260 t轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)SPA-H鋼保磷技術(shù)研究與實(shí)踐

李超 ，于海岐 ，黃巖 ，許營(yíng) ，尚德義 ，李文博 ，冉茂鐸

（1.鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司，遼寧 營(yíng)口 115007；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

耐候鋼被廣泛應(yīng)用于集裝箱板、橋梁等，其使用環(huán)境對(duì)鋼的耐腐蝕性、屈服強(qiáng)度等均有較高要求，國(guó)內(nèi)酒鋼、馬鋼、萊鋼、鞍鋼等鋼鐵企業(yè)通過(guò)研究冶煉鋼水成分控制、軋制工藝等，使純凈度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率等指標(biāo)均得到改善［1-7］。SPA-H鋼是耐候鋼的一種，磷是大多數(shù)鋼種中常見(jiàn)的有害元素，容易造成“冷脆”質(zhì)量問(wèn)題［8］，但SPA-H鋼要求一定的磷含量來(lái)提高其耐腐蝕性能［9］，所以轉(zhuǎn)爐冶煉SPA-H鋼時(shí)的保磷技術(shù)是生產(chǎn)此類(lèi)鋼的關(guān)鍵技術(shù)之一。國(guó)內(nèi)對(duì)此進(jìn)行了一系列相關(guān)技術(shù)研究，如馬鋼采用合理控制熱力學(xué)條件、少渣冶煉等措施冶煉高磷類(lèi)鋼種,取得較好生產(chǎn)效果［10］；梅鋼采用提高供氧強(qiáng)度冶煉，縮短熔煉時(shí)間，保磷效果得到提高［11］；鞍鋼采用不加白灰的經(jīng)濟(jì)性少渣冶煉方法實(shí)現(xiàn)了SPA-H磷含量達(dá)0.050%以上［12］；武漢科技大學(xué)張思維通過(guò)控制堿度、優(yōu)化廢鋼結(jié)構(gòu)等工藝方法將終點(diǎn)磷含量控制在0.042%以上［13］。鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司煉鋼部（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“鲅魚(yú)圈煉鋼部”）針對(duì)SPA-H高磷類(lèi)鋼種進(jìn)行了轉(zhuǎn)爐保磷技術(shù)理論分析，并將相關(guān)結(jié)論應(yīng)用于生產(chǎn)，取得較好效果［14］，本文對(duì)此做一介紹。

1 工藝概況

鲅魚(yú)圈煉鋼部有3套噴吹型鐵水預(yù)處理設(shè)備，3座 260 t轉(zhuǎn)爐，5套 LF、ANS-OB 等精煉設(shè)備，3臺(tái)連鑄機(jī) （2臺(tái)1450 mm薄板鑄機(jī)、1臺(tái)2300 mm厚板鑄機(jī)）。SPA-H鋼工藝路徑為：鐵水預(yù)處理脫硫→轉(zhuǎn)爐脫碳保磷→ANS-OB調(diào)整成分與鋼水凈化→1 450 mm鑄機(jī)澆注、切割出坯。為了滿(mǎn)足SPA-H鋼較好的耐腐蝕性能，要求鋼中具有一定的Cu、P、Cr含量［15］。結(jié)合鋼種過(guò)熱度、爐機(jī)對(duì)應(yīng)、澆注參數(shù)及精煉工況等情況設(shè)計(jì)了SPA-H鋼轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度。SPA-H鋼水成分及終點(diǎn)溫度控制要求見(jiàn)表1。

表1 SPA-H鋼水成分及終點(diǎn)溫度控制要求Table 1 Compositions in SPA-H Molten Steel and Requirements of Molten Steel Temperature at End Point

SPA-H鋼的保磷工藝控制關(guān)鍵是轉(zhuǎn)爐工序，轉(zhuǎn)爐常規(guī)冶煉中大多以脫磷為目的，脫磷技術(shù)成熟穩(wěn)定，而保磷技術(shù)缺乏系統(tǒng)研究。影響磷含量的因素很多，合理準(zhǔn)確控制各元素成分和溫度，達(dá)到終點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)要求難度較大。與保磷技術(shù)相關(guān)的生產(chǎn)參數(shù)見(jiàn)表2。主要生產(chǎn)指標(biāo)有：平均渣量5～10 t，堿度0.5～3.5，終點(diǎn)氧含量0.02%～0.10%。采用高碳鉻鐵、硅錳合金、硅鐵合金等脫氧合金化，平均終點(diǎn)增碳0.01%～0.03%。

表2 相關(guān)的生產(chǎn)參數(shù)Table 2 Related Production Parameters

2 保磷理論分析

轉(zhuǎn)爐冶煉中的脫磷反應(yīng)主要在渣-鋼界面進(jìn)行，反應(yīng)方程式見(jiàn)式（1），磷分配比見(jiàn)式（2）。

式中，LP為磷分配系數(shù)；xP2O5為熔渣的磷含量；ω［P］為鋼液中磷含量；k為平衡常數(shù)；a（CaO）為 CaO 活度；a（FeO）為 FeO 活度。

脫磷反應(yīng)為放熱反應(yīng)，根據(jù)熱力學(xué)原理，影響脫磷的主要因素為FeO含量、CaO含量及溫度，因此高溫控制、低FeO含量和CaO含量均有利于保磷［16-17］。同時(shí)根據(jù)式（1）可知，渣中 P2O5含量高有利于反應(yīng)向左側(cè)進(jìn)行，因此在冶煉中適當(dāng)減少總造渣量，提高P2O5百分比也能起到保磷作用。

3 保磷技術(shù)研究

根據(jù)理論分析結(jié)果，圍繞四個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn)，即溫度、FeO含量、CaO含量及渣量。利用冶煉終點(diǎn)鋼水氧含量評(píng)價(jià)FeO含量；考慮SiO2對(duì)CaO消耗的影響，使用二元堿度 R=CaO/SiO2［16］評(píng)價(jià) CaO 含量；取冶煉終點(diǎn)副槍測(cè)試溫度值；渣量為造渣材料求和重量。試驗(yàn)中鐵水條件（平均值）為：Si含量0.4%，P含量0.115%，C含量4.5%，鐵水溫度1 300℃。

3.1 溫度對(duì)磷含量的影響

溫度是影響保磷的重要熱力學(xué)因素，理論上高溫控制利于保磷，但溫度過(guò)高有可能影響安全生產(chǎn)。試驗(yàn)中，控制轉(zhuǎn)爐終渣堿度為1.5±0.1，投入總造渣重量 （7±0.2）t，冶煉終點(diǎn)氧含量 （0.040±0.001）%?？紤]澆注溫度、高溫轉(zhuǎn)爐耐材侵蝕等問(wèn)題，認(rèn)為將終點(diǎn)溫度控制在1 650～1 710℃更有利于指導(dǎo)生產(chǎn)。進(jìn)行了35爐試驗(yàn)，鋼水溫度對(duì)磷含量的影響如圖1所示。由圖1看出，鋼水中磷含量隨著溫度的升高逐漸增加，1 670℃以下增加較平緩，1 670℃以上增加快速。

圖1 鋼水溫度對(duì)磷含量的影響Fig.1 Effect of Molten Steel Temperature on Phosphorus Content

結(jié)合表1中SPA-H鋼種的溫度、磷含量要求，溫度控制在1 675℃以上能夠滿(mǎn)足磷含量0.070%～0.090%的要求范圍。但考慮1 670℃只能達(dá)到磷含量成分要求下限左右，因此生產(chǎn)中應(yīng)適當(dāng)控制溫度在1 680℃以上來(lái)保證磷成分合格。

3.2 堿度對(duì)磷含量的影響

理論分析認(rèn)為，低堿度渣利于保磷，但過(guò)低堿度會(huì)產(chǎn)生磷超標(biāo)的質(zhì)量問(wèn)題，因此需研究確定合理的堿度范圍使磷含量控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍。試驗(yàn)了55爐鋼水，終點(diǎn)溫度控制為（1 680±3）℃，使用總造渣重量 （7±0.2）t，終點(diǎn)氧含量為 （0.040±0.001）%，控制轉(zhuǎn)爐終渣堿度為0.5～3.0，對(duì)終點(diǎn)鋼中磷含量進(jìn)行化驗(yàn)分析，得出堿度對(duì)鋼水磷含量的影響見(jiàn)圖2。由圖2看出，鋼水中磷含量隨著堿度的升高逐漸降低，符合保磷理論分析結(jié)論。

圖2 堿度對(duì)鋼水磷含量的影響Fig.2 Effect of Alkalinity on Phosphorus Content in Molten Steel

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并結(jié)合表1所示的磷含量要求，在生產(chǎn)中控制堿度范圍在1.2～2.0。

3.3 渣量對(duì)磷含量的影響

渣量的大小影響冶煉保磷效果，少渣冶煉利于保磷，過(guò)大渣量保磷效果差，但過(guò)少渣量存在磷含量超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)45爐鋼水，終點(diǎn)溫度控制為（1 680±3） ℃，轉(zhuǎn)爐終渣堿度控制為 1.5±0.1，終點(diǎn)氧含量為（0.040±0.001）%，對(duì)終點(diǎn)鋼中磷含量進(jìn)行化驗(yàn)分析，得出渣量對(duì)鋼水磷含量的影響見(jiàn)圖3所示。由圖3看出，鋼水中磷含量隨著渣量的增大逐漸降低，符合理論分析結(jié)論。

圖3 渣量對(duì)鋼水磷含量的影響Fig.3 Effect of Slag Volume on Phosphorus Content in Molten Steel

根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)應(yīng)SPA-H要求磷含量范圍，同時(shí)考慮磷含量高會(huì)造成質(zhì)量事故，所以總渣量應(yīng)控制在6.3～8.3 t。

3.4 氧含量對(duì)磷含量的影響

低氧含量利于保磷。但是根據(jù)碳氧積換算，過(guò)低氧化性存在兩個(gè)問(wèn)題，一是過(guò)低氧存在碳含量超標(biāo)的可能，二是過(guò)低氧化性也存在磷含量超標(biāo)的可能，因此需研究確定合理的氧值范圍將碳和磷含量控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。試驗(yàn)65爐，終點(diǎn)溫度控制為（1 680±3） ℃，使用總造渣重量（7±0.2） t，轉(zhuǎn)爐終渣堿度控制在1.5±0.1，終點(diǎn)氧含量控制為0.020%～0.068%。對(duì)試驗(yàn)終點(diǎn)鋼水中磷含量進(jìn)行化驗(yàn)分析，得出鋼水中氧含量對(duì)磷含量的影響見(jiàn)圖4。由圖4看出，鋼水中磷含量隨著氧含量的升高逐漸降低，在氧值達(dá)到0.05%后，磷含量降低趨勢(shì)減緩。

圖4 鋼水中氧含量對(duì)磷含量的影響Fig.4 Effect of Oxygen Content on Phosphorus Content in Molten Steel

結(jié)合表1中磷與碳含量的要求，可得到合適的氧含量為0.030%～0.045%。實(shí)際平均碳氧積為0.002 0左右，根據(jù)碳氧積的換算規(guī)則［16］可得到對(duì)應(yīng)碳含量為0.044%～0.066%，合金增碳為0.01%～0.03%，碳含量也可一次合格。由于氧值過(guò)低可能造成磷超標(biāo)問(wèn)題，氧過(guò)高時(shí)需要加增碳劑進(jìn)行補(bǔ)碳，所以實(shí)際生產(chǎn)中氧含量應(yīng)控制為0.030%～0.045%。

上述試驗(yàn)結(jié)果與前文的保磷理論分析結(jié)論一致。四個(gè)參數(shù)合理值可確定為：終點(diǎn)溫度1 680℃，造渣總重量約7.3 t，終點(diǎn)氧含量約0.037 5%，轉(zhuǎn)爐終渣堿度約1.6。

4 應(yīng)用效果

生產(chǎn)中選取成分、溫度等條件基本相同的鐵水，生產(chǎn)了60爐，實(shí)際參數(shù)控制平均值為終點(diǎn)溫度約1 681℃，造渣總重量7.38 t，終點(diǎn)氧含量0.038 2%，轉(zhuǎn)爐終渣堿度1.68。對(duì)終點(diǎn)鋼水磷含量化驗(yàn)分析，結(jié)果見(jiàn)圖5所示。由圖5看出，磷含量分布在0.070 0%～0.087 5%，合格率100%，統(tǒng)計(jì)可得平均磷含量0.077 3%；磷含量分布在均值以下范圍頻次較多，符合磷含量可低不可高的控制要求。

圖5 終點(diǎn)鋼水磷含量情況Fig.5 Content of Phosphorus in Molten Steel at End Point

5 結(jié)論

針對(duì)鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司260 t轉(zhuǎn)爐冶煉SPA-H鋼的保磷技術(shù)開(kāi)展了研究及應(yīng)用，得出如下結(jié)論：

（1）理論分析認(rèn)為，影響保磷的主要因素為FeO含量、CaO含量、鋼水溫度及渣中P2O5含量，適當(dāng)高溫控制、低FeO含量、低CaO含量及減少總造渣重量均利于保磷；260 t轉(zhuǎn)爐試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，即鋼水溫度升高、堿度降低、氧含量降低、渣量減少均使終點(diǎn)鋼水磷含量增多。生產(chǎn)過(guò)程還需要考慮澆注溫度等因素對(duì)磷含量的影響。

（2）實(shí)際生產(chǎn)中，終點(diǎn)溫度為1 681℃，渣重量為7.38 t，氧含量為0.038 2%，終渣堿度為1.68時(shí) （均為平均值），可將終點(diǎn)鋼水磷含量控制在0.070 0%～0.087 5%，磷含量合格率100%，平均磷含量為0.077 3%，且磷含量分布在均值以下范圍頻次較多，符合磷含量可低不可高的控制要求。