提高低磷合金鋼純凈度生產(chǎn)實(shí)踐

邢維義，陳晨，于海岐，王富亮，殷東明

（鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司，遼寧 營(yíng)口 115007）

鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司煉鋼部（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“煉鋼部”）的鐵水磷含量偏高，平均達(dá)到0.12%。為了冶煉出合格的高級(jí)別管線(xiàn)鋼、容器鋼等低磷合金鋼，需要轉(zhuǎn)爐過(guò)氧化操作，由此造成終點(diǎn)渣氧化性強(qiáng)，精煉處理困難，鋼中夾雜多，鋼水純凈度低。為了提高低磷合金鋼水純凈度，煉鋼部在現(xiàn)有工藝條件下，對(duì)冶煉全工序優(yōu)化控制，包括優(yōu)化鐵水預(yù)處理、優(yōu)化轉(zhuǎn)爐冶煉及LF精煉工藝，在確保磷含量達(dá)到成品控制目標(biāo)的同時(shí)，提高了低磷合金鋼水的純凈度。本文對(duì)此作以介紹。

1 裝備概況

煉鋼部低磷合金鋼生產(chǎn)基本裝備情況為：3套鐵水倒罐裝置、3套鐵水脫硫裝置、3座260 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐、2臺(tái) LF鋼包精煉爐、1套ANS-OB鋼包精煉爐、2臺(tái)RH-TB真空脫氣裝置、2臺(tái)一機(jī)雙流直弧型1450連鑄機(jī)、1臺(tái)一機(jī)一流直弧型厚板連鑄機(jī)。低磷合金鋼生產(chǎn)的工藝路線(xiàn)為：鐵水預(yù)處理-轉(zhuǎn)爐冶煉-LF精煉-RH脫氣-連鑄。

2 優(yōu)化鐵水預(yù)處理及抑制轉(zhuǎn)爐回硫工藝

2.1 硫的危害

硫是低磷鋼中最有害的元素，會(huì)嚴(yán)重惡化鋼的低溫沖擊韌性和鋼材的抗氫致裂紋（HIC）性能［1］，并且鋼中的硫?qū)儆谝灼鲈兀绻谶B鑄坯中心部位出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致鋼材中裂紋的產(chǎn)生。對(duì)于低磷合金鋼，只有當(dāng)鋼中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到0.002 0%以下時(shí)，硫?qū)︿摬牡蜏貨_擊韌性和抗HIC的影響才會(huì)基本消除。低磷合金鋼成品硫含量一般控制在0.001 0%，LF脫硫任務(wù)重，因此嚴(yán)格要求鐵水百分之百預(yù)處理并控制轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程回硫，保證轉(zhuǎn)爐爐后硫含量≤0.006 0%。

2.2 脫硫原理

轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中，熔池的脫硫方式為熔渣脫硫和氣化脫硫。FeS既溶于鐵液，又溶于渣中。脫硫的基本反應(yīng)是：首先，鋼液中的硫擴(kuò)散至熔渣中，即［Fe］→（FeS）；然后與熔渣中的 CaO 或 MnO結(jié)合生成穩(wěn)定的、只溶于熔渣的CaS或MnS。影響轉(zhuǎn)爐回硫主要有兩方面原因：一方面是轉(zhuǎn)爐入爐料總硫含量的影響；另一方面是轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程工藝參數(shù)的影響。為了減少轉(zhuǎn)爐回硫量，必須首先減少轉(zhuǎn)爐入爐料的原始硫含量，提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)硫的分配比 Ls［2］。

2.3 優(yōu)化鐵水預(yù)處理工藝

煉鋼部冶煉低磷鋼時(shí)，S含量控制主要存在兩個(gè)方面問(wèn)題：一是使用的鐵水含Ti量較高（高爐使用Ti球護(hù)爐），平均達(dá)到了0.10%，最高時(shí)達(dá)到0.20%，鐵水渣粘稠、流動(dòng)性差，渣鐵不易分離，易導(dǎo)致鐵水渣扒不凈帶入轉(zhuǎn)爐，增大爐內(nèi)回硫量；二是扒渣鐵損增大，增加冶煉成本。據(jù)此采取如下措施：

（1）采用鈦含量＜0.050%的低鈦鐵水冶煉低磷合金鋼；

（2） 倒罐出鐵量控制在 270～275 t，保證鐵水罐凈空，為脫硫扒渣創(chuàng)造條件；

（3）采用“兩扒一脫”工藝，即鐵水脫硫前先扒出部分鐵水渣，脫硫處理后再將剩余鐵水渣徹底扒出；

（4）采用鐵水涌動(dòng)扒渣工藝；

（5）脫硫目標(biāo)按0.003%控制，要求脫后硫含量≤0.005%。

2.4 抑制轉(zhuǎn)爐回硫工藝

轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中，采取以下措施控制入爐原料的純凈度以減少硫的帶入。

（1）洗爐。轉(zhuǎn)爐冶煉低磷合金鋼時(shí)，使用深脫硫扒渣鐵水對(duì)轉(zhuǎn)爐進(jìn)行刷洗，主要目的是減少濺渣過(guò)程附著在爐襯上爐渣的含硫量。洗爐鐵水硫含量與爐內(nèi)回硫量的關(guān)系如圖1所示，由圖1看出，隨著洗爐鐵水硫含量的增加，爐內(nèi)回硫量呈增加趨勢(shì)，但只要保證洗爐鐵水S含量≤0.005%，爐內(nèi)回硫量可穩(wěn)定控制在0.002 5%以?xún)?nèi)。

圖1 洗爐鐵水硫含量與爐內(nèi)回硫量的關(guān)系Fig.1 Relationship between Content of Sulfur in Prepurged Hot Metal in Converter and Resulfurization in Converter

（2）控制廢鋼的使用。入爐要求使用低硫廢鋼，嚴(yán)禁使用渣鋼、唐麻鐵等高硫廢鋼。

（3）控制入爐原料。嚴(yán)格控制入爐活性石灰和輕燒白云石的硫含量，要求二者均≤0.020%。

3 優(yōu)化轉(zhuǎn)爐冶煉工藝

3.1 優(yōu)化轉(zhuǎn)爐造渣制度

（1）優(yōu)化渣料加入方案。轉(zhuǎn)爐采用雙渣法進(jìn)行操作，吹煉4～5 min爐渣活躍時(shí)抬槍放渣，將爐內(nèi)部分高磷渣放掉，降低渣中磷含量，然后繼續(xù)下槍吹煉，重新造渣，提高脫磷效果。雙渣法加料模型見(jiàn)表1。

表1 雙渣法加料模型Table 1 Model for Adding Materials by Double Slag Method

（2）優(yōu)化渣的堿度。轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)提高爐渣的堿度，石灰的活度也隨之增加。充足的CaO固定渣中的SiO2和P2O5，P2O5將與CaO結(jié)合成穩(wěn)定的磷酸鈣，降低P2O5的活度，從而有利于爐渣的脫磷。高堿度、高氧化性的爐渣能使磷呈現(xiàn)強(qiáng)烈的氧化趨勢(shì)，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，提高爐渣堿度可以大大提高脫磷效率。但是堿度高需增大石灰的加入量，將使?fàn)t渣變粘，化渣受阻，降低爐渣的流動(dòng)性，反而不利于脫磷反應(yīng)的順利進(jìn)行。為了獲得較好的終點(diǎn)脫磷率，終點(diǎn)渣的堿度控制在3.5左右較合適。

（3）優(yōu)化放渣時(shí)機(jī)。圖2為轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程中主要元素含量的變化規(guī)律，吹煉前期，硅錳迅速氧化，隨后，磷開(kāi)始氧化，隨著脫磷反應(yīng)的進(jìn)行，熔池升溫速度加快，脫磷反應(yīng)減弱。實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)鐵水Si含量為0.27%，供氧時(shí)間達(dá)到200 s以后，脫磷速率基本為零，這時(shí)硅錳氧化期也已經(jīng)基本結(jié)束，需要抬槍放渣。煉鋼部鐵水平均硅含量為0.25%～0.35%，放渣時(shí)機(jī)確定在吹氧200～300 s。

圖2 轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程中主要元素含量的變化規(guī)律Fig.2 Variation Regularity of Content of Main Elements during Converter Blowing

3.2 優(yōu)化轉(zhuǎn)爐溫度制度

（1） 優(yōu)化控制過(guò)程的碳溫（T+C 含量×10 000）。統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程碳溫與過(guò)程P含量、終點(diǎn)P含量的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程碳溫與過(guò)程P含量、終點(diǎn)P含量的關(guān)系Fig.3 Relationship among Temperature-carbon,Phosphorus Content during Smelting and Phosphorus Content at End Point by Converter

從圖3中可以看出，過(guò)程碳溫≤1 570℃時(shí)，過(guò)程P含量最低，但終點(diǎn)磷分布范圍較寬，控制精度不好，分析與過(guò)程溫度低化渣不好有關(guān)；過(guò)程碳溫≥1 610℃時(shí)，過(guò)程P含量和終點(diǎn)P含量都較高；過(guò)程碳溫在1 570～1 610℃分布時(shí)，過(guò)程磷和終點(diǎn)磷的分布都在合理范圍內(nèi)。因此生產(chǎn)高級(jí)別低磷合金鋼時(shí)，過(guò)程溫度要求控制在1 540～1 560℃，過(guò)程碳含量控制在0.30%～0.50%之間較合理。

（2）優(yōu)化終點(diǎn)溫度制度。統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出不同終點(diǎn)溫度下的終點(diǎn)P含量如圖4所示，根據(jù)圖4中的曲線(xiàn)方程，結(jié)合低磷合金鋼的出鋼溫降和液相線(xiàn)溫度的關(guān)系，再綜合考慮生產(chǎn)節(jié)奏的要求，最終確定出鋼溫度控制在1 620～1 640℃。

圖4 不同終點(diǎn)溫度下的終點(diǎn)P含量Fig.4 Phosphorus Content at Different Temperatures at End Point

3.3 優(yōu)化轉(zhuǎn)爐擋渣工藝

原工藝使用擋渣標(biāo)擋渣，擋渣成功率90%，渣厚平均107 mm。為減少下渣量和回磷量，同時(shí)降低鋼中氧化物，減少非金屬夾雜，采用了轉(zhuǎn)爐出鋼口滑動(dòng)水口閘閥擋渣出鋼技術(shù)。該技術(shù)將紅外下渣檢測(cè)信號(hào)、轉(zhuǎn)爐出鋼開(kāi)始信號(hào)和轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)角度信號(hào)由轉(zhuǎn)爐PLC送到轉(zhuǎn)爐滑動(dòng)水口擋渣系統(tǒng)PLC，以控制滑板的開(kāi)閉。出鋼開(kāi)始后，迅速啟動(dòng)滑動(dòng)水口擋渣系統(tǒng)，并將滑板置于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)到正常的出鋼位置時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟滑板延遲出鋼，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)爐出鋼前期渣的全量控制；出鋼3/4時(shí)，加入擋渣標(biāo)，穩(wěn)定鋼流狀態(tài)，減少卷渣；出鋼近終了時(shí)，根據(jù)紅外下渣檢測(cè)報(bào)警信號(hào)在1 s內(nèi)迅速關(guān)閉滑板控制轉(zhuǎn)爐出鋼后期下渣。

該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了判渣和擋渣的全自動(dòng)操作，與采用擋渣鏢的擋渣法相比，減少30%以上的轉(zhuǎn)爐出鋼下渣量，明顯提高了合金收得率并改善了鋼水質(zhì)量。此外，由于避免了出鋼結(jié)束抬爐時(shí)鋼渣溢出鋼包沿口及鋼包外，最大限度地實(shí)現(xiàn)了安全清潔生產(chǎn)，減少了鋼包及鋼包臺(tái)車(chē)等設(shè)備的損壞。

4 優(yōu)化LF精煉工藝

4.1 優(yōu)化LF造渣制度

鋼中夾雜物是造成鑄坯和鋼板探傷不合的主要原因，必須嚴(yán)格控制鋼中夾雜物的含量、形態(tài)及分布［1］。冶煉低磷合金鋼的過(guò)程中，LF精煉處理的主要任務(wù)是去除鋼液中的S，力爭(zhēng)將S含量降至最低，最大限度降低硫化物類(lèi)夾雜。精煉渣對(duì)控制鋼中夾雜物起著重要作用，優(yōu)化LF精煉渣系成分，不僅能夠有效控制鋼中S含量在質(zhì)量要求范圍之內(nèi)，更重要的是具備優(yōu)良的吸附夾雜能力。

LF快速深脫硫需要適當(dāng)增加LF造渣料，并盡快熔化。優(yōu)化前，白灰和化渣劑同時(shí)加入，比例為4:1，結(jié)果渣面發(fā)粘。優(yōu)化后先加入化渣劑，其中助熔渣加入350～500 kg，其余使用螢石，后加入白灰，結(jié)果渣表面光滑，脫硫前白灰熔化效果良好。

4.2 優(yōu)化LF溫度制度

提升溫度有利于脫硫，LF進(jìn)站溫度一般約為1 540℃，LF搬出溫度一般約為1 640℃，一罐鋼的升溫時(shí)間約占40 min。如前期升溫過(guò)高，LF脫硫等樣的時(shí)間不能完全用于升溫，浪費(fèi)LF處理時(shí)間。如前期升溫不足，化渣不好，LF脫硫效果差，硫含量達(dá)不到深度脫硫的要求。因此，需要在LF處理前期控制合適的鋼水溫度。LF常規(guī)鋼種需要將鋼水溫度提升至1 580℃以上脫硫，低磷合金鋼生產(chǎn)時(shí)間較嚴(yán)格，必須保證一次脫硫成功，開(kāi)始脫硫溫度不低于1 620℃，脫硫結(jié)束鋼水溫度一般為1 595℃，既可以保證較高的脫硫溫度，又保證了后期充足的升溫時(shí)間。

4.3 優(yōu)化LF脫氧劑

LF深脫硫必須先深脫氧，常規(guī)脫氧劑使用鋁線(xiàn)段，方法為吹開(kāi)LF渣面，加入鋁線(xiàn)段攪拌，使鋼水中Als含量達(dá)到0.03%以上。這種脫氧方式可以迅速脫除鋼水中的氧，但難以迅速脫除渣中的氧。優(yōu)化后采用鋁粉和鋁線(xiàn)段脫氧，優(yōu)化前后脫硫速率的對(duì)比見(jiàn)表2。由表2計(jì)算得出，優(yōu)化后深脫硫速率提高0.000 06%/min。此舉可縮短LF脫硫時(shí)間5 min。

表2 優(yōu)化前后脫硫速率的對(duì)比Table 2 Comparison of Desulfurization Velocity before and after Optimization

4.4 優(yōu)化底吹氬攪拌工藝

鋼包吹氬效果對(duì)脫硫以及造渣影響很大，在生產(chǎn)低磷合金鋼時(shí)，透氣磚的使用次數(shù)不能超過(guò)3次。氬站處理后，若不能直接到達(dá)LF，要求每10 min吹氬30 s，保證透氣磚透氣效果。LF精煉全過(guò)程要求底吹氬氣，控制爐內(nèi)微正壓，升溫時(shí)氬氣流量控制在20～30 m3/h，溫度升至1 620℃以上時(shí)采用大氬氣流量80 m3/h以上攪拌。

5 取得的效果

采取上述各項(xiàng)措施后，低磷合金鋼入爐S含量穩(wěn)定控制在0.005%以下，氬站S含量控制在0.006%以下。轉(zhuǎn)爐鋼水終點(diǎn)P含量可穩(wěn)定控制在0.006%，終點(diǎn)C含量控制在0.04%以?xún)?nèi)。LF精煉搬出S含量有效控制在0.001%以下，精煉處理后可將夾雜物尺寸控制在15 μm以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足了批量生產(chǎn)低磷合金鋼的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司在冶煉低磷合金鋼的生產(chǎn)中，鐵水預(yù)處理采用低鈦鐵水、“兩扒一脫”并配合涌動(dòng)式扒渣工藝；轉(zhuǎn)爐冶煉工序采用雙渣法和出鋼口滑動(dòng)水口閘閥擋渣出鋼技術(shù)，過(guò)程溫度控制為1 540～1 560℃，過(guò)程碳含量控制在0.30%～0.50%之間,出鋼溫度控制在1 620～1 640℃；LF精煉工序全程吹氬，控制爐內(nèi)微正壓，升溫氬氣流量為20～30 m3/h，1 620℃以上時(shí)采用大氬氣流量80 m3/h攪拌脫硫。采取上述措施后，LF爐搬出S含量有效控制在0.001%以下，精煉處理后可將夾雜物尺寸控制在15 μm以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足了批量生產(chǎn)低磷合金鋼的要求。