一、研究的背景与问题

炼钢工艺基于CaO-FeO-SiO₂渣系，该渣系熔点高、流动性差、石灰溶解速率低，是限制高效冶炼的关键。尽管多年来炼钢工艺在多方面取得诸多技术进步，但在炼钢渣系的发展和改进方面没有取得任何突破性进展。炼钢深脱碳前，温度相对较低，热力学上极为有利于脱磷，然而由于熔渣流动性差，动力学上极大限制了脱磷反应进行。其直接后果是炼钢终点过氧化出钢（为了保证钢水终点磷含量），钢水纯净度差（后续脱氧产生大量内生夹杂）、铁损大。转炉冶炼系列高效冶炼技术，如高拉碳出钢、锰矿熔融还原/直接合金化等，均需基于冶炼前期深脱磷的前提下开展，而目前由于如上限制，这类高效技术的实际推广应用效果极为有限。

Al₂O₃、Na₂O可显著降低CaO-FeO-SiO₂渣系的熔点，改善流动性。赤泥中富含Fe₂O₃/Al₂O₃/Na₂O等物质。利用赤泥作为炼钢熔剂，在炼钢过程中很快形成熔点低、流动性好的CaO-FeO-SiO₂-Al₂O₃/Na₂O基初渣，石灰溶解效率高，形成了极为有利于前期深脱磷的动力学条件，有效促进炼钢前期深脱磷。另外，低(FeO)条件下，依靠合理的Al₂O₃/Na₂O含量也可以降低钢渣熔点、改善流动性，这对于低(FeO)下出钢、提高钢水纯净度具有重要意义。

针对氧化铝生产过程产生的固体废弃物赤泥的规模化综合利用这一重大技术难题，北京科技大学张延玲教授团队研究了赤泥在炼钢过程中的应用基础理论，开发了炼钢过程规模化消纳赤泥的技术。提出炼钢生产过程中的铁水预脱硫、铁水预脱磷、转炉炼钢生产等多个工序均可以利用赤泥作为熔剂，吨钢消耗赤泥量达15-20kg/t粗钢，为我国规模化消纳赤泥的开辟了有效途径。

二、技术原理

铁水预脱硫工序中，利用赤泥基熔剂，脱硫渣中生成C₂A₇等低熔点渣相，对于在相对低温下进行的铁水预脱硫工艺尤其重要，动力学条件改善效果非常显著。

转炉炼钢工序，利用富含Fe₂O₃/Al₂O₃/Na₂O的铝业赤泥作为熔剂，在炼钢过程中发展和形成CaO-FeO-SiO₂-Al₂O₃/Na₂O基炼钢渣系。该渣系低温液相区明显扩大，且朝着高碱度、低(FeO)方向拓展，突破传统炼钢渣基础性能局限，从炼钢渣的角度解决目前炼钢工艺两大关键问题：一是冶炼前期深脱磷动力学不足，新渣系条件下石灰高效溶解、渣流动性好，实现半钢条件下深脱磷；二是传统炼钢渣依赖高(FeO)化渣，低氧化性和良好的流动性难以兼具，新渣系条件下，依靠合理的Al₂O₃/Na₂O含量降低熔点，即便在低(FeO)条件下也可以获得良好的流动性，这是避免过氧化出钢、大幅提升底吹强度的必要条件，也是实现一系列高效冶炼技术如少渣冶炼、高拉碳出钢、锰矿熔融还原/直接合金化等的重要保障。

钢渣规模化利用方面，自由CaO高、稳定性差是长期以来限制钢渣在水泥等原料中规模化利用的关键因素。利用赤泥基熔剂，钢渣中含有一定量的Al₂O₃，研究表明可有效消除自由CaO，且能够提高玻璃相形成能力，提高钢渣稳定性，有效促进钢渣在筑路/建材等材料中的规模化消耗。另外，赤泥基熔剂可明显提高P₂O₅在钢渣中的溶解度，研究表明对于高磷铁水（[P]>0.3%），应用赤泥基熔剂可同时获得终点[P]<0.03%的合格钢水以及P₂O₅含量大于12%-15%的、符合我国钙镁磷肥成分标准的富磷渣。本技术路线如下图1所示。

图1 本技术路线图

三、主要创新性成果

1、以赤泥为熔剂，炼钢过程深度脱磷/脱硫前移，终渣(FeO%)含量显著降低至14%以下。利用富含Al₂O₃/Na₂O的赤泥作为熔剂，开展铁水预脱磷、预脱硫、以及半钢条件下深脱磷工艺开发。结果显示，随赤泥熔剂的加入，石灰溶解速率可提升4-5倍；半钢条件下，脱磷率达80%以上。工业试验中，与原工艺相比，在相同条件下使用赤泥熔剂整体脱磷率提高12%，终点[P]降低0.012%；此外，炼钢终点渣中（FeO%）含量可控至14%以下，优于目前报道的终点渣（FeO%）低于15.9%的国际领先水平。

2、开发了中高磷铁水炼钢工艺技术：我国高磷铁矿资源丰富，但受限于当前冶炼工艺基本无法使用。鉴于赤泥熔剂在脱磷方面的良好效果，以及CaO-FeO-SiO₂-Al₂O₃/Na₂O渣系对P₂O₅较高的溶解度，开发基于赤泥基熔剂的中高磷铁水炼钢工艺技术。结果显示，在初始[P]为0.3%的情况下，终点[P]可降低至0.04%以下，终点钢渣中(P₂O₅%)含量达到12%以上，符合钙镁磷肥对于P₂O₅含量的标准要求。这对于拓宽可利用铁矿资源的范围、开发钢渣规模化综合利用途径具有重要意义。

3、明确CaO-FeO-SiO₂-Al₂O₃/Na₂O渣系基础特性：赤泥中富含Fe₂O₃/Al₂O₃/Na₂O/CaO等物质，作为熔剂加到炼钢工艺后，发展和形成了CaO-FeO-SiO₂-Al₂O₃/Na₂O渣系。为了更好地促进赤泥基熔剂在炼钢工艺中的规模化利用，系统研究了该渣系的基础物化性能，如粘度、熔点、与碳饱和铁水间的磷/硫分配比、P的赋存状态及Fe/P分离效果等，为实际工业生产提供必要的基础数据。

4、发明了炼钢过程规模化消纳赤泥的技术：结合不同种类赤泥的化学组成和成分特点，明确了不同种类赤泥在炼钢工艺不同工序中的使用途径，建立了相应的原料加入制度和操作制度，掌握制备赤泥球的关键工艺参数，为氧化铝企业制备炼钢用赤泥熔剂的生产线建设提供关键参数。基于本技术，铁水预脱硫、铁水预脱磷、转炉炼钢等工序均可以用赤泥作为熔剂推动技术进步，总计消纳赤泥量约15-20kg/t粗钢。

四、应用情况与效果

本技术历经10年研发，已在多个钢铁企业的炼钢流程中推广应用。在助熔化渣、提高整体脱磷率、降低钢铁料消耗、降低渣料消耗等方面效果显著。迄今应用该熔剂生产的钢水超过3000万吨，带来直接经济效益超过2亿元。部分工业应用技术指标如下所示。

1、助熔化渣，提高整体脱磷率

部分工业生产数据如下图2所示。其中，红色星符号为赤泥基造渣剂的脱磷结果，空白三角为钢厂相同原料及工艺条件下约50炉炼钢脱磷数据。可以看出尽管炉渣碱度波动较大，加入赤泥基熔剂后的钢水脱磷率明显普遍高于原工艺相同操作参数下的历史数据，赤泥基熔剂的钢水终点[P]也普遍低于原工艺。且其中有一半的炉次均将磷脱至0.02%以下。而反观原工艺下的脱磷结果可发现其总体脱磷效果较差，有很多炉次的终点磷保持在0.030-0.045%的水平。且赤泥基熔渣在二元碱度为2.6-2.8时的脱磷率与原有渣系2.8-3.0的碱度时的脱磷率相当，说明利用赤泥基熔剂可以在适当降低碱度的条件下获得相同的脱磷效果，降低炼钢工艺中石灰的消耗。更为重要的是，由图2中可明显看出，赤泥基熔剂的脱磷率随碱度的增加呈现出明显的增加趋势，终点[P]随碱度R的增加而减少，完全符合热力学规律，而原工艺下的历史数据中，其脱磷率与碱度R则没有明显规律。热力学上钢水脱磷率应随炉渣碱度的增加而增加，钢厂原工艺下的历史数据没有表现出该趋势，主要原因是动力学条件太差，限制了热力学条件的发挥。

图2 工业试验脱磷情况对比

2、半钢深脱磷

在加入原始赤泥/赤泥铁粉吹炼4-6min时，在高碳的情况下（[C]=2.5%-3.5%），半钢脱磷率达到61%-75%，半钢[P]含量脱至0.045%以下。尤其是No.12在半钢（[C]=2.53%）时，其前期脱磷率达到75%，半钢[P]脱至0.032%。此时的半钢[P]水平已基本接近历史工艺中部分条件下的终点钢水[P]水平。

图3 工业试验半钢脱磷数据

3、降低终渣(FeO%)

图4为42炉次工业试验及原工艺（约50炉）中终渣FeO含量对钢水终点磷含量的影响。工业试验中，鉴于生产节奏及试验转炉实际状况，有7炉试验在近冶炼终点时提高底吹强度，且在吹氧结束后，延长底吹时间，目的是降低终渣中的(FeO%)含量。可看出这7炉次（蓝色方框内）的终渣FeO含量降低到12%-14%的水平，其中6炉钢水终点磷含量均低于0.026%，脱磷率近80%，在如此低FeO含量的条件下的脱磷效果也明显优于原工艺中的部分炉次。而原工艺下渣中(FeO%)几乎都高于16%，且获得同等的除磷效果是在FeO为17%-21%时获得的。说明在更低终点(FeO%)的情况下应用赤泥基熔剂获得了更好的脱磷效果。终点钢水[P]、[O]均降低，钢水纯净度明显提升。

图4  终点(FeO%)与脱磷效果

4、提高终渣中P₂O₅溶解度

图5为赤泥基熔剂炼钢试验与原工艺下终渣中P₂O₅含量的对比，可看出赤泥基熔剂试验终渣中P₂O₅含量明显高于原工艺，平均(P₂O₅%)含量在3.6%左右，而原工艺下的平均终渣 (P₂O₅%)在3.2%左右。证明赤泥基熔剂能够有效提高P₂O₅的溶解度，意味着相同渣量的条件下可以脱除更多的磷元素，对于炼钢工业降低终渣排放、降低造渣原料消耗具有重要意义。

图5 终渣中P₂O₅含量比较

信息来源：北京科技大学