90 t頂吹轉(zhuǎn)爐冶煉超低磷鋼工藝開發(fā)

尚世震 ，臧紹雙 ，李泊 ，陶功捷 ，王爽 ，高立超

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

隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，高級別鋼種的開發(fā)日益增多，對鋼水潔凈度、鋼坯、鋼材的質(zhì)量要求日趨苛刻。2018年鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠一分廠（以下稱一分廠）板坯鑄機年修后，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)的耐候鋼、水電鋼、LNG低溫儲氣用鋼、高級別耐磨鋼、模具鋼、高錳鋼、軍工鋼等鋼種對磷、硫、氮等元素要求極其嚴(yán)格，有些鋼種甚至要求磷含量小于0.005 0%。2018年以前一分廠采取雙聯(lián)方式生產(chǎn)超低磷鋼水［1］，轉(zhuǎn)爐冶煉熔時長，磷含量的控制限制了轉(zhuǎn)爐產(chǎn)能的釋放。為了加快冶煉周期，釋放轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)能力，一分廠從全流程、系統(tǒng)降本的角度出發(fā)，通過對全程溫度、物料以及時間等嚴(yán)格計算，開發(fā)出了轉(zhuǎn)爐雙渣冶煉沸騰出鋼、LF爐脫P冶煉超低磷鋼水的新工藝，能將成品磷含量穩(wěn)定降低0.001 9%，完全代替了之前的雙聯(lián)法，為高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了保障。

1 超低磷鋼冶煉工藝路線及參數(shù)控制

一分廠超低磷鋼冶煉工藝路線為：90 t氧氣轉(zhuǎn)爐 （雙渣冶煉）沸騰出鋼→鋼水扒渣→LF爐脫磷→鋼水二次扒渣→LF爐精煉→VD爐精煉→連鑄。

1.1 鐵水選取

統(tǒng)計現(xiàn)場多爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)，得到鐵水P、Si含量對出鋼P含量的影響見圖1。圖1中虛線區(qū)域為目標(biāo)區(qū)域。由圖1看出，鐵水Si、P含量對轉(zhuǎn)爐雙渣脫磷的影響較大。現(xiàn)場生產(chǎn)制定的鐵水選取標(biāo)準(zhǔn)為：目標(biāo)要求鐵水P含量 ≤0.050%,越低越好，鐵水Si含量控制在0.25%～0.60%。

圖1 鐵水P、Si含量對出鋼P含量的影響

1.2 轉(zhuǎn)爐冶煉

轉(zhuǎn)爐采取雙渣冶煉方式，使用活性石灰快速成渣，吹煉過程控制爐渣活躍度，嚴(yán)禁爐渣返干。通過控制爐渣堿度實現(xiàn)前期快速成渣，中后期高堿度達到持續(xù)脫P效果。渣料加入時機和渣料的組成是控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，依據(jù)冶煉時間和鐵水硅含量確定渣料加入時間、數(shù)量及堿度的控制值。針對兩種硅含量，統(tǒng)計了渣料加入時間、數(shù)量及堿度控制情況，見表1。

表1 渣料加入時間、數(shù)量及堿度控制情況

前期去磷效果不僅與渣料加入時機、爐渣堿度有關(guān)，還與前期溫度控制情況相關(guān)。圖2為脫磷率與前期鋼水溫度控制的關(guān)系，由圖2看出，1 450～1 499℃的脫磷率最高。統(tǒng)計現(xiàn)場數(shù)據(jù)得出，在吹煉8～10 min，氧累控制在3 000～3 400 m3進行一次放渣，放渣溫度控制在1 450～1 500℃的條件下，脫磷率最高。

圖2 脫磷率與前期鋼水溫度控制的關(guān)系

放渣結(jié)束后采取二次造渣，過程參數(shù)為：氧壓0.7～0.8 MPa，氧氣流量 17 500～19 000 m3/h，槍位控制在1.5～2.6 m。終點前30 s槍位降到1.1～1.2 m,穩(wěn)定控制末期槍位。

鋼液在氧化性氣氛下的脫磷反應(yīng)如下［2］：

從上述反應(yīng)式可以看出，鋼液中O含量和渣中CaO含量是脫P反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)，隨著鋼液中O值增加或渣中CaO的增加，脫P向正反應(yīng)方向進行。統(tǒng)計得到中間包P含量與轉(zhuǎn)爐終點鋼水P含量的關(guān)系見圖3。由圖3看出，終點鋼液中P含量超過0.008%時，中間包P含量≥0.004%，很難滿足超低P鋼的生產(chǎn)要求。

圖3 中間包P含量與轉(zhuǎn)爐終點鋼水P含量的關(guān)系

鋼液中氧含量與LF爐脫磷率的關(guān)系見圖4。由圖4中得出，鋼液中氧值的對數(shù)與LF爐脫P率的對數(shù)成正比例關(guān)系，隨著鋼液中氧含量的增加，LF爐脫磷率增加。由于光譜化驗偏差成品P與中間包P的偏差值在±0.001 0%，中間包P要求≤0.004 0%，LF爐脫P率≥70%，否則不能滿足鋼種成品P≤0.005%的要求。

圖4 鋼水中氧含量與LF爐脫磷率的關(guān)系

因此，轉(zhuǎn)爐終點控制目標(biāo)為：鋼液中O含量≥0.06%，P≤0.008%，終點溫度控制在 1 620～1 660℃。

鋼水采取沸騰方式出鋼。出鋼前使用軟質(zhì)擋渣塞對出鋼口進行擋渣作業(yè)，減少出鋼帶渣，出鋼過程對鋼水罐采取罐道吹氬，氬氣控制保證鋼水罐內(nèi)吹氬點附近鋼液有翻騰現(xiàn)象即可，同時往鋼水罐內(nèi)補加2.0～3.0 kg/t鋼白灰小粒，起到鋼水渣洗效果，出鋼后再加入3.0～4.0 kg/t鋼白灰小粒起到保溫、隔絕空氣、吸附夾雜、稠渣等效果。

1.3 鋼水扒渣處理

對鋼水采取扒渣后入LF爐處理和不扒渣直接入LF爐處理，對比上述2種方式下各環(huán)節(jié)的脫磷情況，見表2。

表2 各工序脫磷情況

由表2看出，出鋼后對鋼水采取扒渣后入LF爐脫P效果要優(yōu)于不扒渣直接入LF爐脫磷。此環(huán)節(jié)主要控制扒渣時間和質(zhì)量，由于鋼水采取沸騰方式出鋼，鋼水溫降大，扒渣過程長鋼水表面會出現(xiàn)結(jié)殼現(xiàn)象，扒渣時間不能超過15 min，扒渣后鋼水面裸露85%即可滿足LF爐脫磷要求。

1.4 LF爐脫磷處理

精煉脫磷是建立在鋼水罐中鋼液未脫氧仍處在氧化性氣氛的前提下，將渣洗方式帶入LF爐，更深入、更完全的實現(xiàn)脫P效果。入LF爐的鋼水罐內(nèi)鋼液的氧含量維持在≥0.04%，在LF爐處理過程控制頂渣堿度≥7.5，脫磷率與堿度的關(guān)系見圖5。由圖5看出，隨著堿度的增加，脫磷率提高，但是堿度超過7.5后，脫磷率提高的不明顯。脫磷效果還與頂渣的流動性密不可分。保證渣中FeO≥18%并且加入螢石1.5～2.5 kg/t鋼，能保證頂渣具有良好的流動性,起到了高效的脫磷效果。

圖5 脫磷率與堿度的關(guān)系

LF爐處理過程氬氣控制如下：

加熱過程使用常規(guī)氬氣，氬氣壓力控制在0.3～0.5 MPa，氬氣流量控制為240～350 L/min；

抬電極后攪拌氬氣調(diào)整，氬氣壓力控制在0.8～1.0 MPa，氬氣流量控制為450～600 L/min。

LF爐處理過程溫度控制如下：

脫P過程溫度控制在1 560～1 580℃；

脫P結(jié)束后終點溫度控制1 610～1 630℃。

1.5 二次鋼水扒渣

LF爐搬出前進行鋼水稠渣，稠渣白灰6.0～8.0 kg/t鋼。扒渣過程中，由于溫度高、鋼水氧化性高，造成扒渣末期鋼水表面出現(xiàn)渣膜，此渣膜很難扒除，對后續(xù)處理會產(chǎn)生嚴(yán)重的回磷現(xiàn)象。扒渣后期鋼水只剩表層渣膜后，再往鋼水罐中加入2.0～3.0 kg/t鋼白灰小粒，通過再次稠渣將鋼水表面形成的渣膜重新熔解到新加入的白灰中，使用扒渣耙將鋼水再次攤開，使白灰覆蓋鋼水表面5～8 min，再次進行扒渣作業(yè)。

扒渣效果要求：保證鋼水95%以上裸露，扒后加白灰量2.0～3.0 kg/t鋼，起到保溫和隔絕空氣防止污染鋼水的作用。

1.6 LF爐精煉處理

扒渣后鋼水仍是氧化氣氛，鋼中含有0.03%～0.05%的氧，可有效阻止鋼水吸氮。鋼水回爐后在氧化性氣氛下進行升溫處理，溫度達到1 560～1 580℃后，對鋼水調(diào)整成分。首先，對鋼水進行頂渣改質(zhì)，改質(zhì)過程中沾取頂渣，根據(jù)渣樣顏色來判斷頂渣改質(zhì)情況，直至渣樣顏色呈灰白色。頂渣改質(zhì)后，根據(jù)鋼水成分要求配加合金。精煉采用高堿度精煉渣，具有較強的脫硫和吸附夾雜的能力［3］，精煉過程保證白渣的處理時間≥30 min，氧化性（FeO+MnO）＜1.0%，以保證脫硫、去除夾雜效果。

1.7 VD爐精煉處理

VD真空處理的真空度為66.7 Pa，保壓時間25～30 min，對鋼水進行脫氮處理，進站時鋼水中的氮含量為0.004 0%～0.006 0%。真空處理結(jié)束時，鋼水中的氮含量為0.001 5%～0.003 0%，脫氮率為50%～75%；VD破空后回LF爐并向鋼包中喂 SiCa線，對夾雜物進行變性處理，喂入量3 m/t；喂線后鋼包靜吹氬時間保證在＞10 min，保證夾雜物的充分上浮、去除。

2 取得的效果

2.1 縮短熔時釋放轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)能力

工藝改進前后的轉(zhuǎn)爐冶煉熔時對比見表3。

表3 工藝改進前后的轉(zhuǎn)爐冶煉熔時對比 min

采取雙渣冶煉后，轉(zhuǎn)爐區(qū)域縮短了爐前冶煉熔時達25 min，又將2座轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)前、后半鋼的模式轉(zhuǎn)變?yōu)閱无D(zhuǎn)爐供鋼，而另一座轉(zhuǎn)爐可以正常冶煉，充分釋放了轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)能力，提高了單位時間轉(zhuǎn)爐的作業(yè)率。

2.2 降低鋼水中磷、硫、氮及全氧含量

選取5爐鋼水試樣，以檢驗工藝改進后對鋼水成分的影響。

（1） 磷含量

圖6為各工序磷含量情況。從圖6可以看出，成品磷控制在0.003 0%以下，平均磷含量為0.002 4%，較原雙聯(lián)工藝均值降低0.001 9%（原雙聯(lián)工藝為0.004 3%）。轉(zhuǎn)爐出鋼磷最高可以達到0.008 0%，但原雙聯(lián)工藝出鋼磷必須控制在0.004 0%以下才滿足鋼種冶煉要求。新工藝的實施將出鋼磷含量適當(dāng)放寬至不大于0.008 0%，冶煉過程磷的控制不再是轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的限制性環(huán)節(jié)。

圖6 各工序磷含量

冶煉過程中，從轉(zhuǎn)爐出鋼到LF爐脫P都處在氧化性氣氛中，脫P效果明顯，二次鋼水扒渣后再次回LF爐配鋁調(diào)整頂渣過程到中間包成品樣的回 P量為 0.001 0%～0.001 5%。

（2）硫含量

各工序硫含量見圖7。從圖7可以看出，成品硫控制在0.000 6%～0.001 5%，平均含量為0.001 0%，與原雙聯(lián)工藝成品控制水平（0.001 1%）相近。

圖7 各工序硫含量

（3） 氮含量

圖8為各工序氮含量。從圖8看出，成品氮含量控制在0.001 5%～0.003 5%，平均為0.002 6%，比原雙聯(lián)工藝采取轉(zhuǎn)爐脫氧合金化后鋼水成品氮含量（0.003 8%）的控制水平略有降低。

圖8 各工序氮含量

（4） 全氧含量

統(tǒng)計中間包全氧含量為0.001 57%，與原雙聯(lián)工藝（0.001 48%）相比變化不大，滿足現(xiàn)有鋼種生產(chǎn)的需求。

3 結(jié)論

（1）鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠采用90 t氧氣轉(zhuǎn)爐 （雙渣冶煉）沸騰出鋼→鋼水扒渣→LF爐脫磷→鋼水二次扒渣→LF爐精煉→VD爐精煉→連鑄的工藝路線生產(chǎn)超低磷鋼水，替代了原有的雙聯(lián)工藝，既提高了轉(zhuǎn)爐爐前冶煉速度，縮短了熔時，又可以將出鋼磷含量適當(dāng)放寬至不大于0.008 0%，使得冶煉過程磷的控制不再是轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的限制性環(huán)節(jié)。

（2）采用上述工藝生產(chǎn)的超低磷鋼水成分中，磷含量均值比原來雙聯(lián)法降低了0.001 9%，氮、硫及全氧含量均達到較低水平，滿足超低磷鋼水純凈度的要求。