曾海軍， 黃治成

(湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司， 湖南 湘潭 411101)

引 言

隨著公司品種升級(jí)，生產(chǎn)品種轉(zhuǎn)向高精端、高品質(zhì)、高附加值的鋼材領(lǐng)域，所生產(chǎn)的低溫容器用鋼、海洋用鋼、低溫船板用鋼、抗酸容器用鋼等對(duì)鋼中的磷元素含量要求極其嚴(yán)格，部分要求磷含量小于0.008%。如何高效地去除鋼中的磷，成為轉(zhuǎn)爐冶煉生產(chǎn)中亟待解決的關(guān)鍵問題之一。為此，各研究機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)單位對(duì)脫磷工藝進(jìn)行了一系列研究[1-3]。湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司(以下簡(jiǎn)稱“湘鋼”)五米寬厚板廠生產(chǎn)初期采用雙渣法冶煉低磷鋼，但是因?yàn)橐睙捴芷谄L(zhǎng)，鋼鐵料等消耗高，操作不穩(wěn)定等，產(chǎn)能受到限制。為了提高低磷鋼產(chǎn)能，開發(fā)出了復(fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉低磷鋼的新工藝，可將中間包磷含量穩(wěn)定控制在0.008%以下，有效降低了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)能，為大幅拓寬高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了保障。

1 脫磷原理

1.1 脫磷反應(yīng)的熱力學(xué)條件

轉(zhuǎn)爐脫磷為氧化反應(yīng)，其氧化產(chǎn)物P2O5與渣中CaO結(jié)合形成穩(wěn)定的高熔點(diǎn)(3CaO·P2O5)或(4CaO·P2O5)化合物存在于渣中，脫磷產(chǎn)物為4CaO·P2O5的反應(yīng)式為[4]：

(1)

(2)

式中Kθ為反應(yīng)平衡常數(shù)，a為熔渣中成分的活度，w(P)為鋼中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，T為鋼液溫度(℃)。

從脫磷反應(yīng)方程式中可以看出，提高爐渣中CaO和FeO含量，降低出鋼溫度對(duì)脫磷有利。

1.2 脫磷反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件

轉(zhuǎn)爐冶煉過程的脫磷反應(yīng)[5]包括兩個(gè)反應(yīng)區(qū)域：第一反應(yīng)區(qū)是超音速氧氣流股吹開爐渣直接接觸金屬液面發(fā)生[P]+{O2} 的直接氧化反應(yīng)，由于連續(xù)沖擊金屬液面，液面上的反應(yīng)物和產(chǎn)物不斷更新，有利于反應(yīng)進(jìn)行；第二反應(yīng)區(qū)是除氧氣流股作用區(qū)以外的爐渣與金屬液相接觸的區(qū)域，即在渣-鋼界面上發(fā)生[P]+(FeO)的間接氧化反應(yīng)。第二反應(yīng)區(qū)的動(dòng)力學(xué)條件遠(yuǎn)不如第一反應(yīng)區(qū)，提高底吹供氣強(qiáng)度，加強(qiáng)該區(qū)域攪拌，創(chuàng)造良好的渣-鋼接觸條件，對(duì)脫磷有利。采用爐外脫磷[6]時(shí)，磷在渣中及鋼液中的擴(kuò)散均影響反應(yīng)速率，但主要是在鋼液中的傳質(zhì)。充分的攪拌能和爐渣流動(dòng)性是促進(jìn)脫磷反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件。

2 冶煉工藝

湘鋼五米寬厚板廠有120噸復(fù)吹轉(zhuǎn)爐2座、扒渣機(jī)1臺(tái)、雙工位LF爐4座、RH爐和VD爐各1座、板坯連鑄機(jī)2臺(tái)、方坯連鑄機(jī)1臺(tái)。針對(duì)07MnNIDR等w(P)≤0.008%的低磷鋼種訂單量不斷增加的情況，開發(fā)了轉(zhuǎn)爐+出鋼后脫磷工藝，轉(zhuǎn)爐出鋼w(P)<0.010%，沸騰出鋼加入適量石灰、調(diào)渣劑等造渣，出鋼過程中利用大氬氣攪拌結(jié)合石灰、調(diào)渣劑等造高堿度渣，出鋼后在爐后繼續(xù)進(jìn)行大氬氣攪拌，待鋼水磷滿足要求后，加入適量石灰進(jìn)行稠渣，然后扒去高磷渣。其工藝路線為：120 t 轉(zhuǎn)爐→出鋼后脫磷→扒渣→120 t LF爐→120 t RH/VD爐→300×(2080-2280) mm板坯連鑄。

3 冶煉實(shí)踐3.1 鐵水及廢鋼選取

因公司鐵水采用鐵水罐一罐到底和低鐵耗模式，廢鋼加入量較大，對(duì)轉(zhuǎn)爐入爐鐵水溫度和成分都有著較嚴(yán)格的要求，如表1所示。冶煉前期熔池溫度低，高溫鐵水對(duì)脫磷有利，鐵水的硅含量也不能低，否則會(huì)導(dǎo)致熔池?zé)崃坎蛔?，影響出鋼后脫磷及扒渣效果?/p>

表1 入爐鐵水成分及溫度

廢鋼種類及配比對(duì)冶煉低磷鋼有很大影響，因此，合理的廢鋼配比及加入，是轉(zhuǎn)爐脫磷的基礎(chǔ)。通過實(shí)踐得出了有利于脫磷的廢鋼配比，如表2所示；重型廢鋼和生鐵塊不宜加入，防止其裹入渣中難以熔化，生鐵塊后期熔化還會(huì)導(dǎo)致增磷。

表2 廢鋼配比

3.2 轉(zhuǎn)爐工藝控制

3.2.1 操作控制

轉(zhuǎn)爐采取留渣操作，留渣量5-8噸，以加速石灰溶解，保證前期快速成渣，提高爐渣堿度和氧化性。采用5孔13.6°夾角氧槍噴頭，吹煉開始后，將槍位控制在1.3-1.7 m，氧氣壓力0.8-0.85 MPa，底吹供氣強(qiáng)度0.045-0.055 m3/(min·t鋼)。第一批料在開吹后0.5 min左右加入，加入量為1 / 2活性石灰、4/5輕燒白云石；吹煉中期底吹供氣強(qiáng)度0.03-0.04 m3/(min·t鋼)，根據(jù)爐口反應(yīng)調(diào)整氧槍槍位，保證渣中有合適的FeO，防止?fàn)t渣返干；吹煉末期底吹供氣強(qiáng)度控制為0.045-0.055 m3/(min·t鋼)，結(jié)合TSC測(cè)量溫度和碳含量結(jié)果，再次加入適量的石灰、白云石造渣，過氧化出鋼，并合理控制終點(diǎn)溫度，保證出鋼w(P)控制在0.010%以下。

(1) 終點(diǎn)w(P)對(duì)中間包w(P)的影響

要滿足中間包w(P)≤0.008%，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)w(P)應(yīng)盡可能低，這樣會(huì)減輕后續(xù)工序壓力。當(dāng)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)w(P)≤0.0065%時(shí)，可取消扒渣工序，圖1為轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)w(P)對(duì)連鑄中間包w(P)的影響。

圖1 終點(diǎn)w(P)對(duì)中間包w(P)的影響

通過圖1可以看出：要實(shí)現(xiàn)中間包w(P)≤0.008%，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)w(P)宜控制在0.011%以下。終點(diǎn)w(P)過高時(shí)，會(huì)加大后續(xù)處理難度，部分甚至無法達(dá)到中間包w(P)要求?？刂坪棉D(zhuǎn)爐終點(diǎn)w(P)是冶煉低磷鋼的基礎(chǔ)，當(dāng)終點(diǎn)w(P)高時(shí)，必須進(jìn)行補(bǔ)吹操作，一方面可以降低鋼水磷含量，還可以增加鋼水w(O)，提高出鋼后脫磷效果。

(2) 終點(diǎn)溫度控制

低溫有利于脫磷。冶煉前期采用低槍位操作結(jié)合大底吹攪拌改善脫磷的動(dòng)力學(xué)條件，實(shí)現(xiàn)最大程度的脫磷；冶煉中期通過調(diào)整氧槍槍位和鐵礦石的加入量，來控制熔池均勻、緩慢升溫，將鋼水w(P)控制在較低水平；吹煉末期，加入適量鐵礦石等渣料控制終點(diǎn)溫度，防止溫度過高而返磷。終點(diǎn)溫度與終點(diǎn)w(P)的關(guān)系如圖2所示。

圖2 終點(diǎn)溫度對(duì)終點(diǎn)w(P)的影響

由圖2可知：隨著出鋼溫度的提高，出鋼w(P)急劇上升。出鋼溫度控制在1625 ℃以下時(shí)，可將出鋼w(P)控制在0.011%以下。TSC鋼水溫度控制在1580 ℃，w(C)控制在0.25%以下為宜；TSC溫度過高會(huì)導(dǎo)致鋼水w(P)偏高，末期去磷難度大，w(C)過高則會(huì)導(dǎo)致末期吹煉時(shí)間長(zhǎng)，升溫高導(dǎo)致鋼水返磷。因鋼包全流程加蓋保溫，以及出鋼只加入少量渣料，溫降較小。因此，在保證生產(chǎn)順行的前提下，應(yīng)適當(dāng)降低出鋼溫度，以達(dá)到低磷出鋼的目的。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，出鋼溫度不得低于1605 ℃；否則導(dǎo)致出鋼后溫度不足，鋼渣結(jié)塊，影響扒渣效果。

(3) 氧化性控制

渣中FeO是鋼液中磷的氧化劑，爐渣的FeO越高，磷在渣鋼間的分配比越大。FeO還可以改善爐渣的流動(dòng)性，促進(jìn)鋼渣界面反應(yīng)。轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，通過調(diào)整氧槍槍位、加入鐵礦石、終點(diǎn)過氧化等措施來保證爐渣的氧化性，提高脫磷效果。采用轉(zhuǎn)爐+出鋼后脫磷冶煉低磷鋼，利用終點(diǎn)w(O)來代表鋼水氧化性，其對(duì)終點(diǎn)w(P)的影響如圖3所示。

圖3 終點(diǎn)w(O)對(duì)終點(diǎn)w(P)的影響

由圖3可以看出：提高終點(diǎn)鋼水w(O)對(duì)于降低w(P)有利。要將轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)w(P)穩(wěn)定控制在0.011%以下，終點(diǎn)w(O)宜控制在0.055%以上，否則會(huì)影響出鋼后進(jìn)一步脫磷效果。實(shí)際操作時(shí)，可以結(jié)合轉(zhuǎn)爐快速成分分析儀來檢測(cè)鋼水w(P)，若鋼水w(P)低，可以適當(dāng)降低終點(diǎn)w(O)。

(4) 終渣堿度控制

鋼中磷氧化后與渣中CaO結(jié)合成穩(wěn)定的磷酸鈣，渣中有效(CaO)含量越高，磷在渣鋼間的分配比越大，從而降低鋼水w(P)，但低鐵耗下，熔池?zé)崃靠赡懿蛔?，要避免加入過多石灰，否則會(huì)惡化爐渣流動(dòng)性、粘度等，而不利于脫磷。終渣堿度對(duì)終點(diǎn)w(P)的影響如圖4所示。

圖4 終渣堿度對(duì)終點(diǎn)w(P)的影響

根據(jù)圖4可知：將終渣堿度控制在3.5以上，可將轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)w(P)控制在0.011%以下；當(dāng)堿度超過4.5后，終點(diǎn)w(P)有增大的趨勢(shì)。冶煉時(shí)必須保證加入足夠的石灰，增加熔渣堿度和渣量，這樣對(duì)脫磷有利。研究表明[3]：當(dāng)堿度為2.5-4.0時(shí)，增加渣中TFe含量有利于脫磷反應(yīng)進(jìn)行，若想再提高爐渣堿度，就必須提高渣中TFe含量或加入化渣劑等措施來幫助石灰熔化。根據(jù)實(shí)踐：終渣堿度按3.5-4.5控制，對(duì)保證脫磷效果和成本控制均有利。

3.2.2 出鋼及爐后脫磷控制

鋼包投入要求：周轉(zhuǎn)鋼包，無殘鋼和渣沿，包壁溫度>950 ℃。出鋼過程中，采用紅外下渣檢測(cè)和滑板聯(lián)用進(jìn)行擋渣。采取沸騰方式出鋼，出鋼時(shí)控制鋼包底吹氬氣流量為600-800 L/min，利用大氬氣強(qiáng)烈攪拌以及高的氧分壓沖混脫磷。出鋼開始后向鋼包內(nèi)加入石灰3.0-5.0 kg/t鋼，調(diào)渣劑1.5-3.0 kg/t鋼，在保證頂渣渣量、堿度的同時(shí)，保持頂渣有較好的流動(dòng)性，盡可能多去磷。鋼水出完后，繼續(xù)在爐后大氬氣攪拌4-8 min，進(jìn)行測(cè)溫取樣，當(dāng)鋼水w(P)<0.006%時(shí)，結(jié)合鋼水溫度，加粉末石灰1.5-3.5 kg進(jìn)行稠渣，然后氬氣攪拌2-5 min出站，出鋼溫度控制在1560-1575℃。轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)w(O)對(duì)出鋼后脫磷率的影響如圖5所示。

圖5 終點(diǎn)w(O)對(duì)出鋼后脫磷率的影響

由圖5可知：轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)w(O)越高，爐后脫磷率越大。通過控制鋼中氧含量與適當(dāng)?shù)脑蠪eO，并調(diào)整渣中CaO含量，通過大氬氣流量攪拌，脫磷效果明顯。出鋼后平均脫磷率達(dá)到51.20%，最高接近60%。在轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水w(P)為0.011%時(shí)，要將其降至0.006%以下，終點(diǎn)w(O)宜控制在0.065%以上，提高終點(diǎn)w(O)對(duì)降低鋼水w(P)也有利。

3.2.3 扒渣控制

當(dāng)傾斜至鋼包口與鋼水面平齊時(shí)，開始進(jìn)行扒渣作業(yè)，當(dāng)目測(cè)鋼水面裸露85%以上時(shí)，扒渣完畢。扒渣是否干凈影響到LF爐脫氧后的鋼水返磷量。轉(zhuǎn)爐出鋼w(P)與返磷率的關(guān)系如圖6所示。

圖6 出鋼w(P)與返磷率的關(guān)系

用[中間包w(P)-爐后出站w(P)]/[轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)w(P)-爐后出站w(P)]計(jì)算鋼水返磷率。由圖6可以看出：扒渣結(jié)束后，鋼水返磷率為30%-39%，平均返磷率34.6%，返磷量為0.001%-0.002%， 扒渣前將鋼水w(P)脫至0.006%以下，扒渣后可以滿足中間包鋼水w(P)≤0.008%的要求。

3.3 實(shí)踐效果

采用轉(zhuǎn)爐+出鋼后脫磷工藝后，不僅可以將中間包w(P)穩(wěn)定控制在0.008%以下，轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)間平均縮短了約5 min，連續(xù)澆鑄的爐數(shù)由初期的5-8爐延長(zhǎng)至≥12爐，低磷鋼產(chǎn)量得到大幅增加。轉(zhuǎn)爐采取單渣操作，煤氣回收量得到了較大增加，減少倒前期渣，延長(zhǎng)連續(xù)澆鑄爐數(shù)使鋼鐵料消耗降低明顯，還降低了石灰和白云石加入量。其加合金操作調(diào)整至扒渣后進(jìn)LF爐時(shí)進(jìn)行，新工藝與初期雙渣法工藝相比，物料消耗對(duì)比如表3所示，按照公司當(dāng)前物料采購價(jià)格，新工藝平均降低生產(chǎn)成本約22元/t鋼。

表3 兩種工藝物料對(duì)比

4 結(jié)束語

1)采用120 t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐+出鋼后脫磷工藝生產(chǎn)低磷鋼，可以滿足中間包w(P)≤0.008%要求，連澆爐數(shù)≥12爐，磷含量的控制不再是低磷鋼產(chǎn)量的限制性環(huán)節(jié)。

2)轉(zhuǎn)爐終渣堿度控制在3.5-4.5，終點(diǎn)溫度控制在1605-1625 ℃，終點(diǎn)w(O)≥0.065%，可將出鋼w(P)穩(wěn)定控制在0.011%以下，也可保證出鋼后進(jìn)一步脫磷效果。

3)采用新工藝生產(chǎn)低磷鋼，LF爐平均脫磷率51.2%，扒渣后平均返磷率34.6%，生產(chǎn)成本平均降低了約22元/t鋼。