提高低磷合金钢纯净度生产实践

邢维义，陈晨，于海岐，王富亮，殷东明

（鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司，辽宁 营口 115007）

鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司炼钢部（以下简称“炼钢部”）的铁水磷含量偏高，平均达到0.12%。为了冶炼出合格的高级别管线钢、容器钢等低磷合金钢，需要转炉过氧化操作，由此造成终点渣氧化性强，精炼处理困难，钢中夹杂多，钢水纯净度低。为了提高低磷合金钢水纯净度，炼钢部在现有工艺条件下，对冶炼全工序优化控制，包括优化铁水预处理、优化转炉冶炼及LF精炼工艺，在确保磷含量达到成品控制目标的同时，提高了低磷合金钢水的纯净度。本文对此作以介绍。

1 装备概况

炼钢部低磷合金钢生产基本装备情况为：3套铁水倒罐装置、3套铁水脱硫装置、3座260 t顶底复吹转炉、2台 LF钢包精炼炉、1套ANS-OB钢包精炼炉、2台RH-TB真空脱气装置、2台一机双流直弧型1450连铸机、1台一机一流直弧型厚板连铸机。低磷合金钢生产的工艺路线为：铁水预处理-转炉冶炼-LF精炼-RH脱气-连铸。

2 优化铁水预处理及抑制转炉回硫工艺

2.1 硫的危害

硫是低磷钢中最有害的元素，会严重恶化钢的低温冲击韧性和钢材的抗氢致裂纹（HIC）性能［1］，并且钢中的硫属于易偏析元素，如果在连铸坯中心部位出现，会导致钢材中裂纹的产生。对于低磷合金钢，只有当钢中硫的质量分数降低到0.002 0%以下时，硫对钢材低温冲击韧性和抗HIC的影响才会基本消除。低磷合金钢成品硫含量一般控制在0.001 0%，LF脱硫任务重，因此严格要求铁水百分之百预处理并控制转炉冶炼过程回硫，保证转炉炉后硫含量≤0.006 0%。

2.2 脱硫原理

转炉炼钢过程中，熔池的脱硫方式为熔渣脱硫和气化脱硫。FeS既溶于铁液，又溶于渣中。脱硫的基本反应是：首先，钢液中的硫扩散至熔渣中，即［Fe］→（FeS）；然后与熔渣中的 CaO 或 MnO结合生成稳定的、只溶于熔渣的CaS或MnS。影响转炉回硫主要有两方面原因：一方面是转炉入炉料总硫含量的影响；另一方面是转炉冶炼过程工艺参数的影响。为了减少转炉回硫量，必须首先减少转炉入炉料的原始硫含量，提高转炉终点硫的分配比 Ls［2］。

2.3 优化铁水预处理工艺

炼钢部冶炼低磷钢时，S含量控制主要存在两个方面问题：一是使用的铁水含Ti量较高（高炉使用Ti球护炉），平均达到了0.10%，最高时达到0.20%，铁水渣粘稠、流动性差，渣铁不易分离，易导致铁水渣扒不净带入转炉，增大炉内回硫量；二是扒渣铁损增大，增加冶炼成本。据此采取如下措施：

（1）采用钛含量＜0.050%的低钛铁水冶炼低磷合金钢；

（2） 倒罐出铁量控制在 270～275 t，保证铁水罐净空，为脱硫扒渣创造条件；

（3）采用“两扒一脱”工艺，即铁水脱硫前先扒出部分铁水渣，脱硫处理后再将剩余铁水渣彻底扒出；

（4）采用铁水涌动扒渣工艺；

（5）脱硫目标按0.003%控制，要求脱后硫含量≤0.005%。

2.4 抑制转炉回硫工艺

转炉冶炼过程中，采取以下措施控制入炉原料的纯净度以减少硫的带入。

（1）洗炉。转炉冶炼低磷合金钢时，使用深脱硫扒渣铁水对转炉进行刷洗，主要目的是减少溅渣过程附着在炉衬上炉渣的含硫量。洗炉铁水硫含量与炉内回硫量的关系如图1所示，由图1看出，随着洗炉铁水硫含量的增加，炉内回硫量呈增加趋势，但只要保证洗炉铁水S含量≤0.005%，炉内回硫量可稳定控制在0.002 5%以内。

图1 洗炉铁水硫含量与炉内回硫量的关系Fig.1 Relationship between Content of Sulfur in Prepurged Hot Metal in Converter and Resulfurization in Converter

（2）控制废钢的使用。入炉要求使用低硫废钢，严禁使用渣钢、唐麻铁等高硫废钢。

（3）控制入炉原料。严格控制入炉活性石灰和轻烧白云石的硫含量，要求二者均≤0.020%。

3 优化转炉冶炼工艺

3.1 优化转炉造渣制度

（1）优化渣料加入方案。转炉采用双渣法进行操作，吹炼4～5 min炉渣活跃时抬枪放渣，将炉内部分高磷渣放掉，降低渣中磷含量，然后继续下枪吹炼，重新造渣，提高脱磷效果。双渣法加料模型见表1。

表1 双渣法加料模型Table 1 Model for Adding Materials by Double Slag Method

（2）优化渣的碱度。转炉冶炼终点提高炉渣的碱度，石灰的活度也随之增加。充足的CaO固定渣中的SiO2和P2O5，P2O5将与CaO结合成稳定的磷酸钙，降低P2O5的活度，从而有利于炉渣的脱磷。高碱度、高氧化性的炉渣能使磷呈现强烈的氧化趋势，从这个角度来说，提高炉渣碱度可以大大提高脱磷效率。但是碱度高需增大石灰的加入量，将使炉渣变粘，化渣受阻，降低炉渣的流动性，反而不利于脱磷反应的顺利进行。为了获得较好的终点脱磷率，终点渣的碱度控制在3.5左右较合适。

（3）优化放渣时机。图2为转炉吹炼过程中主要元素含量的变化规律，吹炼前期，硅锰迅速氧化，随后，磷开始氧化，随着脱磷反应的进行，熔池升温速度加快，脱磷反应减弱。实际生产中，当铁水Si含量为0.27%，供氧时间达到200 s以后，脱磷速率基本为零，这时硅锰氧化期也已经基本结束，需要抬枪放渣。炼钢部铁水平均硅含量为0.25%～0.35%，放渣时机确定在吹氧200～300 s。

图2 转炉吹炼过程中主要元素含量的变化规律Fig.2 Variation Regularity of Content of Main Elements during Converter Blowing

3.2 优化转炉温度制度

（1） 优化控制过程的碳温（T+C 含量×10 000）。统计转炉吹炼过程碳温与过程P含量、终点P含量的关系，结果如图3所示。

图3 转炉吹炼过程碳温与过程P含量、终点P含量的关系Fig.3 Relationship among Temperature-carbon,Phosphorus Content during Smelting and Phosphorus Content at End Point by Converter

从图3中可以看出，过程碳温≤1 570℃时，过程P含量最低，但终点磷分布范围较宽，控制精度不好，分析与过程温度低化渣不好有关；过程碳温≥1 610℃时，过程P含量和终点P含量都较高；过程碳温在1 570～1 610℃分布时，过程磷和终点磷的分布都在合理范围内。因此生产高级别低磷合金钢时，过程温度要求控制在1 540～1 560℃，过程碳含量控制在0.30%～0.50%之间较合理。

（2）优化终点温度制度。统计实验数据得出不同终点温度下的终点P含量如图4所示，根据图4中的曲线方程，结合低磷合金钢的出钢温降和液相线温度的关系，再综合考虑生产节奏的要求，最终确定出钢温度控制在1 620～1 640℃。

图4 不同终点温度下的终点P含量Fig.4 Phosphorus Content at Different Temperatures at End Point

3.3 优化转炉挡渣工艺

原工艺使用挡渣标挡渣，挡渣成功率90%，渣厚平均107 mm。为减少下渣量和回磷量，同时降低钢中氧化物，减少非金属夹杂，采用了转炉出钢口滑动水口闸阀挡渣出钢技术。该技术将红外下渣检测信号、转炉出钢开始信号和转炉倾动角度信号由转炉PLC送到转炉滑动水口挡渣系统PLC，以控制滑板的开闭。出钢开始后，迅速启动滑动水口挡渣系统，并将滑板置于关闭状态；当转炉倾动到正常的出钢位置时，自动开启滑板延迟出钢，实现对转炉出钢前期渣的全量控制；出钢3/4时，加入挡渣标，稳定钢流状态，减少卷渣；出钢近终了时，根据红外下渣检测报警信号在1 s内迅速关闭滑板控制转炉出钢后期下渣。

该技术实现了判渣和挡渣的全自动操作，与采用挡渣镖的挡渣法相比，减少30%以上的转炉出钢下渣量，明显提高了合金收得率并改善了钢水质量。此外，由于避免了出钢结束抬炉时钢渣溢出钢包沿口及钢包外，最大限度地实现了安全清洁生产，减少了钢包及钢包台车等设备的损坏。

4 优化LF精炼工艺

4.1 优化LF造渣制度

钢中夹杂物是造成铸坯和钢板探伤不合的主要原因，必须严格控制钢中夹杂物的含量、形态及分布［1］。冶炼低磷合金钢的过程中，LF精炼处理的主要任务是去除钢液中的S，力争将S含量降至最低，最大限度降低硫化物类夹杂。精炼渣对控制钢中夹杂物起着重要作用，优化LF精炼渣系成分，不仅能够有效控制钢中S含量在质量要求范围之内，更重要的是具备优良的吸附夹杂能力。

LF快速深脱硫需要适当增加LF造渣料，并尽快熔化。优化前，白灰和化渣剂同时加入，比例为4:1，结果渣面发粘。优化后先加入化渣剂，其中助熔渣加入350～500 kg，其余使用萤石，后加入白灰，结果渣表面光滑，脱硫前白灰熔化效果良好。

4.2 优化LF温度制度

提升温度有利于脱硫，LF进站温度一般约为1 540℃，LF搬出温度一般约为1 640℃，一罐钢的升温时间约占40 min。如前期升温过高，LF脱硫等样的时间不能完全用于升温，浪费LF处理时间。如前期升温不足，化渣不好，LF脱硫效果差，硫含量达不到深度脱硫的要求。因此，需要在LF处理前期控制合适的钢水温度。LF常规钢种需要将钢水温度提升至1 580℃以上脱硫，低磷合金钢生产时间较严格，必须保证一次脱硫成功，开始脱硫温度不低于1 620℃，脱硫结束钢水温度一般为1 595℃，既可以保证较高的脱硫温度，又保证了后期充足的升温时间。

4.3 优化LF脱氧剂

LF深脱硫必须先深脱氧，常规脱氧剂使用铝线段，方法为吹开LF渣面，加入铝线段搅拌，使钢水中Als含量达到0.03%以上。这种脱氧方式可以迅速脱除钢水中的氧，但难以迅速脱除渣中的氧。优化后采用铝粉和铝线段脱氧，优化前后脱硫速率的对比见表2。由表2计算得出，优化后深脱硫速率提高0.000 06%/min。此举可缩短LF脱硫时间5 min。

表2 优化前后脱硫速率的对比Table 2 Comparison of Desulfurization Velocity before and after Optimization

4.4 优化底吹氩搅拌工艺

钢包吹氩效果对脱硫以及造渣影响很大，在生产低磷合金钢时，透气砖的使用次数不能超过3次。氩站处理后，若不能直接到达LF，要求每10 min吹氩30 s，保证透气砖透气效果。LF精炼全过程要求底吹氩气，控制炉内微正压，升温时氩气流量控制在20～30 m3/h，温度升至1 620℃以上时采用大氩气流量80 m3/h以上搅拌。

5 取得的效果

采取上述各项措施后，低磷合金钢入炉S含量稳定控制在0.005%以下，氩站S含量控制在0.006%以下。转炉钢水终点P含量可稳定控制在0.006%，终点C含量控制在0.04%以内。LF精炼搬出S含量有效控制在0.001%以下，精炼处理后可将夹杂物尺寸控制在15 μm以内，满足了批量生产低磷合金钢的要求。

6 结语

鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司在冶炼低磷合金钢的生产中，铁水预处理采用低钛铁水、“两扒一脱”并配合涌动式扒渣工艺；转炉冶炼工序采用双渣法和出钢口滑动水口闸阀挡渣出钢技术，过程温度控制为1 540～1 560℃，过程碳含量控制在0.30%～0.50%之间,出钢温度控制在1 620～1 640℃；LF精炼工序全程吹氩，控制炉内微正压，升温氩气流量为20～30 m3/h，1 620℃以上时采用大氩气流量80 m3/h搅拌脱硫。采取上述措施后，LF炉搬出S含量有效控制在0.001%以下，精炼处理后可将夹杂物尺寸控制在15 μm以内，满足了批量生产低磷合金钢的要求。