脱磷反應

減少鋼液中含磷量的化學反應。磷是鋼中有害雜質之一。含磷較多的鋼,在室温或更低的温度下使用時,輕易脆裂，稱為“冷脆”。鋼中含碳越高，磷引起的脆性越嚴重。一般普通鋼中規定含磷量不超過0.045%，優質鋼要求含磷更少。生鐵中的磷，主要來自鐵礦石中的磷酸鹽。氧化磷和氧化鐵的熱力學穩定性相近。在高爐的還原條件下，爐料中的磷幾乎全部被還原並溶進鐵水。如選礦不能除往磷的化合物，脱磷就只能在（高）爐外或鹼性鍊鋼爐中進行。

鐵中脱磷題目的熟悉和解決，在鋼鐵生產發展史上具有特殊的重要意義。鋼的大規模產業生產開始於1856年貝塞麥(H.Bessemer)發明的酸性轉爐鍊鋼法。但酸性轉爐鍊鋼不能脱磷；而含磷低的鐵礦石又很少，嚴重地阻礙了鋼生產的發展。1879年托馬斯(S.Thomas)發明了能處理高磷鐵水的鹼性轉爐鍊鋼法，鹼性爐渣的脱磷原理接着被推廣到平爐鍊鋼中往，使大量含磷鐵礦石得以用於生產鋼鐵，對現代鋼鐵產業的發展作出了重大的貢獻。

鹼性渣的脱磷作用脱磷反應是在爐渣與含磷鐵水的界面上進行的。鋼液中的磷[kg2][P][kg2]和氧[kg2][O][kg2]結合成氣態PO的反應：

2[P]+5[O]─→PO[145-1](1)1600時的平衡常數非常小(=4.4×10),[kg2]要靠天生PO氣體逸出而使鋼液脱磷，顯然是不行的。但假如鋼液和鹼性渣接觸,PO就會與渣中的氧化鈣(CaO)結合成穩定的3CaOPO或4CaOPO，總反應是：

2[P]+5[O]+3(CaO)─→(3CaOPO)(2)

1600時，=1.7×10或2[P]+5[O]+4(CaO)─→(4CaOPO)(3)

1600時，=3.5×10平衡常數如此大，説明鹼性渣的脱磷能力是很強的。熔渣離子理論以為：鹼性渣中含有自由的氧離子O，它能與PO結合成穩定的PO離子，脱磷反應是：

2[P]+5[O]+3(O)─→2(PO)(4)不管是分子理論或離子理論，但是有一個重要的事實是：3CaOPO4CaOPO和PO都有很高的熱力學穩定性。根據熔渣陰離子聚合模型(見馬松模型)，PO還能與渣中的硅-氧鏈結構形成SiPO、SiPO、SiPO等穩定的複合陰離子。

渣量、FeO含量、温度對脱磷的影響增大渣量，或將含磷多的爐渣放出，另造新的鹼性渣，都是使鋼液有效脱磷的措施。渣中含有足夠量的FeO不僅可以向鋼液傳送氧，還能使加進爐內的固體石灰更快地溶進渣中，使渣中自由的O離子增多，從而進步熔渣的脱磷能力。脱磷是放熱反應，温度較低有利於反應的進行。

各種鍊鋼方法脱磷的特點在平爐鍊鋼及電弧爐鍊鋼氧化期中，渣中含有足足數目的FeO；在氧氣頂吹轉爐鍊鋼中，調節氧槍位置高低也可保持渣中含有一定量的FeO，在脱碳的同時也可以脱磷。但在空氣底吹轉爐鍊鋼（托馬斯法）時，脱磷與脱碳不能同步進行。其主要原因是：空氣穿過鋼水時，其中的氧被硅、錳、碳的氧化所消耗殆盡，渣中缺乏足夠量的FeO,加進的固體石灰也很少溶進渣內，渣的脱磷能力很差。只有待吹煉後期，鋼中碳降到很低時，渣中FeO含量增大,使固體石灰迅速溶解進渣後，才能有效地脱磷。這稱為“後吹”往磷。氧氣底吹轉爐鍊鋼也有類似的情況，主要靠後吹往磷。為避免後吹，可用吹進石灰粉或人造合成渣的辦法以加速石灰的溶解，提早往磷。

回磷及防止方法脱磷反應速度甚快，輕易接近平衡。在鋼水脱氧時，温度較高,假如渣中CaO含量不夠高，加進脱氧劑後，鋼中溶解的氧減少，這些不利於脱磷的條件湊在一起，會使往磷反應的平衡向反方向轉移，鋼中含磷回升。這種現象稱為“回磷”。在氧氣頂吹轉爐鍊鋼中，假如槍位過低、渣中FeO少,也會使渣趨於回磷。為減少回磷，應儘可能在出鋼時使渣量減少，並在渣中加進石灰，使渣變稠。電爐鍊鋼在氧化期結束時，要儘可能地將含磷的氧化性渣排出爐外，以防止還原期回磷。

脱磷的定量計算可以採用下式：

[158-03]式中(PO)代表渣中的組分PO；[158-1]是渣中PO[kg2]的摩爾分數；[%P]、[%O]是鋼中磷和氧含量（重量百分數）；[158-1]是渣中PO的活度係數,其值可由下式計算：

[158-04]式中[kg2][kg2]是盡對温度；[158-101],[158-100],……分別代表渣中CaO，MgO,……等組分的摩爾分數。磷在熔渣和鋼液兩相的分配比(%P)/[%P]可用下式計算：

[159-01]式中(%P)、(%CaO)(%Fe)分別代表渣中磷含量、氧化鈣含量和全鐵含量（重量百分數）;[%P]是鋼中磷含量（重量百分數）；是盡對温度。

參考書目

R.G.Ward,An.IntroductiontoPhysicalChemistryofIronandSteelmakin,E.Arnold,London,1962.

C.Bodsworth&H.B.Bell,PhysicalChemistryofIronandSteelManufacture，2nded.，Longman,London,1972.