磷元素在鋼材中的作用

1.1 磷的不良影響

鐵礦石中的磷經(jīng)鐵水進(jìn)入鋼中，一般來說磷是有害元素。磷雖能使鋼材的強(qiáng)度、硬度增高，但引起塑性、沖擊韌性顯著降低。特別是在低溫時(shí)，它使鋼材顯著變脆，這種現(xiàn)象稱"冷脆"。冷脆使鋼材的冷加工及焊接性變壞，含磷愈高，冷脆性愈大，故鋼中對(duì)含磷量控制較嚴(yán)。高級(jí)鋼：P＜0.025%；鋼：P＜0.04%；普通鋼：P＜0.085%。

1.2 磷的有益作用

磷元素的固溶強(qiáng)化及冷作硬化作用很好，與銅聯(lián)合使用，提高低合金高強(qiáng)度鋼的耐大氣腐蝕性能，但降低其冷沖壓性能，與硫、錳聯(lián)合使用，改善切削性，增加回火脆性及冷脆敏感性。

磷元素可提高比電阻，且由于容易粗晶而可使矯頑力和渦流損失降低，于磁感而言，隨著磷含量增加，在弱中磁場(chǎng)下鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)提高，含磷硅鋼的熱加工也并不困難，但由于磷會(huì)使硅鋼具冷脆性，磷含量不能高于0.15%（如冷軋電機(jī)用硅鋼含磷量為0.07～0.10%）。

日本鐵水脫磷工藝的發(fā)展歷程

1983年，川崎鋼鐵（現(xiàn)JFE鋼鐵）進(jìn)行Q-BOP轉(zhuǎn)爐鐵水脫磷試驗(yàn)，利用Q-BOP的強(qiáng)烈攪拌能力，底吹氧氣和CaO粉末。鐵水（1370℃、4.5%碳、0.2%硅、0.40%錳、0.14%磷、0.02%硫）脫磷后的成分為3.7%碳、微量硅、0.30%錳、0.010%磷和0.010%硫，處理時(shí)間為3min，使用20kg/t氧化鈣、3kg/t氟化鈣和6Nm³氧氣，鐵水溫度沒有下降。然而，在沒有氟化鈣的情況下，很難維持P₂O₅和Fe_tO的含量。

1979年，新日鐵公司（現(xiàn)日本制鐵）實(shí)現(xiàn)了SMP工藝（最少爐渣精煉工藝）的商業(yè)化。該工藝先將鐵水脫硅，然后在轉(zhuǎn)爐內(nèi)脫磷，從而降低了渣量。

1983年，神戶制鋼將“鐵水預(yù)處理爐”商業(yè)化，利用LD轉(zhuǎn)爐作為指定的脫磷和脫硫容器。住友金屬（現(xiàn)日本制鐵）于1987年開發(fā)了SRP工藝（簡(jiǎn)單精煉工藝、渣回收工藝），即脫硅鐵水和脫硫鐵水分別在兩個(gè)轉(zhuǎn)爐內(nèi)進(jìn)行脫磷、脫碳，脫碳渣可回收到脫磷轉(zhuǎn)爐中利用。

1989年，新日鐵公司（現(xiàn)日本制鐵）名古屋廠將一種名為“LD-ORP”（優(yōu)化精煉工藝）的工藝商業(yè)化。該工藝先通過底吹石灰石粉去除鐵水中的磷，然后再底吹蘇打灰脫硫。2000年，新日鐵公司（現(xiàn)日本制鐵）室蘭廠又開發(fā)了MURC（多精煉轉(zhuǎn)爐），將脫硫后的鐵水和廢鋼放入轉(zhuǎn)爐脫硅、脫磷，排渣后脫碳，如圖1所示。

圖1  MURC（多精煉轉(zhuǎn)爐）工藝概述

JFE鋼鐵商業(yè)化了DRP工藝（雙渣精煉工藝），如圖2所示，將鐵水和廢鋼送入轉(zhuǎn)爐進(jìn)行脫硅，脫硅后排出富含SiO₂的爐渣，再進(jìn)行鐵水脫磷。硅氧化產(chǎn)生的熱量可用于熔化廢鋼，排出富含SiO₂的爐渣可降低CaO消耗。此外，還可以采用DRP工藝生產(chǎn)超低磷鋼。

圖2  JFE鋼鐵開發(fā)的（DRP工藝概述

我國(guó)鐵水脫磷工藝的發(fā)展

鐵水預(yù)脫磷處理可分為氧化脫磷和還原脫磷，目前國(guó)內(nèi)各鋼廠普遍采用氧化脫磷工藝。脫磷方法常用的有兩類：一類是在鐵水包或魚雷罐中進(jìn)行脫磷；另一類是在轉(zhuǎn)爐內(nèi)進(jìn)行鐵水脫磷預(yù)處理。目前我國(guó)鋼鐵企業(yè)主要通過轉(zhuǎn)爐常規(guī)冶煉工藝、SGRS工藝、雙聯(lián)法“全三脫”工藝、KR法“全三脫”工藝、鐵水包復(fù)合噴吹“三脫”、魚雷罐噴吹等方式進(jìn)行鐵水脫磷。

3.1 轉(zhuǎn)爐常規(guī)冶煉工藝

鐵水磷含量是衡量鐵水條件的重要指標(biāo)之一，對(duì)于絕大多數(shù)鋼種而言，磷是一種有害元素，因此要求盡量降低轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)磷含量。鐵水中磷含量越高，轉(zhuǎn)爐冶煉工序操作越復(fù)雜，生產(chǎn)難度越高，因而會(huì)增加生產(chǎn)成本。不同磷含量的鐵水條件，直接影響到轉(zhuǎn)爐煉鋼工序輔料消耗、鋼鐵料消耗、終點(diǎn)氧含量、終渣含量、成分命中率等多項(xiàng)重點(diǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。國(guó)內(nèi)大多數(shù)頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐采用單渣法脫磷，高磷含量鐵水采用雙渣法脫磷，脫磷率可達(dá)到85%以上。

3.2 雙聯(lián)法“全三脫”工藝

首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司煉鋼廠是國(guó)內(nèi)第一個(gè)以全三脫冶煉模式為主的煉鋼廠，鐵水100％在KR脫硫站進(jìn)行脫硫處理，然后在脫磷轉(zhuǎn)爐進(jìn)行脫硅和脫碳處理，最后在脫碳轉(zhuǎn)爐進(jìn)行脫碳處理，將原來轉(zhuǎn)爐冶煉一步就可以完成的操作改為三步完成，生產(chǎn)流程如圖3所示。全三脫冶煉的目的是通過分工序操作解決煉鋼標(biāo)準(zhǔn)化操作的問題，進(jìn)而降低煉鋼成本，也就是通過全三脫冶煉平臺(tái)建立一個(gè)低成本高品質(zhì)潔凈鋼的生產(chǎn)平臺(tái)。雙聯(lián)法“全三脫”工藝特點(diǎn)是在最佳的熱力學(xué)條件下單獨(dú)進(jìn)行脫硫、脫硅、脫磷、脫碳等反應(yīng)，大幅度提高反應(yīng)效率，達(dá)到提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本和提高鋼水潔凈度的目標(biāo)。

圖3 煉鋼“全三脫”生產(chǎn)工藝流程

寶鋼BRP技術(shù)也屬于“全三脫”工藝，該工藝特點(diǎn)：

（1）采用鐵水高效脫硫工藝和廢鋼處理技術(shù)，嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)爐回硫；

（2）采用轉(zhuǎn)爐脫硅、脫磷工藝，實(shí)現(xiàn)高碳脫磷；

（3）釆用脫碳爐少渣冶煉工藝，避免爐渣污染；

（4）高碳出鋼，真空下冶煉低碳鋼，避免鋼水過氧化；

（5）減少渣量，脫碳爐渣作為脫磷劑返回脫磷爐。

3.3 SGRS工藝

2010年底，首鋼總公司開始在首鋼遷鋼公司和首鋼首秦公司進(jìn)行“留渣-雙渣”的工藝技術(shù)開發(fā)與預(yù)試驗(yàn)。該工藝的生產(chǎn)流程如圖1所示，主要包括以下環(huán)節(jié)：轉(zhuǎn)爐冶煉結(jié)束出鋼后將爐渣留在爐內(nèi)，對(duì)爐底液態(tài)渣進(jìn)行充分固化及人工確認(rèn)固化效果后，裝入廢鋼和鐵水，進(jìn)行脫磷階段吹煉，脫磷結(jié)束后進(jìn)行倒渣操作，然后進(jìn)入脫碳階段的吹煉，吹煉結(jié)束后出鋼、留渣，并以此循環(huán)往復(fù)。

該工藝的基本原理為：利用低溫有利于脫磷反應(yīng)的熱力學(xué)基本原理，在轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)，由于溫度較高，鋼水中磷含量較低，爐渣已經(jīng)不具備脫磷能力，轉(zhuǎn)爐終渣留在爐內(nèi)，在下一爐吹煉前期由于溫度較低，鐵水中磷含量較高，爐渣重新具備脫磷能力；隨著吹煉進(jìn)行，在溫度升高至對(duì)脫磷不利前倒出部分爐渣，之后進(jìn)行再造渣進(jìn)行脫碳階段的吹煉。該工藝重復(fù)利用了上爐留渣，能夠降低石灰、輕燒白云石消耗，因此產(chǎn)生的渣量降低；同時(shí)由于在轉(zhuǎn)爐出鋼結(jié)束后爐渣留在爐內(nèi)，避免了常規(guī)工藝因倒渣而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)爐內(nèi)殘鋼隨爐渣倒出引起的鋼鐵料損失。根據(jù)該工藝能夠顯著減少煉鋼渣量的特點(diǎn)，首鋼將其簡(jiǎn)稱為SGRS工藝（Slag Generation Reduced Steelmaking）。

3.4 KR法鐵水“三脫”工藝

KR機(jī)械攪拌法是由新日鐵公司（現(xiàn)日本制鐵）發(fā)明采用的，特點(diǎn)是動(dòng)力學(xué)條件優(yōu)越，主要功能用于脫硫。該工藝將澆注耐火材料并經(jīng)過烘烤的十字形攪拌頭浸入鐵水包熔池一定深度，借其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的漩渦，將經(jīng)過稱重的脫硫劑由給料器加入到鐵水里，使氧化鈣粉劑在不斷地?cái)嚢柽^程中與鐵水中硫充分接觸反應(yīng)，達(dá)到脫硫的目的。

在KR法脫硫站基礎(chǔ)上，采用鐵水“三脫”技術(shù)，只需增加一套氣動(dòng)上料和下料系統(tǒng)且鐵水包要加高或加粗。目前國(guó)內(nèi)只有馬鋼新區(qū)2007年從日本引進(jìn)該工藝，設(shè)備投產(chǎn)驗(yàn)收時(shí)，只進(jìn)行了鐵水“三脫”設(shè)備驗(yàn)收。由于驗(yàn)收時(shí)出現(xiàn)部分設(shè)備故障、溢渣、處理周期長(zhǎng)等諸多情況，且品種鋼對(duì)“三脫”鐵水沒有需求，目前馬鋼已停止KR法鐵水“三脫”工藝應(yīng)用。

3.5 復(fù)合噴吹“三脫”

目前，國(guó)內(nèi)少部分特鋼生產(chǎn)企業(yè)在使用復(fù)合噴吹“三脫”工藝。該脫磷工藝鐵水噴粉處理站主要由儲(chǔ)粉噴吹、扒渣測(cè)溫、鐵水包傾動(dòng)罐車、除塵四個(gè)部分組成。復(fù)合噴吹“三脫”是將造渣劑和氧化劑通過噴槍噴吹至鐵水包中，還可噴吹進(jìn)一部分氧氣，該工藝具有鐵水反應(yīng)充分、反應(yīng)時(shí)間短、降溫小、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，處理后的鋼水磷含量可達(dá)到≤0.02%，極大的減少轉(zhuǎn)爐脫磷負(fù)擔(dān)。

3.6 魚雷罐鐵水脫硫脫磷

目前，國(guó)內(nèi)只有極少數(shù)鋼廠采用魚雷罐鐵水脫硫脫磷，主要有以下幾種形式：

一種是向罐內(nèi)加入蘇打和氧化劑脫磷，加入方式為噴入蘇打灰配合添加燒結(jié)礦脫磷或頂加蘇打灰配合氧氣攪拌脫磷。噴吹蘇打粉工藝的特點(diǎn)是：蘇打粉熔點(diǎn)低，流動(dòng)性好；界面張力小易與渣鐵分離，使渣中鐵損?。粚?shí)現(xiàn)同吋去除硫磷；但對(duì)耐火材料侵蝕嚴(yán)重；有氣體污染。另一種是噴吹石灰粉和氧化劑的粉料也可實(shí)現(xiàn)同吋脫磷與脫硫。

鐵水脫磷工藝的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

綜上所述，筆者認(rèn)為鐵水脫磷工藝的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)如下：

（1）與在鐵水包中進(jìn)行鐵水預(yù)處理相比，在轉(zhuǎn)爐內(nèi)進(jìn)行脫磷預(yù)處理的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)爐的容積大、反應(yīng)速度快、效率高、可節(jié)省造渣劑的用量，吹氧量較大時(shí)也不易發(fā)生嚴(yán)重的噴濺現(xiàn)象，有利于生產(chǎn)超低磷鋼，尤其是中高碳超低磷鋼。

（2）SGRS工藝雖然煉鋼渣量少，但與常規(guī)工藝相比，由于增加了爐渣固化和脫磷結(jié)束后倒渣的時(shí)間使得轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)周期延長(zhǎng)；KR法鐵水“三脫”工藝由于反應(yīng)劇烈，形成大量泡沫渣，極易出現(xiàn)溢渣，且處理周期長(zhǎng)；因此，行業(yè)均未大范圍應(yīng)用。

（3）從國(guó)內(nèi)外新建鋼廠和部分老廠采用鐵水脫磷工藝的情況來看，轉(zhuǎn)爐仍是鐵水脫磷最好的容器，更好的利用轉(zhuǎn)爐進(jìn)行鐵水脫磷技術(shù)攻關(guān)，提高脫磷率仍是未來發(fā)展方向。鋼鐵企業(yè)應(yīng)該根據(jù)鐵水成分、工藝流程、脫磷成本及生產(chǎn)節(jié)奏等合理選擇適合不同鋼種生產(chǎn)的鐵水脫磷工藝。