷剂的脱磷效果
                                     表1加入BaCO3对脱磷效果的影响
                     序号BaCO3含量初始磷含量10mn磷含量脱磷率
                       12         00            021           0016         9238
                                               021           0010         95.24

4.3含转炉渣脱磷剂                               之间时脱磷率基本保持不变,均大于91.43%,
       从转炉渣的成分可以看出,转炉渣中的有效使铁水中的磷由0.21%降低到0.018以下,其
  成分(氧化钙(38.4~48.5%)、氧化铁中含转炉渣为45.73%的脱磷率最高,为
   (24.6%~28.7%)、氧化硅(8%~15%))及94.76;当脱磷剂中转炉渣含量进一步增加到
  含量和铁水预处理脱磷剂的主要成分较为接近,56.49%时,脱磷率反而大幅度下降到73.33%,
  因此可用转炉渣代替脱磷剂中部分氧化钙和氧铁水中的磷由0.2%降低到0.056,这可能是
  化铁,并配加一定量的助熔剂来实现铁水预处理由于在保持脱磷剂总量不变时,转炉渣中氧化钙
  脱磷,此方法不仅能较为理想的发挥转炉渣应用与氧化铁的有效浓度低,所以随着转炉渣的增加,
  价值,减少对环境的污染,而且能大大降低脱磷使脱磷剂中有效氧化铁与氧化钙总量有所降低,
  剂成本,提高铁水预处理效果。但由于转炉致使脱磷率下降;且在脱磷剂成分一定的情况下,
  渣熔化温度高,必须通过添加助熔剂降低其熔化随着转炉渣加入量的增加,带入的其他不利于脱
  温度,以适应铁水预处理温度的要求,而且转炉磷反应进行的P2O3的含量也相应增加,从而使脱
  渣中含有不等量的P2O5及SD2等不利于铁水预磷效果降低因此含转炉渣的预熔脱磷剂应用
  处理脱磷的有害物质,为此本实验研究是在纯化于工业生产时必须注意转炉渣的配加量不能过大,
  学试剂确定的最佳预熔脱磷剂配比关系基础上尽量不要大于50%,以保证脱磷效果。
  分别选用18.1%、33.11%、45.73%、56.49%                100
  的转炉渣(此处的转炉渣含量是指转炉渣中的有                  80
  用成分)部分代替预熔脱磷剂中的FeO3和CaO                60
  进行脱磷实验,并且对脱磷剂进行预熔处理。实                40
  验结果如图4所示。可看出,用转炉渣代替部分                  20
   预熔脱磷剂能实现较好的脱磷效果(与用纯化学                     0102030405060
                                                                          1020      050
  试剂配制的预熔脱磷剂在相同条件下具有同样的                         转炉渣配加量/%

72                                      重型机械                                     2010(S2)
   4.4其他冶金原料配制脱磷剂                     铁水预处理脱磷剂。实验结果表明,含转炉渣的
       由于烧结矿中含有一定量低熔点的2C预熔脱磷剂的脱磷效果与常规脱磷剂相当,在转
 FeO3、caf等化合物其具有较强的炉渣配加量为45.73%时含转炉渣的预熔脱磷剂
  脱磷能力。为此,在普通预熔型铁水预处理脱磷的脱磷效果最好,使铁水中的磷由0.21%降低
  剂确定的最优配比关系的基础上固定脱磷剂中到0.011%,脱磷率为94.76;
  氧化剂、固定剂、助熔剂配比关系不变,配加          (4)对精细铁矿粉、烧结矿等其它冶金原料
 58.58%的榆钢烧结矿,来替代脱磷剂中FeO3用作脱磷剂也进行了实验,发现其脱磷效果也是
  和CaO配制含烧结矿的预熔脱磷剂,并在此基可观的,在烧结矿配加量为58.58%时,脱磷率
  础上进行脱磷实验,经过10mn可使铁水中的可达到95.24%,而配加精细矿粉的预熔脱磷剂
  磷由0.21%降低为0.010%,脱磷率为5.24%,可将铁水的磷由0.21%降低为0.015%,脱磷率
  可见,在实验条件相同的情况下用烧结矿代替纯为92.85%
  化学试剂中的FeO3和CaO配制的预熔型脱磷剂参考文献:
  的脱磷效果和用纯化学试剂配制的脱磷剂的脱磷1]黄希祜钢铁冶金原理M北京:冶金工业出
  效果相差不大,这将使铁水预处理脱磷剂成本大          版社,2004
  为降低。                                                      [2]YindongYangAMcleanLanD.Sommerville
       同时,精细铁矿粉中含有大量氧化铁,可考                                                           Sudyonphosphateandsulphilecapacitiesof-
  虑在精细铁矿粉中配加CaO配制预熔型铁水预                                                            CachslagsJ].Steelwesearch199566(3):
                                                            103-109
  处理脱磷剂,其也能有效降低脱磷剂成本。本实
                                                      3]乐可襄,李杰用Ca2-Fe2O3基熔剂进行铁水
  验所用脱磷剂是在最优配比关系的基础之上,给
                                                            预处理脱磷[』钢铁研究学报,200618(9):
  榆钢精细矿粉中配加40%Ca和10%CaF2在         1012
  1300预熔而成。再和预熔型脱磷剂相同的工艺【4]张家芸冶金物理化学[M].北京:冶金工业出
  条件下进行脱磷实验。实验结果显示,用精细铁          版社,,《2004l13014L《
  矿粉配制的预熔型脱磷剂也能满足铁水预处理要5]李文超冶金与材料物理化学[M].北京:冶金
  求,可使铁水中的磷由0.21%降低为0.015%,          工业出版社.200301319
  脱磷率为92.85%                                                     6]吴宝国,骆小刚,董元篪,等改变钙系脱磷剂
                                                            熔渣组成对脱磷的影响[炼钢,200420(2):
   5结果                                               27-30
      (1)配比关系为:40%~65%e03、35                                                      7]周云,王涛,王世俊,等,用预熔渣对铁水脱磷
                                                            的实验研究[J炼钢,200521(5):33-36
   50%Ca、6%1Ca2的混合型脱磷剂和8]战东平,姜周华,王文忠,等预熔精炼渣钢水
  预熔型脱磷剂,在1350℃,加入量为10%的条          深脱硫实验研究[材料与冶金学报,20021
  件下均能实现较好的脱磷效果,可使铁水中的磷          (1):6568
  由0.21%降低至0.018%以下,脱磷率达9%以【9]乐可襄,董元篪,王世俊Ca-fe3-ca2铁
   上,但预熔脱磷剂的脱磷速率要大于固体合成脱          水预处理脱磷熔剂的研究[J.炼钢,200117
  磷剂的脱磷速率;                                                            (1):4850
       (2)在得到的最佳配方的基础上研究了复合【10]王兆达.冶金保护材料理论与实践[M]沈阳:
  预熔脱磷剂,主要是用BaO代替部分CaO,实                                                             东北大学出版社,2005
  验结果证实了含BaO的复合预熔脱磷剂脱磷率郭上型郭湛转炉渣用于铁水预处理脱磷的工
                                                             艺实验[J].钢铁研究学报,200618(9):
  比一般的预熔脱磷剂要高;                                 13-16
       (3)转炉渣含有大量的CaO和MgO等碱性[12朱苗勇现代冶金学(钢铁冶金卷)M]北京
  氧化物及FeO3和FO氧化剂,因而,可以用转           冶金工业出版社,2004
  炉渣替代预熔脱磷剂中部分CaO和FeO3来配制

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