一、实验
（一）实验设备
用含转炉渣的预熔脱磷剂进行铁水预处理脱磷实验是在具有氮气保护的硅化钼电阻炉（最高温度为1600℃）中进行的，如图所示1，实验温度选择在1300～1400℃进行。用容量为100mL的刚玉坩埚作为实验坩埚，外套石墨坩埚（其内径为65mm，高为120mm）作为保护坩埚，用Φ6mm石英管取样和搅拌。
（二）实验原料
实验用生铁料是将电工纯铁、高纯石墨粉以及磷铁按所列目标成分配制，在石墨坩埚中经中频感应炉熔炼而成。其目标铁水成分如下表1所示。
1－氮气；2－流量计；3－轻质盖砖；4－刚玉坩埚；5－熔铁；6－MoSi2棒；7－内炉壁；8－热电偶；9－温度控制柜
表1 生铁中主要化学元素质量分数 %
| w（C） | w（Si） | w（P） | w（S） | w（Mn） |
| 4.3 | 0.10 | 0.23 | 0.02 | 0.15 |
脱磷剂以氧化铁和转炉渣（转炉渣成分如表2所示）中的Fe2O3、MnO等为氧化剂，以分析纯CaO和转炉渣中的CaO、MgO为固定剂，以分析纯CaF2为助熔剂。各脱磷剂原料经研磨、筛分至粒径小于0.15mm，再按一定比例关系配制而成。
表2 转炉渣各组分质量分数
| w（CaO） | w（TFe） | w（Fe2O3） | w（MgO） | w（SiO2） | w（Al2O3） | w（TiO2） | w（MnO） | w（P2O5） |
| 43.17 | 18.20 | 26 | 7.23 | 15.96 | 0.08 | 0.75 | 2.4 | 1.5 |
（三）实验方法
1、含有转炉渣的预熔脱磷剂制备过程
将原料研磨至0.15mm以下的粉料，在按一定配比关系配制后充分混匀，称取100g装入100mL的刚玉坩埚，再在硅化钼电阻炉内进行预熔化处理，将炉温升到1250～1300℃，待炉料熔化后用石英管搅拌，并短时间保温10min（为防止刚玉坩埚中的Al2O3进入脱磷剂中，影响预熔脱磷剂的脱磷效果）后，立即将坩埚从炉中取出，并迅速冷却液渣，再将冷却后的预熔脱磷剂粉碎至 0.15mm以下待用。
2、用转炉渣进行铁水预处理脱磷的实验过程
铁水脱磷实验是在硅化钥炉内进行。实验时将装有300g生铁料的外套石墨坩埚的刚玉坩埚置于硅化钼炉中进行加热，当炉温升到800℃打开氮气阀从炉底通入氮气，氮气流量为5L/min。炉温升至预定温度后，保温30min待生铁料完全熔化后用Φ6mm石英管吸取铁水初始样，并迅速将配好的脱磷剂加到铁液表面，同时开始记录反应时间，在脱磷反应进行10min时用石英管吸取铁样供化学分析用，同时每隔3min用石英棒搅拌铁液以改善铁－渣反应的动力学条件。
二、实验结果及分析
（一）转炉渣用于铁水预处理的可行性分析
对于铁水预处理氧化脱磷，其主要靠配加在脱磷剂中的氧化剂Fe2O3在铁水中的溶解氧[O]将铁水中的[P]氧化为P2O5，但P2O5不稳定，必须和碱性氧化物CaO反应生成高温下能稳定存在于渣中的磷酸盐渣（4CaO·P2O5或3CaO·P2O5），使铁水中的磷脱除掉，其分子理论反应式如（1）式所示。同时为适应铁水预处理温度（铁水预处理温度一般在1300～1400℃）的要求，降低碱性氧化物的熔点，加快化渣速度，提高脱磷速率，在脱磷剂中加入一定量的助熔剂CaF2。
2[P]＋5（FeO）＋4（CaO）=（4CaO·P2O5）＋5[Fe] （1）
对于普通铁水预处理脱磷剂w（Fe2O3）一般选择在40%～60％，w（CaO）选择在35％～55％，w（CaF2 )在5%～15％。而转炉渣主要由氧化钙（38.4％～48.5%）、氧化铁（24.6％～28.7％）、氧化硅（8%～15%）等组成。可以看出，转炉渣和铁水预处理脱磷剂的成分及含量比较相近，因此，可通过给转炉渣中配加部分氧化钙和氧化铁及萤石来实现铁水预处理脱磷闭。对含转炉渣的脱磷剂采取预熔处理，使含转炉渣的脱磷剂化学成分更加均匀，熔点和粘度低，流动性好，成渣速度快，有效处理时间短，脱磷效率高，更容易适合铁水预处理的要求。同时，转炉渣资源丰富，价格便宜，加工简单，能有效地降低脱磷生产成本，减少环境污染。因此，转炉渣完全有可能替代部分脱磷剂实现铁水预处理脱磷的目的。
（二）转炉渣配比对铁水脱磷效果的影响
在纯化学试剂确定的最佳预熔脱磷剂配比关系基础上，分别选用18.11％、33.11％、45.73％、56.49％的转炉渣部分代替预熔脱磷剂中的Fe2O3和CaO等配制脱磷剂。含转炉渣的预熔脱磷剂在1350℃，加入量为铁水量的10％的条件下进行脱磷实验。脱磷处理10min的结果如图2所示，可以看出，用转炉渣代替部分预熔脱磷剂能实现较好的脱磷效果，当转炉渣质量分数在18.11％～45.73％时脱磷率基本保持不变，均大于91.43％，使铁水中的磷由0.21％降低到0.018％以下，其中含转炉渣为45.73％的脱磷率稍高一些，为94.76％，而用纯化学试剂配制的预熔脱磷剂在相同条件下具有同样的脱磷效果（纯化学试剂配制的预熔脱磷剂能将铁水中的磷降到0.0079％，脱磷率为96.24%）；当脱磷剂中转炉渣质量分数进一步增加到56.49%时，脱磷率反而大幅度下降到73.33％，使铁水磷质量分数由0.21％降低到0.056％，这可能是由于在脱磷剂成分一定的情况下，随着转炉渣加入量的增加，带入不利于脱磷反应进行的P2O5含量也相应增加，使磷在渣一铁间分配比（Lp）降低，脱磷效果较差。所以，用45％左右的转炉渣代替纯化学试剂中的Fe2O3和CaO配制脱磷剂，能取得与纯化学试剂配制的预熔脱磷剂相同脱磷率，实现了较好的脱磷效果。
图2 转炉渣的配加量对脱磷效果的影响（三）含转炉渣的脱磷剂加入量对脱磷效果的影响
为了研究不同加入量含转炉渣的预熔脱磷剂对铁水预处理脱磷效果的影响，在1350℃下，用含转炉渣45％的预熔脱磷剂分别在加入量为铁水量的4％、7％、10％的情况下进行脱磷实验。如图3是处理10min时不同加入量的脱磷率变化曲线，可见随加入量的增加脱磷率明显升高，在加入量为4％时铁水中的磷由0.21％降低到0.095％，脱磷率仅为54.76％，脱磷效果差的原因主要是脱磷反应未能充分进行，脱磷剂中的氧化铁和CaO未将铁水中的磷充分氧化和固定，使脱磷率降低；加入量为7％时，脱磷率得到明显的提高，使铁水中的磷降低为0.047％，脱磷率为70.95％；而在加入量为10％时的脱磷率最大，铁水中的磷可降低为0.011％，脱磷率达94.76％。由此确定出在实验室条件下的最佳加入量为10％。但在实际工业生产中，脱磷剂的加入量不能过多，过多不仅会加大生产成本，增加铁水温降，易引起铁水中碳等元素的氧化损失，而且会加大对包衬的侵蚀和后续工序的负担，从而失去其实用价值。然而由于实验室铁水量较少（一次仅为300g左右），渣－金的接触面积相对较小，动力学条件较差，且在脱磷剂加入过程的损耗以及搅拌棒、石英取样管和坩埚壁的粘渣，使得所加入的脱磷剂未能有效利用，为了实现较好的脱磷效果，脱磷剂加入量选择的比较高。但在实际工业生产中，其仅作为一种理论指导和实际参考，对于工业化生产脱磷剂用量则需要进一步工业化的实验研究来确定。
图3 含转炉渣的预熔脱磷剂加入量对脱磷效果的影响（四）处理温度对转炉渣脱磷剂脱磷效果的影响
由热力学分析可知，脱磷反应是强放热反应（AH=－1033450 J/mol），温度越低越有利于脱磷反应向正方向进行，但温度过低，使脱磷反应的动力学条件恶化，反而不利于脱磷反应的进行。为此，用含转炉渣45％的预熔脱磷剂分别在1300、1350、1400℃下进行铁水预处理脱磷实验，实验结果如图4所示。当处理温度为1300℃时，脱磷率仅为19.05％，且在该温度下进行实验时，明显发现脱磷渣变粘，局部区域出现渣层结块和渣铁不分，这是由于温度过低，加入脱磷剂后，使铁水温降明显增加，导致铁水脱磷的动力学条件恶化，脱磷反应不能充分进行，脱磷率较低。而1350℃和1400℃下进行脱磷处理时，脱磷率基本相同，均为95％左右，可使铁水中的磷由0.21％降低到0.010％左右。由此可得，对于含有转炉渣45％的预熔脱磷剂在1350℃进行脱磷预处理时能实现较好的脱磷效果。
图4 处理温度对脱磷效果的影响三、结论 （一）转炉渣含有大量的CaO和MgO等固定剂及Fe2O3和FeO氧化剂，因而，可以通过用转炉渣替代部分预熔脱磷剂中的CaO和Fe2O3来配制铁水预处理脱磷剂。
（二）含转护渣的预熔脱磷剂脱磷效果与常规脱磷剂相当，在转炉渣配加量为45%左右时，含转护渣的预熔脱磷剂脱磷效果最为理想，使铁水磷的质量分数由0.21%降低到0.011%，脱磷率为94.76％。
（三）温度对铁水预处理脱磷效果有一定的影响，温度大低，动力学条件恶化，不利于脱磷；温度太高，又不利于热力学条件的改善。经过实验，含转炉渣的预熔脱磷剂进行铁水预处理的最佳温度为1350℃。
（四）在实验室条件下，含转炉渣的预熔脱磷剂加入量为10%时，能实现较好的脱磷效果。
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