SPA-H鋼低氧出鋼的生產(chǎn)技術(shù)實(shí)踐

李 超 于海岐 劉 博 崔福祥 金百剛 蘇小利

(鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司煉鋼部)

耐候鋼是廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中的鋼品種之一，該鋼種生產(chǎn)中需要加入鎳、鉻等元素，在其表面形成防侵蝕的保護(hù)層，以適應(yīng)復(fù)雜的使用環(huán)境[1-7]。SPA-H鋼屬于耐大氣腐蝕高耐候結(jié)構(gòu)鋼，主要用于制造集裝箱，目前約占集裝箱用鋼的90%。由于需在惡劣條件下使用，要求耐腐蝕同時，還要求具有較高的機(jī)械性能[8]。國內(nèi)外學(xué)者圍繞SPA-H鋼生產(chǎn)開展大量工作，如產(chǎn)品開發(fā)、冶煉工藝優(yōu)化、軋制技術(shù)改進(jìn)和防腐蝕機(jī)理研究等[9-17]，但未見針對該品種的轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧含量是如何合理控制的介紹。

2008年投資建設(shè)鞍鋼股份鲅魚圈分公司煉鋼部(以下簡稱“鲅魚圈煉鋼”)，鋼產(chǎn)品1 000余種，品種涵蓋高級別管線、核電、橋梁、建筑和船舶等各行業(yè)關(guān)鍵鋼鐵產(chǎn)品。其中SPA-H鋼是開發(fā)最早的產(chǎn)品之一，按照以往統(tǒng)計，鲅魚圈煉鋼SPA-H鋼月平均產(chǎn)量8萬t左右，是部門產(chǎn)量占比較大的重點(diǎn)鋼種之一。多年來，鲅魚圈煉鋼在SPA-H鋼生產(chǎn)中的熔劑替代技術(shù)保磷、渣洗脫硫技術(shù)方面開展了一系列研究工作，達(dá)到了較好的保磷脫硫效果[18-19]。最近，研究人員針對鋼種成分、路徑等工藝條件，結(jié)合低氧控制相關(guān)理論，確定了低氧控制的合理范圍，通過針對性的工藝改善取得了較好的實(shí)踐效果。

1 基本情況

SPA-H鋼中Ni、Cu等元素含量與文章討論的低氧控制問題無關(guān)，其余主要成分標(biāo)準(zhǔn)為：C 0.06%～0.11%，Si 0.30%～0.60%，Mn 0.3%～0.60%，P 0.065%～0.125%，S ≤0.020。

SPA-H鋼設(shè)計工藝路徑分兩種：路線1：倒罐折鐵→鐵水預(yù)處理(根據(jù)鐵水硫含量決定)→轉(zhuǎn)爐→ANS-OB→1 450連鑄機(jī)；路線2：倒罐折鐵→轉(zhuǎn)爐→LF→1 450連鑄機(jī)。生產(chǎn)中具體排產(chǎn)路徑根據(jù)現(xiàn)場鋼種、精煉位情況等現(xiàn)場條件進(jìn)行生產(chǎn)組織，無特殊要求。

2 低氧的必要性

SPA-H鋼要求磷含量適當(dāng)高、硫含量較低、一定碳含量與錳含量，因此，此部分主要理論分析了氧化性與這幾種成分含量的關(guān)系，同時論述了相較其他鋼種低氧化出鋼，SPA-H鋼低氧化性出鋼更多優(yōu)越性。

2.1 碳、磷、硫及錳理論分析

[FeS]+(CaO)=(CaS)+[FeO]

(1)

2[P]+5(FeO)+3(CaO)=(3CaO·P2O5)+5[Fe]

(2)

[Mn]+(FeO)=(MnO)+[Fe]

(3)

[C]+[O]=CO

(4)

反應(yīng)(1)～(4)分別為硫、磷、錳及碳在轉(zhuǎn)爐內(nèi)的主要反應(yīng)，根據(jù)熱力學(xué)基本原理，化學(xué)反應(yīng)更容易向反應(yīng)物減少一側(cè)進(jìn)行，(1)～(3)中FeO及(4)中[O]表示4個反應(yīng)的氧化性，可見低氧化性條件下，分別有利于反應(yīng)(1)向右側(cè)進(jìn)行，而反應(yīng)(2)、(3)和(4)向左側(cè)進(jìn)行，通過降低氧化性可以獲得SPA-H鋼冶煉的脫硫、保磷、高殘錳及留高碳的較好熱力學(xué)條件[20-22]。

2.2 優(yōu)越性分析

在生產(chǎn)低碳超低碳時，由反應(yīng)(4)可知，低氧可能會導(dǎo)致碳超標(biāo)；在生產(chǎn)一些低磷超低磷鋼種時，由反應(yīng)(2)可知，低氧化性可能會導(dǎo)致磷超標(biāo)；對于某些低錳鋼種，由反應(yīng)(3)可知，低氧可能會導(dǎo)致錳含量不合格，具體可能引起的問題為：碳含量要求<0.05%的低碳鋼不適宜低氧出鋼；錳含量要求<0.05%的低錳類鋼不適宜低氧出鋼；磷含量要求<0.010%低磷、超低磷鋼，低氧化性出鋼有磷超標(biāo)風(fēng)險。

基于SPA-H鋼成分特點(diǎn)，從理論分析可知，該鋼種低氧控制有更多優(yōu)越性：低氧后可留適當(dāng)碳到成分要求范圍，節(jié)省增碳劑成本；低氧殘錳含量高，降低錳合金的使用成本；氧含量控制恰當(dāng)，較好保磷，可節(jié)約部分配加磷鐵的合金消耗；低氧后利于脫硫，較好控制硫含量，實(shí)現(xiàn)鐵水預(yù)處理不脫硫或少脫硫目的，降低預(yù)處理工序成本。另外，低氧化性控制是鋼種潔凈化的基礎(chǔ)，低氧化性出鋼不僅有利于降低夾雜物數(shù)量，提高鋼產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量，而且可以減少轉(zhuǎn)爐爐襯耐材侵蝕，降低爐襯維護(hù)成本和能源成本[22]。

3 低氧控制范圍及實(shí)踐

根據(jù)SPA-H鋼成分標(biāo)準(zhǔn)可知，氧含量不允許無限制的降低，硫含量無下限要求，鲅魚圈鐵水錳含量均<0.20%，所以低氧控制不需要考慮硫與錳超標(biāo)準(zhǔn)問題。碳含量、磷含量要求一定范圍，因此需針對碳與磷要求確定SPA-H鋼氧含量的合理理論控制區(qū)間。

3.1 低氧范圍確定

3.1.1 基于碳含量要求的氧含量合理范圍確定

目前鲅魚圈煉鋼260 t轉(zhuǎn)爐全品種終點(diǎn)平均氧含量為450×10-6，SPA-H鋼的平均出鋼溫度1 680 ℃，平均碳氧積0.002 0左右?；谠撲摲N碳含量要求范圍為0.06%～0.11%，根據(jù)碳氧積換算關(guān)系，得碳氧積為0.001 5～0.002 5所對應(yīng)氧含量，最小氧含量136×10-6，最大氧含量417×10-6，具體如圖1所示。在鲅魚圈煉鋼碳氧積0.002 0的生產(chǎn)條件下，理想氧含量范圍應(yīng)為(182～333)×10-6。

圖1 SPA-H鋼基于碳合格條件下可選取氧含量

3.1.2 基于磷含量要求的氧含量合理范圍確定

由260 t轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，當(dāng)氧含量在(130～500)×10-6范圍內(nèi)時，隨著氧含量氧含量增加，磷含量減少，如圖2所示。磷含量標(biāo)準(zhǔn)范圍為0.065%～0.125%，則對應(yīng)氧含量控制范圍為(188～427)×10-6，但考慮到氧含量高于405×10-6可能需要補(bǔ)磷，低于198×10-6可能造成磷含量超標(biāo)準(zhǔn)，因此氧含量控制范圍劃定為(198～405)×10-6。結(jié)合“3.1.1”分析得到合格碳含量對應(yīng)范圍為(136～417)×10-6，可以確定：最佳低氧控制范圍為(198～405)×10-6，對于出鋼平均溫度1 680 ℃、碳氧積0.002 0的生產(chǎn)條件下，理想氧含量范圍應(yīng)為(198～333)×10-6。

圖2 不同氧含量的磷含量

3.2 低氧控制措施

轉(zhuǎn)爐冶煉鋼氧化性的影響因素主要是底吹效果、造渣及溫度等，國內(nèi)其他企業(yè)在復(fù)吹、冶煉制度優(yōu)化上取得了很好效果，鲅魚圈煉鋼通過分析本廠情況，并結(jié)合其他企業(yè)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)[23-24]，在造渣及溫度制度、終點(diǎn)控制、輔助手段等方面開展低氧控制技術(shù)改進(jìn)。

3.2.1 底吹效果保證

保證轉(zhuǎn)爐底吹效果是一項(xiàng)長期的、系統(tǒng)的復(fù)雜工作，針對該廠260 t轉(zhuǎn)爐進(jìn)行優(yōu)化，一方面，日常生產(chǎn)中保證轉(zhuǎn)爐終渣中MgO約9%、FeO小于20%，堿度控制在3.5左右，既能較好護(hù)爐，又能保持底槍的良好可視性。另一方面，當(dāng)?shù)状悼梢曅圆焕硐霑r，排產(chǎn)低碳鋼，沸騰鋼，適當(dāng)提高出鋼溫度；當(dāng)?shù)状悼梢曅院脮r，減少補(bǔ)吹、高溫過氧化出鋼，出鋼溫度按下限控制出鋼。另外，實(shí)行針對性的濺渣護(hù)爐操作措施，轉(zhuǎn)爐開爐后第三爐進(jìn)行濺渣操作，并保證爐渣完全濺干，日常濺渣過程中底吹N2流量設(shè)定為最大，保持到爐渣倒完為止。爐役中前期，當(dāng)轉(zhuǎn)爐BL值小于190 cm時，濺渣槍位在標(biāo)準(zhǔn)濺渣槍位的基礎(chǔ)上提高5 cm，在濺渣時加入終渣改質(zhì)劑，適當(dāng)增厚爐底元件附近護(hù)爐熔渣厚度，防止底吹元件裸漏；當(dāng)轉(zhuǎn)爐BL值大于210 cm時，濺渣槍位在標(biāo)準(zhǔn)濺渣槍位的基礎(chǔ)上降低5 cm。在爐役后期，根據(jù)轉(zhuǎn)爐底槍的可視情況，對濺渣槍位進(jìn)行動態(tài)微調(diào)，確保轉(zhuǎn)爐爐底在動態(tài)零侵蝕的有效復(fù)吹，底吹可視性不好時，出鋼溫度高于1 700 ℃情況下，濺渣結(jié)束后爐子在零位停1 min。

3.2.2 冶煉制度改進(jìn)

根據(jù)SPA-H鋼特殊的成分要求，冶煉操作主要任務(wù)為脫硫保磷，要實(shí)現(xiàn)低氧控制，造渣及供氧制度應(yīng)在不出現(xiàn)明顯“返干”前提下，全程低槍位大供氧強(qiáng)度，熔渣低氧化鐵，熔渣化透，熔池快速脫碳升溫，平穩(wěn)到達(dá)終點(diǎn)。

造渣料投入原則：在不出現(xiàn)低溫噴濺的情況下，盡早結(jié)束投料?；赟PA-H鋼相比一般常冶煉品種的總造渣量偏少情況，爐內(nèi)熔渣形成的泡沫渣噴濺容易被控制，中后期不預(yù)留渣料壓渣。低硅鐵水條件下噴濺容易控制的爐次，采用“一批料”造渣模式；高硅鐵水條件下(Si含量>0.5%)噴濺不容易控制的爐次，采用首次加入總量90%，留少量造渣料的模式。供氧制度改進(jìn)原則：氧槍供氧強(qiáng)度3.60 m3/(min·t)，平均供氧量53 700 m3/h以上，工作壓力1.0 MPa以上，平均槍位降低100 mm，降低開吹槍位，脫碳期不進(jìn)行高槍位運(yùn)行，降低拉碳槍位，副槍過程測試提槍，測試結(jié)束直接進(jìn)入拉碳階段，拉碳時間保持在2 min以上。具體槍位及造渣制度見圖3。

圖3 造渣方案與槍位運(yùn)行控制

終點(diǎn)控制原則：為防止高槍位帶來終點(diǎn)氧化鐵含量提高，要保證低槍位拉碳持續(xù)足夠長時間，確保終點(diǎn)前熔渣狀態(tài)及鋼水成分穩(wěn)定；為避免高溫提高鋼水氧含量，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度按照下限溫度1 680 ℃控制；根據(jù)鋼種碳含量要求，終點(diǎn)碳按照0.06%～0.11%目標(biāo)控制，出于保磷目的，SPA-H鋼造渣料相比普通鋼種要少，因此依托過程測試碳溫結(jié)果判斷溫度及碳含量時，需要注意兩個關(guān)鍵點(diǎn)，熔池升溫較普通鋼種快2 ℃/s左右，碳消耗速度較普通鋼種更快，達(dá)到目標(biāo)碳范圍一般提前10～20 s。

3.2.3 輔助手段

通過自主開發(fā)的260 t轉(zhuǎn)爐實(shí)時碳—氧修正模型，輔助判斷終點(diǎn)提槍時機(jī)。該模型能夠?qū)γ撎妓俾逝c溫度進(jìn)行預(yù)測，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫中有效參考爐次的碳氧積、升溫速率、脫碳速率、氧槍槍型等關(guān)鍵參數(shù)模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動修正功能，對輔助操作者判斷冶煉終點(diǎn)有較大參考價值。另外，轉(zhuǎn)爐質(zhì)譜儀的煙氣檢測系統(tǒng)可以實(shí)時取得的CO與CO2含量，幫助提高操作者對終點(diǎn)判斷準(zhǔn)確性。

4 實(shí)踐效果

260 t轉(zhuǎn)爐冶煉SPA-H鋼的低氧技術(shù)改進(jìn)前氧含量控制范圍(164～912)×10-6，平均氧含量504×10-6，改進(jìn)后氧含量控制范圍為(201～345)×10-6，平均氧含量302×10-6，終點(diǎn)氧含量范圍及平均值都有不同程度降低。其中80%左右氧含量在理想氧含量范圍(198～333)×10-6，整體控制水平有明顯改善。

改進(jìn)后硫含量為0.010%～0.018%，轉(zhuǎn)爐一次合格率100%；磷含量為0.046%～0.105%，轉(zhuǎn)爐一次合格率達(dá)到82%，18%爐次低于成品含量下限，少量補(bǔ)磷鐵即可；殘錳含量為0.09%～0.19%，較改進(jìn)前平均增加0.025%；碳含量為0.035%～0.101%，轉(zhuǎn)爐一次合格率達(dá)到84%，16%爐次低于成品含量下限，補(bǔ)加增碳劑即可。

5 結(jié)論

(1)通過轉(zhuǎn)爐硫、磷、錳及碳的熱力學(xué)分析，降低氧化性可實(shí)現(xiàn)SPA-H鋼冶煉的脫硫、保磷、高殘錳及留碳目的，低氧控制后可節(jié)省碳、磷、錳的合金化成本，降低脫硫預(yù)處理工序成本，提高鋼的內(nèi)部質(zhì)量，降低轉(zhuǎn)爐爐襯維護(hù)與能源成本。

(2)基于碳含量要求的氧含量合理范圍(136～417)×10-6，在目標(biāo)溫度控制與0.002 0的碳氧積條件下，理想氧含量范圍應(yīng)為(188～333)×10-6。基于磷含量要求的氧含量合理范圍為(198～405)×10-6，結(jié)合合格碳含量對應(yīng)的區(qū)間，SPA-H鋼最終選取理想氧含量范圍應(yīng)為(198～333)×10-6。

(3)為實(shí)現(xiàn)低氧控制，保證底吹效果，保證轉(zhuǎn)爐終渣合適爐渣成分，合理排產(chǎn)，實(shí)行針對性的濺渣護(hù)爐措施；采用“一批料”模式或留少量料模式，改進(jìn)氧槍工作參數(shù)，降低平均槍位，優(yōu)化槍位控制，終點(diǎn)保證低槍位拉碳時間，終點(diǎn)溫度按下限溫度1 680 ℃控制，碳按0.06%～0.11%控制，但需要注意熔池升溫脫碳速度快問題；另外，采用時時碳—氧修正模型、轉(zhuǎn)爐質(zhì)譜儀輔助提高終點(diǎn)判斷準(zhǔn)確性。

(4)改進(jìn)后氧含量控制范圍為(201～345)×10-6，平均氧含量302×10-6，平均終點(diǎn)氧降低，氧含量80%控制在選定的(198～333)×10-6范圍，磷、硫、碳及錳含量控制水平均有不同程度提升。