随着社会的快速发展,各行业对钢的质量要求越来越高,磷的高效脱除是保证钢的质量的关键因素之一。传统炼钢工艺形成的是CaO-FetO-SiO2渣系,该渣系在炼钢初期熔点高、流动性差,是限制高效冶炼的关键因素。具体表现为前期脱磷效率低、冶炼后期脱磷负荷大导致过氧化出钢、钢水纯净度低。因此,需要在CaO-FetO-SiO2渣系中添加助熔剂,促进石灰溶解,改善脱磷动力学条件和反应效率。由于环境污染问题,炼钢中常用的助熔剂CaF2的使用已受严格限制。尽管增加渣中FeO含量也能降低渣的熔点,但此方法会造成铁损且影响钢水纯净度。因此,寻找合适的炼钢助熔剂,研发一种新炼钢渣系,使其不再依赖FeO和CaF2化渣,实现炼钢前期高效脱磷是十分必要的。研究表明A1203、Na2O可降低CaO-FetO-SiO2渣系的熔点,改善炼钢初期渣的流动性。而铝业赤泥含有丰富的Al2O3和Na2O,将赤泥应用于炼钢中,能改善传统的CaO-FetO-SiO2渣系熔点高、化渣困难等缺点,开发出一种新型的CaO-FetO-SiO2-Al2O3-Na2O炼钢渣系,实现在转炉炼钢前期高效脱磷。且前期的高效脱磷十分利于高碳出钢,可有效避免过氧化出钢,提高钢的洁净化。故本论文采用理论分析、实验室实验、中间扩大试验及工业试验研究的方法,对赤泥在炼钢中形成的CaO-FetO-SiO2-Al2O3-Na2O渣系的各种基础物化性质和赤泥基熔剂在炼钢中的应用进行系统的研究。主要研究内容和结果如下:(1)研究CaO-FetO-SiO2-Al2O3-Na2O渣系的熔化性能、黏性特点等基础物理特性。结果显示,Al2O3和Na2O能显著扩大CaO-FeO-SiO2渣系液相面积,降低渣的熔点。在CaO-Fe2O3-SiO2-MgO-Al2O3-Na2O-P2O5渣系中,熔渣粘度随Na2O的增加而逐渐降低,随着Al2O3含量的增加而逐渐增大。但即使在1350℃较低温度下,加入A12O3后熔渣粘度亦保持较低值,A12O3对炼钢渣系粘度的影响有限。(2)为探究CaO-FetO-SiO2-Al2O3-Na2O-(TiO2)渣系的脱磷能力,对该渣系与碳饱和铁水间的磷分配比、该渣系的磷容量及磷富集行为等进行了研究。渣与碳饱和铁水间的磷分配比随A1203和温度的增加而降低,随渣中Na2O和碱度的升高而升高,随FeO的增加先升高后降低。该渣系磷容量随Al2O3、FeO和温度的增加而降低,随Na2O和碱度的增加而增加。在CaO-SiO2-Fe2O3-MgO-A1203-Na20-Ti02渣系中,磷主要存在于nC2S-C3P固溶体的磷富集相中。A1203、Ti02和Na2O可以促进磷的富集,增加磷富集相中P2O5含量,且对磷富集的影响效果的强弱顺序为TiO2>Al2O3>Na2O。(3)为初步探索基于赤泥在炼钢中形成的CaO-FetO-SiO2-Al2O3-Na2O基渣系在炼钢中的应用效果,通过实验室基础实验研究赤泥在铁水脱磷中的应用。结果显示,拜耳高铁赤泥具有良好的助熔效果。与传统CaO-FetO-SiO2脱磷渣系相比,赤泥基熔剂与金属相具有更好的渣铁分离效果,渣铁界面清晰、分离容易。拜耳高铁赤泥与CaO质量比控制在1～2范围内,可将铁水终点[P]降低到0.01 8%以下,脱磷率大于80%。(4)在10kg级感应炉内进行转炉吹氧炼钢模拟实验。结果表明,拜耳赤泥基熔剂流动性良好,在高碳条件下([C]=2.0～3.0%)具有良好的脱磷效果,可将普通铁水[P]脱至0.018%以下,脱磷率高于88%,非常利于纯净钢冶炼。模拟中高磷铁水转炉炼钢的实验中,当赤泥:CaO的质量比为1:1.2,渣铁比为8%时,在高碳情况下([C]=1.36%)可获得高达95%的脱磷率。而在赤泥含碳球团用于转炉炼钢的实验中,赤泥球团中加入适量的碳时(C/O摩尔比控制在1～1.2),可有效减弱赤泥本身对铁水的温降影响,且不影响其脱磷效果,非常利于适应当今的大废钢比冶炼。(5)在200kg级感应炉内进行了扩大试验,进一步研究赤泥基熔剂在炼钢中的应用。结果显示,赤泥基熔剂具有很好的脱磷、助熔效果。在半钢条件下([C]=2.5～3.0%)能获得近90%的脱磷率,将钢水中[P]脱至0.02%。当将[C]降低到极低水平后(≈0.01%),钢中[P]仍能控制在0.02%以内,完全没有出现返磷现象。终渣中FeO含量可控制在8.5%以内,大幅降低铁损。(6)在前期实验室研究及扩大试验的基础上,进一步研究了在工业生产规模下应用赤泥基熔剂的技术可行性及实际助熔、化渣、脱磷效果。结果显示,赤泥基熔剂在炼钢初期能快速助熔化渣,很好地解决炼钢中后期的“返干”现象,避免萤石类助熔剂的使用。此新工艺具有更优秀的脱磷效果,其平均钢水终点磷比原工艺降低0.012%、脱磷率提高12%,可实现半钢条件下深脱磷和高碳出钢,终渣FeO可降低至12～15%,非常有利于钢品质的提高。