供稿|张思源，张鑫，王彦军，胡晓磊，杨心宇 / ZHANG Si-yuan, ZHANG Xin, WANG Yan-jun, HU Xiao-lei,YANG Xin-yu

中国钢铁行业发展日益严峻，为了增强企业盈利能力，许多企业不得不采用低品位的高磷铁矿来降低生产成本，除此之外，钢铁行业的快速发展导致高品位、易开采的优质铁矿石日益减少，越来越多的企业将目光转向储量丰富的低品位复杂铁矿资源，开发利用以高磷铁矿石为代表的铁矿石资源逐渐受到关注[1]。2012年美国地质调查局(USGS)对全球范围内的铁资源分布进行了调查，得到了世界主要国家铁矿石品位情况，见图1。

从图1可以看出，巴西、澳大利亚等主要铁矿石出口国铁矿石品位在50%左右，但是中国铁矿石品位只有31%。并且随着铁矿石储量的下降，高品位铁矿石越来越少。

图1 不同国家铁矿石品位

高磷铁矿石遍布全球各地，澳大利亚、沙特阿拉伯、北美的Minnesota、 Superior等国家和地区均存在大量高磷铁矿石。我国的四川、湖北、云南、安徽、江苏、内蒙古等地区具有储量丰富的高磷铁矿，其中有2个储量10亿t以上的特大型铁矿床，4个储量1～10亿t的大型铁矿床，11个储量1000万～1亿t的中型铁矿床。我国最重要的沉积高磷铁矿床当属宁乡式铁矿，分布在赣、湘、桂、滇等地，探明储量达数十亿吨[2]。典型的高磷铁矿床分为三类，与火山侵入活动有关的铁矿床(主要成分质量分数：P 0.01%～1.34%，Fe 34%～45%，S 0.03%～8%)、海相二叠纪沉积型铁矿床(较高的P、S含量)和海相中泥盆世沉积型铁矿床(较高的SiO2、P含量，较低的S含量，Fe质量分数25%～50%，以中国“宁乡式”高磷铁矿床为代表)。这些铁矿石矿相组成复杂，铁矿物与磷矿物关系密切，联结力大，很难进行选矿。

高磷铁矿的应用会导致铁水中磷含量增加，并且烧结和高炉没有脱磷能力，会增加炼钢过程中的脱磷负担，增加生产成本。因此，提高中高磷铁水脱磷能力、降低生产成本显得尤为重要。

磷平衡分配比是评价炉渣脱磷性能的重要指标，石灰在其中起着关键作用。同时，作为脱磷过程中的重要原料之一，石灰在炉渣中的融化率对炉渣碱度、炉渣黏度、炉渣脱磷效果等产生重要影响。保证较高的磷平衡分配比以及较高的石灰熔化率，对提高脱磷效率、降低石灰耗量、降低脱磷成本有着重要意义。因此，有必要探讨中高磷铁水中磷平衡分配比以及石灰融化率的影响因素。

中高磷铁水分析

对磷平衡分配比影响

渣系的脱磷能力以及渣系的组成变化对脱磷效果的影响是脱磷热力学中比较重要的问题之一，磷平衡分配比的表达式为：

其中，(%P)表示炉渣中P元素质量分数；[%P]表示钢液中P元素质量分数；T为钢液温度，单位K；(%CaO)表示炉渣中CaO质量分数；(TFe)表示炉渣中Fe元素质量分数。

根据磷平衡分配比的表达式(1)，作脱磷渣中P2O5含量与磷平衡分配比和终点磷含量的关系图，如图2和图3所示。

从图2和图3可以看出，随着渣中P2O5含量的提高，磷分配比下降，并且随着渣中P2O5含量的增加，钢中磷含量急剧上升，在碱度较低的情况下尤为明显。由于中高磷铁水中P2O5含量过高，所以极易造成回磷，使得钢中磷含量增加。

图2 渣中P2O5和磷分配比的关系

图3 渣中P2O5含量和终点磷含量的关系

要想进一步降低铁水中磷含量，就需要进一步提高炉渣碱度，因此需要消耗更多的石灰等脱磷副原料，增加了脱磷成本。初始磷含量越高，消耗的石灰越多，因此目前未见中高磷铁水大规模冶炼生产。

从热力学角度来说，增加磷平衡分配比的方法主要是提高渣中CaO、FeO含量，并降低反应温度，从而增加脱磷能力。但从动力学角度来说，在增加磷平衡分配比的同时，又要保证渣具有良好的流动性，CaO以及FeO含量不能过高，反应温度不能过低。因此，为了保证良好的脱磷效果，兼顾二者平衡，在提高磷平衡分配比的同时，要保证炉渣具有良好的动力学条件。

对石灰融化率影响

在特定工艺条件下，炉渣中2CaO·SiO2饱和度和炉渣成分对石灰融化产生重要影响。2CaO·SiO2能够在石灰外面形成一层薄膜，该薄膜熔点非常高，会影响石灰在渣中的溶解。当铁水中磷含量较高时，会导致渣中P2O5含量增高，渣中的CaO会迅速生成3CaO·P2O5。3CaO·P2O5与2CaO·SiO2能够无限互溶，进一步提高了2CaO·SiO2的饱和度，在石灰外层形成3CaO·P2O5-2CaO·SiO2固溶体，Suito[3]通过实验证明了这一观点，从而降低了CaO在渣中的溶解。

刁江[1]通过静态侵蚀实验并对结果进行二次回归处理，分析了碱度与P2O5含量交互作用对石灰融化率的影响，如图4所示。

图4 碱度与P2O5含量交互作用对石灰融化率的影响

从图4可以发现，当渣中P2O5质量分数小于4%时，石灰的熔化率保证在75%以上，熔化率较高。当渣中P2O5质量分数大于4%，且炉渣碱度大于0.7时，随着炉渣碱度的提高以及渣中P2O5的提高，石灰的融化率逐渐降低。因此，由分析可知，当渣中P2O5含量大于4%时，渣中石灰融化率将显著降低，石灰利用率显著降低，要想获得同样的脱磷效果，就需要消耗更多的石灰，脱磷成本显著提高。

根据脱磷分子理论[4]可知：2[P]+5[O]=(P2O5)。渣中的P2O5来源主要为脱磷反应生成的P2O5以及炉衬中带入的磷生成的P2O5，炉衬中带入的P含量很少，忽略不计。因此可以看成渣中的P2O5均来自铁水中的脱磷反应。当渣中P2O5含量在4%左右时，根据反应平衡计算可得，铁水中反应掉的磷质量分数约为0.17%，脱磷反应的终点磷质量分数一般在0.01%左右，因此按照渣中P2O5含量对石灰熔化率的影响来考虑，当铁水磷质量分数在0.18%左右时，石灰熔化率显著降低，与文献[5-7]结论相似。此时要想获得同样的脱磷效果，石灰的加入量显著提高，脱磷成本提高。

不同钢厂生产原料、生产设备以及工艺参数有所差别，因此具体的临界点还要根据不同钢厂的情况进行具体分析。图5为主要企业铁水平均磷含量调研情况。

图5 中国主要钢厂铁水平均磷含量

从图5可以看出，中国大部分钢铁企业铁水磷质量分数在0.1%左右，梅山钢铁中铁水磷质量分数甚至达到了0.19%。目前钢铁企业的铁水磷质量分数主要维持在0.1%～0.15%水平，主要与上述原因有关。

另一改善渣中CaO融化率的影响因素是FeO/SiO2。李远洲[8]给出了FeO/SiO2对石灰融化率的影响。当FeO/SiO2比值在0.5～1.0时，基本对石灰的熔化率无影响；当比值从1.0提高到2.0时，石灰的融化率有很好的改善。这说明了保证较低的铁水硅含量和较高的FeO含量，对冶炼中高磷铁水至关重要。

铁水中硅含量的增多，会使得渣中SiO2含量增多，FeO/SiO2比值降低，石灰的融化率降低，最终导致炉渣的脱磷效果减弱。当铁水磷高于某一临界值时，要想取得同样的脱磷效果，就需要消耗更多的石灰等脱磷副原料，该临界值会随着炉渣脱磷能力的降低而降低。

因此从保证石灰融化率方面来说，要保证铁水磷质量分数在0.18%以下，具体的临界点可以根据不同钢厂的实际条件通过建模等方式来确定；同时，在保证具有足够的铁水硅能够造渣脱磷的基础上，尽量降低铁水的硅含量，提高石灰融化率，并通过模型计算提高临界磷含量[9]，扩大中高磷铁水的冶炼范围。

改善中高磷铁水脱磷的方法

从以上分析可以发现，中高磷铁水脱磷困难的原因主要是因为渣中P2O5增多引起的磷平衡分配比下降以及CaO在渣中的融化率降低，因此要想充分利用高磷铁矿石，进行中高磷铁水脱磷，就要从增加磷平衡分配比、增加CaO在渣中的融化率等方面进行研究。具体的操作手段可以调整吹氧和造渣工艺，吹炼早期获得过氧化、高流动性、高碱度炉渣，并且可以部分使用双渣工艺等方法来保证炉渣碱度、炉渣FeO含量、铁水温度等，并且在保证造渣脱磷的基础上，降低铁水硅含量，保证炉渣具有一定的动力学条件。

结束语

我国高磷铁矿石储量丰富，保证较高的磷平衡分配比以及较高的石灰熔化率，对提高脱磷效率，降低石灰耗量和脱磷成本有着重要意义。提高磷平衡分配比和石灰融化率对中高磷铁水高效脱磷至关重要，有利于高磷铁矿石的开发利用。中高磷铁水炉渣中P2O5增多会引起的磷平衡分配比下降以及CaO在渣中融化率降低。可以通过调整CaO及FeO含量提高磷平衡分配比，通过调整炉渣碱度、铁水硅含量来提高石灰融化率。

摄影 杨 栋

[1] 刁江. 中高磷铁水转炉双联脱磷的应用基础研究[学位论文]. 重庆：重庆大学，2010

[2] 何姜毅. 铁矿石提质降磷新技术开发实验研究[学位论文]. 昆明：昆明理工大学，2007：23

[3] Suito H，Inoue R. Behavior of phosphorous transfer from CaO-FeOP2O5(-SiO2) slag to CaO particles. Transactions of the Iron & Steel Institute of Japan，2006，46(2)：180

[4] 胡晓光，李晶，武贺，等. 复吹转炉双渣深脱磷工艺实践. 北京科技大学学报，2014(s1)：207

[5] 立任春，王玉生，艾晓礼，等. 复吹转炉冶炼高级别管线钢低磷控制. 中国冶金，2015，25(2)：34

[6] 李晨晓，李宏，周宝，等. 100 t转炉石灰石代替石灰造渣炼钢实验研究. 中国冶金，2015，25(12)：22

[7] 董大西，冯佳，年武，等. 石钢60 t转炉采用石灰石替代石灰造渣炼钢实验. 中国冶金，2013，23(11)：58

[8] 李远洲，孙亚琴. 顶底复吹转炉合理造渣工艺的探讨. 钢铁，1990(7)：15

[9] 张思源，包燕平，林路，等. 单渣脱磷石灰消耗量预报模型的应用与分析. 中国冶金，2016，26(11)：21