轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)工藝冶煉X80管線鋼脫磷試驗(yàn)研究

張瑞青

（河鋼集團(tuán)唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063600）

0 引言

對于絕大多數(shù)鋼種來說，磷是鋼中有害元素之一，作為雜質(zhì)元素必須在鐵水預(yù)處理或者轉(zhuǎn)爐冶煉環(huán)節(jié)盡可能去除。鋼中磷元素含量越高，在鋼水的凝固過程中越容易產(chǎn)生偏析，鋼材沖擊性能降低就越大。磷元素也能夠降低鋼水表面張力，很容易聚集在結(jié)晶邊界處，導(dǎo)致鋼材的局部組織異常，降低鋼材的抗熱裂紋性能，容易引起“冷脆”，對焊接使用功能也有不利影響。目前低溫容器用鋼、海洋用鋼、石油天然氣用鋼等高級別管線鋼中，均要求極低的磷、硫含量。其中X80 管線鋼對鋼中磷元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求低于0.010%，目前常規(guī)的冶煉工藝已無法滿足超低磷鋼的生產(chǎn)工藝要求。唐鋼公司根據(jù)現(xiàn)有的工藝裝備，采用了轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)煉鋼工藝生產(chǎn)X80 管線鋼，即脫磷轉(zhuǎn)爐先進(jìn)行脫磷，再裝入脫碳轉(zhuǎn)爐繼續(xù)進(jìn)行冶煉。脫磷轉(zhuǎn)爐利用低溫的有利條件實(shí)現(xiàn)充分快速脫磷，脫碳轉(zhuǎn)爐出鋼溫度在1680℃較高的條件下，要控制鋼中磷含量不大于0.009%。

唐鋼公司利用兩座轉(zhuǎn)爐冶煉，再通過LF 工序進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，RH 工序進(jìn)行脫氣，進(jìn)一步提高了鋼水潔凈度，不僅降低了管線鋼的生產(chǎn)成本，還生產(chǎn)出高品質(zhì)的潔凈鋼[1-3]。本文介紹了唐鋼公司X80管線鋼生產(chǎn)工藝流程，結(jié)合唐鋼公司實(shí)際提出X80管線鋼的試驗(yàn)方案，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 唐鋼公司X80管線鋼生產(chǎn)工藝流程簡介

唐鋼公司熱軋部共有3 座公稱容量200t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，其中1 座脫磷爐，2 座脫碳爐，配有雙工位LF 爐2 座和RH 爐2 座，以及2 臺直弧型兩流板坯連鑄機(jī)，年產(chǎn)合格板坯600 萬噸左右。其中大部分是[P]＜0.02%的優(yōu)質(zhì)鋼，要求出鋼[P]≤0.015%。X80 管線鋼生產(chǎn)采用了轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)工藝，KR 脫硫→脫磷轉(zhuǎn)爐→脫碳轉(zhuǎn)爐→LF 精煉處理→RH 精煉處理→連鑄。

2 試驗(yàn)方案

現(xiàn)場首次試驗(yàn)共生產(chǎn)兩爐X80 管線鋼。脫磷爐要在低供氧強(qiáng)度下脫磷、脫硅，并要抑制鐵水升溫過高，防止碳的氧化。根據(jù)鐵水硅元素含量，脫磷爐使用恒流量吹煉，供氧強(qiáng)度為2.22Nm3/(t·min)，底吹強(qiáng)度為0.08Nm3/(t·min)。根據(jù)現(xiàn)場爐況和生產(chǎn)節(jié)奏要求，鐵水預(yù)處理脫硫，控制入爐鐵水[S]≤0.005%。加入轉(zhuǎn)爐的廢鋼要使用自產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)廢鋼，不得使用生鐵塊、鋼渣。脫磷爐目標(biāo)堿度控制在1.8～2.2，半鋼溫度控制在1340℃～1380℃；脫碳爐終點(diǎn)溫度控制在1665℃～1685℃，控制終點(diǎn)鋼水[P]≤0.009%，全程底吹氬氣。在生產(chǎn)中，分別對脫磷爐和脫碳爐的入爐鐵水、冶煉終點(diǎn)進(jìn)行取樣，在出鋼時取爐渣試樣。入爐鐵水成分和溫度如表1所示，H1、H2代表2爐實(shí)驗(yàn)爐的入爐鐵水樣。

表1 入爐鐵水成分和溫度

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

表2為兩爐實(shí)驗(yàn)爐脫磷終點(diǎn)和脫碳終點(diǎn)鋼水成分及溫度，P1、P2 為脫磷終點(diǎn)樣，C1、C 2 為脫碳終點(diǎn)樣。表3為兩爐實(shí)驗(yàn)爐脫磷終點(diǎn)和脫碳終點(diǎn)渣成分，S1、S2 為脫磷終點(diǎn)渣樣，F(xiàn)1、F2 為脫碳終點(diǎn)渣樣。由表2、表3可知，S1 脫磷爐渣堿度是1.36,T.Fe 含量為10.67%，鋼水溫度為1361℃，脫磷率為25.85%，磷分配比LP為35；F1脫碳爐渣堿度是4.15,T.Fe 含量為33.74%，鋼水溫度為1672℃，脫磷率為94.18%，磷分配比LP為320。S2 脫磷爐堿度是1.7,T.Fe 含量為13.08%，鋼水溫度為1366℃，脫磷率為50.85%，磷分配比LP為36；F2脫碳爐渣堿度是3.27,T.Fe 含量為18.35%，鋼水溫度為1684℃，脫磷率為87.93%，磷分配比LP是232。

表2 兩爐實(shí)驗(yàn)爐脫磷終點(diǎn)和脫碳終點(diǎn)鋼水成分和溫度

圖1是由表1、表2數(shù)據(jù)繪制成的2 爐X80 實(shí)驗(yàn)管線鋼碳、磷、硫成分變化曲線。由圖1可以看出，第2爐鋼的脫磷爐終點(diǎn)磷元素含量比第1爐鋼低了32.55%，碳元素含量低12.5%。由于首次試驗(yàn)，根據(jù)第1 爐的試驗(yàn)生產(chǎn)實(shí)際狀況，對普瑞特自動化冶煉模型的供氧強(qiáng)度、氧槍槍位、加料過程等參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，降低了脫磷轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)磷含量。

圖1 兩爐X80實(shí)驗(yàn)管線鋼碳、磷、硫成分變化曲線

3.2 鐵水中磷的氧化反應(yīng)

研究表明，鐵水中磷的氧化及其實(shí)際自由能變化如式（1）所示。由式（1）中ΔrG= 0，可得到式（2）。磷分配比的定義式如式（3）所示。

由式（2）和式（3）可得磷分配比LP的計(jì)算式,如式（4）所示。

式中：XP2O5為脫磷渣中P2O5的摩爾分?jǐn)?shù)；aFeO為脫磷渣中FeO活度；γFeO為脫磷渣中FeO活度系數(shù)；fP為鐵水中磷的活度系數(shù)；w[P]為鐵水中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；γP2O5為脫磷渣中P2O5活度系數(shù)；T為溫度，K。

由式（4）可知，若要提高磷在渣鐵間的分配比，可以采取下述方式。一是提高渣中的氧化性，即增加渣中FeO 含量；二是降低冶煉溫度；三是提高渣量并降低爐渣中P2O5的活度系數(shù)。

3.3 脫磷主要影響因素分析

3.3.1 渣中氧化性影響分析

圖2為渣中T.Fe 含量和堿度對磷分配比的影響情況。由圖2可知，隨著渣中T.Fe 含量的增大，氧化性的提高，渣/鋼間的磷分配比增大；隨渣中堿度的提高，冶煉終點(diǎn)渣/鋼間的磷分配比逐漸增大。由式（1）～（4）可知，渣中(FeO)與(P2O5)形成的(3FeO·P2O5)，有利于渣中(CaO)與(P2O5)反應(yīng)結(jié)合成(3CaO·P2O5)。另外(FeO)可與石灰反應(yīng)生成低熔點(diǎn)鐵酸鈣，降低爐渣的黏度，改善熔渣的流動性，加快磷在渣/鋼界面的傳質(zhì)，改善脫磷的動力學(xué)條件，從而提高脫磷速率。但若渣中T.Fe含量過高，不僅會增加鐵的損失，降低金屬收得率，也會造成爐渣稀釋，降低（CaO）的脫磷作用。廖鵬等研究認(rèn)為半鋼時轉(zhuǎn)爐渣中T.Fe 含量保持在14%～20%較為合適，轉(zhuǎn)爐終渣中T.Fe 含量保持在16%～18%較為合適[4]。吳偉研究認(rèn)為前期轉(zhuǎn)爐渣中T.Fe含量保持在35%～40%較為合適，轉(zhuǎn)爐終渣中T.Fe 含量保持在20%～25%較為合適[5]。

圖2 渣中T.Fe含量和堿度對磷分配比的影響

綜上所述，唐鋼公司脫磷轉(zhuǎn)爐終渣中T.Fe含量保持在10%～15%較為合理，脫碳轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的磷含量要求更低，渣中T.Fe 含量保持在20%～25%較為合理。

3.3.2 渣中堿度影響分析

爐渣堿度高且熔化好，則爐渣的脫磷能力強(qiáng)，爐渣在溫度較高條件下生成的磷酸鈣比較穩(wěn)定。（CaO）可降低（P2O5）活度，在渣中的（SiO2）一定的前提下，渣中的（CaO）增加，可以獲得高堿度、高氧化性爐渣，得到較大的磷分配比。由于石灰在渣中的熔解需要Fe3+和O2-，石灰的加入量過大，爐渣不能提供足夠的Fe3+和O2-，造成爐渣的黏度增加、流動性變差，爐渣反應(yīng)的動力學(xué)條件變差，反而會影響脫磷效率。所以，保持合理的堿度是脫磷的關(guān)鍵。廖鵬等研究認(rèn)為保持半鋼時渣堿度在2.0～2.3，脫碳轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)渣堿度在3.6～3.8 較為合適[4]。吳偉研究認(rèn)為前期轉(zhuǎn)爐堿度保持在2.0，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)渣堿度保持在3.5～4.0較為合適[5]。

綜上所述，唐鋼公司脫磷轉(zhuǎn)爐終中渣堿度保持在1.6～2.0 較為合適，脫碳轉(zhuǎn)爐終渣中堿度保持在3.3～4.1較為合適。

3.4 轉(zhuǎn)爐終爐渣礦相分析

爐渣礦相分析的主要目的是確定渣中的礦相組成和分布，把礦相分析與爐渣化學(xué)成分結(jié)合起來，更全面地了解爐渣的性質(zhì)。圖3和表4分別為脫磷爐和脫碳爐終渣的礦相微觀結(jié)構(gòu)和礦相組成。由圖3可知，兩爐實(shí)驗(yàn)爐渣的礦相主要特征如下:

表4 脫磷爐和脫碳爐終渣的礦相組成

（1）兩爐爐渣的礦相組成基本一致，主要包括C2S（硅酸二鈣）、C3S（硅酸三鈣）、RO 相、C4AF（鐵鋁酸鈣）、fCaO（自由氧化鈣）。由于終點(diǎn)溫度不同，低溫條件礦相結(jié)構(gòu)還沒有形成穩(wěn)定組織，從圖3中可以看出，爐渣終點(diǎn)溫度越高礦相晶體組織越明顯。脫碳爐終點(diǎn)溫度較高，渣（CaO）和（SiO2）反應(yīng)充分，形成的C3S 相也較粗大，而脫磷爐溫度較低，渣中形成的C3S 相對較少，粒狀分布的C2S 相含量較多，爐渣中形成C2S和C3S的固溶體，熱力學(xué)條件好有利于反應(yīng)的正向進(jìn)行[6-9]。

圖3 脫磷爐和脫碳爐終渣的礦相微觀結(jié)構(gòu)

（2）脫碳爐終渣的礦相組成中，以長條狀及板柱狀存在的C3S 數(shù)量比脫磷爐終渣的比例高15%，以灰褐色粒狀分布的C2S 數(shù)量比脫磷爐終渣的比例高10%。

（3）脫磷爐終渣的礦相組成中的C4AF 數(shù)量比脫碳爐終渣中的C4AF 高15%，兩爐終渣中RO 和fCaO相比例基本相當(dāng)。

4 結(jié)語

（1）使用轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)高效化生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的X80鋼水潔凈度對比傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝有較大幅度提高，終點(diǎn)鋼水中[P]+[S]最低可控制到90ppm。

（2）雙聯(lián)工藝復(fù)合吹煉條件下冶煉過程中爐渣成渣快，渣-鋼反應(yīng)更加充分。脫磷轉(zhuǎn)爐終渣中T.Fe 含量保持在10%～15%，爐渣堿度保持在1.6～2.0 較為合適；脫碳轉(zhuǎn)爐終渣中T.Fe 含量保持在20%～35%，爐渣堿度保持在3.3～4.1較為合適。

（3）復(fù)合吹煉工藝條件下，爐渣礦相為C2S、C3S、RO 相、C4AF、fCaO。脫碳爐終渣礦相組成中的C3S 數(shù)量比脫磷爐終渣的比例高15%，以灰褐色粒狀分布的C2S 數(shù)量比脫磷爐終渣的比例高10%，爐渣組元反應(yīng)充分。