鞍鋼100 t頂吹轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法脫磷工藝的研究

欒花冰 ，王爽 ， 孫振宇 ，李泊 ，馬超 ，朱曉雷

（1.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山114021；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009；3.鞍鋼招標(biāo)有限公司，遼寧 鞍山 114033）

鋼中磷含量是衡量產(chǎn)品品質(zhì)的重要因素之一。對(duì)于絕大多數(shù)鋼種來說，磷元素越低越好。磷在晶界上偏聚會(huì)引起鋼材的回火脆性并且降低鋼材的低溫韌性，還會(huì)降低鋼的抗裂紋性、可焊性、機(jī)械性能以及不銹鋼的抗腐蝕性。因此，降低鋼水中的磷含量是轉(zhuǎn)爐冶煉過程中的重要操作之一，也是冶煉高附加值產(chǎn)品的前提。相關(guān)文獻(xiàn)介紹過耐腐蝕管線用鋼、原子能鋼、航空用鋼要求磷小于0.005%。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)鋼廠均采用轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法脫磷以及鐵水“三脫”等先進(jìn)工藝處理鋼水，以達(dá)到深脫磷的目的[1-3]。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠一分廠9Ni鋼、高錳鋼、簾線鋼、核電鋼、石油管線鋼以及軍工鋼等品種要求磷含量小于0.010%甚至小于0.008%，產(chǎn)品目標(biāo)ω[P]≤0.010%的品種比例迅速增加。由于鋼廠使用的原材料價(jià)格上漲，高爐提供的鐵水條件卻逐漸變差，為了確保核電鋼、石油管線鋼、軍工鋼等鋼種高質(zhì)量、高附加值的要求，必須降低煉鋼成本，改善轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷效果，研究適合一分廠100 t轉(zhuǎn)爐的雙聯(lián)脫磷工藝。

1 脫磷反應(yīng)分析

氧化脫磷反應(yīng)是渣-金界面反應(yīng)，轉(zhuǎn)爐內(nèi)熔池的主要脫磷反應(yīng)如下[4]：

從式（1）、（2）可以看出，爐渣堿度、FeO 含量及鋼水溫度是影響脫磷效果的主要因素。脫磷反應(yīng)為放熱反應(yīng)，當(dāng)溫度升高時(shí)，P的分配系數(shù)Lp減小，脫磷率有所下降。渣中FeO、CaO含量的增加有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。因此，操作上要控制好熔池溫度，造高堿度、高氧化性的爐渣極為關(guān)鍵。

2 頂吹轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法工業(yè)實(shí)踐

雙聯(lián)法煉鋼是利用1座轉(zhuǎn)爐脫除鐵水中磷，其利用的是轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)自由空間大、氧化氣氛強(qiáng)、形渣速度快、能達(dá)到強(qiáng)烈攪拌鋼水等特點(diǎn)；利用另外1座轉(zhuǎn)爐脫除鋼中的碳含量，其通過頂吹氧將鋼中碳、磷、硫等元素控制到目標(biāo)要求，同時(shí)溫度達(dá)到目標(biāo)要求。采用2座轉(zhuǎn)爐組織生產(chǎn)，以達(dá)到有效改善鋼水質(zhì)量的目的。

2.1 雙聯(lián)法前半鋼階段分析

雙聯(lián)法前半鋼階段主要工作：將前半鋼出鋼碳控制在2%以上，出鋼磷控制在0.02%以下，出鋼溫度控制在1 400℃以上，以保證雙聯(lián)后半鋼冶煉的溫度要求和成分控制要求。為達(dá)到以上目的，需確定前半鋼出鋼磷含量與出鋼溫度、爐渣堿度、爐渣FeO含量之間的關(guān)系。

2.1.1 前半鋼關(guān)鍵參數(shù)與脫磷率的關(guān)系

為了找出生產(chǎn)實(shí)際中最佳的控制參數(shù)，統(tǒng)計(jì)分析了一個(gè)月的數(shù)據(jù)。前半鋼不同終點(diǎn)溫度、爐渣堿度和爐渣中FeO含量與脫磷率的關(guān)系見圖1～3。從圖1前半鋼不同終點(diǎn)溫度和脫磷率的關(guān)系來看，出鋼溫度的高低影響轉(zhuǎn)爐的脫磷效率。盡管從理論上說低溫對(duì)脫磷有利，但是生產(chǎn)實(shí)踐表明，在溫度范圍為1 450～1 490℃時(shí)，爐渣流動(dòng)性較好，低溫、流動(dòng)性好、活躍的爐渣更有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行，所以最佳的出鋼溫度控制到1 450～1 490℃。從圖2看出，隨著爐渣中堿度的增加，脫磷能力逐步增強(qiáng)。根據(jù)實(shí)際情況，將爐渣堿度控制到2.0～2.5，在爐渣熔化較好條件下可達(dá)到60%以上的脫磷率，滿足前半鋼的去磷要求。從圖3脫磷率與渣中FeO含量的關(guān)系來看，隨著爐渣中FeO含量的增加，鋼渣中的脫磷能力逐步增強(qiáng)。生產(chǎn)實(shí)踐表明，雙聯(lián)工藝生產(chǎn)超低磷鋼前半鋼的終渣FeO含量應(yīng)控制在≥25%。

圖1 前半鋼終點(diǎn)溫度與脫磷率的關(guān)系

圖2 前半鋼脫磷率與堿度的關(guān)系

圖3 前半鋼脫磷率與渣中FeO含量的關(guān)系

2.1.2 前半鋼供氧制度

轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法冶煉前半鋼供氧制度主要涉及槍位、氧壓、供氧強(qiáng)度等，控制出發(fā)點(diǎn)是“初期加大攪拌，前期快成渣，中期保持爐渣活躍，后期保證成分均勻”。

槍位控制上，通過試驗(yàn)對(duì)原氧槍控制方案進(jìn)行了優(yōu)化，達(dá)到了快速成渣的目的，有效地促進(jìn)了脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。表1為前半鋼各階段的槍位控制。在氧壓、氧氣流量控制上，開吹1 min之內(nèi)，吹氧壓力為 0.85 MPa，氧氣流量為 20 000 m3/h，1 min以后將氧壓調(diào)整為0.65 MPa，氧氣流量為18 000 m3/h。通過優(yōu)化氧壓和氧氣流量，既保證加入的第一批渣料盡快熔化，又保證爐渣內(nèi)FeO含量，降低轉(zhuǎn)爐脫碳速率。

表1 前半鋼各階段的槍位控制 m

2.1.3 前半鋼造渣制度

前半鋼造渣制度包括渣料組成和加入方式，達(dá)到“快速成渣、保證爐渣堿度在2.5～3.0”。根據(jù)鐵水硅含量確定爐料加入數(shù)量，確定渣料加入情況。前半鋼渣料加入量見表2。

表2 前半鋼渣料加入量

2.2 雙聯(lián)法后半鋼分析

轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法后半鋼鐵水條件為：溫度1 430～1 470℃；C含量2.00%～3.00%，Si含量≤0.05%，Mn含量≤0.15%。后半鋼主要工作為脫碳，進(jìn)一步脫磷（磷含量小于0.004%），溫度升到目標(biāo)溫度。同前半鋼的分析一樣，確定后半鋼最佳操作參數(shù)。圖4為后半鋼脫磷率與爐渣堿度的關(guān)系。由圖4看出，后半鋼脫磷率隨爐渣堿度的提高而增大。

圖4 后半鋼脫磷率與爐渣堿度的關(guān)系

圖5為后半鋼脫磷率與終渣FeO含量的關(guān)系，由圖5看出，脫磷率則隨終點(diǎn)爐渣中FeO含量的增加而降低，但變化幅度不大。為此，應(yīng)保證終點(diǎn)渣中ω（FeO）≥30%。圖6為后半鋼脫磷率與出鋼溫度的關(guān)系。

圖5 后半鋼脫磷率與終渣FeO含量的關(guān)系

圖6 后半鋼脫磷率與出鋼溫度的關(guān)系

由圖6看出，后半鋼脫磷效率隨出鋼溫度降低而增加，綜合考慮，需將出鋼溫度控制到1 640℃以下。根據(jù)以上分析，需要對(duì)雙聯(lián)法后半鋼階段的操作進(jìn)行優(yōu)化，即開發(fā)后半鋼階段的供氧制度、渣料制度。

2.2.1 后半鋼供氧制度

槍位控制方面，雙聯(lián)法后半鋼槍位控制原則為“前期盡快成渣、中期防止?fàn)t渣返干，后期保證熔池?cái)嚢琛薄?后半鋼各階段槍位控制要求見表3。

表3 后半鋼各階段槍位控制要求 m

氧壓、氧氣流量控制方面，開吹2 min之內(nèi)，吹氧壓力為 0.85 MPa，氧氣流量為 19 800 m3/h；2 min以后氧壓調(diào)整為0.65 MPa，氧氣流量為17 500 m3/h，結(jié)束前2 min氧壓調(diào)整為0.8 MPa,氧氣流量為19 000 m3/h。

2.2.2 后半鋼造渣制度

既要保證爐渣充分熔化，又要保證爐渣堿度，對(duì)雙聯(lián)法后半鋼的渣料組成和加入批次進(jìn)行優(yōu)化，后半鋼各階段渣料組成及加入量如表4。

表4 后半鋼各階段渣料組成以及加入量 t

3 效果分析

采用雙聯(lián)工藝后，統(tǒng)計(jì)了11爐的數(shù)據(jù)，半鋼磷含量和成品磷含量均達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)，其中后半鋼出鋼磷控制在0.002 1%～0.003 0%的比例達(dá)到了55.56%，出鋼磷小于0.002 0%和0.003 1%～0.004 0%的比例均為20%，而最終成品磷控制在0.003 1%～0.004 0%的比例為60%，成品磷控制在0.002 1%～0.003 0%的比例達(dá)到31.11%，成品磷含量小于0.006%的比例達(dá)到100%，完全滿足煉鋼總廠一分廠生產(chǎn)低磷、超低磷鋼的成品要求。采用雙聯(lián)法與普通工藝路線在脫磷率、終點(diǎn)磷含量控制方面的數(shù)據(jù)對(duì)比見圖7、8。由圖7、8看出，雙聯(lián)法比普通工藝路線脫磷率均值提高了5.2%，終點(diǎn)磷均值降低了0.003 4%。

圖7 兩種生產(chǎn)方法脫磷率比較

圖8 兩種生產(chǎn)方法終點(diǎn)磷含量比較

4 結(jié)論

為了滿足鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠一分廠生產(chǎn)低磷、超低磷鋼種對(duì)磷含量的要求，在前期大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論分析結(jié)果，從供氧制度、加料制度方面研究了適用于100 t頂吹轉(zhuǎn)爐的雙聯(lián)控制工藝。結(jié)果表明，成品磷含量控制在0.004%以下的比例占91.11%，成品磷含量小于0.006%的比例達(dá)到100%，采用雙聯(lián)法工藝生產(chǎn)后，完全滿足了低磷、超低磷鋼種的生產(chǎn)要求。

[1]朱英雄，鐘良才，蕭忠敏.復(fù)吹轉(zhuǎn)爐深脫磷技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用與進(jìn)展[J].煉鋼，2013， 29（4）：10-13.

[2]呂銘，胡濱，王學(xué)新，等.雙聯(lián)煉鋼法的研究與實(shí)踐[J].煉鋼，2010，26（3）：8-11.

[3]劉瀏，曾加慶.純凈鋼及其生產(chǎn)工藝的發(fā)展[J].鋼鐵，2000，35（3），68-72.

[4]呂明，朱榮，畢秀榮，等．應(yīng)用COMI煉鋼工藝控制轉(zhuǎn)爐脫磷基礎(chǔ)研究[J]．鋼鐵， 2011， 46（8）： 31-35.