唐 武，羅 銳，韓建成

(湘潭鋼鐵集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭 411101)

摘要: 鋼中磷含量會(huì)限制降低鋼材的塑性和韌性，還會(huì)使鋼材的焊接性能變差，嚴(yán)重影響成品的質(zhì)量。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，行業(yè)對(duì)超低磷鋼板需求量大幅上升，但是其生產(chǎn)難度極大，國(guó)內(nèi)僅寶鋼、武鋼、南鋼等為數(shù)不多的幾家鋼鐵企業(yè)開發(fā)成功。為解決湘鋼當(dāng)前裝備下低磷鋼生產(chǎn)去磷的問(wèn)題，通過(guò)對(duì) 120 t轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹雙渣留渣工藝進(jìn)行不斷地優(yōu)化改進(jìn)，在合理的廢鋼比、造渣控制、供氧控制、底吹控制等條件下，湘鋼形成了極低磷鋼的冶煉工藝。雙渣留渣工藝可保證爐渣前期較高的堿度和氧化亞鐵含量，促進(jìn)前期快速成渣，未留渣爐次前期堿度平均為 1． 21，而留渣爐次的前期堿度平均為 1． 92; 控制溫度在1 350 ℃左右，脫磷率可以穩(wěn)定在 80% 左右。通過(guò)雙渣留渣的工藝優(yōu)化，2023 年低磷鋼種磷含量合格率保持在較高的水平，磷含量合格率逐漸從 2022 年的 80% 提高到 90% 甚至 100% 。在終點(diǎn)成分穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，湘鋼實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的轉(zhuǎn)爐極低磷鋼磷含量的控制。

關(guān)鍵詞: 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐; 低磷鋼; 雙渣留渣法; 脫磷率; 堿度

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種行業(yè)對(duì)超低磷鋼板( 12Cr2Mo1VＲ、9Ni 等) 需求量大幅度上升，但是由于其使用條件非常苛刻，生產(chǎn)難度極大，國(guó)內(nèi)僅寶鋼、武鋼、南鋼等為數(shù)不多的幾家鋼鐵企業(yè)開發(fā)成功^{［1，2］}。為配合公司品種占領(lǐng)高端市場(chǎng)戰(zhàn)略，寬厚板廠必須具備生產(chǎn)超低磷鋼的能力。由于寬厚板生產(chǎn)暫不具備出鋼后撈渣、扒渣等功能，精煉工序也無(wú)相關(guān)設(shè)備，無(wú)法做到出鋼后二次脫磷，因此脫磷的壓力全部集中在了轉(zhuǎn)爐。目前，轉(zhuǎn)爐煉鋼的造渣工藝主要包括單渣法、雙渣法、雙聯(lián)法等方式^［3－5］。單渣法是在冶煉過(guò)程中僅經(jīng)過(guò)一次造渣脫硅脫磷，該方法在生產(chǎn)成本、冶煉周期、生產(chǎn)組織及勞動(dòng)強(qiáng)度等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)低磷鋼生產(chǎn)有一定的難度^［6－13］。雙渣法是在冶煉過(guò)程中實(shí)施兩部分控制，先進(jìn)行冶煉前期鐵水脫硅脫磷，倒掉部分脫硅脫磷渣，再進(jìn)行中后期脫碳、升溫，實(shí)現(xiàn)低磷出鋼。 雙聯(lián)法一般是通過(guò) 2 座大型轉(zhuǎn)爐分別進(jìn)行脫磷和脫碳過(guò)程，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)布局、節(jié)奏控制等要求高^{［16－20］}。

為解決湘鋼當(dāng)前裝備下低磷鋼生產(chǎn)去磷的問(wèn)題，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備及生產(chǎn)組織情況，轉(zhuǎn)爐煉鋼通過(guò)雙渣留渣工藝研究，實(shí)現(xiàn)了在出鋼后不進(jìn)行輔助脫磷的情況下出鋼磷含量≤0． 004% 的水平，保證了成品磷符合超低磷鋼種的要求。

1 工藝情況

1．1 冶煉條件

湘鋼寬厚板有 2 座 150 t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，鐵水成分如表 1 所示。可見，鐵水溫度與成分波動(dòng)較大，鐵水硅含量在 0． 10% ～ 0． 70% 之間波動(dòng)，而磷含量在0． 090% ～ 0． 160% 之間波動(dòng)，給轉(zhuǎn)爐造渣帶來(lái)了比較大的影響，因此在冶煉低磷鋼時(shí)，需要更精準(zhǔn)地控制終點(diǎn)溫度和碳含量，以滿足終點(diǎn)磷含量的要求。

1． 2 工藝流程

鐵水硅含量平均值為 0． 38% ，在冶煉終點(diǎn)磷含量較為寬松的鋼種時(shí)，一般采用單渣法，而針對(duì)鐵水硅含量高于 0． 60% 或磷含量要求在 0． 010% 以內(nèi)的鋼種時(shí)，采用雙渣法進(jìn)行冶煉，工序示意圖如圖 1所示。鐵水溫度平均為 1 389 ℃，熱量較為充足，采用適當(dāng)留渣的工藝，可以在前期快速形成高堿度的前期渣，利用好前期的熱力學(xué)條件，盡可能降低中后期的脫磷壓力。鐵水裝入量在120 t 左右，廢鋼裝入量在 30 t 左右，鐵耗在 840 kg /t 左右。

1． 3 冶煉控制

(1) 生產(chǎn)準(zhǔn)備

根據(jù)冶煉路徑準(zhǔn)備鐵水，走 ＲH 工藝路線的鋼種，鐵水裝入量需要大于 115 t，其他鋼種鐵水裝入量不得低于 112 t。入爐含鐵料需要基于終點(diǎn)要求進(jìn)行控制，終點(diǎn)磷含量小于 0． 007% 的鋼種要求不加生鐵，終點(diǎn)磷含量 0． 008% ～ 0． 012% 的鋼種生鐵加入量不得高于 3 t。通過(guò)提高熔池過(guò)程溫度，加入球團(tuán)、礦石等含鐵冷料，提高爐渣氧化鐵含量，提高爐渣磷分配比。

(2) 冶煉控制

為了滿足終點(diǎn)脫磷的需要，一次倒?fàn)t溫度控制在 1 580 ～ 1 600 ℃，隨后倒?fàn)t倒渣，根據(jù)一次倒?fàn)t的溫度及化渣情況加入輔料調(diào)渣，將終點(diǎn)目標(biāo)溫度控制在 1 560 ～ 1 570 ℃。對(duì)于磷含量小于 0． 006% 的鋼種，采用前期倒渣的方式倒掉前期磷含量較高的爐渣，保證后期脫磷效果。

普通鋼種的供氣強(qiáng)度為 0． 02 Nm³ /t·min，對(duì)于低磷鋼種，采用了比一般鋼種更大的底吹強(qiáng)度，以提高動(dòng)力學(xué)攪拌效果，增加渣鋼的接觸面積，提高反應(yīng)效率，故供氣強(qiáng)度不低于 0． 03 Nm³ /t·min。

(3) 出鋼及合金化控制

出鋼采用滑板雙擋操作，即出鋼前關(guān)閉滑板，待搖爐到正常出鋼水角度打開滑板出鋼，出鋼接近末期提前手動(dòng)關(guān)閉滑板。出鋼過(guò)程及時(shí)跟上搖爐操作，避免卷渣。出鋼接近末期時(shí)要做好留鋼操作準(zhǔn)備，可借助鋼水車實(shí)時(shí)稱重系統(tǒng)等判斷出鋼量，避免出鋼見渣，降低回磷量。

2 操作工藝對(duì)脫磷效果的影響分析

2． 1 留渣操作對(duì)前期脫磷的影響

冶煉終點(diǎn)磷含量要求較高的鋼種時(shí)，一般采用留渣操作，因?yàn)榻K渣具有較高的堿度及氧化亞鐵含量，且為預(yù)熔渣，采用留渣操作可以促進(jìn)前期形成具有較高脫磷效率的渣。轉(zhuǎn)爐終渣具有較高的堿度，含有一定量的氧化亞鐵，不僅有利于前期化渣，更可以起到去磷效果。部分試驗(yàn)爐次前期脫磷情況如圖 2 所示。

從圖 2 中可以看出，采用留渣操作的爐次，前期脫磷率提高，當(dāng)溫度從 1 300 ℃ 提高到 1 350 ℃，脫磷率從 50% 左右提高到 80% 左右，但是隨著溫度繼續(xù)升高，脫磷率有所下降。當(dāng)溫度在 1 390 ℃ 時(shí)，脫磷率在 50% 左右，這主要是由于溫度升高后，脫磷反應(yīng)的熱力學(xué)條件惡化，碳氧反應(yīng)開始占據(jù)主導(dǎo)。

2． 2 留渣操作對(duì)前期脫磷影響的熱力學(xué)研究

留渣操作最大的優(yōu)勢(shì)就是快速熔渣，提高轉(zhuǎn)爐渣的前期堿度與氧化亞鐵含量，從而促進(jìn)化渣，加強(qiáng)脫磷反應(yīng)。留渣操作對(duì)前期爐渣的影響如圖 3 所示。

從圖 3 中可以看出，留渣操作可以顯著提高爐渣的前期堿度，未采用留渣操作時(shí)爐渣平均堿度為1． 21，而留渣操作的爐次爐渣的平均堿度為 1． 92。

脫磷反應(yīng)可用如下反應(yīng)式表示^［14］:

4 ( CaO ) + ( 3FeO · P₂O₅ ) = ( 4CaO · P₂O₅ ) + 3( FeO)          ( 1)

從式( 1) 中可以看出，根據(jù)化學(xué)平衡原理分析，渣中( CaO) 、( FeO) 含量越高，生成的 4 ( CaO) ·( P₂O₅ ) 越多，則渣中磷含量越高，鋼中磷含量越低。渣的堿度越高，則渣中自由氧化鈣越多，渣的磷含量越低^［15］。根據(jù)正規(guī)離子模型計(jì)算，渣的堿度含量對(duì)鋼液平衡磷的影響如圖 4 所示。

從圖 4 可以看出，1 400 ℃ 時(shí)，當(dāng)堿度從 1． 0 提高到 2． 0，鋼液平衡磷含量從 0． 008 4% 降低到0． 005 6% 。而實(shí)際半鋼磷含量，采用留渣模式的爐次實(shí)際磷含量也明顯低于未留渣爐次的半鋼磷含量，但是溫度方面，實(shí)際結(jié)果與理論結(jié)果有一定的差異，主要是由于磷的氧化不僅僅受到溫度的影響，還受限于其他因素，比如化渣情況，動(dòng)力學(xué)攪拌等因素。

2． 3 工藝控制情況

通過(guò)不斷跟蹤試驗(yàn)及優(yōu)化調(diào)整，低磷鋼種終點(diǎn)磷含量率逐月穩(wěn)步提升。2023 年低磷鋼種的磷含量控制情況如表 2 所示。

從表 2 中可以看出，通過(guò)優(yōu)化雙渣留渣工藝，2023 年 1 ～ 9 月期間，低磷鋼種磷含量不符合要求的爐次逐漸減少，生產(chǎn)的 99 爐低磷鋼種均滿足磷含量的控制要求。2023 年低磷鋼種磷含量控制合格率變化如圖 5 所示。

從圖 5 中可以看出，通過(guò)雙渣留渣的工藝優(yōu)化，2023 年低磷鋼種磷含量合格率保持在較高的水平。2022 年全年低磷鋼磷含量的合格率僅在 80% ，而2023 年 1 ～ 9 月，磷含量的合格率逐漸從 90% 提高到 100% ，其中 2023 年 3 月由于部分爐次磷含量較高，導(dǎo)致鋼液磷含量的控制出現(xiàn)了波動(dòng)，隨后經(jīng)過(guò)工藝調(diào)整，磷含量合格率均保持在 90% 以上。選取了 5 爐生產(chǎn)過(guò)程中低磷鋼轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)、板坯成品的磷含量，如圖 6 所示。

從圖 6 可以看出，低磷鋼種轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的磷含量在 0． 003% ～ 0． 005 5% ，板坯成品的磷含量均控制在 0． 006% 以內(nèi)，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)到板坯成品過(guò)程增磷量控制較為穩(wěn)定，在 0． 001 0% 左右，通過(guò)現(xiàn)有工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品磷含量可以滿足需求。

3 結(jié)論

基于基礎(chǔ)理論研究及實(shí)踐跟蹤，在合理的鐵水廢鋼配比條件下，通過(guò)采取科學(xué)的雙渣留渣控制、底吹控制、出鋼控制等，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐低磷鋼的生產(chǎn)。

主要結(jié)論如下:

(1) 采用雙渣留渣操作可以有效提高前期脫磷率，溫度從1 300 ℃提高到1 350 ℃，脫磷率從50%左右提高到 80%左右，但是隨著溫度繼續(xù)升高，脫磷率有所下降，當(dāng)溫度在 1 390 ℃時(shí)，脫磷率在 50%左右。

(2) 留渣操作可以起到前期快速化渣，促進(jìn)前期脫磷反應(yīng)的作用，未留渣爐次前期爐渣堿度平均為 1． 21，而留渣爐次前期爐渣堿度為 1． 92。

(3) 通過(guò)理論研究前期爐渣堿度對(duì)平衡磷的影響，1 400 ℃時(shí)，當(dāng)堿度從 1． 0 提高到 2． 0，鋼液平衡磷含量從 0． 008 4% 降低到 0． 005 6% 。而實(shí)際半鋼磷含量，采用留渣模式的爐次實(shí)際磷含量也明顯低于未留渣爐次的半鋼磷含量。

(4) 通過(guò)雙渣留渣的工藝優(yōu)化，2023 年低磷鋼種磷含量合格率逐漸從 90% 提高到 100% 。

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