趙志強(qiáng)

（河鋼宣鋼實(shí)業(yè)發(fā)展總公司，河北 張家口 075100）

轉(zhuǎn)爐煉鋼，是采用廢鋼、鐵水、鐵合金等原材料，利用鐵液本身的物理熱能、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，完成煉鋼過程，主要用在碳鋼、合金鋼、銅鎳的冶煉上。轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)發(fā)展至今，出現(xiàn)了多種生產(chǎn)工藝，以堿性氧氣頂吹+頂?shù)讖?fù)吹工藝為例，具有產(chǎn)量大、生產(chǎn)速度快、成本低、投資少的優(yōu)點(diǎn)，在目前的應(yīng)用廣泛。以下結(jié)合試驗(yàn)，探討了磷元素的富集特點(diǎn)和影響因素。

1 轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中脫磷研究現(xiàn)狀

在大多數(shù)鋼材中，磷均是一種有害的元素。如果鋼中的磷含量過高，會(huì)增加鋼材的冷脆性，導(dǎo)致塑性和沖擊韌性降低，冷彎性能、焊接性能變差。因此，轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，脫磷是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。相關(guān)學(xué)者針對(duì)C2S脫磷工藝及影響進(jìn)行研究，對(duì)鋼渣進(jìn)行微觀分析，結(jié)果顯示鋼渣中的磷元素不均勻分布，主要是磷酸鈣的形式[1]。進(jìn)一步對(duì)鋼渣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)磷酸鈣除了溶解在C2S中，還有小部分溶解在CS中。在冶煉初期，CS和鐵元素的氧化物就已經(jīng)形成，到了冶煉后期則變成C3P-C2S固溶體，無法利用以往的脫磷理論進(jìn)行解釋。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的低碳低磷鋼（碳含量≤0.03%，磷含量在0.005%～0.006%之間），冶煉難度遠(yuǎn)大于中碳低磷鋼（碳含量≥0.03%，磷含量在0.005%～0.006%之間）。而且，冶煉低磷鋼時(shí)，低碳含量條件下補(bǔ)吹，即使堿度高、FeO含量高、熔池溫度不變，也容易回磷?？梢?，只有掌握磷元素的富集特點(diǎn)，明確相關(guān)影響因素，才能提高脫磷效率，生產(chǎn)出高質(zhì)量的鋼材。

2 磷元素的富集及影響因素試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)樣本

選擇生產(chǎn)中厚板的100t轉(zhuǎn)爐，鋼種為低碳抗酸鋼，碳含量在0.05%以內(nèi)，磷含量在0.008%以內(nèi)。冶煉時(shí)，拉碳后多次補(bǔ)吹，鐵水溫度為1270℃～1350℃，成分如下：C含量為4.5%～4.65%，Si含量為0.45%～0.65%，Mn含量為0.1%～0.15%，P含量為0.8%～0.95%，S含量為0.01%～0.025%。

獲取轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的渣樣、半鋼渣樣，檢驗(yàn)渣樣成分見表1。其中，樣本11是脫磷結(jié)束后的半鋼渣，樣本1-10是拉碳和補(bǔ)吹樣。

2.2 試驗(yàn)方法

將鋼渣破碎、拋光、清洗，制作成試樣，使用電子顯微鏡觀察試樣的形態(tài)。依據(jù)背散射成像原理，物質(zhì)的原子序數(shù)越大，圖像越清晰明亮，反之越模糊黑暗[2]。觀察成像后可知，鋼渣中的主要元素，按照原子數(shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)從大到小排列，依次是Fe、Ca、Si、Mg，然后進(jìn)行定量分析。

表1 11個(gè)渣樣的組成成分（單位：%）

3 磷元素的富集及影響因素結(jié)果分析

3.1 磷元素的富集特點(diǎn)

觀察結(jié)果顯示，渣相可分為硅鈣相、鐵-氧化物相、鎂鈣相、鎂-氧化物相、鐵鈣相等。其中，磷元素只在含有硅元素的相中如C2S，其他相中則不含有磷元素。統(tǒng)計(jì)11個(gè)樣本的C2S所占比例，分別是：27.0%、22.7%、14.6%、18.5%、37.7%、26.2%、45.5%、30.0%、36.7%、29.9%、49.4%。可見，隨著渣中富磷相比例提高，磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也在提高，兩者呈正相關(guān)性。此外，拉碳渣C2S-C3P的富磷相比例，要高于補(bǔ)吹渣，隨著補(bǔ)吹次數(shù)增加，渣相中富磷相占比不斷降低，且半鋼渣中富磷相的比例最高。

3.2 SiO2的影響

固磷相在渣中的比率，影響磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且SiO2是固相磷的主要成分之一。分析可知，渣中SiO2的含量，和渣中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系密切，前提條件是補(bǔ)吹倒渣后，渣中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，在5%～10%之間[3]。渣中SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于臨界值，會(huì)影響固磷環(huán)節(jié)，導(dǎo)致脫磷效果不佳。經(jīng)計(jì)算，在100t鐵水中，磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.12%，則磷含量為120kg，要想全部固化，需要硅元素360kg；這些硅元素均來自于鐵水，質(zhì)量分?jǐn)?shù)折合為0.36%。如果轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)是0.01%，鐵水磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是0.12%，硅元素均來自于鐵水，那么合理的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是：W≥3×(0.12%-0.01%)=0.33%。

3.3 FeO的影響

渣中固磷相的大小、形態(tài)均改變，是FeO造成的影響[4]。其中，固磷相中含有的Si-Ca相，分解為低熔點(diǎn)的硅酸鈣、硅酸鐵，如果轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度高，那么它呈現(xiàn)為液相。分析可知，終渣中的C2S混合相，是重要的固磷相，隨著FeO升高，C2S就會(huì)分解，形成低熔點(diǎn)的鐵酸鈣、硅酸鐵、磷酸鐵等；或者從大顆粒分解為小顆粒。磷元素在分解過程中，重回鋼液就發(fā)生回磷現(xiàn)象。

3.4 溫度的影響

溫度對(duì)磷元素的影響，一方面是直接影響固磷相，隨著溫度升高，磷從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，出現(xiàn)回磷現(xiàn)象。另一方面是通過FeO對(duì)固磷相的作用，即FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低，影響分解溫度，促使磷從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。在FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的條件下，渣相在1200℃～1600℃時(shí)，成分變化見表2。

表2 計(jì)算體系的成分（單位：%）

采用Si-Ca相的分解溫度，F(xiàn)eO質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，硅鈣相的分解溫度越低；FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小，硅鈣相的分解溫度越高。在以往脫磷環(huán)節(jié)，認(rèn)為轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)，可以低溫脫磷；但影響終點(diǎn)溫度的因素多，例如鋼水液溫度、轉(zhuǎn)爐出鋼溫度等?；诹椎墓袒碚撓拢瑢?duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)固磷相的熔點(diǎn)進(jìn)行控制，使其高于鋼水的溫度，可以實(shí)現(xiàn)低溫出鋼的目標(biāo)[5]。

4 結(jié)論

綜上所述，轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，脫磷是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，直接影響鋼的性能質(zhì)量。為了明確鋼渣中磷元素的富集特點(diǎn)和影響因素，文中進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)論如下：

（1）試驗(yàn)結(jié)果顯示，脫磷過程是磷的氧化、磷的固化兩個(gè)步驟組成，磷元素大多富集在C2S硅酸鈣相中。

（2）轉(zhuǎn)爐終渣中，隨著FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，會(huì)導(dǎo)致C2S分解為低熔點(diǎn)的鐵酸鈣相，磷元素在分解期間重回鋼液，出現(xiàn)回磷現(xiàn)象，因此脫磷效果差。

（3）在渣-鋼平衡態(tài)，存在SiO2的臨界含量，如果SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于臨界值，就會(huì)影響固磷環(huán)節(jié)，降低脫磷效率。計(jì)算合理鐵水的方法是：WSi≥3×（鐵水WP-轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)WP）。

（4）分析固磷相的分解溫度，發(fā)現(xiàn)較低FeO渣中的Si-Ca相，隨著溫度升高更加穩(wěn)定。因此，通過控制轉(zhuǎn)爐終渣的固磷相分解溫度，可以實(shí)現(xiàn)低溫出鋼。

5 結(jié)語

轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝中，鋼渣中的磷元素并非均勻分布，主要富集在含有硅元素的相中如C2S。分析可知，渣中SiO2的含量，F(xiàn)eO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以及分解溫度，是影響磷元素富集的主要因素。希望通過本文，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，進(jìn)一步提高脫磷效率，生產(chǎn)出高性能質(zhì)量的鋼材。