轉爐不同冶煉工藝發展與應用

戴雨翔,楊利彬,王 杰,汪成義

(鋼鐵研究總院冶金工藝研究所,北京 100081)

1 前 言

磷在大多數鋼中是一種有害元素,容易在晶界偏析,造成鋼材“冷脆”降低鋼材的低溫韌性[1]。因此,很多鋼種都對鋼種磷含量有著較為嚴格的要求,優質的鋼種成品磷含量要求低于0.015%,一些航空、船舶、管線鋼要求成品鋼中磷含量小于0.005%。煉鋼過程的脫磷主要由轉爐或鐵水預處理過程完成,由于精煉及連鑄過程中會有回磷的情況產生,因此,這就對轉爐終點磷含量提出了更高的要求[2]。

磷可以通過氧化條件脫除,也可以通過強還原的條件來脫除。當合金中的貴金屬低于鐵時,可以在還原的條件下脫磷,以避免貴金屬的大量流失。實際的生產過程,更多的是在轉爐冶煉過程中完成脫磷任務。轉爐的脫磷工藝主要有單渣法、雙渣法以及雙聯法[3-5]。本文將對近些年的低磷鋼轉爐冶煉工藝進行總結,以對現在低碳低磷鋼生產工藝提供新的思路。

2 轉爐脫磷工藝的主要方法

2.1 轉爐單渣法脫磷工藝

轉爐單渣法是轉爐冶煉過程中只造一次渣中間不進行倒渣操作,直至冶煉終點。單渣法工藝簡單,因為中間不倒爐不倒渣,冶煉周期更短,易于實現自動控制,但是單渣法脫磷率不高,一般在80%～90%,終點磷含量0.01%～0.02%。如果想將磷含量控制到0.01%以內,需要低溫低碳出鋼。也就是說在不采用二次造渣和脫磷預處理的情況下,冶煉低碳鋼(w([C])<0.05%)時最為容易實現低磷鋼生產[6-8]。

鞍鋼股份有限公司自2009年起分別在180 t復吹轉爐、100 t頂吹轉爐和260 t復吹轉爐上進行了單渣法深脫磷的試驗研究,總結出了一套成熟的轉爐單渣法深脫磷冶煉工藝,并取得了控制冶煉終點[P]在0.00 63%～0.007 5%的脫磷效果,為生產低磷鋼、超低磷鋼奠定了技術基礎[9-10]。

當成品鋼中碳含量要求較高時,通過控制成渣過程及最佳成分組成,也可以實現低磷鋼的冶煉,但控制成渣過程的難度較大。武漢鋼鐵公司開發的“單渣高拉碳”工藝冶煉優質高碳鋼,轉爐出鋼時平均磷含量可控制到0.011%,碳含量控制在0.44%[11]。

20世紀80年代初,日本開發了鐵水“三脫”預處理工藝[12],鐵水經預處理后,鐵水中硅含量接近痕跡量,鐵水磷含量大幅降低,鐵水脫硅和脫磷從轉爐冶煉中分離出來,轉爐的冶煉功能簡化為脫碳和升溫,轉爐渣量大幅降低。由于脫磷負擔小,前期化渣脫磷的時間縮短,盡快進入轉爐脫碳期,轉爐產能提高。轉爐“三脫”預處理給轉爐煉鋼帶來的好處有:提高鋼水潔凈度,大量生產低磷低硫鋼水;降低工序成本;易于轉爐操作的簡單化和標準化,提高轉爐產能;提高成分命中率,工序更易于調度。

1982年,日本住友鹿島制鐵所和和歌山制鐵所就采用了鐵水“三脫”預處理工藝,圖1為日本住友和歌山制鐵所少渣脫磷工藝[13]。

圖1 日本住友和歌山制鐵所的少渣脫磷冶煉工藝

工藝通過向魚雷罐中的鐵水噴吹燒結礦粉,鐵水硅由0.6%脫至0.1%以下,噴吹蘇打粉將磷脫到0.01%以下,將硫脫到0.003%以下,處理后的鐵水再由轉爐吹煉,轉爐煉鋼過程渣量小于20 kg/t,噸鋼石灰消耗小于8 kg,對于普通脫硫預處理的鐵水,煉鋼過程渣量在90～130 kg/t。日本鋼管公司福山制鐵所向轉爐提供小于0.1%硅含量的鐵水,轉爐只需要加少量的石灰,低溫狀態下即可實現有效脫磷[14-16]。

2.2 轉爐雙渣脫磷工藝

雙渣法是指轉爐在吹煉過程,中途需要倒出或扒出1/2～2/3的爐渣,然后加入輔料重新造渣。根據鐵水成分和所煉鋼種的要求,可以多次倒渣造新渣。轉爐冶煉超低磷鋼,在無鐵水預處理脫磷的條件下,鐵水磷含量高且吹煉高碳鋼,鐵水硅含量高為防止噴濺或者在吹煉低錳鋼種時防止回錳等,均可采用雙渣操作。其操作的關鍵是確定合適的放渣時間。雙渣留渣法,是指將雙渣法操作的高堿度、高氧化鐵、高溫、流動性好的終渣留一部分在爐內,然后在下一爐次吹煉第一期結束時倒渣,再重新造渣。此法可加速下一爐次吹煉前期初渣的形成,提高前期的脫磷、脫硫率和轉爐熱效率,有利于保護爐襯,降低石灰消耗。采用留渣操作時,關鍵是要防止兌鐵水時發生噴濺。

新鋼在120 t頂底復吹轉爐終點低溫保碳出鋼的條件下,進行了雙渣法冶煉脫磷試驗。結果表明,控制半鋼碳含量2.81%～3.13%、半鋼溫度1 400～1 440 ℃、前期渣堿度在2.0～2.3、w(T.Fe)為14%～16%、中后期渣堿度在3.6～3.8、w(T.Fe)在16%～18%、終點溫度1 580～1 600 ℃的工藝條件下,能夠實現半鋼脫磷率59.83%、脫碳期脫磷率85.71%和終點脫磷率92.57%,終點鋼液w([P])<0.007%,終點渣-鋼磷分配比高達346.38[17-18]。

首鋼第三煉鋼廠針對82B、77B、72A等磷含量要求嚴格的高碳鋼種,進行轉爐脫磷冶煉工藝研究,提出了轉爐雙渣操作與冶煉終點低拉增碳結合的脫磷冶煉工藝,成功解決了高碳鋼水脫磷困難、終點鋼水磷含量超標的問題,降低了鋼水磷含量,提高了鋼的潔凈度和產品質量[19-21]。冶煉72A時具體工藝參數控制及脫磷效果見1和表2。

從表1和表2可以看出,平均石灰加入量在2.2 t,倒渣時間在5 min之前,前期平均溫度為1 400 ℃,這樣有利于前期脫磷,其半鋼磷含量平均控制在0.016%,此時將前期的高磷含量的渣倒出,減少高溫時的鋼液回磷。拉碳溫度控制在1 570 ℃,也有利于減少回磷,并采用低拉增碳的方式,提高了鋼液的脫磷率,終點的碳含量為0.21%,磷含量為0.007%,終點脫磷率平均為88.52%。

表1 首鋼第三煉鋼廠冶煉72A主要工藝參數

表2 首鋼第三煉鋼廠轉爐冶煉72A脫磷效果

典型的雙渣法有MURC工藝[22-23],該工藝又稱為多功能轉爐脫磷工藝,最早由日本新日鐵室蘭開發,工藝流程如圖2所示。

圖2 MURC工藝流程圖

具體工藝過程為:轉爐脫硅和脫磷→脫磷后倒出部分脫磷渣→造脫碳渣脫碳→脫碳渣保留到下一爐脫硅脫磷。

采用MURC工藝,前期脫磷渣堿度低(一般不大于2),全鐵含量不小于8%,可實現有利于脫磷的低溫操作(約1 350 ℃),廢鋼比高,減少了煉鋼渣量和石灰用量。

MURC法的核心在于留渣操作,出鋼之后,將轉爐吹煉終點有較高堿度和氧化性的爐渣留一部分,保證濺渣之后爐內還有一定量的爐渣,確保下一爐吹煉時有足夠的爐渣覆蓋在鋼液表面。由于少渣冶煉末期,渣中FeO含量比較高,渣的黏度小,流動性強,因此濺渣時,應注意加改質劑或輕燒調節MgO含量,形成高熔點的爐渣。

由首鋼開發的轉爐“留渣+雙渣”煉鋼工藝技術,也稱SGRS工藝,在生產中也取得了顯著的效果,該工藝的基本原理為利用低溫有利于脫磷反應的熱力學基本原理,在轉爐吹煉終點,由于溫度較高,鋼水磷含量較低,爐渣已經不具備脫磷能力,轉爐終渣留在爐內,在下一爐吹煉前期由于溫度較低,鐵水中磷含量較高,爐渣重新具備脫磷能力,隨著吹煉進行,在溫度升高至脫磷不利前倒出部分爐渣,之后進行再造渣進行脫碳階段的吹煉。該工藝重復利用了上爐留渣,避免了常規工藝因倒渣而導致的轉爐內殘鋼隨爐渣倒出引起的鋼鐵料損失[24]。

雙渣法存在以下問題:

(1)煤氣回收的問題。煤氣回收量降低30%～40%,影響3～3.5 min煤氣回收時間。同時,可能會發生泄爆,泄爆產生的原因為:中途提槍時爐氣中CO含量高,提槍后與系統吸入空氣中的氧形成爆炸性氣體;二次下槍時,由于碳氧快速反應,生成CO與開吹前系統中殘存的氧氣形成爆炸性氣體。

(2)倒渣較為困難。前期溫度低,渣流動性不好,倒渣時會帶鐵出爐,影響金屬收得率,特別是生產低磷鋼或極低磷鋼時,前期渣量大,溫度控制不好,這種現象將更為明顯。如果渣回收利用,可減少部分鐵損失。

(3)影響轉爐冶煉節奏。與正常爐次相比,由于中間倒渣,冶煉周期延長5～7 min。

2.3 轉爐雙聯脫磷工藝

20世紀90年代中后期,為了解決超低磷鋼的生產問題,提出了轉爐雙聯脫磷工藝。轉爐雙聯脫磷工藝是兩座轉爐聯合作業,一座轉爐脫磷,另一座轉爐接受來自脫磷轉爐的低磷鐵水進行脫碳。典型的轉爐雙聯工藝流程為:高爐鐵水→鐵水預脫硫→轉爐脫磷→轉爐脫碳→(精煉)→連鑄。目前日本住友和歌山制鐵所、川崎制鐵水島廠、NKK福山廠以及新日鐵藍室制鐵廠等鋼廠均采用轉爐雙聯法進行大規模生產[25-27]。轉爐雙聯脫磷具有以下特點:

(1)爐容比大,對鐵水脫硅沒有苛刻的要求,有利于轉爐脫磷;

(2)處理方法簡單,可采用轉爐渣作為脫磷劑;

(3)渣量降低,冶煉時間縮短;

(4)處理過程熱效率高;

(5)可采用全氧氣操作,適宜大批量處理。

日本住友鹿島制鐵所采用轉爐雙聯,一個脫磷轉爐供應兩個脫碳轉爐鐵水,脫磷轉爐還有25%的富余鐵水供給其他煉鋼廠。圖3為日本住友鹿島制鐵所采用的轉爐雙聯法[28]。

圖3 日本住友鹿島制鐵所轉爐雙聯法

日本住友鹿島制鐵所脫磷轉爐技術指標為:吹煉時間8 min,冶煉周期22 min,廢鋼比為10%,出鐵溫度為 1 350 ℃,石灰用量18 kg/t,渣量為40 kg/t,磷含量降至0.011%。脫碳轉爐技術指標為:吹煉時間14 min,冶煉周期30 min,錳礦用量15 kg/t,渣量20 kg/t。NKK福山三煉鋼300 t轉爐采用轉爐雙聯工藝后,轉爐脫磷渣量為20 kg/t,轉爐脫碳渣量為8 kg/t。

國內也有數家鋼鐵企業采用過雙聯工藝生產,如寶鋼、首鋼京唐等。首鋼京唐公司采用“全三脫”(脫硅、脫硫、脫磷)工藝生產潔凈鋼,全部鐵水通過脫硫處理,使硫質量分數控制在0.002%左右,入爐鐵水磷含量在0.110%左右,鐵水溫度為1 350 ℃。冶煉周期45 min左右。脫磷爐終點磷的質量分數可以控制在0.02%～0.03%。

從表3中可以看出,國內雙聯工藝的指標與國外還存在一定的差距,比如吹煉時間、冶煉周期偏長、渣量偏高、脫磷水平不穩定等,還需要進一步開展技術攻關,更好地發揮雙聯工藝的優勢。

表3 轉爐雙聯工藝在國內外鋼廠指標情況

續表

3 結論與展望

近二十年來,我國鋼鐵產能的逐步提高,轉爐冶煉工藝也在不斷的發展,本文梳理了單渣法、雙渣法和雙聯轉爐冶煉工藝的特點,比較了不同工藝的優缺點,主要結論如下:

(1)單渣法冶煉周期段、工藝簡單,易于實現自動控制,但是脫磷效果一般,只有在低溫低碳的終點條件下,較容易實現低磷鋼生產。

(2)雙渣法可以防止噴濺、脫磷效果好,合理的雙渣留渣工藝可以加速前期成渣,提高前期脫磷、脫硫以及轉爐熱效率,也可以保護爐襯降低石灰消耗。但是雙渣法倒渣困難,前期溫度控制不好,可能會帶鐵出爐,降低金屬收得率,同時,冶煉周期比單渣法更長;

(3)雙聯工藝脫磷效果好,渣鐵分離更容易,降低石灰消耗,在控制合理時,可以縮短整個的生產周期。但是目前國內鋼鐵企業尚未完全發揮出雙聯工藝的優勢,石灰消耗、脫磷水平以及冶煉周期還存在進一步優化的空間。

當今我國的鋼材種類以棒線材為主,棒線材以轉爐-精煉-連鑄流程為主,不同企業產品質量差距巨大,與特鋼相比棒線材成分要求簡單,轉爐冶煉也以單渣與雙渣為主,這也是我國雙聯工藝應用不普及的原因。2022年,鋼鐵行業虧損面擴大、虧損程度加深,高質量發展面臨嚴峻挑戰,對應不同的鋼種,轉爐工藝也必須進行調整和發展,提高轉爐工藝的冶煉效率降低冶煉成本,為碳達峰目標做好鋪墊,實現鋼鐵產業升級與轉型。