铁水预脱磷

对于碳饱和铁水的脱磷，从热力学条件分析，一方面低温有利于脱磷反应而不利于脱碳反应，另一方面铁液中有大量的碳存在，由于碳磷在铁水中的相互作用，使磷的活度提高，更增加了脱磷倾向，这表明碳饱和铁水的脱磷不但是可能的，而且脱磷条件比钢水脱磷还要优越。

铁水预脱磷按原理可分为氧化脱磷和还原脱磷，二者中哪个占主导地位由渣铁界面的氧势决定，氧势高时以氧化脱磷为主，反之以还原脱磷为主(图2)。铁水中P以PO43-的形态进入渣中时称氧化脱磷，其离子反应式为1/2P₂ 3/2O- 5/4O2=PO43-，即渣中磷含量与氧势的关系可用斜率为5/4的直线表示(图3)。增大氧势和渣碱度均有利于该反应发生。铁水中P以P-的形态进入渣中时称还原脱磷，其离子反应式为1/2P₂ 3/2O=P 3/4O₂。即渣中磷浓度与氧势的关系可用斜率为-3/4的直线表示(图3)。增大渣碱度有利于该反应发生，但增大氧势不利于反应的发生。

普通铁水主要用氧化脱磷，而铁合金脱磷在80年代以前主要考虑用还原脱磷，因为合金元素的存在降低铁水中磷和氧的活度，另一方面大多数合金元素与氧的亲和力大，优先于磷氧化进入渣中，降低合金元素收得率，且这些合金元素的氧化物多为高熔点酸性氧化物，使铁合金脱磷的热力学和动力学条件变差。

设备 铁水预脱磷设备主要有鱼雷车、铁水罐和转炉式设备等3种，使用鱼雷车的为多。这是因为鱼雷车处理量大，保温效果较好，但因其形状原因，反应效率较差。图4是日本新日铁君津厂鱼雷车脱磷设备的示意图。其处理规模为290t/车，使用可迅速更换的耐火材料喷枪，用N₂作载气喷吹氧化铁皮、CaO、CaF、CaCl₂脱磷剂，粉体粒径在1.0mm以下。

铁水罐脱磷设备的最大缺点是易发生渣铁喷溅，因而有时需在罐上部增设辅助炉体(图5)。有时也通过面吹氧压渣，同时增加CO的二次燃烧率以降低处理过程中的温降。转炉式设备也称H炉设备，是神户制钢将转炉改造成专用于铁水预脱磷、脱硫的设备，形状类似转炉但处理量较转炉大，内衬MgO-C砖，利用出钢口排渣，可进行高固气比操作，利用同一喷枪可连续进行脱磷、脱硫处理。处理过程有两种操作方法，一种是喷吹法，即脱磷剂喷入铁水，一部分氧化剂从炉顶部加入;一种是脱磷剂部分喷吹，部分顶加。二者均进行面吹氧(图6)。该设备脱磷的主要特点是反应速度快、效率高，在短时间内可实现同时脱磷脱硫。可用块状生石灰、转炉渣等作为CaO源，并用顶加锰矿促进脱磷、脱硫反应等。

在各工艺中，脱磷的操作条件因铁水的处理目标和初始条件而异，但主要应控制的操作条件有铁水初始硅含量、温度、氧化剂、渣碱度和脱磷剂用量等因素。

铁水预脱磷硅含量

脱磷前铁水含硅量应控制在0.15%以下，以确保以小量脱磷剂实现高效脱磷。根据转炉吹炼经验，硅降至0.2%以下时开始脱碳，为防止脱硅时碳的氧化，脱磷前铁水含硅量也可控制在0.2%左右。由于高炉冶炼低硅生铁已成为可能，许多钢铁企业正在开展同时脱硅、脱磷研究，如日本日新制钢进行了5t规模的同时脱硅、脱磷研究，结果表明，通过控制CaO/∑O₂(∑O₂=O₂ 固体氧化剂含氧量)比值，即使硅含量为0.5%的铁水也可有效地脱磷，而脱磷剂用量增加不大。这是因为有效脱磷的条件一是增大氧势，二是提高碱度，即降低CaO/∑O₂值，在高氧势条件下脱磷和提高CaO/∑O₂以及在高碱度条件下脱磷都是可能的，而前者的脱硅效率比后者大。关键是根据具体条件选择合适的CaO/∑O₂值。日新制钢选择的是1.5kg/m。

铁水预脱磷处理温度

铁水脱磷温度不宜过高。合适的处理温度是1380～1480℃。这是考虑到铁水脱磷过程中产生温降和转炉炼钢对入炉铁水温度要求确定的。从脱磷的热力学条件和使用苏打灰为脱磷剂时防止或减少其挥发的角度考虑，低温有利，但低温不利于石灰系脱磷剂的渣化和保证不了炼钢对铁水温度的要求。而温度过高，从脱磷热力学条件和苏打灰挥发损失考虑都不利于脱磷。脱磷处理后的铁水显热和潜热都降低，前者是因为脱硅、脱磷使用了大量的冷态脱磷剂，后者是因为作为炼钢热源的硅、锰，磷和碳在处理过程中被除去或降低。

铁水预脱磷氧化剂

氧化剂有气体氧(O₂)和固体氧(铁矿石或氧化铁)两种，二者的作用有3点不同：(1)气体氧使铁水温度升高，而固体氧降低铁水温度;原因是气体氧与铁水中[C]的反应为放热反应，而氧化铁与[C]的反应是吸热反应;另外气体氧的存在促进CO的二次燃烧也使铁水温度升高。(2)顶加氧化铁与面吹氧相比，脱磷终渣中全铁高;但也有的研究指出，增加气氧比会使渣中全铁增加，气氧比为60%时，渣中全铁高达15%，如在脱磷后期停止吹氧，可使渣中全铁保持在5%左右。(3)氧形态不同脱磷效果也不同。氧化剂的加入方式有向铁水中喷吹氧气和氧化铁、顶加氧化铁和面吹氧气，其中顶加固体氧对脱磷效率很重要，因只喷吹氧化剂使渣中氧化铁降低，不能确保脱磷效果。

铁水预脱磷渣碱度

渣碱度高，有利于脱磷。苏打系脱磷剂熔点低，可根据脱磷要求选择合适的碱度。使用石灰系脱磷剂时，碱度CaO/SiO₂为3～4时磷容最高。 2100433B

1877年，洛杉·贝尔(Lowthian Bell)根据在预精炼炉内用氧化铁在脱碳前能脱磷的经验开发了铁水预脱磷技术，即向装有铁水的摆动槽内投入氧化铁皮、精炼渣和铁矿石等，边加热边以60～80次/min的频率振动，然后扒去含P₂O₅的渣，铁水送至精炼炉，铁水中磷自1.5%降至0.22%。与此同时进行的另一种脱磷法是在金属炉壳内附有炉衬的旋转炉内装入铁水，边旋转边投入氧化铁进行脱磷，然后将脱磷铁水与高硅铁水混合，在贝塞麦(Bessemer)炉或西门子一马丁(Siemens-Martin)炉内精炼。该法工业化后仅两年，在德国即被托马斯(Thomas)炉取代，北美引进该工艺后改造成为克虏伯(Krupp)精炼炉，脱磷率为70%～80%，磷从0.1%～0.5%降至0.02%。其后，由于托马斯转炉、碱性平炉及LD(Linz-Donawitz)转炉均能实现脱磷，因而铁水预脱磷一度受到冷落。20世纪70年代，随着钢铁生产进入高速度发展期，含磷转炉渣的存放变得困难，需要尽可能地减少转炉渣量，加之连铸比和炉外精炼比的增加需要提高出钢温度而使转炉吹炼过程脱磷负荷增大，低磷钢、高级优质钢、不锈钢和高级合金钢需求量也日益增加，世界各国对铁水预脱磷的研究日趋兴盛，并取得了重大发展，特别是日本已实现了工业化。中国的宝山钢铁(集团)公司在1990年也设置了铁水预处理站并开发了预脱磷技术。随着对钢材品种、质量的要求日益苛刻和钢铁冶金工艺的日趋合理化，铁水预脱磷将为冶金工作者重视。

铁水预脱磷工艺与高炉出铁场或其他脱硅设备相衔接，生产流程采取多罐位流水作业方式，处理时间与炼钢炉冶炼周期相配合。少量处理以低磷钢或超低磷钢为对象，生产规模小，为节省投资采用单工位多功能方式。脱磷方法根据使用脱磷剂不同有SARP法、铁水罐法、槽型连续处理法、ORP法、转炉法和NRP法。

铁水预脱磷SARP法

日本住友金属的鹿岛制铁所1982年起实施的铁水预脱磷工艺Soda Ash Refining Process的简称。铁水首先在高炉出铁场和鱼雷车内脱硅，然后用苏打灰脱磷、脱硫。该法的特点是可同时脱磷、脱硫，处理过程中Mn、C损失少。碱度(Na2O/SiO₂)为3时磷分配比(P₂O₅)/[P]高达1500。如配合吹氧和加入氧化铁可有效地控制Na₂CO₃ [C]—→Na₂O CO，Na₂O [C]→2Na CO，P₂O₅ [C]—→2[P] 5CO反应引起的苏打灰蒸发损失和回磷。另外可从脱磷终渣中回收苏打灰二次利用。

铁水预脱磷铁水罐法

该法有两种形式：一种是向罐内喷入苏打灰配合添加烧结矿脱磷，一种是顶加苏打灰配合氧气搅拌脱磷。后者如选择适当的搅拌则脱磷效果与喷吹法等同。另外铁水罐法中还有机械搅拌法(KR法)(见机械搅拌法脱硫)，该法设备投资低，操作简便，但因搅拌效果较差，脱磷率低。

铁水预脱磷槽型连续处理法

也称AL炉法，全称是ALPHER (Alkali-Pretreatment with Hydro-ExtractedRecycling)。该法的特点一是利用渣铁间的逆流接触提高反应效率，二是在同一设备内连续进行脱硅、脱磷处理，三是可以回收苏打灰重复利用。该法虽是较理想的操作方式，但由于其前步工序的高炉是间歇式出铁，其后步工序炼钢更是典型的间歇式操作，而在两道间歇式工序间设连续式的苏打灰精炼很难协调。

铁水预脱磷ORP法

典型的ORP法是新日铁君津厂的工艺(optimizing the refining process)，其突出特点是用CaO系脱磷剂、全部使用固态氧源和适用于所有钢种的处理，具体处理水平是：普通钢[P]=0.015%～0. 040 %，[S]=0. 010 %;低磷钢[P]=0. 005%～0.015%，[S]= 0. 005%;低磷低硫钢则为[P] =0. 005% ～0. 015%，[S]=0. 003%。另外，脱磷渣残留在鱼雷车内，注入脱硅铁水后同脱硅渣一起扒掉。

铁水预脱磷NRP法

全称为New Refining Process。该法使用铁水罐进行脱磷，设有测温取样、排脱硅渣、脱磷和排脱磷渣4个工位。为防止跑渣铁，在铁水罐上部设有浸渍槽。使用石灰系脱磷剂，通过调整渣中CaO/O之比可同时脱磷、脱硫。氧化剂用喷吹氧化铁和氧气或顶加氧化铁和顶吹氧的方式供给。

在预处理站将脱磷熔剂喷吹到各种铁水罐(包括鱼雷罐)内脱磷的方法。

在铁水预处理中用于预脱磷的各种添加剂的总称。将脱磷剂以各种方式加入铁水中或铁水表面，使之与铁水中的磷反应生成磷的化合物，从而使磷固定在渣中或进入气相以达到铁水预脱磷目的。脱磷反应过程中形成的渣称为脱磷渣，习惯上有时也将添加剂和脱磷反应过程中形成的渣统称为脱磷剂或脱磷渣。

为将铁水中的磷去除，必须使之与脱磷剂反应生成稳定的化合物并从铁水中分离出来。根据不同的脱磷反应产物和反应过程中所要求的不同氧位，脱磷剂可以分为氧化脱磷剂和还原脱磷剂两大类。将铁水中的磷氧化成氧化物或磷酸根而达到脱磷目的的脱磷剂称为氧化脱磷剂;而将铁水中的磷还原成负价化合物而达到脱磷目的的脱磷剂称为还原脱磷剂。还原脱磷·剂主要用于铁合金和合金钢的脱磷，常用的氧化脱磷剂是由作为氧源的易被还原的氧化剂和作为碱基的碱性氧化物以及助熔剂等组成的复合脱磷剂，例如苏打系脱磷剂、石灰系脱磷剂等。常用的还原脱磷剂是钙或镁的金属或合金，例如Ca、CaC₂、CaSi等，常配有适量的CaF₂作为助熔剂。2100433B

铁水预处理脱硅开始较早，1897年曾有人用平炉进行了脱硅脱磷的预备精炼工业试验，20世纪初进行了混铁炉脱硅，到40年代试验了高炉出铁时的脱硅，中国于50年代曾在鞍山钢铁公司实施过预备精炼炉脱硅和高炉铁水沟脱硅，这些都对改善平炉炼钢的冶炼技术经济指标和提高生产率起了良好的作用。到了90年代，基于对优质钢材的需求，以及钢铁生产工艺本身节省资源和能量、减少渣量等公害的需要，日本发展了以脱硅、脱磷为目的的铁水预处理。此后发展成两类预脱硅工艺，一类是作为铁水同时脱磷、脱硫的前工序，以提高其效率，这种铁水进入转炉只需完成脱碳和提高温度，炉渣减少到微量保护渣层的程度，主要生产高纯钢种;另一类是作为降低转炉渣量的措施。1985年前后日本各大厂曾广泛采用，主要在高炉炉前进行。后来，由于高炉冶炼低硅铁技术的发展，这类预脱硅方法已较少使用。