日本钢铁协会拥有固液共存渣精炼技术（又名为“多相造渣剂”），经过不断研究后建立了工艺模型（MPSR模型：多相渣精炼模型），该模型可应用于各种铁水的脱磷处理和转炉脱碳处理。本研究针对采用该模型处理高磷铁水的方法进行了模拟试验研究。

在20世纪80年代，日本开发的铁水脱磷工艺是在转炉炼钢前，对高炉冶炼的铁水进行脱磷处理的技术。其主要经济效益在于，通过铁水低温处理可以减少生石灰单耗；通过少渣脱碳，可以提高铁和锰的收得率。铁水脱磷工艺最初主要是采用混铁炉式铁水罐车等铁水运送装置进行喷吹脱磷处理，由于在脱磷处理过程中铁水温度会下降，影响了炼钢工序中废钢的熔化量，因此，在欧美等国几乎不采用。

但是，进入2000年以后，采用转炉进行铁水脱磷的工艺成为了主流。该方法与欧洲的双渣法类似，它是通过抑制脱碳，促进铁水在低温状态下的脱磷反应。通过铁水脱磷处理使废钢的熔化成为可能，有效解决了铁水在脱磷处理过程中温度会下降，影响炼钢工序中废钢熔化的问题。

可以预计，随着印度和东南亚各国钢铁产量的迅速增加，高炉将不得不使用劣质铁矿石。虽然使用劣质铁矿石所出现的许多问题是与高炉操作技术有关，但对炼钢的影响主要是杂质的含量，尤其是铁水中磷含量的变化。因此，开采高磷铁矿床具有很好的经济效益。以高磷矿床和低磷矿床相邻的澳大利亚哈默斯利矿床（布鲁克曼铁矿石层群）为例矿石中的磷含量分别为0.06%和0.15%。如果按照铁水成分计算，磷含量分别为0.12%和0.26%（由焦炭带来的磷含量为0.03%）。根据国际市场销售的铁矿石中的磷含量整理结果可知，磷含量超过0.1%的矿石也在销售。尤其是，在印度由于焦炭的磷含量很高，因此，铁水的磷含量超过0.25%，转炉不得不使用劣质铁水冶炼。在这种情况下，开发使用高磷铁水生产低磷钢的技术就显得更为重要。

1计算模型和计算条件

1.1计算模型

该计算模型除了要考虑到渣固相/渣液相/金属相这三相的关系外，还考虑到了伴随渣成分变化后出现固相的结晶和消失，以及添加的氧化物溶化的情况。

关于渣液相和金属相之间的反应，采用了耦合反应模型进行计算。该模型在假设反应界面平衡的情况下，采用双层界面理论对反应进行描述。在耦合反应模型中，脱碳反应采用金属侧的传质和CO气体发生速度进行描述，以熔融渣中浓度与饱和浓度的差作为溶解的驱动力，采用现有的试验式可以计算出生石灰等固体氧化物的溶解速度。现有的试验式设定了渣侧的传质控制环节。在这里，驱动力可以看作是与CaO饱和浓度的差，在C₂S饱和区域，溶解速度比液相渣中更低。顶吹氧可以根据直接脱碳消耗氧气的比例、FeO生成消耗氧气的比例、二次燃烧消耗氧气的比例等输入条件给出。另外，温度变化可以根据热平衡计算给出，而放散热要把百分之几作为热损失？可以根据铁水显热和渣显热的合计函数，用h这一参数作为输入项进行计算。

1.2计算条件

为使铁水磷含量低至0.015%以下，采用表1所示组成和温度的铁水进行实验。

1）铁水脱磷处理

在铁水脱磷时为能实现脱磷目标，首先确定了铁水处理前的磷含量0.1%为脱磷的基准条件（实例a）。在这种情况下，脱磷处理时间设定为25min，给出顶吹氧和底吹惰性气体的流量。为使脱磷处理后的铁水温度达到1325℃左右，添加了铁矿石；为使铁水磷含量低于目标值，添加了生石灰。生石灰和铁矿石是从脱磷处理开始后的60s内添加的。

在保持基准条件的情况下，计算了铁水磷含量为0.2%和0.3%时的情况。最后，在铁水磷含量为0.3%的情况下，寻找出铁水脱磷至0.015%以下的条件。计算用的各参数和计算条件示于表2和表3。与基准条件相比，实例b是尽可能不提高生石灰添加量，而增加矿石添加量和提高顶吹氧速度进行脱磷的情况。与基准条件相比，实例c是只增加生石灰添加量时的计算，实例e是为使铁水磷的目标值降到实例c以下，增加矿石添加量和提高顶吹氧速度时的情况。而且，追加的生石灰和铁矿石是从处理开始后600s内添加的。另外，造渣剂的溶解时间设定为600s。氧气的顶吹速度取近似于转炉式处理的值，为使底吹Ar气流量合乎常规值，设定了（%FeO）。

金属侧传质系数（k_m）和CO气体发生速度常数（G_CO）可以采用回归式计算，金属侧和渣侧的传质系数之比（k_m/ k_s）设定为5。C₂S饱和组成的生石灰的渣化速度和液相渣的渣化速度之比（1/m）的m设定为5，相对于铁水显热和渣显热的合计值，设定放散热为0.001%（h）。

2）转炉脱碳

在转炉脱碳时为能实现脱磷目标，也是首先确定了处理前的铁水磷含量0.1%为脱碳的基准条件（实例A）。在这种情况下，脱碳处理时间设定为20min，给出顶吹氧和底吹惰性气体的流量，在碳含量为0.1%时为使铁水温度达到1625℃，添加了铁矿石；为使磷含量低于目标值，添加了生石灰。生石灰从处理开始后180s内添加，铁矿石从处理开始后的1020s到1200s时间内添加，剩余的在初期180s内添加。氧气的顶吹速度可以作为转炉脱碳的标准值，底吹Ar气流量可以设定为采用与铁水预处理相同的转炉进行铁水脱磷的值。为使顶吹氧的直接脱碳率合乎常规值，设定了（%FeO）。

与铁水脱磷一样，金属侧传质系数（k_m）和CO气体发生速度常数（G_CO）可以采用回归式计算，金属侧和渣侧的传质系数之比（k_m/k_s）设定为5，C₂S饱和组成的生石灰的渣化速度和液相渣的渣化速度之比（1/m）的m设定为5。另外，相对于铁水显热和渣显热的合计值，设定放散热为0.0017%（h）。使用该值后，在铁矿石添加量为5kg/t情况下的铁水比（与造渣剂和铁水总质量相对的造渣剂质量比）为83%，与在普通转炉不添加含碳材料等作为热源就可实现最小的铁水比（最低铁水比）基本相同。

在保持基准条件的情况下，计算了铁水磷含量为0.2%和0.3%时的情况。最后，在铁水磷含量为0.3%的情况下，寻找出铁水脱磷至0.015%以下的条件。计算用的各参数和计算条件示于表4。与基准条件相比，实例B在设定最佳碱度值的同时，增加了铁矿石的添加量，为满足温度要求，提高了二次燃烧效率。为促进脱硅期的脱磷，在实例BA情况下将搅拌气体流量提高了10倍。为提高氧势，在实例BB情况下，将CO气体的发生速度常数（G_CO）降低到2/3。而且，追加的生石灰从处理开始到180s至1020s时间内分开添加。铁水量和渣量与表3相同，铁水组成和温度采用表3所示的值。

另一方面，为获得“一罐到底”工艺的脱磷条件，进行了以下计算。

使用在铁水脱磷实例b情况下获得的铁水进行少渣脱碳（实例1）。在这种情况下，虽然不需要用转炉进行脱磷，但为抑制回磷，添加了生石灰4kg/t。在转炉脱碳条件为实例B情况下进行了转炉脱碳，但二次燃烧率为5%。

使用在铁水脱磷实例a情况下获得的铁水进行转炉脱碳（实例2）。为使转炉脱碳后的磷含量达到目标值，添加了生石灰。在转炉脱碳条件为实例B情况下进行了转炉脱碳。

在转炉脱碳的实例B情况下，在将碳含量下降到2%时中断吹炼，排渣后再添加生石灰继续脱碳，即所谓的双渣操作。在这种操作中，将排渣前的吹炼称为吹炼1，将排渣后的吹炼称为吹炼2，但在本研究中，吹炼2成为实例3。

计算条件整理后示于表5，各种参数基本上可以作为实例B的条件（搅拌气体与脱磷处理相同）。另外，不论在何种条件下，转炉脱碳开始温度都是从铁水脱磷（或吹炼1）后就降低50℃，10%的脱磷渣会被带入。采用硅砂调整了碱度。硅砂在铁水脱磷或吹炼1情况下就已经溶解了，因此不使用造渣剂。

2计算结果

2.1铁水磷含量的影响

1）铁水脱磷处理

通过分析初期磷含量（Ini[%P]）为0.1%、0.2%、0.3%

时的渣中（FeO）含量、温度、渣碱度（CaO/SiO₂）、铁水Si含量和铁水Mn含量随时间变化的情况，发现不论在何种条件下，在Si和Mn的氧化结束、造渣剂溶解完毕之前，（FeO）都不会增加。由此可知，初期10min左右的脱磷速度较慢。这是造渣剂作为冷却材料的特征，如果减小造渣剂配比，并在初期添加铁矿石，脱磷就会再早一点开始。虽然脱磷幅度比处理前磷含量的增加部分有很大的提高，但在处理前磷含量上升至0.3%之前，只要在相同条件下操作，脱磷只能达到0.1%左右。

2）转炉脱碳

表2和表4的比较表明，在处理磷含量为0.1%的铁水基准条件下（实例a和实例A），生石灰的单耗分别为15.6kg/t和40kg/t，差别很大，真实地反映出了铁水预处理的优点。从铁水磷含量变化时的情况可知，其对脱碳行为和（FeO）变化的影响并不大。另外，即使在转炉脱碳情况下，在硅和锰发生氧化的初期5min左右没有进行脱磷，其后才进行脱磷，但在脱磷处理开始后10-15min内，随着温度的上升，脱磷反应会停滞。

2.2高磷铁水的处理条件

1）铁水脱磷处理

计算了将磷含量为0.3%的铁水脱磷到0.015%以下的条件。在铁水脱磷时，为促进脱磷，可以增大氧化能力和提高碱度。因此，在实例b的情况下，增加了铁矿石的添加量。但是，如果仅仅增加铁矿石的添加量，铁水温度会下降，因此，应同时提高吹氧速度。另外，从计算上来看，如果增加铁矿石添加量，（FeO）的含量会增加，可以促进脱磷，但如果（FeO）过高，有可能产生喷溅，因此设定（FeO）的上限为25%（（T.Fe）为20%）。

实例c仅仅是将碱度比基准条件提高时的情况，但在这种情况下，由于磷含量没有达到目标值，因此，在实例e中的必要范围内添加了铁矿石，提高了吹氧速度。不论是在实例b，还是在实例e的条件下，脱磷都能达到0.015%以下。在实例b中，生石灰单耗为15.6kg/t，脱磷处理后的（FeO）为25%，碱度为1.6。在实例e中，生石灰单耗为24kg/t，（FeO）为11%，碱度为1.9。另外，由于提高了吹氧速度，因此，脱磷处理后的碳含量有若干下降。在这种情况下，在初期添加铁矿石，增加（FeO）对脱磷非常有效。即使对磷含量高达0.3%的铁水进行脱磷处理时，也没有使操作发生太大的变化就能进行脱磷。

2）转炉脱碳

与基准条件相比，实例B在优化最佳碱度值的同时，增加了铁矿石的添加量，为满足温度要求，提高了二次燃烧率。在这种条件下，在2CaO·SiO2饱和区域，由于渣组成的变化和前半期（FeO）含量会变高，因此，脱磷停滞期会消除。但是，终吹时的磷含量为0.029%，没有下降到目标值。

由图1可知，虽然磷含量在1020s左右时达到了最小值，但随着其后温度的升高，发生了回磷。接下来，为促进脱硅期的脱磷，将搅拌气体流量提高了10倍（实例BA）。结果，虽然终吹时的磷含量下降到了0.019%，但没达到目标值。因此，为进一步提高氧势，计算了将CO气体发生速度常数（G_CO）下降到2/3时的情况（实例BB）。结果磷含量下降到了0.013%。但是，关于CO气体发生速度常数的控制因素仍未弄清，因此，这种条件在实际中是否可实现是个疑问。

在实例B中变更各种条件进行计算，结果表明：

（1）在改变生石灰单耗时的终吹磷含量和碱度的变化，可知终吹碱度在3.0左右时脱磷最快（由于渣化率为85.5%，因此入炉碱度为3.5）。在脱碳时，不仅渣组成会发生变化，而且温度也会发生变化，因此最佳碱度取决于各种条件的交织结果。

（2）在使碱度达到最佳条件后，如果渣量多，具有稀释P₂O₅的效果，但会出现以下两种状况：一是由于需要脱硅时间，因此，在脱磷开始前碳含量下降；二是会出现作为渣量函数的渣侧传质系数下降这一不良影响。

（3）如果终吹温度下降到1580℃，就可将磷含量降低到目标值。

（4）增加底吹Ar流量可以强化搅拌促进传质，但如果过度强化，其效果也不会提高。

因此，在转炉脱碳情况下，由于优先把终吹的温度和碳含量合二为一处理，因此操作的灵活性比铁水脱磷的小，在实施吹炼1的操作时很难把磷含量降到目标值。另外，在实例B中，将磷降到0.015%以下的铁水磷含量上限为0.23%。

2.3“一罐到底”工艺的比较

在实例1中，由于被带走的脱磷渣中的P₂O₅含量高于通常值，因此在脱碳末期会发生回磷，但会停留在目标值以下。不论在哪个实例中，都要调整碱度，以使磷含量降到目标值以下。

计算结果和实施吹炼1的情况同时示于表6。另外，将生石灰单耗和渣的产生单耗做成柱状图示于图2。在这里，采用转炉吹炼1进行处理的情况，从计算上来看实例BB是可操作的，但需要对底吹气体流量和G_CO进行一些大的改变，在实际操作中是否成立还是个疑问，因此无法作为比较对象。另外，在表6和图2的横轴中，“实例xn”的“x”是表2中的铁水脱磷条件（“0”是没有铁水脱磷时的情况），“n”是表6或表4中的脱碳条件。另外，图2横轴中的（0.1）和（0.3）分别指铁水磷含量为0.1%和0.3%时的情况。

首先，把在与铁水磷含量为0.1%时相同的条件下，进行铁水脱磷条件的情况（实例a2）和优化铁水脱磷条件进行优化，将铁水磷含量降到目标值，并与少渣脱碳进行组合的情况（实例b1）做了比较，结果可知，后者能以较少的生石灰单耗进行脱磷处理。而且，与铁水磷含量为0.1%时的情况（实例a1）相比，后者的生石灰单耗仅为4kg/t左右。这表明铁水脱磷处理工艺具有很高的脱磷能力，即使铁水磷含量升高，通过控制渣成分也能充分脱磷。另一方面，在没有实施铁水预处理的情况下，如果采用转炉进行双渣操作（实例B2），就能获得目标磷含量，但与实例b1相比，生石灰单耗会增加20kg/t以上。

渣量的差异不像生石灰单耗那样大。这不仅是因使用硅砂的缘故，而且也是因二次吹炼时，每次都会生成（FeO）的缘故。铁矿石单耗和氧气单耗每次都不同，这是因为铁水脱磷比脱碳提高了二次燃烧热的缘故。

3结论

就高磷铁水的处理方法，采用铁水脱磷工艺的模拟程序——MPSR模型进行了研究，得出以下结果。

1）在处理前的磷含量高达0.3%的情况下，如果在与目前的铁水脱磷相同的条件进行脱磷操作，只能降低0.1%左右的磷含量，但通过提高碱度，并在脱磷初期添加铁矿石，增加（FeO），就可以在不大幅度改变操作条件的情况下进行脱磷。

2）在没有实施铁水脱磷的情况下，采用转炉脱碳（吹炼1）方法很难将磷含量降到目标值，要将终吹磷含量降到0.015%，要求脱磷前的铁水磷含量上限为0.23%。这是因为在转炉脱碳情况下，由于优先把终吹的温度和碳含量合二为一处理，因此操作的灵活性比铁水脱磷时的小。

3）研究了铁水脱磷和转炉脱碳的“一罐到底”工艺，结果表明，在铁水脱磷时，不仅可以将磷含量降到目标值，而且能进行少渣脱碳，因此，即使铁水磷含量上升至0.3%，生石灰单耗也仅比目前（铁水磷含量0.1%）增加4kg/t。

4）在没有实施铁水预处理的情况下，如果采用转炉进行双渣操作，可以获得磷含量目标值，但生石灰单耗会增加20kg/t。 （廖建国）