260 t 轉(zhuǎn)爐沸騰出鋼渣洗脫磷工藝實(shí)踐研究

李超，尹宏軍，呂游，王富亮，趙自鑫，馬寧，冉茂鐸

（1. 鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007；2. 鞍鋼集團(tuán)朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽 122000）

目前，轉(zhuǎn)爐出鋼工藝按照鋼水脫氧程度分為三種方式：鎮(zhèn)靜出鋼、半鎮(zhèn)靜出鋼及沸騰出鋼，其中沸騰出鋼主要指出鋼過程未加脫氧劑或加入極少弱脫氧劑的出鋼工藝，鋼水中的氧需要在后面的工序脫除后澆注或不脫除直接沸騰澆注[1-3]。 理論上認(rèn)為，鋼水中含有一定氧有利于出鋼過程中脫磷反應(yīng)的進(jìn)行[4]，磷是鋼產(chǎn)品中的有害元素，很容易在加工過程中引起“冷脆”缺陷，除少數(shù)品種冶煉中需要研究保磷技術(shù)外[5]，高效脫磷是轉(zhuǎn)爐工序最主要的任務(wù)之一[6]。根據(jù)沸騰帶氧出鋼有利脫磷的特點(diǎn)，針對轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)后如何沸騰出鋼控磷和脫磷開展了相關(guān)研究工作。水鋼、鞍鋼通過分析回磷規(guī)律，優(yōu)化氧化性控制等措施，在控制回磷率指標(biāo)方面取得了較大進(jìn)步[7-8]；寧鋼采用“三高一低”要素法實(shí)現(xiàn)脫磷率25%以上[9]。 鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司煉鋼部（以下簡稱“鲅魚圈煉鋼部”）沸騰出鋼工藝采用出鋼過程不加入脫氧劑，只加入一定量活性白灰，采用該工藝的鋼種占總產(chǎn)量10%以上。在少渣冶煉、降低加工成本等背景下，有必要探索在轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)后采用其他方法脫磷，而沸騰出鋼渣洗脫磷工藝有利于緩解轉(zhuǎn)爐脫磷壓力從而降低熔劑消耗，也有利于在轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)磷含量高的情況下通過出鋼脫磷減少相關(guān)質(zhì)量事故，對控制煉鋼生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。 本文通過系統(tǒng)研究影響沸騰出鋼脫磷效果的工藝參數(shù)，得到每個(gè)參數(shù)的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)提高轉(zhuǎn)爐沸騰出鋼脫磷效果的目的。

1 生產(chǎn)工藝概況

目前，鲅魚圈煉鋼部采用沸騰出鋼的主要是SPHC 等低硅類鋼，主要因?yàn)椋涸擃愪摲N產(chǎn)量占比較大，廣泛應(yīng)用后有利于降低整體加工成本；磷含量要求較其他鋼種相對更寬松（超低碳類鋼種等要求磷含量＜0.015%），脫磷效果不佳也不容易造成質(zhì)量事故；只需調(diào)整錳含量，合金總量少，精煉工序調(diào)整成分的負(fù)擔(dān)小。 以SPHC 鋼種為例，成分和溫度要求見表1。

表1 SPHC 鋼種成分和溫度要求Table 1 Compositions in SPHC Steel Grade and Requirements for Temperature

鲅魚圈煉鋼部擁有3 套噴吹型鐵水預(yù)處理設(shè)備，3 座260 t 轉(zhuǎn)爐，5 套LF、RH 等精煉設(shè)備，3 臺(tái)連鑄機(jī)（2 臺(tái)1 450 mm 薄板鑄機(jī)、1 臺(tái)2 300 mm 厚板鑄機(jī)）。 本文研究條件是轉(zhuǎn)爐沸騰出鋼，RH 調(diào)整成分溫度和1 450 mm 鑄機(jī)澆注。鋼水罐相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 鋼水罐相關(guān)參數(shù)Table 2 Concerning Parameters of Ladle

2 脫磷工藝分析

根據(jù)以往研究可知，沸騰出鋼渣洗脫磷工藝主要是出鋼過程中向鋼水罐內(nèi)投入活性白灰 （含大量CaO），借助鋼液中的氧與CaO 接觸發(fā)生脫磷反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)出鋼過程脫磷。提高脫磷效果的手段包括利用鋼水罐底吹氬氣、 出鋼鋼流沖擊等產(chǎn)生的力推動(dòng)鋼液運(yùn)動(dòng)，改善動(dòng)力學(xué)條件，增加脫磷反應(yīng)界面面積，加快脫磷反應(yīng)速度[5,8]。脫磷工藝反應(yīng)示意圖見圖1。

圖1 脫磷工藝反應(yīng)示意圖Fig. 1 Schematic Diagram for Reaction of Dephosphorization Process

由圖1 可以看出，鋼水罐內(nèi)的脫磷反應(yīng)主要在渣-鋼界面進(jìn)行。 根據(jù)脫磷熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)原理分析認(rèn)為，提高鋼水氧化性、增加白灰加入量、減少頂渣中P2O5含量及提高鋼液攪拌均有利于促進(jìn)脫磷[4]。 頂渣中的P2O5一部分來源于脫磷產(chǎn)物，另一部分來源于出鋼過程轉(zhuǎn)爐終渣。 考慮到轉(zhuǎn)爐終渣含有大量P2O5會(huì)嚴(yán)重影響脫磷效果，需嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)爐下渣及卷渣。 另外，由于需要通過吹氬手段優(yōu)化動(dòng)力學(xué)條件，此工藝相比其他鋼種出鋼過程的鋼水溫度降低較多，因此需注意避免溫降大造成生產(chǎn)質(zhì)量事故。

3 脫磷工藝實(shí)踐

為達(dá)到較好脫磷效果需要保證幾個(gè)主要條件：保證一定頂渣白灰加入量；鋼水中需要一定的氧含量；增加鋼液攪拌時(shí)間，但要兼顧鋼水溫度不能低于標(biāo)準(zhǔn)；盡可能控制轉(zhuǎn)爐出鋼下渣重量。

3.1 工藝流程

沸騰出鋼過程中，白灰的熔化程度影響脫磷效果。為避免出現(xiàn)活性白灰成坨不化的情況，活性白灰分兩次投入，并利用鋼水罐鋼流沖刷白灰堆以促進(jìn)白灰熔化。 為了提高出鋼全過程的脫磷反應(yīng)效果，細(xì)化設(shè)計(jì)加料時(shí)機(jī)與重量、吹氬時(shí)間等工藝參數(shù)，工藝流程如圖2 所示。 圖2 中出鋼量比例可根據(jù)出鋼時(shí)間、 鋼水罐自由空間高度情況判斷得到。

圖2 工藝流程Fig. 2 Process Flow

統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)得到，鲅魚圈煉鋼部沸騰出鋼實(shí)際吹氬平均溫降0.16 ℃/s，據(jù)此得到工藝操作過程中平均吹氬時(shí)間為90～180 s，冶煉終點(diǎn)溫度需保證比下限標(biāo)準(zhǔn)溫度高15～30 ℃，以避免出現(xiàn)鋼液溫度低的事故。另外，為避免擋渣不好或失敗造成出鋼卷渣下渣，轉(zhuǎn)爐采用滑板與擋渣錐組合的擋渣方式，有效降低出鋼帶入罐內(nèi)高磷含量的熔渣，避免影響脫磷。

3.2 工藝參數(shù)對脫磷效果的影響

為了研究生產(chǎn)工藝參數(shù)對脫磷效果的影響，對出鋼氧含量、白灰加入量及吹氬時(shí)間與出鋼過程脫磷率（以下簡稱“脫磷率”）的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)分析。

3.2.1 氧含量的影響

選取活性白灰加入量為1 000 kg、 吹氬總時(shí)間為180 s 的生產(chǎn)爐次，統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)得出氧含量與脫磷率的關(guān)系如圖3 所示。 由圖3 看出，在氧含量為0.01%～0.10%時(shí)，出鋼過程的脫磷能力基本隨著氧含量提高呈線性提高規(guī)律。

圖3 氧含量與脫磷率的關(guān)系Fig. 3 Relationship between Oxygen Content and Dephosphorization Rate

3.2.2 白灰加入量的影響

為研究不同白灰加入量對脫磷率的影響規(guī)律，選取終點(diǎn)鋼水氧含量為0.07%～0.10%、 吹氬總時(shí)間為180 s 的爐次，統(tǒng)計(jì)分析白灰加入量200～1 800 kg時(shí)，白灰加入量與脫磷率的關(guān)系見圖4。

圖4 白灰加入量與脫磷率的關(guān)系Fig. 4 Relationship between Quantity of Adding Quicklime and Dephosphorization Rate

由圖4 可以看出，隨著白灰加入量不斷增加，脫磷率不斷提高，在白灰加入量達(dá)到1 000 kg 后，脫磷率達(dá)到30%左右，之后隨著白灰加入量的增加脫磷率沒有明顯變化。

3.2.3 吹氬時(shí)間的影響

吹氬是影響脫磷率的重要?jiǎng)恿W(xué)因素。 為分析其對脫磷率的影響規(guī)律，選取活性白灰加入量為1 000 kg、終點(diǎn)鋼水氧含量為0.07%～0.10%，吹氬時(shí)間控制為0～270 s，得出吹氬時(shí)間與脫磷率的關(guān)系見圖5 所示。 由圖5 看出，脫磷率呈現(xiàn)三階段規(guī)律：吹氬0～50 s 區(qū)間，脫磷率基本維持在較低數(shù)值沒有明顯變化；50～180 s 區(qū)間，隨著吹氬時(shí)間的不斷增加，脫磷率不斷提高；180 s 附近達(dá)到最大值30%左右，此后隨著吹氬時(shí)間的不斷增加脫磷率未發(fā)生明顯變化。

圖5 吹氬時(shí)間與脫磷率的關(guān)系Fig. 5 Relationship between Argon-blowing Time and Dephosphorization Rate

3.2.4 討論分析

結(jié)合以上分析與生產(chǎn)實(shí)踐認(rèn)為，采用該工藝的前提是滿足一定的終點(diǎn)溫度條件，并且需要較好控制擋渣效果，因此在轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度僅達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的下限范圍或擋渣系統(tǒng)故障時(shí)，不宜采用此工藝進(jìn)行脫磷，需通過再吹等措施進(jìn)行脫磷處理。采用該工藝時(shí)幾個(gè)主要影響因素總結(jié)如下。

（1）出鋼過程的脫磷能力隨著鋼水氧含量的提高不斷增強(qiáng)。在生產(chǎn)沸騰出鋼品種時(shí)，對于轉(zhuǎn)爐冶煉過程預(yù)判化渣不良，投入造渣材料較少等易造成磷超標(biāo)的情況，可適當(dāng)提高終點(diǎn)氧含量，為沸騰出鋼渣洗脫磷創(chuàng)造有利條件。 但考慮過高氧含量會(huì)造成爐襯侵蝕、惡化鋼水純凈度等問題，實(shí)際生產(chǎn)中氧含量提高幅度也需要控制在合理范圍。

（2）脫磷率隨著白灰加入量的增加而不斷提高。 但在白灰加入量達(dá)到一定數(shù)量后脫磷率達(dá)到最大值，之后沒有明顯變化，說明通過增加白灰加入量并不能提高渣洗脫磷能力，這也符合以往學(xué)者對于熔渣堿度達(dá)到一定水平不會(huì)明顯提高脫磷能力的結(jié)論[5]。因此，在本研究實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)白灰加入1 000 kg 后，需采用其他措施實(shí)現(xiàn)更好的脫磷效果。

（3）渣洗開始階段基本沒有脫磷，吹氬50 s之后脫磷率不斷提高，180 s 時(shí)達(dá)到最大值，此后吹氬時(shí)間增加脫磷率也未提高，說明吹氬時(shí)間達(dá)到一定值后，罐內(nèi)鋼水與頂渣已經(jīng)充分接觸并發(fā)生反應(yīng)，頂渣的脫磷能力已經(jīng)達(dá)到飽和。實(shí)際生產(chǎn)中，在罐內(nèi)白灰熔化良好、吹氬時(shí)間足夠長的情況下，通過延長吹氬時(shí)間無法實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步脫磷的目的。

統(tǒng)計(jì)采用沸騰出鋼脫磷工藝后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)得出，平均脫磷率由9.4%提高到16.7%，磷含量超標(biāo)的質(zhì)量事故平均降低0.3 罐/月，未出現(xiàn)渣洗脫磷造成鋼水溫度低的相關(guān)事故。

4 結(jié)論

針對鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司260 t 轉(zhuǎn)爐沸騰出鋼渣洗脫磷工藝開展了實(shí)踐研究，得出主要結(jié)論如下。

（1）脫磷熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)原理認(rèn)為，提高鋼水氧化性、增加白灰加入量、減少頂渣中P2O5及加大鋼液攪拌均有利于渣洗脫磷，但要控制轉(zhuǎn)爐下渣及卷渣，以免影響渣洗效果，另外需注意吹氬降溫大可能造成生產(chǎn)質(zhì)量事故。

（2）滿足終點(diǎn)溫度要求并且擋渣系統(tǒng)良好的前提下更適宜采用該工藝。 影響脫磷率主要因素的影響規(guī)律為： 脫磷率隨著氧含量的提高不斷提高，實(shí)際生產(chǎn)中可通過在一定范圍內(nèi)提高終點(diǎn)氧含量為渣洗脫磷提供有利條件； 脫磷率隨著白灰加入量的增加而不斷提高，但在白灰加入量達(dá)到1 000 kg 后脫磷率達(dá)到最大值，此后沒有明顯提高；隨著吹氬時(shí)間的增加，渣洗開始階段脫磷基本沒有效果，50 s 之后脫磷率提高并在180 s 達(dá)到最大值，之后吹氬時(shí)間延長對脫磷率沒有影響。

（3）采用渣洗脫磷工藝后，平均脫磷率由9.4%提高到16.7%，磷含量超標(biāo)的質(zhì)量事故平均降低0.3 罐/月，未出現(xiàn)渣洗脫磷造成鋼水溫度低的相關(guān)事故。