太鋼 50 t電爐純凈鋼生產實踐

王建昌 程 立 張振祥 郝占全

(太原鋼鐵 (集團)有限公司)

太鋼 50 t電爐純凈鋼生產實踐

王建昌 程 立 張振祥 郝占全

(太原鋼鐵 (集團)有限公司)

介紹了太鋼 50 t電爐在純凈鋼生產方面的實踐,闡述了電爐鋼生產過程中對 P、S、O、N、H等元素以及殘余元素的控制措施,分析了太鋼 50 t電爐目前純凈鋼控制水平。

電爐 純凈鋼 實踐

0 前言

純凈鋼生產是 20世紀 90年代以來煉鋼技術發展的核心之一。純凈鋼冶煉工藝研究主要包括兩方面內容:一是采用新工藝盡可能降低鋼中雜質元素的含量,二是開發新技術嚴格控制鋼中非金屬夾雜物的數量和形態。前者是純凈鋼研究面臨的首要任務,只有大幅度降低鋼中雜質元素的含量,才能有效地控制鋼中非金屬夾雜物的數量和形態[1]。太原鋼鐵 (集團)有限公司第一煉鋼廠 (以下簡稱太鋼一煉鋼)配置有高功率電爐、LF爐、VD爐,為純凈鋼生產提供了有利條件,品種多數為車軸鋼、車輪鋼、軍工鋼及高壓氣瓶鋼等純凈度要求嚴格、高質量等級的鋼種。

1 電爐純凈鋼生產設備改進及工藝流程

太鋼一煉鋼受電爐變壓器 (525 kW/t)能力不足、廢鋼資源緊張、廢鋼質量差、裝卸能力不足等諸多條件限制,電爐鋼產量低、鋼質純凈度低。為了進一步提高鋼產量,生產高品質鋼材,通過設備改進及技術攻關,逐步提高鐵水比例,由原來的 30%提高到 70%,同時增加了鐵水脫碳升溫工序,優化了生產流程,縮短了電爐冶煉時間,提高了電爐鋼純凈度。太鋼電爐純凈鋼生產工藝流程為:鐵水脫碳升溫預處理—電爐吹氧熔煉—LF精煉—VD真空精煉—模鑄保護澆鑄。

鐵水脫碳升溫爐是 2004年自主創新開發的一種爐型,是利用鋼包制作成一種轉爐狀可移動容器,鐵水從混鐵爐倒入爐內,運到指定工位通過頂吹氧進行脫碳升溫處理,把高碳鐵水處理成半鋼鐵水,兌入電爐進行冶煉。鐵水處理前后平均成分溫度見表 1。

表1 鐵水脫碳升溫預處理前后平均鐵水成分和溫度

50 t電爐的熱裝鐵水比例達 65%～70%,脫碳升溫預處理是確保在增加電爐熱裝鐵水比例的同時,有效控制電爐脫 C負荷,使電爐冶煉周期縮短 5 min～10 min[2],電爐冶煉電耗降低 80 kW·h/t。采用鐵水脫碳升溫裝置前后,熱裝鐵水比對冶煉周期的影響如圖 1所示。

2 電爐純凈鋼生產實踐

2.1 銅及其它殘余元素的控制

銅及其它殘余元素不能為一般的氧化還原反應有效去除,通常的電爐生產中主要以廢鋼作為主原料,銅及殘余元素在循環使用中不斷累積,因而在電爐生產中銅及殘余元素的控制表現得尤為突出。太鋼 50 t電爐的主原料有鐵水、返回廢鋼、收購廢鋼等,主原料的常用配料模式為:25 t～30 t預處理鐵水 、配裝 20 t～25 t廢鋼和 10 t～15 t鐵水 ,總裝入量 66 t,鐵水比例達到 65%～70%。高比例的鐵水量,使電爐鋼中殘余元素含量達到轉爐鋼的水平。

圖1 采用鐵水脫碳升溫裝置前后熱裝鐵水比對 50 t電爐冶煉周期的影響

2.2 鋼中磷的控制

脫磷是電爐的基本任務之一,脫磷需要高氧勢、高堿度熔渣和低溫、強攪拌,太鋼一煉鋼電爐用鐵水要進行脫碳升溫處理,在脫碳升溫過程中,能夠脫除部分磷。在電爐冶煉過程通過造高氧化性泡沫渣(渣堿度為 2.2左右,FeO含量為 16%～20%)、加入鎂鐵球造渣、充分流渣等措施,可使電爐出鋼時鋼水磷含量達到 0.008%以下。目前,電爐出鋼樣中磷含量基本在 0.003%～0.008%。通過控制電爐出鋼過程中的下渣量、采用低磷含量合金等措施,可降低 LF、VD精煉過程中磷含量增加量。

2.3 鋼中全氧含量及非金屬夾雜物的控制

太鋼 50 t電爐采用偏心爐底出鋼及留鋼留渣操作技術,能夠減少甚至杜絕出鋼過程下渣量,從而降低了鋼包渣中的氧化鐵、氧化錳及其它氧化物的含量。電爐出鋼脫氧采用復合脫氧劑加Al線方式,既強化脫氧效果,又改善了脫氧產物去除的條件。精煉過程加入低熔點預熔合成渣、螢石、石灰等造渣劑,造 CaO-S iO2-Al2O3-CaF2-MgO渣系,過程中加入 CaC2擴散脫氧,造高堿度低氧化性還原渣,渣中 (FeO+MnO)<0.5%,此渣不僅脫氧、脫硫能力強,同時具備吸附夾雜物、降低脫氧產物活度的功效。全部鋼種經過 VD真空處理后,進行 10 min以上的吹氬軟攪拌,進一步促進夾雜物上浮去除,對一些特殊要求的鋼種要進行鈣處理,以改變夾雜物的形態,消除對鋼材性能的不良影響。通過控制鋼水中合適的 Ca/Al,實現了夾雜物的變形、變性,促進了夾雜物的上浮,同時有效地防止了澆注過程中水口的堵塞。喂線后輔以適當的攪拌制度,能夠有效的促進夾雜物的聚合上浮。在澆注前保證一定時間的鋼水弱攪拌對夾雜物的去除尤為重要。

2.4 鋼中硫含量的控制

現代電爐廠鋼水的脫硫主要在 LF工序進行,LF工序通過配置高堿度脫硫渣系,經過擴散脫硫,將鋼中硫含量脫至 10×10-6級別,以滿足高級鋼種的要求。太鋼 50t電爐的終點硫含量控制在0.035%左右,在電爐出鋼過程中,通過加入頂渣(石灰、合成渣等)的混沖作用,脫硫率達到 40%～55%。LF工序通過造高堿度白渣及強還原性氣氛,加之良好的吹氬攪拌,可保證[S]<15 ×10-6,脫硫率可達到 90%以上。VD處理,在高真空條件下渣鋼的充分混合攪拌,可使[S]<10 ×10-6,脫硫率在3O%以上。

2.5 鋼中氮的控制

同轉爐比較而言,電爐煉鋼過程中氮的控制是一個難點,一方面通過占空氣體積 3/4的氮氣在電弧作用下離解而溶入鋼中;另一方面,廢鋼、鐵合金、渣料也會帶入部分氮。太鋼在電爐冶煉低氮鋼方面進行了嘗試,取得了不錯的效果。主要采取以下措施:主原料方面,通過增加鐵水加入量提高鐵水比,降低主原料中的氮含量;采用脫碳升溫裝置可以提前去氮,鐵水量的增加,也提高了電爐的配碳量,通過大流量的水冷氧槍吹氧,保證了較高的脫碳速度,從而達到去除鋼中氮的目的;通過優化鐵水脫碳升溫造渣工藝,在鐵水脫碳升溫過程造好高堿度液態預熔渣,隨脫碳半鋼鐵水兌入電爐后,在電爐冶煉前期快速形成泡沫渣,防止了前期電弧對空氣電離增氮;電爐冶煉中期,通過碳氧槍向爐內噴入碳粉,實現持續的、良好的泡沫渣埋弧操作,隔絕空氣,減少空氣中氮因電弧電離而溶入鋼中;加強對電爐終點碳的控制,使電爐出鋼碳接近成品下限,以減少出鋼過程中增碳劑的加入量,降低增碳劑帶入鋼中的氮量。LF具有良好的密封性,并佐以全程的埋弧操作,使得 LF處理過程中的增氮量維持在較低的水平。LF處理過程,強化脫硫,使硫達到一個極低的水平,為 VD真空脫氮創造條件。VD在深脫硫鋼水的基礎上,通過延長真空處理的時間,可使脫氮率達到 10%～20%。在模鑄澆鑄前在模內進行充氬操作,把模內的空氣置換,防止開澆過程吸氮,澆注過程中采用氬封保護,防止了澆注過程中水口吸氮,避免了澆注過程氮含量增加。

2.6 鋼中氫的控制

溶解于鋼中的氫析出是造成白點、縮孔、發裂等缺陷的主要原因,溶解于鋼中而未析出的氫會降低鋼中的強度極限、沖擊韌性和伸長率等性能。氫主要通過廢鋼表面的鐵銹和增碳劑、造渣材料及鐵合金中的水分而進入鋼中,因而首先要降低主原料中的鐵銹,其次要保證副原料及合金的干燥。太鋼電爐爐料中鐵水比例大,達到 70%,廢鋼裝入量少,并且廢鋼存放在室內料場內,鐵銹含量低,入爐氫含量較低,電爐在高速脫碳的條件下可脫除部分氫;電爐出鋼前,鋼包內提前加入脫氧合金及石灰等造渣料,隨鋼包烘烤 20 min以上,避免了副原料帶入水分,使得 VD處理前鋼中的氫維持在 (3～6)×10-6,VD采用高真空 (100 Pa以下)下保持 15 min以上,VD處理后,鋼中氫含量可達到 1.5×10-6以下。VD采用在線定氫儀進行氫的過程控制,能夠快捷地得到準確的氫含量。

3 電爐純凈鋼冶金效果

3.1 鋼中銅及其它殘余元素

太鋼 50 t電爐采用高鐵水比冶煉技術,降低了廢鋼使用量,同時降低了由廢鋼帶入鋼中的銅及其它殘余元素,目前電爐鋼水中銅含量一般在 0.015%～0.025%范圍,而鋼中五害元素含量基本達到痕量水平 (見表 2)。

表2 鋼中五害元素含量 %

3.2 鋼中磷、硫含量

通過提高鐵水比,電爐低溫脫磷工藝優化,冶煉過程中控制合理的爐渣堿度、氧勢等措施,電爐冶煉過程鋼水磷含量迅速降低,LF、VD、澆注過程控制增磷,使電爐鋼的磷含量控制在較低的水平。鋼水成品磷含量最低可以達到 0.004%,成品磷含量平均為 0.010%。統計 600多爐電爐鋼冶煉過程中各工序鋼水磷含量的變化情況如圖 2所示。

圖2 電爐鋼冶煉過程磷含量變化情況

電爐出鋼過程利用鋼流與渣料的充分攪拌脫硫,LF造高堿度白渣及強還原性氣氛,輔以良好的吹氬攪拌,可達到較高的脫硫率,VD真空下鋼渣充分攪拌,有利于鋼水脫硫,太鋼電爐鋼成品的硫含量平均為 10 ×10-6,最低達到 5 ×10-6。圖 3為統計600多爐鋼水冶煉過程中各工序硫含量的變化情況。

圖3 電爐鋼冶煉過程中硫含量變化情況

3.3 鋼中氣體含量

電爐冶煉過程中采用泡沫渣技術防止前期電弧對空氣電離增氮,并精確控制出鋼碳含量,降低由增碳劑帶入的氮含量;LF精煉過程中全程埋弧操作,使得 LF處理過程中的增氮量維持在較低的水平;在模鑄澆鑄前在模內進行充氬操作,把模內的空氣置換,防止開澆過程吸氮;澆注過程中采用氬封保護,防止了澆注過程中水口吸氮,避免了澆注過程氮含量增加。目前電爐鋼成品氮含量能穩定控制在0.005%以內。電爐鋼冶煉過程中任取 5爐鋼分析過程中氮含量變化情況如圖 4所示。

圖4 電爐鋼冶煉過程中氮含量變化情況

通過降低電爐入爐鋼鐵料的鐵銹,保證入爐原輔料干燥并進行烘烤,降低了 VD處理前氫含量,VD采用高真空(100 Pa以下)精煉并保持 15 min。VD采用在線定氫儀對鋼水氫含量進行過程控制。圖 5為649爐鋼VD真空處理后鋼中氫含量分布情況。

圖5 VD處理后鋼中氫含量分布情況

3.4 鋼中氧含量及夾雜物控制

電爐出鋼過程采用復合脫氧及加鋁深脫氧,LF造高堿度、強還原性、吸附夾雜物能力強的爐渣,VD結束軟攪拌進一步去除夾雜,鋼中氧含量及夾雜物含量控制在極低的水平。VD結束喂鈣線處理,保證合理的 Ca/Al,使細小的有害夾雜變為無害的球狀夾雜。目前太鋼 50 t電爐鋼全氧含量穩定地控制在 9 ×10-6以下,最低達到 3 ×10-6。鋼中夾雜物呈球狀。

4 結語

1)采用電爐純凈鋼冶煉技術,鋼中磷、硫、氧、氮、氫及夾雜物控制在較低的水平,通過提高電爐熱裝鐵水比例,鋼中殘余元素及五害元素含量明顯降低,達到了轉爐鋼的水平。

2)太鋼 50 t電爐可以穩定地批量生產 P<0.008%,S<0.001%,O<0.0009%,N<0.0050%,H<0.0001%的純凈鋼,并廣泛應用在鐵路車軸、車輪、高壓氣瓶及軍工制造中。

[1] 李茂林,禮重超,彭濤,等.攀鋼純凈鋼生產實踐與探討.鋼鐵釩鈦,2001,22(3):15-19.

[2] DUAN Jian-ping,ZHANG Yong-liang,YANG Xue-min.EAF steelmaking process with increasing hot charging ratio and improving regine[J].International Journal of Minerals,Metallurgy and Materials,2009,16(4):375-382.

PRODUCTION PRACTICE OF CLEAN STEEL IN 50 t EAF AT TISCO

Wang Jianchang ChengLi Zhang Zhenxiang Hao Zhanquan

(Taiyuan Iron&Steel(Group)Co.Ltd)

In this paper,some experiences on clean steelmaking in the 50 t EAF at TISCO are introduced.The control measures of impurity element(P,S,O,N,H)and indusions are discussed and analyzing the operation level of 50 t EAF at present.

EAF clean steel practice

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聯系人:王建昌,高級工程師,山西.太原 (030003),太原鋼鐵 (集團)有限公司技術中心;

2010—10—30