脫磷劑

脫磷劑(dephosphorization agent)是在鐵水預處理中用於預脫磷的各種添加劑的總稱。鐵水脫磷劑主要由氧化劑、造渣劑和助熔劑組成。

基本介紹

• 中文名：脫磷劑
• 外文名：dephosphorization agent
• 描述：鐵水預脫磷添加劑的總稱
• 作用：鐵水脫磷
• 組成：氧化劑、造渣劑和助熔劑
• 套用學科：冶金術語

概述

磷是絕大多數鋼種中的有害元素。近年來，隨著科學技術的迅速發展，用戶對鋼質量的要求不斷提高，如對低溫用鋼、海洋用鋼、抗氫致裂紋鋼和部分厚板用鋼，除了要求硫含量極低以外，還要求鋼中磷含量低於0.01%或低於0.005%。此外，為了降低氧氣轉爐鋼的生產成本和實行少渣煉鋼，也要求鐵水磷含量低於0.015%。

因此，20世紀80年代以來，各國致力於研究鐵水預處理脫磷的問題，開發了各種處理方法。

根據所用容器的不同，預脫磷處理方法可分為兩種：一種是在盛鐵水的鐵水包或魚雷罐車中進行脫磷；另一種是在專用轉爐內進行鐵水脫磷預處理。專用轉爐由於具有脫磷效率高(可頂吹氧，再加上底吹氮攪拌)、可頂加粒狀或塊狀脫磷劑、能控制脫磷渣起泡、可利用部分返迴轉爐渣作脫磷劑和加錳礦熔融還原等特點，對於處理我國的中、高磷鐵水具有較好的套用前景。進入90年代以來，日本及韓國的一些鋼廠進行了許多用轉爐進行鐵水脫磷預處理的研究，並紛紛採用了在轉爐內進行鐵水脫磷的方法。在轉爐內進行鐵水預處理時，脫磷劑有噴粉加入和直接加入兩種方式。神戶制鋼的 爐和新日鐵的 爐是採用噴粉法加入，其優點是反應速度快、效率高，缺點是需增設噴粉設備，原有設備需要做較大的改動。原NKK福山廠和住友廠的SRP工藝是直接將脫磷劑加入爐內，利用較強的底吹攪拌，也達到了較好的脫磷效果；但為了化渣良好，需採取相應措施。

將脫磷劑以各種方式加入鐵水中或鐵水表面，使之與鐵水中的磷反應生成磷的化合物，從而使磷固定在渣中或進入氣相以達到鐵水預脫磷目的。脫磷反應過程中形成的渣稱為脫磷渣，習慣上有時也將添加劑和脫磷反應過程中形成的渣統稱為脫磷劑或脫磷渣。

為將鐵水中的磷去除，必須使之與脫磷劑反應生成穩定的化合物並從鐵水中分離出來。根據不同的脫磷反應產物和反應過程中所要求的不同氧位，脫磷劑可以分為氧化脫磷劑和還原脫磷劑兩大類。將鐵水中的磷氧化成氧化物或磷酸根而達到脫磷目的的脫磷劑稱為氧化脫磷劑；而將鐵水中的磷還原成負價化合物而達到脫磷目的的脫磷劑稱為還原脫磷劑。還原脫磷劑主要用於鐵合金和合金鋼的脫磷，常用的氧化脫磷劑是由作為氧源的易被還原的氧化劑和作為鹼基的鹼性氧化物以及助熔劑等組成的複合脫磷劑，例如蘇打系脫磷劑、石灰系脫磷劑等。

鐵水脫磷劑主要由氧化劑、造渣劑和助熔劑組成。氧化劑的作用在於供氧，將鐵水中的磷氧化成，使之與造渣劑結合成磷酸鹽而留在脫磷渣中。氧化劑一般為氣體氧化劑(主要是)和固體氧化劑(軋鋼皮、鐵礦石、燒結返礦、錳礦石等)。目前套用的造渣劑主要有兩類：蘇打()系和石灰()系，它們起著固化矽、磷氧化物的作用，形成穩定的矽酸鹽或磷酸鹽，同時降低渣熔點。添加的助熔劑一般為螢石和氯化鈣等，用來改善脫磷渣的流動性能，同時激化脫磷反應，強化脫磷效果。

分類

蘇打系脫磷劑

在不另加氧化劑時，蘇打可直接供氧和脫磷造渣。反應為：和

蘇打脫磷有如下特點：

(1)脫磷初期，矽、鈦先於磷被氧化；不吹氧時，鐵水磷含量降至0.02%以下後，釩才被脫除；脫磷時，錳不氧化。因此，脫磷初期大約只有10%的蘇打用於脫磷和氣化。

(2)根據蘇打在渣中的收得率計算，當鐵水含磷量小於0.04%時，收得率顯著降低；鐵水含硝量為0.01%一0.02%時，噴吹的蘇打大約有1/3氣化逸出(可能是鈉氣化)，噴入鐵水中的蘇打只有20%～40%與磷反應，其餘則與矽、鈦、硫及釩相結合。

(3)鐵水溫度低有利於脫磷，溫度為1250℃左右時，磷的反應率上升至50%～60%。

(4)吹氧使渣中氧化鐵含量上升，與不吹氧相比，渣中的總碳量由0.3%～1.1%下降至0.1%～0.7%，使脫磷反應率提高，減少了鐵水溫降，且不易回磷。

(5)脫磷渣對反應器內襯侵蝕嚴重，即使採用 磚用於渣線也不甚理想，該問題尚未得到徹底解決。

雖然蘇打具有較高的脫磷和脫硫能力，從脫磷渣和爐塵中能回收大約70%的蘇打；但鐵水溫降大，包襯侵蝕嚴重，蘇打價格高，利用率低，處理成本高。所以，目前已很少用蘇打脫磷，有些廠已改用專用轉爐預脫磷的方法。

石灰系脫磷劑

研究表明，用單一的石灰不能對鐵水進行脫磷，脫硫率也不高。若配以氧化劑(或吹氧氣)和助熔劑，則可達到很高的脫磷率，同時也有一定的脫硫作用。

如右圖所示為已獲得工業套用的脫磷劑及其處理效果。從右圖中可以看出，初期石灰系脫磷劑的開發是在鐵水預處理脫硫設備的基礎上進行的，主要由氧化鐵、石灰、螢石等組成，磨成細粉用載氣噴人。為了節約脫磷劑的磨製費用和成本，有部分原料以塊狀從頂部加入，同時使用了燒結粉塵等多種氧化鐵粉料，與磨製軋鋼皮相比可明顯節省費用。後來採用了專用轉爐做預處理爐，利用了原來的加料系統，脫磷劑可利用頂部料倉加入，由於反應空間大，攪拌力強，加入的塊狀料也能迅速熔化，使脫磷反應迅速完成，復吹轉爐約10min左右，底吹轉爐只需2min。加螢石等助熔劑是為了保證脫磷渣的流動性和反應能力。

構成

鐵水脫磷劑由氧化劑、固定劑和助熔劑三大要素構成。要有效地脫去鐵水中的有害雜質磷，首先要有適當的氧化劑將溶解於鐵水中的磷氧化。然後採用強有力的固定劑，使被氧化的磷牢固地結合在爐渣中。生產實踐證明：及早造好高氧化性、高鹼度和流動性好的爐渣，是順利進行脫磷的基本條件。加入助熔劑則有利於改善渣的流動性，改善鐵水預脫磷的動力學條件。如石灰熔點高，在用石灰作固定劑時，必須依靠其他成分幫助熔化，即需要助熔劑。

氧化劑 、、、、、 等都是很好的脫磷氧化劑，次之。氧化能力不強，氧以 形式過早逸出，而沒有起到氧化作用。由於外界的 分壓不高， 分解的 在鐵水中易與碳反應生成 ，造成鐵水中碳的燒損。為兼顧脫磷效果和成本，用鐵礦粉和軋鋼鐵皮作為氧化劑有利，能增加鐵量。選用錳礦粉()可以增加鐵液的含錳量。

固定劑有、、等。CaO本身是很穩定的化合物，只作固定劑，不能兼作氧化劑，、則以碳酸鹽的形式加入。 代替 在用量18%～20%的範圍內，都能取得較好的脫磷效果。從離子理論的觀點看：、、、 離子的半徑逐步增大，其與熔體中 離子結合能力順序減弱，而與磷酸根離子的結合能力則依次增強，在鐵水預處理脫磷劑中，適量配入 有利於提高脫磷率。

助熔劑有、、 等。 的熔點為772℃， 的熔點為1418℃，降低熔點較 顯著，但 極易潮解，黏性強，實際使用中會污染設備且給操作帶來不便，同時還需設法解決其表面鈍化的問題，才可望有較好的使用前景。在高溫條件下的不同助熔劑的助熔能力大小為：

(在1350℃下作用時間超過15min)。

主要性能

從氧化脫磷反應的熱力學方面考慮，首先要求脫磷劑具有足夠的氧化性，以便將鐵水中的磷氧化。由於磷的氧化物呈酸性，且在高溫下很不穩定，因此還需要脫磷劑具有足夠高的鹼度從而把磷固定在渣中。從動力學方面考慮，為加快鐵水預脫磷的處理過程，要求加入的脫磷劑能迅速地形成良好的反應動力學條件，這就要求脫磷劑具有良好的熔化性、成渣性及粉劑反應性等。

氧化性

氧化脫磷是將溶解於鐵水中的磷氧化成 後固定在渣相中，所以首先要求脫磷劑具有足夠的氧化性。通常是在脫磷劑中配加氧化亞鐵、氧化鐵、鐵礦石(粉)、氧化鐵皮(或鐵鱗)等使脫磷渣中含有一定的 來保證其氧化性。在套用噴粉方法的鐵水預脫磷處理工藝中，也有通過用空氣做載氣或噴吹氧氣來完成氧化反應的。一般脫磷渣中 量為15%左右時其脫磷能力最大。

鹼度

脫磷渣最重要的指標，其表達式為渣中鹼性氧化物與酸性氧化物含量之比。鐵水中磷氧化反應的熱力學表明，僅僅把磷氧化成 還不能達到脫磷的目的。這是因為雖然磷的沸點只有864K，但因與鐵水中 和 相平衡的 的分壓很低；另外，假定 是液體，並且在渣中是飽和的，即使在鐵水中氧也飽和，1300℃時鐵水中的磷活度亦達到3．15×104的高額數值。這說明 很不穩定，為將生成的P2O5穩定在渣中，惟一的途徑是降低渣中 的活度。而 為酸性氧化物，為此必須使渣相含有足夠的鹼性氧化物，使之與 生成磷酸鹽，從而把磷固定在渣中。渣中的鹼性氧化物含量越多渣的鹼度就越高。

常用的鹼度表達式一般為，等。故鹼性氧化物也就成為構成脫磷劑的最主要的成分。鐵水脫磷劑中常用的鹼性成分為某些鹼金屬和鹼土金屬的氧化物，例如、 等。

熔化性

由於鐵水脫磷處理的溫度比煉鋼過程中脫磷期的溫度要低得多，所以要求鐵水脫磷劑有較低的熔化溫度和較好的熔化性，使脫磷渣在鐵水溫度下有較好的流動性，以滿足脫磷過程反應動力學的要求。即使在採用噴粉脫磷的情況下，由於頂渣對總的脫磷效果有著重要的貢獻，也要求脫磷反應生成的渣相具有良好的流動性。這一要求一般通過選擇適當的脫磷渣組成以及添加助熔劑等途徑來達到。

成渣性

當使用非預熔的脫磷劑進行鐵水脫磷處理時，無論是採用噴吹還是頂加的添加方式，脫磷劑的成渣性都對鐵水脫磷效果有著重要的影響。為改善脫磷劑的成渣性，加快成渣速度，通常在成渣性欠佳的脫磷劑中配加螢石、氧化鐵皮等助熔劑。

粉劑反應性

在採用噴吹脫磷劑的方法進行鐵水脫磷處理時，還要求脫磷粉劑具有良好的反應性。這包括良好的化學反應性(如石灰粉劑要求較高的活性度)和恰當的粒度組成。另外，為便於儲運和保證噴粉過程的順利進行，要求脫磷粉劑分別具有強的抗潮解能力和良好的流動性。