第４６卷 第８期 ２ ０ １ １年８月钢铁Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．８Ａｕｇｕｓｔ ２０１１应用ＣＯＭＩ炼钢工艺控制转炉脱磷基础研究吕 明１， 朱 荣１， 毕秀荣１， 魏 宁１， 汪灿荣２， 柯建祥２（１．北京科技大学冶金与生态工程学院，北京１０００８３； ２．福建三钢（集团）闽光股份有限公司，福建三明３６５０００）摘 要：基于转炉炼钢过程脱磷的热力学分析和计算，以控制转炉冶炼过程脱磷期温度为出发点，提出一种利用ＣＯ２气体代替部分Ｏ２进行吹炼的转炉炼钢新工艺，即ＣＯＭＩ炼钢工艺。
研究发现：ＣＯＭＩ炼钢工艺能有效控制转炉熔池温度，降低半钢和一倒钢液磷含量，同时可有效减少炉渣铁损，为转炉高效脱磷提供了一种新思路。
关键词：转炉；脱磷；炼钢工艺；二氧化碳文献标志码：Ａ 文章编号：０４４９－７４９Ｘ（２０１１）０８－００３１－０５Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｄｅｐｈｏｓｐｈｏｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆＢＯＦ ｂｙ ＣＯＭＩ Ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ ＰｒｏｃｅｓｓＬ Ｍｉｎｇ１， ＺＨＵ Ｒｏｎｇ１， ＢＩ Ｘｉｕ－ｒｏｎｇ１， ＷＥＩ Ｎｉｎｇ１，ＷＡＮＧ Ｃａｎ－ｒｏｎｇ２， ＫＥ Ｊｉａｎ－ｘｉａｎｇ２（１．Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｆｕｊｉａｎ Ｓａｎｍｉｎｇ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｍｉｎｇｕａｎｇ，Ｓａｎｍｉｎｇ ３６５０００，Ｆｕｊｉａｎ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｐｈｏｓｐｈｏｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ＣＯＭＩ ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ＣＯ２ｗａｓ ｕｓｅｄ ａｓ ａ ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ ｐａｒｔ Ｏ２ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｄｅｐｈｏｓ－ｐｈｏｒｉｚａｔｉｏｎ，ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｉｔ ｉｓ ｄｉｓｃｏｖｅｒｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂａｔｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃａｎ ｂｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ａｎｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ｓｔｅｅｌ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ＣＯＭＩ ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｉｒｏｎ ｌｏｓｓｅｓ ｏｆ ｓｌａｇ ａｒｅ ｌｏｗｅｒｅｄ．Ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓ ｗｉｌｌ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｎｅｗ ｉｄｅａ ｏｆ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｄｅｐｈｏｓｐｈｏｒｉｚａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｄｅｐｈｏｓｐｈｏｒｉｚａｔｉｏｎ；ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ；ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０９７４０１３）作者简介：吕 明（１９８６—），男，博士生； Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｖｍｉｎｇｓｔｅｅｌ＠１６３．ｃｏｍ； 收稿日期：２０１０－０９－１７ 磷是一般钢种中的有害杂质，容易在晶界偏析，造成钢材“冷脆”，显著降低钢材的低温冲击韧性［１－２］。
炼钢过程脱磷主要在冶炼前期的低温条件下进行，因此易受脱硅反应后熔池迅速升温的热力学条件限制，造成吹炼过程温度不易控制、脱磷率不稳定［３－４］。
因此，炼钢过程中如何实现转炉高效率脱磷，特别是高硅高磷铁水的脱磷问题一直是炼钢生产的技术难点之一。
炼钢厂通常在脱磷期加入适量的固体冷却剂，达到控制熔池升温速度、提高冶炼前期脱磷率的目的，但固体冷却剂易引起熔池局部冷却，以至均匀降温效果不佳且不易控制，同时冷却剂中含有大量的杂质元素，为生产高品质钢种增加负担。
本文基于二氧化碳气体与钢液元素相互作用的相关热力学理论及分析，提出在转炉冶炼前期的顶吹氧流中混吹部分二氧化碳气体，以此控制脱磷期升温速度，从而有利于控制转炉脱磷的ＣＯＭＩ炼钢工艺。
１ ＣＯＭＩ炼钢工艺及脱磷原理本课题组自２００５年以来致力于研发一种将二氧化碳应用于控制转炉炼钢过程的新工艺即二氧化碳－氧气混合喷吹炼钢工艺，简称ＣＯＭＩ（ＣＯ２ａｎｄＯ２Ｍｉｘｅｄ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）炼钢工艺。
１．１ 脱磷原理脱磷过程是在钢－渣界面进行的，转炉熔池内的脱磷反应如下：２［Ｐ］＋５（ＦｅＯ）＋４（ＣａＯ）＝（４ＣａＯ·Ｐ２Ｏ５）＋５［Ｆｅ］ｌｇ Ｋｐ＝４０ ０６７／Ｔ－１５．０６（１） 脱磷反应为放热反应，影响反应进行的因素主要有温度、炉渣碱度、渣中（ＦｅＯ）量以及渣量等。
由式（１）可知，当温度降低时，Ｋｐ增大，脱磷率提高。
因此，应合理控制转炉吹炼工艺过程，充分利用吹炼前期良好的低温脱磷条件，促进脱磷反应钢 铁第４６卷的进行［５］。
１．２ 热力学分析二氧化碳气体属于弱氧化性气体，根据热力学分析，在炼钢温度下，以下反应是完全可进行的，二氧化碳气体与Ｃ、Ｆｅ、Ｓｉ及Ｍｎ反应生成氧化物［６－７］，如表１所示。
表１ 相关化学反应热力学数据表Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ｄａｔａ ｏｆ ｉｎｔｅｒｒｅｌａｔｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｒｅａｃｔｉｏｎ介质种类化学反应式ΔＧ°／（Ｊ·ｍｏｌ－１）１７７３ＫΔＧ／（Ｊ·ｍｏｌ－１）ΔＨ／（ｋＪ·ｋｇ－１）ＣＯ２ＣＯ２（ｇ）＋［Ｃ］＝２ＣＯ（ｇ）３４５８０－３０．９５Ｔ－２０２９４．３５ １１６０２．６７ＣＯ２（ｇ）＋Ｆｅ（ｌ）＝（ＦｅＯ）＋ＣＯ（ｇ）１１８８０－９．９２Ｔ－５７０８．１６ ７２０．９１２ＣＯ２（ｇ）＋［Ｓｉ］＝（ＳｉＯ２）＋２ＣＯ（ｇ）－３５７７９６７＋３５７．２７Ｔ－２９４４５２７．２９－９２９９．２１ＣＯ２（ｇ）＋［Ｍｎ］＝（ＭｎＯ）＋ＣＯ（ｇ）－２６１５０７．８２＋７２．９０５Ｔ－１３２２４７．２６－１５１２．４０Ｏ２１／２Ｏ２＋［Ｃ］＝ＣＯ（ｇ）－２２２１９．３５－９１．８４Ｔ－１８５０５１．６７－１１６３９Ｏ２＋［Ｃ］＝ＣＯ２（ｇ）－１６６６６６．５３４－４０．８０Ｔ－２３９００４．９３－３４８３４Ｏ２（ｇ）＋Ｆｅ（ｌ）＝（ＦｅＯ）－４５９４００＋８７．４５Ｔ－３０４３５１．１５－４２５０Ｏ２＋［Ｓｉ］＝（ＳｉＯ２）－８６６５１０＋１５２．３０Ｔ－５９６４８２．１０－２９２０２１／２Ｏ２＋［Ｍｎ］＝（ＭｎＯ）－８０３７５０＋１７１．５７Ｔ－４９９５５６．３９－６５９４ 二氧化碳与铁、碳元素的反应虽是氧化反应但却是吸热反应；而与硅、锰的反应虽是放热反应，但相对于氧气与硅、锰元素的反应放热量仅有３０％左右。
图１为其他条件不变的情况下，钢液元素与ＣＯ２反应比例对熔池温度的影响。
分析可知，与转炉常规冶炼工艺相比，随着钢液元素与二氧化碳反应比例的增加，熔池温度有所降低。
因此将部分二氧化碳掺入顶吹射流中进行混合喷吹，从而使ＣＯ２代替部分Ｏ２与熔池中Ｃ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｍｎ等元素反应，减少冶炼前期化学反应放热量，有效控制脱磷期温度，为低温脱磷创造良好的热力学条件。
图１ 钢液与ＣＯ２反应对熔池温度的影响Ｆｉｇ．１ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｌｉｑｕｉｄ ｓｔｅｅｌ ａｎｄｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ｏｎ ｂａｔｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ１．３ 动力学分析由表１中反应可知，２ｍｏｌ ＣＯ２可代替１ｍｏｌ Ｏ２与铁水中碳、硅、锰元素反应，因此，试验过程采用２ｍｏｌ ＣＯ２代替１ｍｏｌ Ｏ２参与反应，增加了顶吹总气量，增强了熔池的搅拌能力，增大钢渣反应界面，有利于钢渣反应过程传质、传热的进行，为脱磷反应创造了良好的动力学条件。
２ ＣＯＭＩ炼钢工艺脱磷工业试验试验基于３０ｔ转炉常规设备，在供氧总管处焊接一条供二氧化碳气体管道。
试验所用二氧化碳气体由一个２０ｍ３的储气罐提供，ＣＯ２供气系统采用西门子ＷＩＮＣＣ（视窗控制中心）软件通过ＭＰＩ（多点连接）接口与ＰＬＣ进行通讯，控制生产现场仪表阀门站，以控制二氧化碳气体的压力及流量。
２．１ 试验设备液态ＣＯ２气瓶，汇流排，低温液体汽化器，缓冲储气罐，仪表阀门站，ＤＮ２５、ＤＮ３２管道，法兰，３０ｔ转炉及其附属设备。
其工艺流程如图２所示。
２．２ 试验方案试验冶炼方案基于３０ｔ转炉常规冶炼制度，同时结合其相关参数进行物料及能量平衡计算。
由此得出试验装料制度及供气方案，具体如表２～４所示。
２．３ 取样方案根据铁水中各元素（Ｃ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｐ等）氧化量确定半钢（冶炼过程中脱磷期结束倒炉取样，以下简称“半钢”）耗氧量，冶炼过程中氧气喷吹量达到计算耗氧值即刻停吹、提枪、倒炉，然后进行半钢样及半渣样的取样检测。
吹炼结束前倒炉取一倒钢液（补吹前倒炉取样，以下简称“一倒钢液”）和一倒渣样进行分析。
·２３·第８期吕 明等：应用ＣＯＭＩ炼钢工艺控制转炉脱磷基础研究图２ 试验工艺图Ｆｉｇ．２ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ表２ 试验原料配比Ｔａｂｌｅ ２ Ｍａｓｓ ｐｅｒｃｅｎｔ ｏｆ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔ铁水生铁废钢总计２５ ５．５ ２．５ ３３３ 结果分析试验共计２０炉次，其中ＣＯＭＩ炼钢工艺１２炉次，常规工艺８炉次。
表３ 辅料加料方案Ｔａｂｌｅ ３ Ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｍａｔｅｒｉａｌｓ工艺模式脱磷期脱碳期常规工艺ＣＯＭＩ工艺根据铁水硅含量确定石灰总加入量，留２００ｋｇ石灰于脱碳期再加。
其余石灰分批加入，同时加入白镁球２００ｋｇ左右，萤石５０ｋｇ补加２００ｋｇ石灰，根据温度和化渣情况加入矿石总量表４ 供气方案Ｔａｂｌｅ ４ Ｇａｓ ｓｕｐｐｌｙ ｓｃｈｅｍｅ工艺模式气体供气流量／（ｍ３·ｈ－１）开吹～３ｍｉｎ ３ｍｉｎ～脱磷结束脱碳开始～９ｍｉｎ ９ｍｉｎ～终点常规工艺Ｏ２８２００ ７８００ ７６００ ８０００ＣＯ２００００ＣＯＭＩ工艺Ｏ２７８００ ７４００ ７６００ ８０００ＣＯ２８００ ８００ ０ ０３．１ 半钢分析图３所示为试验炉次半钢温度与半钢磷含量的关系。
图中可以看出，当熔池温度在１ ３３０～１ ３４０℃时，半钢磷含量均较低，随着温度的升高，磷含量呈上升的趋势。
但当温度低于１ ３２５℃时，由于温度过低不利于前期化渣，致使钢液磷含量偏高，当采用ＣＯＭＩ炼钢工艺冶炼时，可以较好地控制转炉脱磷期温度，半钢温度集中在１ ３３０～１ ３５０℃之间，半钢磷的质量分数均在０．０５０％以下。