铁水预处理脱磷技术

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1、铁水预处理脱磷技术一 铁水预处理脱磷的意义、背景、基本情况1.1 磷是绝大多数钢种中的有害元素，容易在晶界偏析 , 引起钢的低温脆性和回 火脆性。近年来 , 随着科学技术的迅速发展 , 用户对钢质量的要求不断提高。 例 如, 对于低温用钢、海洋用钢、抗氢致裂纹钢和部分厚板用钢, 除了要求极低的 硫含量以外 , 也要求钢中的磷含量 0.101 % 或 0.1005 %。此外, 为了降低氧气转炉钢的生产成本和实行少渣炼钢, 也要求铁水磷含量 0.1015 % 。因此 , 80 年代以来许多冶金工作者致力于研究铁水的预处理脱磷问 题, 开发了各种处理方法。铁水预脱磷处理可以分为氧化脱磷和还原脱磷,

2、目前, 各钢厂普遍采用氧化脱磷 工艺。脱磷方法根据脱磷剂不同分为SARP 法、铁水罐法、 ORP 法、转炉法和 NRP 法等。常用的两类 : 一种是在盛铁水的铁水包或鱼雷车中进行脱磷; 另一种是在 转炉内进行铁水脱磷预处理。这两种方法在工业上均得到了实际应用。1.2 在铁水预处理脱磷发展初期，是有许多专家学者持反对意见的。其原因如前 所述，转炉具有较好的脱磷条件， 铁水脱磷多一个工艺环节没有必要。但是后来 实行的结果证明，实行铁水预处理脱磷具有一系列优点。(1) 降低铁水中的磷含量，减轻转炉负担，缩短转炉冶炼周期，提高转炉产量。 同时可以减少转炉渣量，节省转炉造渣成本。(2) 可以冶炼低磷钢种

3、，提高钢种规格，提高钢的质量。(3) 可以使高炉原料放宽，特别是可以使用磷含量高的铁矿石。这对于当前优质 铁矿石资源越来越紧张、价格越来越高的形势下，更具有实际且重要的意义。1.3 铁水预处理脱磷的粉剂为：CaO42 -Fe2O346%-CaF212%。这一配比使最 基本的配比，一般情况下还加入Al2O3，以减少 CaF2的用量，此时的配比为： CaO40 -Fe2O344%-Al2O310 -CaF26% 。用量大约为吨铁水35 公斤。铁水预处理脱磷在鱼雷罐车或铁水包内进行，用浸入式喷枪喷吹粉剂， 载气是空 气或富氧空气， 脱磷过程中伴随着一定的温降， 加上脱硫时的温降使铁水降温的 幅度较大

4、， 如铁水的温度低于某一温度时，影响转炉的吹炼。 这是铁水预处理过 程中需要重视的问题。 解决的办法之一是缩短吹炼时间、增加氧气的用量， 在采 用钝化石灰后，使喷吹比较顺利，可以缩短处理时间。铁水预处理脱磷过程中会形成大量的渣，这些渣进入转炉会影响转炉的造渣和冶 炼，所以必须设立扒渣站。铁水预处理脱硅、脱磷是氧化的过程，脱硅脱磷后铁液中C 、Si、Mn含量 大幅度降低， 特别是铁水中的硅已氧化完。这给转炉冶炼带来一定的困难，因为 转炉造渣需要一定量的酸性物质SiO2，才能使加进去的渣料主要是CaO 快速溶 解。现在经过铁水预处理之后， 转炉的功能由原来主要是脱磷脱碳变为主要是脱 碳，转炉的功能

5、简化了，吹炼时间缩短了，渣量减少了。这可以提高生产效率， 对环保也有利。二 铁水预处理脱磷过程2.1 脱磷反应热力学分析（1）铁水脱磷反应式： C参与反应分子反应式： 2P+5 （FeO ）+3（CaO ）=（Ca3P2O8 ）离子反应式： 2P+5 （Fe2）+8（O2 ）=2（PO43 ）+5Fe （FeO ）+C=Fe+CO 特点：粉剂中必须含有氧化性物质 （氧化铁）、碱性物质（氧化钙） 、溶剂（氟 化钙）；碳、硅、锰参与反应消耗氧，溶剂中FeO含量应比较高；碳提高磷活度系数；产生 CO有搅拌作用。2.2 在鱼雷车或铁水包中进行铁水脱磷预处理1982 年 9 月, 日本新日铁君津厂开发和

6、使用了石灰系熔剂精炼的最佳精炼工 艺(ORP) , 其工艺过程简述如下 : 在高炉出铁沟加入铁鳞进行脱硅处理后, 铁 水流入鱼雷车内并与其中的脱磷渣混合, 在渣与铁分离后进行扒渣 , 然后向鱼 雷车中喷入石灰系熔剂进行脱磷脱硫处理, 最后铁水加入转炉后进行脱碳升温。 采用这种工艺 , 处理前铁水温度为 1350 , 处理时间为 25min。其他厂家如日本川崎千叶厂和水岛厂、日本钢管京滨厂(在铁水包内 ) 等也采用 了与之类似的方法处理铁水。 应该指出 , 采用这种方法由于脱磷过程中的温降较 大, 通常需要吹氧来补偿温降 , 川崎水岛厂经研究 , 采用了用氧气喷吹脱磷剂的 工艺。国内某厂引进了在

7、鱼雷车中进行脱硅、脱磷、脱硫处理的工艺 , 试生产中发现的 问题比较多 , 主要有温降较大、 吹氧补偿温降时喷溅又特别严重、鱼雷车的铁水 装入量少、处理时间长而影响生产顺行等, 应用情况不理想。日本住友金属鹿岛厂开发了“住友碱精炼法” (SARP) , 其工艺过程为 : 铁水流 入鱼雷车后 , 先喷吹烧结矿粉进行脱硅处理, 用吸渣法排除渣后 , 喷入苏打粉脱 磷脱硫 , 处理后铁水 P 0.101 % , S 0.1003 %。这种方法的效率高 , 生产低磷钢时精炼成本较低, 但缺点是在处理过程中产生大量烟雾, 钠的损失 大且会污染环境 , 没有得到大规模推广使用。2.3 国内外用转炉进行铁水

8、脱磷预处理的工艺2.3.1 由于在鱼雷车和铁水包中脱磷存在一些问题, 许多厂家纷纷研究在转炉 内进行脱磷的预处理方法, 最早的是日本神户制钢神户厂采用的H 炉, 随后新 日铁、住友、日本钢管也纷纷采用了这一技术。神户制钢的 H 炉铁水预处理，早在1983 年, 该厂的 H 炉铁水脱磷、脱硫预 处理就已投入使用。 因为该厂的产品中 , 中、高碳钢的比例较大 , 转炉的脱磷负 荷大, 采用 H 炉进行铁水脱磷、脱硫预处理可减少转炉的负担。如图 1 所示, 处理过程分两步进行 : 首先在高炉出铁沟用喷吹法对铁水进行脱 硅处理 , 产生的脱硅渣用撇渣器去除; 随后, 脱硅的铁水被装入 H 炉内进行脱

9、磷、脱硫处理。 脱磷时要喷吹石灰系渣料、 同时顶吹氧气 , 脱磷后再用喷入苏打 灰系渣料的办法进行脱硫处理。经预处理的铁水再装入转炉内进行脱碳。用 H 炉进行铁水脱磷、脱硫处理具有如下特征 : (1) 进行铁水预处理时H 炉的形状比混铁车好 , 其反应的效率高、 反应速度快 , 可在较短的时间内连续完成脱磷、脱硫处理; (2) 可以用块状生石灰和转炉渣代替部分脱磷渣; (3) 脱磷过程中添加部分锰矿 , 可提高脱磷效率 , 而且铁水中的锰含量也提高 了。2.3.2 住友金属的 SRP ( Simple RefiningProcess)工艺为了满足用户对低磷钢日益增大的需求, 降低一般钢冶炼时的

10、成本 , 住友金属 鹿岛厂于 1987 年 4 月开始采用 SRP 简易精炼工艺来进行铁水预处理。在这种工艺中 , 两台复吹转炉中的一台作为脱磷炉, 另一台作为脱碳炉。 脱碳炉 产生的炉渣可作为脱磷炉的脱磷剂, 从而减少石灰消耗 , 达到稳定而快速的精 炼效果。脱碳炉和脱磷炉的操作条件如表1 所示。SRP 工艺具有如下特点 : (1) 复吹的脱磷炉可用廉价的脱磷剂进行快速处理, 在 10min 的处理时间内 , 可得到磷含量 0.102 % 的低磷铁水 ; (2 ) 在底吹气体的流量为0.11 0.114Nm3/ t min 的条件下可溶化7 %的废 钢。最近 , 该厂在 160t 的脱磷炉上

11、 , 将底吹气体的流量从0.114Nm3/ mint 增加到 0.135Nm3/ mint 。结果随底吹气体流量的增加, 磷的分配比、石灰的 溶解度、铁的收得率提高 , 渣中( FeO) 含量降低 , 从而可进一步提高脱磷速度、 减少渣量。(3) 脱碳炉采用脱磷铁水吹炼时, 由于送氧速度和脱碳速度达到平衡, 少渣吹 炼的条件下提高了锰的收得率。 即使不用添加焦炭的保温措施, 终点时锰含量也 能达到 0.17 %0.18 %; (4) 与常规工艺相比 , 用此工艺冶炼一般钢种时, 石灰的用量可减少一半。据报道 , 住友金属新建的和歌山厂将于1999 年 7 月投产 , 也采用 SRP 工艺。 该

12、厂转炉为 210t , 年产钢 340 万 t 。在铁水包内用 KR 装置对铁水进行脱硫 , 随后铁水装入脱磷炉内脱磷, 此时铁水的温度低于脱碳炉的温度。 脱磷后的铁水 再装入脱碳炉中进行脱碳。新的炼钢车间投产后 , 可生产磷含量仅 0.1002 %的钢水 , 最低硫含量可达到 (5 10) 10 - 4 % ( 钢水需经 RH2PB 喷粉脱硫处理 ) 。国内包钢和北京钢铁研究总院合作, 也在 1992 年进行过用转炉进行中磷铁水 脱磷的工业性试验 , 结果化渣情况不太理想 , 目前仍在试验研究中。2.3.3新日铁的 LD2ORP 工艺新日铁名古屋厂于1989 年 12 月开始在转炉 内进行铁

13、水的脱硅、脱磷、脱硫处理, 处理铁水的比例达98 % 以上。该厂的处理 条件见表 2 。处理分两步进行 : 脱磷脱硅剂使用 Ca2CO3 , 从转炉底部喷入铁水中 , 以增强搅 拌能力 , 促进脱磷。 脱磷处理的时间约 10min ; 脱硫剂则用 NaCO3 复合 CaO , 时 间约 7min , 总体处理时间都在 27min 内。耐材方面 , 由于喷粉对耐材的破坏较 大, 虽然也使用镁碳砖炉衬 , 但侵蚀严重。因此采用了添加尖晶石及SiC 的镁碳砖 , 结果侵蚀速度从原先的0.124mm/ 炉 次降为 0.108mm/ 炉次。据报道 , 最早开发应用在鱼雷车内进行铁水脱磷、脱硫 预处理的日

14、本新日铁君津厂, 现在已开始进行改造 , 将采用在铁水包内脱硫、 在 转炉内脱磷 , 排渣后进行脱碳的工艺。新工艺将于明年5 月正式投产。和原用 的铁水预处理工艺相比 , 新工艺可提高废钢比、 减少渣量和石灰消耗量 , 大幅度 降低生产成本。2.3.4 N KK福山厂的少渣冶炼技术为了使炼钢工艺合理化、 提高生产效率、改善产品品质 , 该厂第 3 炼钢厂于 1995 年 3 月将转炉改为脱碳、脱磷兼用炉。在高炉经过脱硅的铁水被送入转炉型的脱磷炉后, 加入块状的渣料 , 在复吹的 条件下进行脱磷操作。加入的铁水经12min 处理, 磷可从最初的 01106 % 降为 01025 %。表 3 是用

15、转炉进行铁水脱磷处理的操作条件。进一步的研究表明 , 低硅铁水脱磷时随炉渣碱度的上升化渣情况不稳定, 处理后磷的波动较大。采用改进添加石灰的方法促进化渣, 可使处理后 P 0102 % 。脱磷处理特有的泡沫渣现象要求出钢及排渣时需要一定的镇静时间。由 于用低硅铁水后渣量少 , 采取促进化渣的措施后脱磷处理的周期大幅度缩短, 可扩大处理的铁水量 ( 达 3040 万 t/ 月) , 减少炼钢产生的渣量。韩国浦项公司的研究情况韩国浦项公司技术研究所也在300t 和 100t 的复吹转炉上进行了铁水脱磷预处 理试验 , 研究了该过程中铁水成分的变化。 根据研究结果 , 认为在浦项第二炼钢 厂采用 T

16、DS 脱硫预处理的情况下 , 适于在转炉内进行铁水脱磷预处理。经脱磷 后的铁水可用来生产 P 小于 01004 %的超低磷钢。三 脱磷预处理的特点及发展趋势(1) 与混铁车内或铁水包中进行的铁水预处理相比, 在转炉内进行脱磷预处理 的优点是转炉的容积大、 反应速度快、 效率高、可节省造渣剂的用量 , 吹氧量较 大时也不易发生严重的喷溅现象, 有利于生产超低磷钢 , 尤其是中高碳的超低 磷钢。(2) 在转炉内进行铁水预处理时脱磷剂有喷粉加入和直接加入两种方式。神户制 钢的 H 炉和新日铁的 LD2ORP 炉是用喷粉法加入 , 其优点是反应速度快 , 效率 高, 缺点是需增设喷粉设备 , 原有设备需要作较大的改动。N KK福山厂和住友 的 SRP 直接将脱磷剂加入炉内 , 利用较强的底吹搅拌 , 也能达到较好的脱磷效 果, 但为了化渣良好 , 也采取了不少措施。(3) 面对用户对优质钢要求不断提高和转炉生产能力相对富余的情况, 日本一 些企业利用转炉进行预处理脱