转炉炼钢流程中的脱磷工艺
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转炉炼钢流程中的脱磷工艺 胡加学李东 摘要:随着用户对低磷钢和超低磷钢的需求曰益增加,铁水脱磷己成为转炉冶炼低 磷钢流程中最为关键的工序。本文综述了目前国内外转炉炼钢流程铁水脱磷工艺的发 展现状和部分工厂的操作参数,分析比较了各种工艺的优缺点,并论述了铁水预脱磷 工艺对于转炉炼钢的重要意义。 在炼铁过程中,原料中磷的氧化物被还 1500℃、1600℃时,K。分别为7800x10 、 原,磷几乎全部进入铁水。对于绝大多数钢 350xl0 、2.1×10 。因此,较低的反应温 种来说,磷是有害元素,它容易在晶界偏析, 度对脱磷有利。 降低钢的低温冲击韧性,增加冷脆性,引起 2) 高氧化性:磷被熔渣氧化生成 腐蚀疲劳、焊接开裂等。近年来,用户对低 P20 ,再与CaO结合生成稳定的化合物 磷钢和超低磷钢的需求明显增加,部分钢种 4CaO・P205或3CaO・P205进入渣中,但 如深冲钢和高级别管线钢等对磷含量要求 3CaO・P205在高温下不稳定。熔渣中的氧主 苛刻,传统的转炉炼钢工艺流程越来越难以 要由(FeO)提供,增加熔渣中的(FeO)畲量, 满足低成本地冶炼低磷钢的要求,使得日本 aFeO增大、£ 增大,可加速石灰的渣化,改 钢铁企业形成了一系列以铁水预处理为基 善熔渣的流动性。利于睨磷反瘦o 础的“高炉炼铁一铁水预处理(脱硅、脱硫、 3) 高碱度:渣中的酸性氧化物如SiO2 脱磷)一转炉少渣炼钢(脱碳升温)一钢 对脱磷不利,提高熔渣碱度是提高脱磷率的 水炉外精炼(除杂、除气、深脱硫、调整 有效途径,增加渣中碱性氧化物CaO的比 合金成份)一连铸”的钢铁冶金优化工艺, 例,可以增大ac o,降低丫(4CaO.P2o5),使得三p 开始了纯净钢冶炼的先河。目前国内外已建 增大。但熔渣碱度应控制在合适的范围,碱 立起大规模的纯净钢生产系统,铁水预处理 度过高时渣的流动性差而不利于脱磷。 正向深度脱磷、深度脱硫发展[1,21。 4) 大渣量:在钢渣成分一定的情况 1氧化脱磷原理 下,增大渣量意味着稀释了P205的浓度,所 具有氧化性的碱性炉渣在铁水中的典 以增加渣量可增大脱磷量【oJ。 型脱磷反应为: 脱磷反应是典型的渣 钢界面反应,渣 2[P】+5(FeO)+4(CaO):(4CaO‘P205) 的形成速率对脱磷有关键影响。熔渣形成 +5[Fe】 Erg ---204450+83.55T 后,在渣钢界面上的磷的氧化速率很快,脱 其平衡常数 磷速率由界面两侧的传质控制,即反钢液中 【P]的传质和渣相中的(P2o5)的传质。脱磷反 应在相界面进行,炉渣的状态和流动性及其 磷在渣.钢间的分配比 : 与铁水的接触时间,搅拌程度等动力学条 件,明显地影响着传质速度,从而影响脱磷 = 『%P] : a ̄ y(4Ca 7(4Ca0O .P2Q)・ 反应的速度。当热力学条件发生不利的变化 时,如温度升高、(FeO)降低等原因,都会 欲提高熔渣的脱磷能力,必须增大Kp、 发生回磷。在满足热力学条件的同时.还必 aFe0、acao、ftp] 口降低1,(4C O.P2O5),由止匕可失lJ 须创造良好的脱磷反应的动力学条件,因 利于脱磷反应的基本热力学条件,即低温, 此,利于脱磷反应的动力学条件是确保脱磷 高氧化性、高碱度的炉渣【3 。 过程中渣有良好的流动性,并在脱磷前期加 1) 低温度:脱磷反应是强放热反应, 强熔池的搅拌。 KD随温度升高而急剧减小。在1400 ̄C、 2转炉炼钢流程中的脱磷工艺 转炉炼钢生产普通钢种的常规工艺流 程是:高炉铁水一常规(轻)脱硫 ([S1<0.02%)一复吹转炉(脱磷、脱碳、升 温)一钢水精炼(脱氧、去气体、去夹杂)一普 通钢水,脱磷是转炉的任务之一。 国内外对汽车板、管线钢、深冲板等高 端钢铁产品按纯净钢要求进行生产,冶炼时 通常先进行铁水预处理脱硫、脱磷,以减轻 精炼负荷。铁水预处理已成为生产优质低磷、 低硫钢必不可少的¨r序,其基本目标是将进 入转炉的铁水中[s】、[P]含量脱至成品种的水 平,通过转炉冶炼后获得低磷、低硫的钢水, 进而炉外精炼后获得超纯净的钢种。 目前,基于铁水预处理的洁净钢冶炼工 艺有两种:一种是欧美及宝钢、武钢采用的 基于铁水深度预脱硫的纯净钢冶炼工艺:铁 水深脱硫一转炉强化脱磷一钢水喷粉脱磷、 脱硫、升温、真空精炼。另一种是日本企业 采用的基于铁水三脱预处理的纯净钢冶炼 工艺:铁水三脱(Si、P、S)处理一复吹转炉 少渣吹炼一钢水喷粉脱硫、升温、真空精炼。 两种 [艺相比,第一种 [艺路线铁水不 全量三脱预处理,温降小,热损少,可提高 废钢比,而且还可以低温出钢,但终点磷含 量较高。第二种预处理工艺路线克服了生产 低磷钢种的一些困难,并且可以通过减少总 渣量降低成本,提高产量,但预处理时热损 失大,且了废钢比。但第二种_丁艺路线 可以保证顺利生产超低磷钢。两种_J:艺均能 生产P<0.01%、S<0.005%的洁净钢,但后 者经济效益明显高于前者。 根据脱磷 I:艺的不同,把转炉炼钢流程 中脱磷方法分为[1-2,7-8]: 1) 单渣法:充分利用转炉的脱磷能 力,在同一座转炉内一次造渣脱硅脱磷。 2) 双渣法:无预脱磷设备时转炉内冶 炼低磷钢的 艺,在同~座转炉上先进行铁 水脱磷,倒掉部分脱磷渣,再进行后期脱碳、 升温: 硫脱磷)预处理时,采用同时脱硫脱磷工艺; 二是在专门的脱磷转炉内进行铁水预脱磷, 两座转炉双联作业,一座脱磷,一座接受脱 磷后的铁水进行脱碳升温,又叫双联法。典 型的双联法工艺流程为:高炉铁水一铁水预 脱硫一转炉脱磷一转炉脱碳一炉外精炼一 连铸。 对于要求P在0.005%~0.0 1 0%之间的 低磷钢,使用铁水含量<0.12%的低磷铁水 时,对于没有铁水炉外脱磷的炼钢厂来说, 根据铁水的含磷量,加强转炉的去磷操作, 出钢后控制回磷,基本上可完成控制磷的目 标。对 要求P<0.005%的超低磷钢种,需 要采取铁水预处理 【艺脱磷。否则很难通过 转炉一个环节经济稳定在把磷控制在目标 范围内。 需要指出的是,对无低P要求的普通钢 种深脱P是不经济的。一方面随着铁水中[P] 的降低,脱磷剂消耗量增大;另一方面转炉 也具有较高的脱磷能力,在不适当强调减轻 转炉负担的同时,忽视了转炉的脱磷能力。 另外,从保护炉衬的角度考虑,转炉熔剂使 用量有一个最低限度,当铁水中P含量 <0.04%时,铁水预处理费用直线上升,而 转炉熔剂消耗量并不能减少,因此,根据各 厂的情况,除对有低磷要求的钢种进行铁水 深脱磷外,对无低磷要求的钢种,应根据经 济合理性确定预脱磷的深度 』。 3单渣法 由于炼钢过程存在C、P的选择性氧化, 即当炉渣碱度相同时,只有将C脱至较低 值,才能满足渣钢脱磷平衡时对于熔池氧势 的要求,也就是说,当不采用换渣操作或脱 磷预处理时,冶炼低碳钢(w(C)<0.05%) 时最容易实现冶炼低磷钢IJ…。转炉常规冶 炼工艺通过将钢水中的w(C)降低到0.05% 以下,在较高的炉渣碱度条件下,稳定地冶 炼P含量为0.01~0.02%左右的低磷钢。 邯郸钢铁公司单渣脱磷的生产工艺【6J 是:吹炼前期,根据铁水中硅的含量,加入 适量的石灰,以化透渣为重点,碱度 1.7, 以满足成渣和去磷的需要,低碳钢冶炼时熔 渣中(TFe)控制在18%~30%之间。吹炼 3) 铁水预处理脱磷:铁水预处理脱磷 主要有两类,一类是在盛铁水的容器(如铁 水罐或鱼雷车)中进行铁水“三脱”(脱硅脱 后期,采用低位快速升温,终点钢水温度 分组成(包括合适的碱度、TFe、渣量), 控制在1630~1650℃,终点碱度控制在 也可以实现低磷钢的冶炼,但控制成渣过程 3.0~4.0。转炉下渣时采用双挡渣措施,利 的难度要大得多。 用挡渣塞挡住出钢前期下渣,利用出钢过程 武汉钢铁公司为了避免双渣低拉碳转 中加挡渣锥,挡住出钢后期下渣。此外还要 炉冶炼工艺【JlJ中出钢时磷含量波动大、碳 维护好出钢口,保证出钢时钢流尽可能圆而 含量偏低造成的增碳剂消耗高、氧含量较高 不散,减少出钢下渣。从提高炉龄和降低渣 造成的脱氧合金收得率低等问题,开发出 料消耗角度考虑,出钢后留l/3~1/2炉渣, “单渣高拉碳”工艺冶炼优质高碳钢,将两次 便于下一炉吹炼前期加速石灰溶解,快速成 造渣改为一次造渣。冶炼前期尽可能早成 渣。在无铁水脱磷设备的条件下,邯钢充分 渣、成渣好,充分利用前期脱磷的有利条件 利用转炉的脱磷能力,通过优化转炉操作工 多脱磷;冶炼中后期调整渣和炉内温度,进 艺来强化转炉的脱磷能力,并通过优化合金 一步脱磷并最大限度控制回磷,同时确保在 种类、减少出钢下渣、加钢包顶渣等措施来 吹炼中后期减少碳的氧化量。转炉出钢平均 减少钢水回磷,同样实现了低磷钢的生产, 磷的质量分数由0.015%下降至0.01l%,出 成功冶炼了Q345qE(w(P) .O18%)、 钢平均碳含量由0.097%上升至0.44%,终 Q345GJCZ1 5 (w(P) .020%)、 20g 点钢液氧的质量分数降低到70~120ppm, (w(P) .0.020%)、X70(w(P) .0.O1 3%)、 脱氧合金元素的收得率提高,增碳剂用量和 x80(w(P) .012%)等钢种。 炼钢成本大幅下降。 当C较高时,通过控制成渣及最佳成 表1 武钢单渣法脱磷工艺参数 铁水化学成分 脱磷期工艺条件 出钢时化学成分 C/% P/% 碱度 TFe/% 温度/℃ C/% P/% O/ppm 4-3~4.5 0.070-0.078 9~13 1300~1350 0.44 0.Ol1 70 ̄120 4双渣法 渣的操作稳定性,如果排渣不稳定,含磷渣 单渣法冶炼低磷钢时通常将钢水中的 排出少,将影响脱磷效果和脱碳炉的正常运 w(C)降低到0.05%以下,当冶炼高碳低磷含 行。在脱磷吹炼末期,要形成高TFe的泡 量的钢种时单渣法的控制难度较大。另外, 沫状炉渣,可有效地利用渣的泡沫化进行排 如果对磷含量的要求较高,通常采用在同一 渣操作。渣的泡沫化是中间排渣的关键,需 座转炉中分成脱磷和脱碳两个阶段的冶炼 注意控制脱磷吹炼渣的成分和碱度。在中间 工艺,即双渣法。在冶炼前期脱磷,脱磷期 排渣时,为了在防止铁水流出的同时提高排 结束后倒掉部分脱磷渣,直接进入脱碳期, 渣效率,增加了底吹气体的流量,以利用炉 脱碳过程中加入少量渣料以确保少渣冶炼。 渣波动的效果,使排渣率达到70%以上, 4.1国内外典型的双渣法工艺 脱碳后停吹时【I)]能够<0.025%。而且,通过 新日铁的 MURC(Multi.Refining 调整脱磷期的吹炼条件和排渣条件,还能生 Converter)工艺[1-2,4,71是在同一座转炉上连 产[P] .015%的低磷钢,使MURC工艺的 续脱硅、脱磷、除渣和脱碳。工艺过程是: 适用范围不断扩大。该工艺与采用混铁车、 铁水在转炉中脱硅、脱磷后倒炉排渣,保留 铁水罐脱磷工艺相比,可以加入一定量的废 铁水,脱磷渣一般倒出50%,然后造脱碳 钢,脱磷渣碱度低(<2)、w(TFe ̄8%,低 渣进行脱碳,脱碳后出钢,其脱碳渣可直接 温(约1350℃)操作,可达到高效脱磷; 留在炉内用于下一炉脱磷吹炼,冶炼周期为 炉渣热循环小,减小炼钢渣量和石灰用量。 33 ̄35min。MURC法的关键是中间排脱磷 采用多功能转炉法MURC,能够大幅度减 少在鱼雷车中进行铁水预处理的比例。但对 例(该钢种的成份为:C 0.55%、Si 1.5%、Mn 于停吹碳有下限、且对磷含量有严格要 0.7%、P 0.015%、S 0.01%),如使用MURC 求的钢种来说,由于MURC法的脱磷能力 法生产,当停吹C>O.5%时,平均P含量为 不足,还不能完全省略鱼雷车中进行铁水预 0.01%,最大P含量达到0.O14%:而当采用 处理的方法。新日铁公司室兰厂又开发了名 F—MURC法时,即使停吹C>0.5%,脱碳后 为F.MURC(Flexible MURC)的工艺,即全 停吹时钢中平均磷含量则仅为0.007%,最 部铁水在脱磷斤倒入钢包,以排出炉内的炉 大P含量也能0.0l%。采用F.MURC法后, 渣,最后将铁水返同转炉内进行脱碳。 可完全取代在鱼雷车中进行铁水预处理的 采用MURC法时,中间排渣的比例约 方法,达到降低铁水预处理成本、提高鱼雷 为70%,由于有部分脱硅、脱磷期的炉渣 车周转率、增加铁水热裕度的目的。而且, 残留在炉内,脱碳时脱磷不充分,停吹时碳 减少了脱碳炉的渣量,实现了少渣吹炼。与 较高而且P要求0.01%时就困难。应用 MURC法相比,渣量约减少了15%。 F—MURC法时,则是在铁水脱硅、脱磷后, 宣钢采用双渣法冶炼低磷高碳钢,生产 将铁水全部倒出来,将炉内残留的炉渣全部 T_艺L1_2J是:吹炼前期的重点是脱磷,炉渣 清除干净,再将铁水倒入转炉内进行脱碳处 的碱度控制在2.5左右,FeO的含量在l2~ 理。这样,减少了脱碳时炉内的磷含量。此 18%,倒渣温度不超过1400℃。吹炼后期 法虽然延长了转炉的周期时间,由于全部脱 的重点是脱碳,吹炼终点C控制在0.3%~ 磷渣都己排除,脱磷能力也得到了提高。以 0.8%,P控制在0.015%以内,终点温度达 室兰厂高碳低磷的代表钢种阀用弹簧钢为 到1600℃以上,终点[O]含量约为lOOppm。 表2 国内外转炉双渣法脱磷工艺参数 铁水化学成分 脱磷期工艺条件 脱碳期工艺条件 出钢时化学成分 C/% P/% 碱度 TFe/% 温度/℃ 碱度 FFe/% 温度/℃ C/% P/% 0/ppm 新H铁 2 8 l350 >O.5 O.0l 宣化钢铁 3.5~4.2 0.08~0.10 2.5 l2~18 1350~1400 4.0-4.5 13~15 16l0-1640 0.3~0.8 <0.O15 10O 重庆钢铁[14] 芝1.2 -2 l5 1500 4.1 18~20 1615 八一钢铁 >0.08 3.5~3.8 8~lO l580~I600 0.45--0.65 0.010 10~20 首钢【 】 4.1~4.2 O.O78~0.094 <1400 >l5 0.43--0.69 0.005 ̄0.0 l 0 <l80 4.2双渣法的工艺参数 4)半钢P含量:对于冶炼0.01%的低 4.2.1脱磷期 ¨ 磷钢,当脱磷期倒渣率仅能达到40N50%时, 1)吹炼温度:硅优先于磷氧化,前期 为使吨钢总渣量控制在90kg以内,最高半 吹氧后开始脱硅,之后开始脱磷。前期倒渣 钢w(P)应控制在0.026%,--0.037%。 温度在l3O0~l350℃左右,磷的分配比较 4.2.2脱碳期 大,脱磷效果好。如果温度太低,不利于石 1)终点温度:吹炼中后期,转炉温度 灰熔化;温度过高,导致脱碳反应。 升高,终点温度控制在1600℃左右。 2)(FeO)含量:控制在8 ̄20%为宜。 2)终点碱度:吹炼中后期,转炉温度 3)碱度:前期脱硅、脱磷完成后,排 升高,炉渣流动性好,终点炉渣碱度控制在 脱磷渣时,炉渣碱度在2左右,既能熔化转 3.5~4.0左右,磷的质量分数可以降到 炉中的石灰,又可控制铁水同磷。如果炉渣 0.O11%以下,脱磷率稳定在90%以上。 碱度过高,则加大了石灰的用量,使炉渣固 3)渣量:脱磷倒渣后,在脱碳期吨钢 相增多,流动性变差,影响脱磷动力学条件。 补充少量渣料(6--15kg),总渣量满足脱磷、 脱碳期渣.钢间Lp对渣量的要求。 为了减少脱磷剂用量,提高脱磷效率,必须 5铁水罐或混铁车内脱磷【1-2,8】 保证脱磷脱硫前铁水中初始[Si]<0.15%。 采用铁水运输设备(铁水罐或混铁车) 脱硅的主要方法有高炉炉前铁水沟上 进行铁水三脱预处理时,脱硫和脱磷同时进 置或项喷固体氧化物连续脱硅法、铁水罐或 行。铁水同时脱磷脱硫可用电化学反应式 混铁车内喷吹氧气脱硅法两种。目前多采用 表示如下: 铁前铁水沟项喷脱硅剂的方法,此法不额外 阳极: 占用处理时间,铁水温降小,脱磷成本低。 IPl+4(0 )=(P 一)+5e 2)脱磷剂处理能力强,既要有强的脱 阴极: 磷能力,又要有较强的脱硫能力。在石灰脱 『 1+2P:( 一) 磷剂中可配入一定量的苏打,可采用 喷吹法同时脱磷脱硫反应的实质是: CaO+FeO(铁皮或红泥)+20%Na20(或 在喷附近,氧位比较高,进行着氧化脱 CaC12)作为三脱剂,消耗量在15 ̄20kg/t, 磷反应;在铁水罐壁和顶渣与铁水界面 添加CaC12有得于提高渣中FeO的活度(降 处,氧位比较低,进行着还原脱硫反应。 低渣中FeO含量,利于脱硫),并降低渣中 喷吹预处理是在实行了熔池的氧位再分 P205的活度。 布后达到同时脱磷、脱硫。实现同时脱硫 3)适宜的供氧制度和喷吹参数。供氧 脱磷的基本条件是控制炉渣的氧势。 过量、喷吹速度过快,将导致脱碳多、喷溅 要达到同时脱磷和脱硫的目的,还应具 大、反应效率低,不利于脱硫。供氧太少则 备以下条件: 使铁水温降大,又达不到深脱磷的效果。要 1)脱磷前预脱硅。由于铁水中硅的氧 严格控制预处理的温度在l280 ̄l350℃范 势低于磷的氧势,在脱磷过程中,硅与氧的 围内,可控制脱碳,保证良好的脱磷效果。 结合能力远大于磷,所以硅比氧先氧化,这 铁水罐和混铁车的脱磷典型工艺流程 样形成的SiO2势必会降低渣的碱度。因此, 见图1。 兰 混铁 攀羔 图1铁水罐、混铁车脱磷典型工艺流程 5.1铁水罐脱磷:铁水罐内预脱磷时,罐内 太钢二钢厂设有两座铁水“三脱”站,专 处理的铁水量与转炉容量匹配,不存在剩余 供一座转冶炼不锈钢【5J。设计两站“三脱”站 铁水问题。设置占地面积小,设备紧凑,投 与1座转炉同步,日生产能力为24罐,全年 资最省。在铁水罐内顶喷脱磷,有较好的动 生产能力可达 ̄iJ36万t。“三脱”站引进日本 力学条件,能得到充分均匀的搅拌,反应效 川崎制铁公司的处理工艺,原转炉跨延伸三 率比混铁车高5~10 。铁水罐的处理空间 个柱列线而建。两站共用一个倒包位,其余 较小,易发生喷溅和溢渣,需采取一些孩喷 扒渣位、“三脱”处理位、吊罐位每站都有各 溅和溢渣措施(如设浸渍罩、防溅盖、溢渣 自的工位,每站各有处理台车一辆。图1为 槽等)。 铁水“三脱”处理工艺流程。 图2太钢铁水“三脱,’处理。r:艺流程【 】 如果Si<O.2,“三脱”处理周期为 65min;如果0.2%<Si<0.4,处理周期为 6双联法【1-2,4,7】 上世纪80年代末,日本钢铁企业利用 闲置转炉开发了转炉脱磷 艺。住友金属于 1986年在鹿岛制铁所开发了SRP(Simple Refining Process)_T艺,NKK在福山制铁 所的320t转炉上采用LD.NRP(New Refining Process)T艺,新日铁在君津厂开 发了LD—ORP(Optimizing Refining Process) 85min。铁水“二脱”处理与脱硫预处理设备 相比,设备复杂,白动化程度高,过程控制 复杂。主要设备包括:喷吹系统、测液面系 统、除尘系统、扒渣系统、取样系统、铁水 和渣处理系统。“二脱”处理容器使用专用铁 水罐,采明喷吹法,使用脱磷和水冷氧 进行脱硅和脱磷。脱硅使用的熔剂为FeO粉 剂(或FeO球)和氧气。脱磷使用的熔剂为 CaO+CaF2(脱磷剂)、FeO粉剂(或FeO球1和 氧气。脱磷处理后铁水终点磷含量0.010的 可达95%以上,最低磷含量可为痕迹,脱磷 后喷吹Ca0进行脱硫,处理后终点硫含量 50.025的可达1o0%。 1 艺。 这些工艺的共同特点是将氧化转炉前 期(脱磷期)和后期(脱碳期)的炼钢过程 分别在两个转炉内进行。在脱磷转炉内充分 利用合适的脱磷热力学条件,在低温 1350 ̄C、较高的FeO和较低的炉渣碱度 (R ̄2)下进行脱磷反应,(P)/[P】的分配系 数可达200。脱磷完毕后的半钢水兑入另一 个脱碳转炉内脱碳和升温。由于脱碳炉的炉 渣含P量低(P2O5<1%),脱碳渣可返回脱 磷转炉内。转炉脱磷与少渣冶炼是紧密相关 的 艺,具有较高的脱磷率、较低的消耗、 能获得高质量的钢水,在日本钢铁工业中得 到广泛应用。 6.1住友金属SRP工艺 5.2混铁车脱磷 :混铁车脱磷时,全程作 业时间1504180min,其中喷吹作业时间最 长,达到50 ̄60min。斜插J型喷对脱磷 时防止喷溅和增加搅拌起到独特的作用,喷 还采 环形套管实现内管喷粉、外管吹 氧,省去吹氧顶装置。 混铁车脱磷一1 艺布置中采用在混铁车 运输铁水途中建立的脱磷和扒渣站,作 业互相干扰少,适宜大批量的铁水预处理, 但铁路、厂房r 地较人。混铁车的保温性能 较好,但运输、作业时间较长,热量损失较 住友金属鹿岛制铁所第一炼钢厂3座 250t转炉,一座转炉脱磷,两座转炉脱碳。 原理图见图3。脱磷转炉指标:吹炼时间 大,喷吹过程中必须用吹氧来补偿热量损 失。混铁车内鱼雷状的反应空间不利 脱磷 脱硫时的均匀搅拌,脱磷脱硫效率较其它方 法低, 艺指标不稳定。 8min,冶炼周期22min,废钢比10%,出铁 温度1350 ̄C,渣量40kg/t。脱碳转炉指标: 吹炼时间14min,冶炼周期30min,锰矿用 量15kg/t,渣量20kg/t(以干渣方式同收)。 Dephosphorization Furnace Dec ̄burlzation [;unlace Burnt limc 4-一一 【%p】<O 02 —— 图3 SRP法的原理示意图 住友金属和歌山制铁所炼钢厂采用 福山制铁所采用LD.NRP工艺,2座 SRP法,100%铁水脱磷。主要设备是3座 300t顶底复吹转炉,一座脱磷,一座脱碳。 顶底复吹210t转炉,一座转炉脱磷,两座 脱磷转炉指标:吹炼时间10min,废钢比 转炉脱碳,脱磷转炉与脱碳转炉设在不同 7~10%,氧气流量30000m /h,底吹气体流 跨。另有KR脱硫装置、带顶的RH。转 量3000m /h,石灰消耗10~15kg/t。脱碳转 炉冶炼周期为20min,炉渣2/3被循环利用。 炉炉龄约7000炉,低于脱磷转炉。转炉在 铁水磷含量放宽至O.10-0.15%,用锰矿取 炉役前期用于脱碳,后期用于脱磷。 代铁锰合金,脱碳炉渣可返回用于脱磷转 6.3新日铁LD-0RP 炉,炼钢渣量显著降低,脱磷炉渣不经蒸汽 八幡制铁所第二炼钢厂采用新日铁名 稳定化处理,可直接铺路,有效降低了炉渣 古屋制铁所发明的LD—ORP工艺。LD—ORP 处理成本,能低成本、大批量、高效地生产 工艺渣量少,可生产高纯净钢。脱磷转炉弱 洁净钢水。 供氧,人渣量,碱度为2.5~3.0,温度 住友金属在顶底复吹转炉开发的铁水 1320~1325 ̄C,纯脱磷时间约为9~10min, 脱磷工艺允许用块养的转炉渣(脱碳渣)作 冶炼周期约为20min,废钢比9%,脱磷后 为铁水的脱磷剂,以降低石灰消耗,同时有 的半钢水(wp<=O.020%)兑入脱碳转炉, 效地熔化还原锰矿石。处理周期短,温度损 总收得率92%以上。脱碳转炉强供氧,少 失小,脱磷效果好,同时还可以加入一定量 渣量,冶炼周期28~30min,脱碳转炉不使 的废钢。 用废钢。脱磷脱碳总冶炼周期约50min。 6.2 LD-NRP工艺(JFE) ,厂—T] …l …… ……… 铁承l翱废钢装入 l。f.-J拳钢水装入 『l 脱磷炉脱酶 磁辜 泰 袋破妒脱硪 } 图4新日铁的LD.ORP工艺 吹1和吹2在同一座转炉内完成时,用 0.015%以下,最低达0.003%,钢坯磷质量 于生产普通钢,脱碳渣可回收利用作为下一 分数低于0.006%。少渣吹炼时,脱磷和脱 炉的脱磷剂。用两座转炉的方法主要用于生 碳后的总渣量低于60kg/t。 产0.005--0.01%的优质钢,该工艺除了回收 6.5铁水预处理工艺比较 利用脱碳炉渣,降低熔剂消耗外,还可增加 在铁水容器中脱磷虽然能提高转炉的 约6%的废钢比。 作业率,但在此过程中,由于反应的界面小, 6.4 BRP工艺(中国宝钢) 效率不高,处理时间长,热量损失大。 转炉双联法脱磷,主要生产低磷和超低 双联法转炉炼钢:r艺与混铁车、铁水罐 磷钢(包括管线钢、IF钢、帘线钢、石油 法脱磷相比,具有大批量生产纯净钢的优势: 钻杆钢等),脱磷炉停吹时,磷含量平均在 1)转炉容量人,有充分的反应空间, 反应动力学优越,利丁脱磷,可生产 P .005%的超低磷钢,通常铁水磷质量分 数可脱至0.010%以下,亦可用高磷铁水 (P<035%)生产一般钢种。 间增大,可以增加供氧和底吹气体搅拌强 度,显著提高生产效率,适合与现代高拉速 板坯铸机匹配运行。全量铁水“三脱”预处理 l 艺会引起炼钢厂生产节奏加速和效率提 高,特别是脱磷转炉和脱碳转炉可以实现 20 min左右的冶炼周期,也会导致平面布 置的优化,甚至转炉吨位等一系列参数的优 化 还将使大型转炉的总吹氧时间缩短到 9min左右,而出钢一出钢周期时间约为2O min左右。这与现在大型转炉出钢.出钢时 间周期一般为30- ̄40 min形成了鲜明对 比。即在全量铁水“三脱”预处理的条件下, 大型转炉的生产效率将提高1/3左右。 1999年改建的日本和歌山炼钢厂(KR脱硫 2转炉脱磷2转炉炼钢2RH)的生产节奏明 显加快:脱磷转炉与脱碳转炉的吹炼时间可 控制在9min左右,脱碳转炉的Ttap2tap可 以控制在20min以内,实现了一个炼钢转炉 2)转炉脱碳渣可刚丁另一座转炉脱磷, 生产lt铁水的钢铁料消耗比传统方法减少 25kg,石灰消耗降低40%。与常规冶炼_『 艺相比,渣量约减少一半,为少渣炼钢创造 了条件。 3)转炉功能单一化,利于缩短冶炼周 期,单炉冶炼周期由传统的35 ̄40min缩短 到27rain左右。 4)可用锰矿替代锰铁合金,锰矿中锰 的利用率可达50%。 但双联法的性条件有 “: 1) 至少配置两座转炉,一座脱磷,~ 座脱碳; 2) 要求小块废钢、活性度人于350ml 以上的活性石灰来快速成渣,以实现低温冶 炼和保铁水中的碳; 供应2台RH精炼和3台铸机的高效率生 产。 3) 实现脱磷铁水需快速兑入脱碳炉 内; 2) 降低转炉石灰消耗,实现少渣冶 炼,为洁净钢生产创造有利条件 7铁水预处理脱P对转炉炼钢 流程的影响【1-2,9,17】 铁水预处理是建立在对冶金过程热力 学和动力学深入研究基础上而增设的工序, 生产高质量的深冲薄板类洁净钢,关键 在于将钢中的夹杂物减少到最低限度,并避 免钢中氧的污染,钢渣是钢水的最大污染。 高炉铁水中Si为0.4-4).6%,常规转炉 脱磷时采用3.0~3.5碱度操作,石灰消耗为 40 ̄50kg/t,渣量为80~100kg/t,渣中TFe 含量为15420%。 当铁水预处理脱磷后,转炉脱碳时造渣 料大大减少,渣量降低,渣中的TFe降低, 从流程层面上看,其实际功能已超越了原来 对质量的范畴,逐渐演进为工序及工序 间的质量、能量及协调缓冲的调节器。高炉 炼铁是连续反应、间歇输出,而转炉则按~ 定周期间歇作业,两者之间的衔接一缓冲关 系往往采用混铁炉来实现的。铁水预处理工 序的确立,使得大型铁水运输容器(如铁水 包等)逐步成为高炉一转炉之间在铁水成 分、过程时间、过程温度等重要参数上实现 连续作业的协调.缓冲器。另外,冈铁水预 处理过程分阶段分容器进行,使得脱磷、脱 为洁净钢生产创造了有利条件,同时铁损减 少。转炉脱碳可采用4.5~6.5的高碱度操作, 石灰消耗降低至20~27kg/t,辅以强搅拌底 吹措旅,转炉吹炼渣量大大减少,渣量可控 制在4O~60kg/t,吹炼终渣中TFe降低到 10~15%,MgO 10%。由于渣的碱度高, 进入钢包中的渣量可降至3k ,渣中TFe 可降低至5%。同时,钢中【O】含量大幅度下 硫等不同任务可以并行,从而提高了 序效 率。 1) 采用转炉脱磷后,反应容器自由空 降(水岛厂的实际生产中下降了50%以上, 由5lppm降至23ppm),钢中气泡减少80%。 时,锰收得率可达到60.2%,最高达到 转炉出钢后可以向钢包中投入铝基合成渣, 85.9%。鹿岛制铁所脱碳转炉(250t)不加废 将TFe含量进一步降低到4%左右。此外, 钢,锰矿用量约l5kg/t,Mn的回收率为 由于吹炼时间缩短,造渣料急剧减少,钢中 40%,终点锰约0.25%,渣量为20kg/t,效 [N】、[H】含量也相应降低。 果良好。 3) 为冶炼低磷高碳钢创造有利条件 5) 促进高磷矿的开发利用 由于炼钢过程中存在C、P的选择性氧 我国的高磷铁矿资源又比较丰富。高磷 化,转炉冶炼低磷钢水与高碳出钢之间是相 矿选矿脱磷目前还存在一些问题,如难以同 互对立的。当炉渣碱度相同时,只有将C脱 时满足脱磷率高、含铁品位高、金属回收率 至较低值,才能满足渣钢平衡时对于熔池氧 高等,但随着国外铁矿石价格飞涨,加大高 势的要求。即当转炉采用普通铁水冶炼时, 磷矿的利用是必然趋势。高磷铁矿脱磷主要 渣的过氧/I ̄(TFe)达15 ̄20%,会造成[C]低, 有两个环节,除了选矿就是铁水预处理。工 若不采用脱磷预处理或换渣操作,至少要将 艺技术和生产成本导致单从选矿环节得到 [C]吹到0.05%以下才能达到脱磷的目的,故 合格的脱磷率目前无法实现,铁水预处理就 冶炼低碳钢(C<0.05%)最容易实现低磷钢。 尤为重要。 此外,由于铁水中[P]不稳定性,使吹炼终点 铁水全量预处理脱磷可降低高磷矿选 【C】难以控制,很难达到高拉碳。 矿成本、减轻转炉脱磷负荷,这样,高炉就 当C含量较高时,通过控制成渣及最 可以部分使用高磷矿,铁水中磷含量可放宽 佳成分组成(适宜的碱度、TFe)亦可实现 至0.10% ̄0.15%,使用高磷铁矿比进口矿 低磷钢冶炼,但难度稍大。 的成本大大降低 采用三脱预处理后,铁水中的[P1、fs1 6)炉渣综合利用 含量已降至成品水平,脱磷已不是转炉冶炼 脱碳转炉的炉渣可以作为脱磷转炉的 的主要任务,仅需脱碳控温。渣量减少,脱 脱磷剂,减少石灰用量,进而显著减少渣总 磷负荷轻,无需控制渣中高的TFe含量, 量。和歌山脱磷转炉的造渣剂成分为10kg/t 有利于高碳出钢,无需后期增碳。 的脱碳炉渣加上10kg/t石灰;新日铁脱硫、 4)提高锰的收得率 脱磷、脱碳渣总量已经控制在60kg/t以下: 转炉渣量、渣中碱度及渣中(TFe)含量 脱磷转炉渣的碱度为1.5~2,可以不经蒸汽 是影响锰收得率的重要因素。在吹炼初期投 老化处理,直接使用于筑路或作水泥等,不 入锰矿,在起到造渣作用,避免钢水过氧化 仅降低了成本,也符合循环经济的要求。 的同时,转炉脱碳峰期时锰矿中的MnO义 7)利于节能 可还原成Mn,达至4回收锰的目的。因而, 采用“铁水包内脱硫、转炉脱硅、脱磷” 用锰矿代替锰铁合金生产含锰合金钢,可以 的全量铁水预处理模式,可取消了传统工艺 降低含锰合金钢的生产成本。 流程中的混铁炉、铁水倒罐站,不仅减少了 渣量的减少使得用锰矿代替锰铁成为 人员及岗位设置、设备投资维护及运行成 可能。宝钢在少渣吹炼条件下,用锰矿替代 本,更减少了倒包导致的能耗与污染,利于 或部分替代锰铁投入脱碳转炉还原成钢水 节能减排。混铁炉与倒罐站的取消是从工艺 Mn含量,基本不用或少用50%左右的 流程上进行节能、减排,即从根本上杜绝大 Fe2Mn合金,可以降低成本,在锰矿加入 量能耗与排放。 量为10kg/t的条件下,停吹钢水 全量铁水预处理不仅带来大型转炉节 w(C)-_2o.04%时,锰收得率可达到61%,最 奏的加快,还与精炼、连铸等工序更加匹配, 高达到83.9%;停吹钢水w(C)平均为0.05% 使得全流程的物流更加流畅、时间节奏更为 紧凑、工序能耗及排放均有减少。改建后的 和歌山炼钢厂采用了分阶段分容器的全量 铁水预处理模式,再加上各工序布局的优化 (如高炉到转炉间距离由2000m缩短到 800m),全厂运行过程时间及各T序间更加 紧凑,实现了快速炼钢、高效生产。节能方 面也取得了很女『的效果:总能量指数减少 66%,仅铁.钢界面问温降就减少了46℃。 JFE公司东日本制铁所采用了相似的全量铁 水预处理模式,从高炉到装入脱磷转炉的输 送过程所引起的铁水温降减少约52℃。 成分对铁水脱磷都比较有利。推进制碱工业 残渣在钢铁 业上的应用,可以实现废弃的 再利用。 用碱渣代替CaC12进行脱磷实验时发 现,用碱渣混合萤石的脱磷效果比单独使用 碱渣的效果好,R=2时,用质量分数为 14.8%的碱渣和6%左右的CaF2酉己制的脱磷 剂,其脱磷率达到86%。另外,如果在碱 渣脱磷剂中添加BaCO3时可显著降低熔 点,R=2时,用BaCO3完全替代CaCO3, 脱磷剂的熔点只有1142℃,脱磷率高达 95%。 8脱磷剂的研究 脱磷剂主要有苏打系和石灰系。苏打系 的优点是脱磷效果好,缺点是熔剂成本高, 处理过程中大量钠气化,环境污染严重,并 腐蚀设备,侵蚀耐火材料。另外处理过程中 铁水温降较人。石灰系的优点是来源方便、 价格低廉,缺点是脱磷能力比苏打系差。 常用石灰系脱磷剂剂由石灰、烧结矿或 铁磷剂(氧化 铁>6O%)、萤石组成,石灰 提供脱磷所需的碱剂,烧结矿提供氧化剂, 萤石降低石灰的熔化温度,有助于石灰在铁 水中造渣。 8.1助熔剂” CaC12和CaF2是铁水预处理过程中脱 磷时很好的助熔剂,它们能改善反应动力学 条件,使脱磷剂快速成渣,降低黏度。在热 力学上,CaF2比CaCI2有更好的脱磷效果, 但CaF2在实际应用时对炉衬的侵蚀严重, 8.2转炉渣代替三脱剂” 转炉渣主要由氧化钙、氧化铁、氧化硅 组成,其中氧化铁能提供一定的氧位,氧化 钙提供氧剂,因此,将转炉渣作为部分铁水 预处理脱磷剂,降低钢渣总量,节约脱磷剂。 原料名称 脱磷剂 转炉渣 CaO >:45 -50 Fe0 MgO >:30 <=2 ~11 -4.O 转炉渣在喷吹一开始加入,加入量占脱 磷脱磷剂总量的30 左右。 9结论 对丁二低磷钢的冶炼,采用铁水深脱硫的 铁水预处理工艺,可利用转炉内强化脱磷, 采用单渣法或双渣法冶炼低磷钢,这是欧美 及国内常采用的方法。主要丁艺流程为:铁 水深脱硫一转炉强化脱磷一钢水喷粉脱磷、 而caCl2的熔点要更低。实验室研究表明, 在CaO.Fe2O3体系中,同时使用CaCI2和 CaF2的脱磷效果要比单独使用任一种助熔 剂要好,碱度为2,CaCI2和CaF2的质量分 数为1:1,总量在7.3%时,脱磷率能达到 90%。单独使用4.3%的CaCI2,脱磷率为 86%,而使用13.64%的CaC12和12.12的 CaF2,脱磷率下降,分别为79% ̄I1 70%。 丁 业制碱残渣中含有脱磷剂要求的主 要成分,其中含有大量的CaO,并且含有 定量的CaCI2、MgO和少量的Na2O。CaCI, 一脱硫、升温、真空精炼。 对于超低磷钢的冶炼,需采用铁水三脱 预处理或双联法的工艺,主要_L艺流程为: 铁水三脱(si、P、S)处理一复吹转炉少渣吹 炼一钢水喷粉脱硫、升温、真空精炼。日本 企业多采用这种基于铁水三脱预处理的纯 净钢冶炼工艺冶炼低磷或超低磷钢。 对于不同磷含量要求的钢种,应合理采 用不同的工艺路线。以下几种工艺组合均可 实现低磷钢的冶炼: 铁水镁系脱硫剂深脱硫处理+转炉脱 磷、脱碳+钢水炉外喷粉脱磷、脱硫; 铁水三脱处理+复吹转炉少渣吹炼+钢 和Na2O可以代替莹石作为脱磷剂中的助熔 剂,MgO也有改善渣流动性的作用。这些 水炉外喷粉脱硫; 转炉工序的效率,降低石灰消耗,实现少渣 铁水深度三脱处理:高炉铁水沟脱硅+ 冶炼,为洁净钢生产创造有利条件,为冶炼 脱磷镁系或电石系脱硫剂脱硫+专用转炉 低磷高碳钢创造有利条件,提高锰的收得 石灰系脱磷剂脱磷+专用脱碳炉脱碳+钢水 率,还能促进高磷矿的开发利用和炉渣综合 炉外喷粉脱硫。 利用,节能环保,实现钢铁行业的低碳绿色 大力发展铁水预处理脱磷工艺能提高 可持续发展。 参考文献: 1. 杨世山,尹卫平,许伟迅,刘荣.铁水预处理与纯净钢冶炼(一)[J].中国冶金, 2003,(8):12-17. 2. 杨世山,尹卫平,许伟迅,刘荣.铁水预处理与纯净钢冶炼(一)[J].中国冶金, 2003,(9):16-21. 3. 曲英.炼钢学原理【M].第二版.北京:冶金二r 业出版社,1994:l52~162. 4. 潘克强.铁水脱磷脱硫工艺的应用和发展[J].上海宝钢工程设计,2000,(2):l~8. 5. 陈景锋,王振梅,杨贞彪.铁水预处理技术在太钢的应用[J].太钢科技,2004, (1):11-16 6. 王海波,宋依新.邯钢低磷钢生产技术的开发及应用[J].金属世界,2010,(1): 14-17. 7. 潘秀兰,王红艳,梁慧智,冯士超.国内外转炉脱磷:L艺分析[j].世界钢铁,2010, (1):19-21. 8. 刘浏.超低磷钢的冶炼工艺[J].特殊钢,2000,21(6):20~24. 9. 刘玉华,张温永,陈学英.铁水脱硅脱磷及其对转炉冶炼的影HI ̄[j1.钢铁厂设计, 2000,(4):13-18. 10.李峻,刘浏.复吹转炉冶炼低磷钢工艺[J].炼钢,2009,25(6):15~l9. 11.高文芳,陈钢,王金平,姜茂发,钟良才.顶底复吹转炉高效脱磷研究[J].钢铁, 2009,44(9):36-4 1. 12.白艳青,张志红,张中华,李家征,江福先,门志刚.高碳钢脱磷工艺分析及实 践[J].河北冶金,2009,(1):26.28. 13.李建新,郝旭东,仇圣桃,赵沛.复吹转炉多功能法脱磷 1 艺[J].北京科技大学 学报,2009,3l(8):970-973. , l4.周宏.转炉炼钢新工艺新技术介绍[J].重钢技术,2010,53(1):42-49. 15.钟文斌,张春晖.复吹转炉冶炼中高碳钢脱磷过程控N[J】.钢铁,2009,(4): 31-33. 16.田志红,李永东,王海宝等.非脱磷铁水在210t转炉高拉碳法冶炼高碳钢的生产 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