BaO-CaO渣系不锈钢氧化脱磷试验

    由于不锈钢含有大量的易氧化元素铬，目前的氧化脱磷研究多在保护性气氛下进行。但从工艺的合理性考虑，应尽可能安排在电弧炉内脱磷。因电弧炉内的气氛是近似开放性的，为探索在电弧炉内脱磷的可行性，进行了开放条件下的不锈钢脱磷实验。

1  实验方法

1.1  实验设备

    钼丝炉（后用硅钼棒加热炉），采用Φ35mm*70mm刚玉坩埚和MgO坩埚，外套高纯石墨坩埚，以LL-2（铂铑30-铂铑6）作控温热偶。

1.2  原料准备

    根据热力学计算结果及现场调研，返回法冶炼不锈钢在熔化过程吹氧将钢液中的硅含量降低到0.1%以下，在工艺上可行，故实验室脱磷试验暂时不考虑脱硅。为避开硅的影响，不锈钢初炼钢液由工业纯铁、高碳铁、金属铬及磷铁配制。

脱磷渣选用BaO-CaO复合渣系，渣系主要组成为：20%CaO，55%BaO，20%CaF2，5%Cr2O3，全部采用试剂纯渣料配制。

1.3  实验方法

    脱磷实验选温度、渣量、渣别和配碳与否为变量，分别考察其对脱磷的影响。

    脱磷温度选1450℃，1500℃，1550℃；渣量为金属重量的5%，10%；配碳材料由石墨电极破碎而成，并按粒度分级备用。配入量分别取渣量的0%、1%。

    为使实验结果能适用EAF气氛，脱磷在开放气氛中进行。实验步骤如下：

（1）将配好的钢样加入钼丝炉（或硅钼棒炉），升温熔化。熔化过程通N2保护，以减少金属中铬的氧化。将渣料压块备用。

（2）钢样熔清并达到实验温度后，用石英管取初始样。

（3）关掉N2，加渣料并开始计时，取过程样。

（4）分析试样中的[C]、[P]、[Cr]含量。

2  实验结果与分析

2.1  对炉气成分的标定

    利用COSA6000烟气分析仪对钼丝炉和硅钼棒加热炉的炉内气氛进行了测定，结果见表1。可以看出，熔池表面气氛接近大气条件，为氧化性气氛，远高于不锈钢弱氧化脱磷的氧势要求10^-13―10^-16MPa（1550℃）。

表1  硅钼棒加热炉炉内气氛测量结果

2.2  试验结果及分析

    脱磷过程铬的氧化可以保持在比较低的水平，由于采用了碳粉调渣，可以看出，脱磷过程伴随有增碳现象。

2.2.1  温度对脱磷的影响

    根据脱磷的热力学分析，温度降低，有利于氧化脱磷。但由于工艺过程必须考虑脱磷的动力学条件，所以对脱磷过程的温度控制，须根据所用脱磷渣的特性加以确定。

    对20%CaO-55%BaO-20%CaF₂-5%Cr₂O₃渣，温度降低到1450℃，仍然可以实现较好地脱磷。但试验发现，脱磷过程易出现脱磷渣结块、发干的现象，所以脱磷应控制在1500-1550℃的温度范围。如何控制脱磷渣的工艺性能无疑将是控制脱磷工艺过程的关键。脱磷渣发干，主要是因为脱磷是在无保护的气氛下进行的，空气中氧易氧化钢水中的铬，使炉渣中的氧化铬含量升高，从而造成脱磷渣粘度的升高。

2.2.2  初始碳含量对脱磷的影响

    初始碳含量升高，脱磷率升高。与热力学计算结果一致。当初始碳含量低于1.5%时，脱磷效果明显降低。可见脱磷碳含量水平应不低于1.5%。

2.2.3  与有关研究结果的比较分析

    不锈钢的脱磷研究主要是在氩气保护和AOD中进行的，将有关研究结果与本实验结果进出口行比较，可以发现，最主要的区别在于低碳含量时的脱磷率。

    根据热力学计算，不锈钢脱磷过程存在碳铬、磷的竞争氧化。供氧强度、温度、合金成分和脱磷剂等条件都会不同程度地影响铬磷、碳铬和碳磷选择性氧化转化点。选择性氧化顺序为[P]、[C]、[Cr]时对应的碳含量范围最佳。低温、高碳和采用脱磷能力较强的脱磷剂（如BaO基渣系）都有利于增大此最佳[C]控制范围。从而有利于不锈钢的脱磷。

    在采用高碳铬铁或高铬铁水脱碳冶炼不锈钢的工艺中，初始配碳量较高，可以达到脱碳保铬的碳含量要求。对采用返回法冶炼不锈钢的工艺，由于初始配碳量一般较低（0.8%-1.2%），如有脱磷要求，应适当提高温度和降低初始配料中的铬含量，并使碳含量配至工艺上限，以保证转换点和实际配碳量的一致。

    根据对18-8不锈钢[Cr]、[P]、[C]选择性氧化热计算结果，当钢液中的[C]低于1.5%，选择性氧化顺序为[P]、[Cr]、[C]，即无法保护[Cr]。

3  结论

（1）在钢液碳含量高于1%时，采用含BaO渣可以实现对不锈钢的脱磷。[C]含量提高，有利于提高脱磷率，降低铬损。在[C]含量高于1.5%水平，脱磷过程的铬损可以控制在0.5%以下。建议将初始碳含量控制在1.5%以上。

（2）坩埚材质对脱磷结果具有至关重要的影响。采用MgO质坩埚可明显改善脱磷效果，并大大降低回磷。

（3）脱磷温度应保持在1500-1550℃。