工業(yè)純鐵煉鋼工藝控制實(shí)踐

張玉秀，張燕平，姜仁波

（唐山不銹鋼有限責(zé)任公司，河北063105）

0 引言

純鐵是一種含碳量很低的金屬材料，具有矯頑力低、導(dǎo)熱和電磁性能良好、質(zhì)地柔軟、韌性大等優(yōu)良性能。目前已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用的純鐵又稱為工業(yè)純鐵，純度為99.6%～99.8%[1]。工業(yè)純鐵是一種重要的鋼鐵基礎(chǔ)材料，主要用于冶煉各種高溫合金、耐熱合金、精密合金、馬氏體時(shí)效鋼等航空航天、軍工和民用合金或鋼材[2]。

我國工業(yè)純鐵的市場需求量較大，目前部分需求扔依賴進(jìn)口。根據(jù)國內(nèi)市場調(diào)查，2013年我國工業(yè)純鐵的產(chǎn)量在30萬t以上，但扔有很大缺口[3]。唐山不銹鋼有限責(zé)任公司（下稱不銹鋼公司）為開拓純鐵市場，圍繞純鐵低C、低P、低S、低Si和低Mn的特點(diǎn)，開發(fā)了工業(yè)純鐵的產(chǎn)品，推進(jìn)了工業(yè)純鐵的冶煉工藝的貫通。

1 工業(yè)純鐵成分控制

工業(yè)純鐵主要作為冶煉耐熱合金、超高強(qiáng)度鋼等的原材料，因此對成分有著非常嚴(yán)格的要求。

（1）鋼水中的碳和氮形成的固溶體在常溫條件下易析出形成碳化物和氮化物，使鋼的強(qiáng)度降低，塑韌性降低，同時(shí)，碳含量高會降低鋼水的氧化性，不利于脫磷，因此，必須控制碳、氮在較低水平；

（2）工業(yè)純鐵中硅、錳含量高時(shí)易形成夾雜物，使鋼的塑韌性降低，因此硅、錳含量在高純工業(yè)純鐵中控制越低越好；

（3）磷和硫是鋼中的有害元素，對鋼材有很多不利的影響，因此高級優(yōu)質(zhì)鋼對鋼中磷和硫含量的要求越來越嚴(yán)格；

（4）作為最有效的脫氧元素鋁元素能夠有效降低鋼的含氧量，提高鋼水純凈度。

綜上所述，工業(yè)純鐵的冶煉要求必須將鋼中有害元素碳、錳、硅、硫、磷等降到非常低的水平，因此，不銹鋼公司制定了高純工業(yè)純鐵冶煉目標(biāo)成分，如表1所示。

表1 工業(yè)純鐵目標(biāo)成分 /%

目前工業(yè)純鐵冶煉主要采用電弧爐，但電弧爐每爐生產(chǎn)的工業(yè)純鐵約為5～60 t，生產(chǎn)能力較小，不能滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。以現(xiàn)有的生產(chǎn)流程為基礎(chǔ)，國內(nèi)外各家鋼鐵企業(yè)都在不斷的開展提高工業(yè)純鐵純凈度、縮短生產(chǎn)流程和改善產(chǎn)品性能等的嘗試。因此，不銹鋼公司為了擴(kuò)大工業(yè)純鐵的生產(chǎn)能力，煉鋼生產(chǎn)采用“鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→LF→RH→連鑄”的雙聯(lián)工藝路線進(jìn)行超低碳工業(yè)純鐵的冶煉。

2 冶煉模型控制

2.1 脫硫預(yù)處理模型控制

硫除了對鋼材的熱脆性外，還對鋼的熱加工性能、焊接性能、力學(xué)性能、耐腐蝕性能、成型性等都有極大的負(fù)作用，如何高效脫硫一直是冶金行業(yè)的首要任務(wù)。

不銹鋼公司現(xiàn)有鐵水預(yù)處理方法為復(fù)合噴吹法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是操作靈活，費(fèi)用低，處理量大，缺點(diǎn)是實(shí)際預(yù)測精度差，不能準(zhǔn)確預(yù)測終點(diǎn)硫含量，容易造成二次噴吹，導(dǎo)致脫硫命中率低等問題。為提高脫硫控制水平，加強(qiáng)脫硫控制能力，提高產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)競爭力，不銹鋼公司結(jié)合增量模型與神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型，開發(fā)了以數(shù)據(jù)挖掘?yàn)榛A(chǔ)的脫硫綜合模型。以增量模型為基礎(chǔ)，利用神經(jīng)元模型動態(tài)檢索參照爐次，并用多元回歸模型進(jìn)行增量計(jì)算及結(jié)果篩查，經(jīng)方差分析去除異常值后，將剩余數(shù)值的平均值作為最終輸出結(jié)果，降低單一模型的偏差比例。脫硫綜合模型的應(yīng)用，降低鈍化鎂粉消耗10 kg/爐，實(shí)現(xiàn)脫硫一次處理終點(diǎn)命中率達(dá)到98%以上，進(jìn)轉(zhuǎn)爐鐵水S≤0.001%。

2.2 轉(zhuǎn)爐雙渣冶煉

由于鐵水初始P含量是制約成品P含量控制的難點(diǎn)，因此如何高效去除鋼中P元素，對超低碳工業(yè)純鐵的冶煉具有重要影響。對于絕大多數(shù)鋼種來說，磷元素越低越好，脫磷是轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過程中的重要任務(wù)之一[4]。

轉(zhuǎn)爐采用雙渣法進(jìn)行脫磷操作，充分利用脫磷三高一低的熱力學(xué)條件，將吹煉分為兩個(gè)階段，在第一階段結(jié)束后進(jìn)行倒?fàn)t倒掉部分爐渣，氧槍提槍后可用氮?dú)膺M(jìn)行渣補(bǔ)，促進(jìn)渣鐵分離；然后再加入部分造渣料，進(jìn)入第二個(gè)階段的造渣脫磷。雙渣操作保證脫磷效率達(dá)到96%以上，控制終點(diǎn)P≤0.004%。

2.3 降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度

轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度控制較高時(shí)，不利于降低轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)Mn含量，使得最終產(chǎn)品錳含量無法得到保證。因此，要通過對轉(zhuǎn)爐的冶煉工藝和操作方法進(jìn)行優(yōu)化，有效降低轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度，達(dá)到降低轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)錳和產(chǎn)品錳含量的目的。

如圖1所示，對轉(zhuǎn)爐出鋼溫度進(jìn)行優(yōu)化控制，對比轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度1 640℃和1 680℃時(shí)的Mn含量發(fā)現(xiàn)，隨著終點(diǎn)溫度的降低，錳含量也明顯降低，大約降低了0.016%。這主要是由于轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度較高時(shí)，冶煉后期會發(fā)生“回錳”現(xiàn)象，從而終點(diǎn)殘錳含量較高，而降低轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)溫度，減少了鋼水回錳[5-6]。

圖1 轉(zhuǎn)爐出鋼溫度與Mn含量關(guān)系

2.4 滑板擋渣的應(yīng)用

冶煉過程的增磷主要有兩個(gè)方面，隨著合金的加入增磷和轉(zhuǎn)爐下渣帶來的增磷。鋼種不變，合金加入量相對穩(wěn)定，增磷也相對穩(wěn)定。而轉(zhuǎn)爐下渣的增磷則受轉(zhuǎn)爐下渣量的影響，下渣量大會在精煉處理過程中造成鋼水回磷。

為了更好控制轉(zhuǎn)爐出鋼過程中鋼水回磷、回錳問題，轉(zhuǎn)爐采用爐內(nèi)投放擋渣塞、出鋼口使用擋渣滑板擋渣工藝，并配合出鋼口下渣檢測系統(tǒng)和鋼包強(qiáng)力攪拌，使得出鋼過程鋼水回磷、回錳率大幅減少，實(shí)現(xiàn)回磷量≤0.001%。

3 精煉冶煉模型控制

3.1 LF精煉控制

LF精煉的目的是：對鋼水溫度進(jìn)行調(diào)整，可使得轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度有效降低，有效防止冶煉終點(diǎn)回磷、回錳，實(shí)現(xiàn)低磷、低錳控制；與鐵水預(yù)處理一起形成雙脫硫方式，可以進(jìn)一步降低鋼中硫的含量；LF采用白渣冶煉還可抑制精煉時(shí)氧化鋁系夾雜物的生成，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高；LF加RH的雙聯(lián)精煉流程可有效保證冶煉溫度和工序銜接，降低溫度損失，延長夾雜上浮時(shí)間。

3.2 RH精煉控制

對于工業(yè)純鐵的冶煉而言，RH的主要作用是脫C和脫氣。脫碳完成后進(jìn)行鎮(zhèn)靜脫氧，并通過循環(huán)+弱吹兩種方式降低鋼中T[O]含量至15 ppm內(nèi)。循環(huán)脫氧時(shí)，吹氬流量控制在115～125 Nm3/h，時(shí)間控制在8～12 min；弱吹脫氧時(shí)，吹氬流量控制在15～25 Nm3/h，時(shí)間控制在10～15 min。

4 連鑄過程控制

4.1 中間包全保護(hù)技術(shù)

中包使用氬氣進(jìn)行保護(hù)澆注，防止氧氣進(jìn)入氧化鋼水，但中包內(nèi)殘氧含量沒有測量儀器，人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)整中包保護(hù)澆注氬氣量，因此中包氬氣保護(hù)效果無法量化掌控，影響鑄坯質(zhì)量。

為改善保護(hù)澆注效果，對中包氬氣澆注情況進(jìn)行測量，設(shè)計(jì)了便攜抽氣式殘氧測量系統(tǒng)，抽氣流量為2.4升/分鐘，根據(jù)抽氣銅管長度計(jì)算，抽氣銅管排空管道內(nèi)空氣時(shí)間為2分鐘。

使用此測量系統(tǒng)，為中包氬氣保護(hù)澆注時(shí)的氬氣供氣流量提供了依據(jù)，也為烘烤中包時(shí)助燃空氣流量的調(diào)整提供了依據(jù)，同時(shí)也掌握了更換大包后中包殘氧恢復(fù)的時(shí)間。通過測量中包殘氧數(shù)值（見圖2），標(biāo)準(zhǔn)化了中包澆注時(shí)石棉布封閉的要求，測量3#連鑄機(jī)中間包氧氣含量為0.7%，目前國內(nèi)外先進(jìn)水平控制在1%以下，最低0.5%。

圖2

4.2 采用涂抹料中間包并用涂抹料封堵

為降低中包增碳，采用涂抹料代替干式料，減少干式料粘結(jié)劑的增碳。經(jīng)過試驗(yàn)，采用涂抹料中間包并使用涂抹料對中間包澆鑄孔、測溫口、溢流槽進(jìn)行密封處理，使中包增碳在3×10-6以內(nèi)，明顯優(yōu)于普通干式料和無碳干式料，如圖3所示。

圖3 不同中包增碳分析

5 結(jié)語

不銹鋼公司采用了轉(zhuǎn)爐雙渣操作、LF加RH雙精煉工藝和鐵水預(yù)處理加LF雙脫硫方式，成功開發(fā)了高純度工業(yè)純鐵，冶煉工藝控制能力達(dá)到國內(nèi)原料級工業(yè)純鐵一流水平，這標(biāo)志著不銹鋼公司具備了生產(chǎn)高純度工業(yè)純鐵的能力。工業(yè)純鐵開發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是鋼水純凈度的控制，其對工業(yè)純鐵理化性能影響很大。不銹鋼公司通過采取以下措施，有效地提高了工業(yè)純鐵的純凈度，最終實(shí)現(xiàn)了工業(yè)純鐵的工業(yè)化生產(chǎn)。

（1）煉鋼采用“鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→LF→RH→連鑄”的工藝流程冶煉超低碳工業(yè)純鐵，使鋼液中碳、錳、硫、磷、硅等16種元素的總含量全部保持在設(shè)定目標(biāo)成分范圍內(nèi)，達(dá)到業(yè)內(nèi)的高水準(zhǔn)。

（2）轉(zhuǎn)爐雙渣操作保證脫磷效率達(dá)到96 %以上，控制終點(diǎn)P≤0.004%；

（3）降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度，可以有效減少回錳；

（4）RH脫碳完成后進(jìn)行鎮(zhèn)靜脫氧，并通過循環(huán)加弱吹兩種方式降低鋼中T[O]含量至15 ppm內(nèi)；

（5）采用涂抹料中間包并使用涂抹料對中間包澆鑄孔、測溫口、溢流槽進(jìn)行密封處理，使中包增碳在3×10-6以內(nèi)。