转炉脱磷热力学及双渣操作分析
一、转炉脱磷的冶金条件
众所周知, FeO 和 CaO 是生成稳定磷酸盐的最主要的氧化物。在转炉炼钢中, 我们以 FeO 为氧化剂,以 CaO 为磷氧化产物的稳定剂。通常炼钢脱磷反应如下: 1
在渣钢界面上 ][5][5 (5O Fe FeO += (1
2在与渣相相邻的金属层中 (][5][252O P O P =+ (2
3 在与金属相相邻的渣层中4( (
4 (5252O P CaO CaO O P ∙=+ (3 总反应描述为
[]((([]Fe O P CaO CaO FeO P 5445252+∙=++ (4 根据萨马林的数据
(5
在式(5中,氧化物和磷酸四钙的活度甩摩尔分数表示。 K p 随温度的升高急剧减小,在 1673 、 1773 和 1873K 下。 K p 相应为 7.8 ×108、 3.5 ×107、 2.1 ×106
。
根据式(5 ,在金属与炉渣平衡的情况下,
(6
由式(6可见,促进炉渣对金属脱磷的热力学因素有:
1加人固体氧化剂(铁矿石、铁皮或用高枪位向熔池吹氧以增大 a (FeO 2加入石灰和促进石灰在碱性渣中迅速溶解的物质以增大 a (CaO ,亦即增大自由 CaO (不与酸性氧化物结合的的浓度;
3用更新与金属接触的渣相的方法,亦即放渣和加入 CaO 与 FeO 造新渣的方法来减小4(52O P CaO a ∙
4保持适当的低温,因为温度从 1673 增到 1873K ,使反应(4的平衡常数 K p 减小到 1/370 。
应当指出, 上述关于温度对脱磷影响的结论, 仅仅是从热力学观点看是正确
06. 1547008
lg lg 4
(5 ( 4(52-==∙T a a K a K CaO FeO p O P CaO p 4
(5
( 4(52][%CaO FeO p O P CaO a
a
K a P ∙=
的,为了加速脱磷必须有适当的高温,因为高温可以迅速生成高碱度铁质炉渣, 和保证得到均质流动的炉渣使传质过程加速。
我们引入脱磷指数 L P —熔渣的脱磷在渣—铁间的分配比作为衡量熔渣的脱磷能力的大小,其值越大则表明熔渣的脱磷能力越大。 L P 可由如下反应式推得
2[P]+5[O]=(P 2O 5 (7
[][]
5
5
2
2
5
2
52
5
2
52o f P f N
a a a K o P O O P P P O P p P ⋅⋅⋅=
⋅=
γ (8
(]
[52P O P L P =
(9
从平衡常数 K p 和 L P 的比较中可看出, L p 在一定程度上反映了 K p 的大小或炉
渣脱磷能力的大小。而从 K p 值和 L P 值的比较中可得,影响脱磷指数 L P 的因素是很多的, 其中最主要的因素是炉内铁液温度 (影响 K p 值、炉渣碱度和渣中(FeO 的活度(影响γ(P 2O 5和α[O]
。
1. 温度对脱磷的影响
温度对脱磷指数 L P 的影响是通过降低温度使 K p 增大来实现的,脱磷是一个强放热反应,升高温度 K p 值减小,因此低温有利于脱磷, 但同时炉内铁水温度还要满足渣料熔化的要求。由脱磷方程得到:
LgK=40067/T-15.06 (10 由上式计算得 K 值如下:
t℃ 1400 1500 1600 K 7.8×108 3.5×107 2.1×106
可见, 随着炉内铁液温度降低, K p 值明显上升, 换句话说, 温度每降低 100℃, Kp 值就升高一个数量级。由此可见, 转炉脱磷的冶炼过程温度控制尽可能的低一点,对脱磷的热力学条件是十分有利的。
上图为双渣法转炉炼钢的一倒温度与一倒 P 分配系数的关系,当温度上升, 磷在渣钢之间的分配比上升,直到 1350℃~1400℃之间时,分配比达到顶点, 当温度再升高,磷在渣钢之间的分配比下降。另外,温度的继续升高,使 C-O 反应进入快速反应阶段,也影响到脱 [P]效果。因此, 选择 1350℃~1400℃作为转炉脱磷一倒温度是最为合
理的。
从热力学条件来看, 降低温度有利于去磷反应的进行。但是应该辨证地看待温度的影响,尽管升高温度会使去磷反应的平衡常数 K
p
值减小,然而与此同时, 较高的温度会使炉渣的黏度下降,加速石灰的成渣速度和渣中各组元的扩散速
度,强化了磷自金属液向炉渣的转移,其影响可能超过 K
p
值的降低。当然,温度过高时 Kp 值的降低将起主导作用会使炉渣的去磷效率下降钢中含磷量升高。因此将温度控制在一个合适的范围内, 保证石灰基本熔化并使炉渣有较好的流动性,对脱磷过程最为有效。
通过对出钢温度和成品 P 进行分析:
从上表可以看出:降低出钢温度可以有效地降低成品 P 含量。
鉴于铁水 P 的不断升高,为确保品种钢进站和成品 P 含量满足要求,建议厂部下调现行钢种作业指导书的氩前温度 20-30℃。 2. 炉渣碱度的影响
一般高碱度、高氧化铁的炉渣能使磷呈现强烈的氧化趋势 (P 2O 5 , 并与 (CaO 结合成稳定的磷酸钙。因此增加渣中(CaO 可以增大 aO C a ,降低五氧化二磷的活度系数 5
2O P ,磷在渣铁间的分配比 L P 提高。但在转炉脱磷吹炼前期,为了保
证终点有较高的[C ],温度一定不能超过 1400℃,而在这样的温度下,液态渣的碱度不可能高。同时片面追求高碱度, 则渣中固相比例上升, 反而影响了脱磷的效果,所以对于脱磷吹炼前期过程的炉渣碱度控制在 1.5-2.0为宜。 3. 炉渣(FeO 影响
炉渣的氧化铁含量越高,磷在渣铁间的分配比 LP 越大。反应式中[O ]的高低实际上是由熔渣中 FeO 的活度 FeO a 决定。因此, 要提高磷在渣铁间的分配比 LP ,必须提高熔渣 FeO 的活度。在低温、低碱度条件下, (FeO 的活度系数变化不大,增加渣中 (FeO的浓度是增大 FeO a 的主要手段,且(FeO 含量高可以增加熔渣的流动性,对脱磷的动力学条件也是很有好处的。
碱度一定的条件下,渣中 (FeO含量较低时,磷在钢渣之间的分配系数 Lp 随着渣中 (FeO含量的增高而增高, 而且在 (FeO含量 =16%时达到最大值, 在进一步提高时Lp 反而下降。这是因为, (FeO是去磷反应的氧化剂, 同时它还能加速石灰熔化成渣和降低炉渣的黏度。但是,如果渣中 (FeO的浓度过高,会使渣中 (CaO 浓度下降,导致渣中不稳定的(3FeO ·P 2O 5增多,稳定的(4FeO ·P 2O 5 减少,反而使炉渣脱磷的效果降低。 4. 渣量的影响
随着脱磷反应的进行,渣中(P 2 O
5
的浓度的不断升高,炉渣脱磷效果逐渐
降低,在一定的条件下,增大渣量的必然回使渣中(P 2 O
