轉爐生產低磷鋼的工藝研究與實踐

張 賢

（河鋼集團唐山不銹鋼有限責任公司，河北063000）

0 引言

磷是鋼中的有害元素，容易在晶界偏析，造成鋼材“冷脆”，顯著降低鋼材的低溫沖擊韌性，引起鋼的低溫脆性和回火脆性。高級優(yōu)質鋼對磷含量的要求越來越嚴格，特別是對于低溫用鋼、海洋用鋼、抗氫致裂紋鋼等高級別鋼材，鋼中磷含量小于0.010%，甚至小于0.005%才能夠滿足使用要求。隨著市場對高級優(yōu)質鋼材需求量的增加，低磷鋼、超低磷鋼作為純凈鋼生產環(huán)節(jié)中不可缺少的一部分，受到越來越多的關注，采用新技術、新工藝盡可能降低鋼中磷含量成為眾多鋼鐵企業(yè)的主要研究方向。

唐山不銹鋼有限責任公司通過對脫磷熱力學條件的研究分析，以及國內外低磷鋼生產方法的研究，結合不銹鋼公司現(xiàn)有的鐵水條件、轉爐裝備條件以及冶煉鋼種結構，并結合轉爐現(xiàn)有的脫磷工藝，對轉爐的脫磷操作工藝進行了優(yōu)化調整，提升了轉爐脫磷的能力，為低磷鋼種的開發(fā)奠定了基礎。

1 轉爐脫磷反應條件

轉爐脫磷是氧化放熱反應，脫磷反應是在渣鋼界面進行的，其化學反應式為：

由以上脫磷反應式可以得到脫磷反應的熱力學條件為：

（1）提高爐渣中CaO含量，即提爐渣堿度，有利于脫磷反應的進行；

（2）由于脫磷是氧化反應，提高爐渣的氧化性，即提高渣中的氧化鐵含量，有利于脫磷反應的進行；

（3）由于脫磷是可逆反應，提高轉爐渣量有利于脫磷反應的進行和脫磷效果的穩(wěn)定；

（4）由于脫磷是放熱反應，低爐溫有利于脫磷反應的進行。

從動力學方面考慮

（1）爐渣良好的流動性有利于脫磷產物的擴散，可以促進脫磷反應的進行；

（2）增加轉爐的渣鋼反應面積，增加轉爐渣鋼界面的混合動能，可以提高脫磷反應的速度。

2 開發(fā)動態(tài)堿度模型

通過對轉爐脫磷熱力學條件和不銹鋼公司轉爐生產工藝中存在的固有模式研究，發(fā)現(xiàn)煉鋼鐵水成分波動大，其中鐵水Si含量波動范圍在0.15%～1.2%之間，P含量波動范圍在0.11%～0.145%之間；另外轉爐冶煉生產時，堿度控制范圍工藝標準為2.8～3.5，未充分考慮渣量、終渣FeO含量、終點溫度、不同鋼種磷的控制要求等因素。這些問題導致轉爐生產中脫磷效果不穩(wěn)定，難以滿足不銹鋼公司品種結構復雜的冶煉需求，尤其是無法完成低磷鋼種的穩(wěn)定生產。

不銹鋼公司轉爐是基于LOMAS煙氣分析的自動化煉鋼系統(tǒng)，其中轉爐自動化煉鋼二級系統(tǒng)由靜態(tài)模型（熱平衡、物料平衡模型）+動態(tài)模型組成，為爐渣堿度精準控制、動態(tài)控制創(chuàng)造了良好的條件。為了改善轉爐生產中脫磷效果的穩(wěn)定性，滿足低磷鋼種生產的穩(wěn)定，在轉爐自動化煉鋼二級系統(tǒng)基礎上建立了轉爐渣堿度與鐵水Si含量的回歸方程，同時綜合考慮了終點溫度、終點碳、終點磷、脫磷效率等對脫磷效果的影響，對堿度控制動態(tài)模型進行了優(yōu)化。具體參見圖1鐵水Si與爐渣R新擬合關系圖。

圖1 鐵水Si與爐渣R新擬合關系圖

由圖1可見，在轉爐終點溫度、終點碳、終點磷、脫磷效率等條件相同條件下，動態(tài)堿度與鐵水硅含量的對應公式為：

考慮到影響終點磷命中的其他因素如終點溫度、終點碳、終點磷、脫磷效率等對脫磷效果的影響，動態(tài)堿度的公式優(yōu)化為：

其中：y為堿度，x為硅含量，a為終點溫度參數(shù)，b為終點碳參數(shù)，c為終點磷參數(shù)，d為脫磷效率參數(shù)，e為轉爐渣量參數(shù)。堿度計算模型擬合系數(shù)見表1。

通過應用堿度動態(tài)調整模型，不銹鋼公司實現(xiàn)了轉爐終點溫度1 620℃～1 690℃、終點碳0.025%～0.06%、終點磷0.008%～0.020%、鐵水磷＜0.150%的條件下，成品磷含量合格率100%。

3 開發(fā)標準補吹模型冶煉超低磷鋼種

3.1 目前超低磷鋼種生產工藝

表1 堿度計算模型擬合系數(shù)

超低磷鋼一般指鋼中磷含量≤0.005%的鋼，國內外企業(yè)開發(fā)了多種鋼水脫磷及冶煉超低磷鋼的方法。上世紀80年代初期，以新日鐵和住友為代表的日本鋼鐵企業(yè)及我國太鋼、寶鋼相繼開發(fā)應用了鐵水罐、魚雷罐中鐵水預處理脫磷技術，但由于鐵水溫降大、反應界面小、廢鋼比低（≤5%）、脫磷爐渣處理難（堿度過高）、處理效率差等原因，不能達到良好的脫磷效果。受現(xiàn)場條件限制，國內各鋼鐵企業(yè)又相繼研究采用了轉爐爐內單渣法、留渣法、雙渣法、雙渣留渣法等進行鋼水的深度脫磷，但單渣法適用全新料，雙渣法存在前期倒渣溫度低，渣料融化效果不好的現(xiàn)象，留渣法兌鐵過程容易噴濺造成安全隱患，上述方法同樣存在脫磷不穩(wěn)定的問題。20世紀90年代中后期，日本及國內寶鋼開發(fā)了轉爐雙聯(lián)工藝技術，隨后首鋼、重鋼和鞍鋼也都選用了雙聯(lián)法煉鋼工藝，但是雙聯(lián)工藝要求必須采用兩個轉爐，一個作為脫磷轉爐，一個作為脫碳轉爐，且需要半鋼鋼包實施中間環(huán)節(jié)的倒運，鋼水溫度損失大，并且受裝備水平和車間改造難度限制，不能普及使用。

3.2 標準補吹模型的開發(fā)

不銹鋼公司標準補吹模型的開發(fā)是基于雙渣法冶煉低磷鋼工藝，與雙渣法不同之處在于初期渣倒渣時機的確定，主要考慮到倒爐過早溫度低，爐渣尚未熔化好脫磷效果不佳，同時未熔化好渣不易倒出，且鐵損大。另外終點C含量及溫度的控制也考慮到不銹鋼公司應用了基于煙氣分析的自動化煉鋼系統(tǒng)的影響，對于終點的判斷低碳范圍控制精準，高碳判斷偏差較大。

基于上述原因，不銹鋼公司開發(fā)了標準補吹模型冶煉低磷鋼的工藝，標準補吹模型是通過將“主吹煉”與“補吹煉”有效結合，對主吹煉過程結束時機進行優(yōu)化調整，確保終點P達到較低水平進行倒渣，補吹煉階段重新造渣提高爐渣堿度以利于脫磷，實現(xiàn)超低磷鋼（成品P含量≤0.005%）的穩(wěn)定生產。標準補吹步驟及關鍵控制點見表2。

表2 標準補吹步驟及關鍵控制點

標準補吹的“主吹煉”終點時機為：C含量范圍0.05～0.08%，溫度范圍1 600℃～1 630℃，堿度范圍3.0～3.4，爐渣MgO含量范圍7～8%，吹煉過程底吹供氣強度0.08～0.12 Nm3/t·min，吹煉結束后靜置60s（底吹供氣強度 0.15 Nm3/t·min）；靜置結束后倒爐倒渣30%-40%；倒渣結束后，重新加料造渣（確保爐渣堿度范圍為3.5～4.0）并補吹（氧槍槍位1.8 m）進行再次脫磷，確保終點P達到≤0.004%，為升溫和防止后吹根據(jù)實際溫度與目標溫度的差值加入適量硅鐵；補吹結束后進行靜置90～120 s（底吹供氣強度0.15 Nm3/t·min）；為避免出鋼過程下渣回磷，轉爐使用滑板擋渣+擋渣標的雙擋渣模式，回磷量控制在0.001%，實現(xiàn)了超低磷鋼的穩(wěn)定生產。

4 結論

針對不銹鋼公司高爐鐵水Si含量波動范圍在0.15%～1.2%之間，P含量波動范圍在0.11%～0.145%之間的不穩(wěn)定因素，結合轉爐脫磷的熱力學條件，為實現(xiàn)轉爐鋼終點P的精準控制和穩(wěn)定，在轉爐自動化煉鋼二級系統(tǒng)基礎上重新調整了堿度動態(tài)模型，綜合考慮了鐵水P、鐵水Si、終點P、終點C和終點溫度等影響因素，實現(xiàn)了堿度的動態(tài)控制，確保轉爐終點P的精準控制。通過實施“標準補吹”法，即“主吹煉”與“補吹煉”有效結合，順利的完成了超低磷鋼種（成品P含量≤0.005%）的工藝開發(fā)及試生產。