非双联法冶炼低磷钢种工艺优化与实践

高志滨

1 前言

随着用户对钢材质量要求的提高，钢中磷含量的工艺控制要求也越来越苛刻，降低钢中磷含量成了高附加值钢材产品生产过程中的重要环节。传统的单渣法冶炼低磷钢种时存在着终点补吹率高的问题，会造成终点钢水过氧化。而双联法炼钢则会造成渣料消耗高、能源损失大、生产周期长等系列问题。因此寻找合适的工艺冶炼低磷钢种是提高生产率、降低消耗的唯一途径。

目前国内许多钢铁企业开始试验研究MURC转炉炼钢工艺，即“双渣+留渣”冶炼工艺，如首钢迁钢公司SGRS工艺等。“留渣+双渣”冶炼工艺的关键技术在于：第1阶段（从吹炼到倒渣）实现高效脱磷；倒渣时炉渣物理性能控制。若第1阶段未能实现高效脱磷，会增加第2阶段（倒渣后至吹炼终点）的脱磷负担，容易造成补吹，同时会使第2阶段留渣中磷含量增高，造成恶性循环，难以循环往复；若倒渣时炉渣物理性能控制不好，会造成炉渣难以倒出和渣中含Fe量高，难以实现降低辅料和钢铁料消耗的目标。而留渣量对“留渣+双渣”冶炼工艺的关键技术有重要影响：一方面，留渣量过大，会造成第l阶段炉渣碱度过高，虽然可以实现脱磷，但炉渣黏度大，渣中含Fe高，使得钢铁料消耗升高；另一方面，留渣量过少，第1阶段需加入大量辅料，辅料短时间内难以熔化，使炉渣黏度大，渣中含Fe高，生产过程中存在问题较多［1-3］。因此，要研究出具有高脱磷率的转炉炼钢脱磷工艺，方可获得高端超低磷钢稳定生产能力。

为解决低磷钢种冶炼生产过程中终点命中率低、质量控制不稳定的问题，制定双渣留渣深脱磷工艺，通过氧枪参数优化，转炉采用全流程自动炼钢技术，双渣渣铁分离工艺等技术，成功解决了转炉生产低磷品种钢终点命中率低的问题，为今后炼钢提高高端品种钢比例、提高含铁资源利用率、降低钢铁料消耗奠定了坚实的基础。

2 留渣双渣深脱磷工艺实践

根据理论研究，转炉冶炼过程脱磷反应80%以上是在渣钢界面进行，脱磷速率主要受渣钢两侧的传质速率控制。因此，充分的搅拌是促进脱磷反应的动力学条件。若要实现预期的脱磷效果，不能刻意追求某单一因素来满足要求，而应实现脱磷阶段热力学和动力学两者的协同［2］。在制定留渣双渣深脱磷工艺路线之后，莱钢炼钢厂对留渣量的控制及冶炼过程优化进行了大量研究与实践。

2.1 留渣量的精准控制

由于莱钢炼钢厂120 t转炉采用干法除尘系统，留渣量必须进行严格控制，否则极易造成因开吹打火不良产生的泄爆等安全问题。采取“冶炼终点拉碳倒渣+溅渣结束倒渣”相结合的方法进行留渣作业。终点关氧提枪后摇炉角度控制在82°～86°，防止出钢过程中因渣量大造成的炉口下渣问题，避免炉下设备的烧损及钢包内下渣。通过对不同摇炉角度下渣量数据的统计，确定“留渣+双渣”工艺标准留渣量及对应的摇炉角度。现场试验数据如表1所示。

表1 留渣角度与渣量控制

根据现场试验数据，制定留渣摇炉控制标准：120 t转炉溅渣结束后摇炉角度控制在150°～165°之间，确保留渣量稳定控制在7～10 t以内，可以完全满足冶炼过程化渣及开吹打火安全的需要。考虑到转炉留渣量多的情况下炉渣碱度降低的可能性，选取部分常规单渣留渣炉次炉渣碱度进行化验分析，结果如表2所示。

根据留渣炉数与炉渣化验数据对比可见，当留渣炉数增加时，炉渣碱度有明显下降趋势，同时转炉终点磷含量有明显受渣中3CaO·P2O5及4CaO·P2O5等生成物饱和影响。因此，在留渣双渣深脱磷工艺控制过程中，要求单一炉座连续生产超低磷钢时留渣炉数不得超过3炉，超过3炉时则需在最后一炉溅渣结束后将炉渣倒净重新造渣。

2.2 过程冶炼控制［1］

采用留渣双渣法冶炼超低磷钢种时，前期供氧时间控制在5～6 min之间，枪位控制在1.80～2.20 m，起渣后逐渐将枪位提升，确保炉渣真正化好、化透。提枪后，为防止渣中带铁量大，需要使用氮气对炉渣进行适当的渣铁分离操作，枪位控制在4～5 m，氮气吹扫时间控制在20 s以内，避免吹扫时间过长造成炉渣倒不出的问题。渣铁分离结束后进行摇炉倒渣，并做好过程监督，避免炉渣溢出渣盆。倒渣结束后，抬炉至零位再次开吹，打火正常后开始加入渣料及冷料继续冶炼操作。部分冶炼过程数据控制如表3所示（一次打火正常）。

表3 留渣双渣炉次冶炼过程数据

3 氧枪参数及枪位控制优化

3.1 氧枪参数优化

原有氧枪采用喉口直径36.1 mm氧枪，在使用过程中由于过程供氧强度控制偏低，留渣双渣操作过程中容易出现溢渣喷溅等问题，不利于过程的稳定控制以及终点的有效命中；同时，氧枪枪头侵蚀明显，氧枪消耗偏高。为此，通过优化氧枪参数，改善过程供氧强度，减少氧枪消耗，实现留渣双渣操作模式下的稳定控制。原用氧枪与优化后氧枪参数对比如表4所示（其中喷孔夹角13°、5孔不变）。

表4 氧枪优化前后参数对比

3.2 过程枪位控制优化

原有留渣双渣深脱磷炉次吹炼前期枪位控制在1.55～1.65 m，实际操作过程中，前期起渣明显不足，极易出现带铁喷溅的现象。经过对不同枪位的试验比较，最终确定，在吹炼4 min之前适当使用高枪位，4 min之后基本枪位控制在1.8 m。5～6 min若仍不起渣，可再次加入烧结矿或将枪位提高至2 m以上以促进化渣。开吹至起渣前氧压可控制在0.85 MPa，起渣后若反应程度较缓慢，可以将氧压降至0.8～0.83 MPa，延长泡沫渣生成时间，促进脱磷反应的进行。再次开吹后氧压可保持在0.88 MPa以上。

枪位及氧压控制优化后，前期泡沫渣起渣效果良好，加快了前期低温条件下的脱磷反应速率，钢渣界面的脱磷反应进行更加彻底。钢水中的磷有75%～80%被氧化进入炉渣中，经过第一次倒炉倒渣后基本倒出炉外。二次开吹后，再次加入渣料造渣，可进一步将磷脱除，以达到深脱磷的目的。

3.3 生产数据对比

经过对氧枪参数及枪位控制的优化，结合生产实践，氧枪使用效果对比数据如表5所示。

根据生产跟踪情况，结合转炉指标控制情况，可以得出结论：转炉冶炼过程控制相对稳定，采用留渣双渣深脱磷炉次终点命中率显著提升，同时，炼钢过程物料及能源消耗降低，吹炼时间短，优化效果整体良好。

4 自动炼钢模型开发与优化

4.1 自动冶炼模型开发与优化

在双渣留渣法操作过程中，由于不同操作人员的操作习惯、主观判断及业务水平的差异，操作标准不能实现完全统一，进而导致班组之间终点控制水平及经济技术指标差距较大。为此，针对双渣留渣深脱磷工艺开发自动冶炼模型，使用计算机控制替代人为操作，进而实现操作标准的统一与钢水质量的提升。考虑到不同的铁水条件下，前期起渣时机存在差异，因此在建立自动冶炼模型过程中需要对前期提枪时机进行动态处理，依据氧气消耗比例建立动态控制模型，加料时机（量）、枪位控制依据氧气消耗总量的比例进行设定，过程控制可随氧气消耗量进行动态调整。充分考虑了不同吹炼时间段的反应特点，计算机指令更符合实际冶炼过程规律，炉内反应更平稳。

表5 氧枪使用效果对比

以副枪二级为基础建立的动态控制模型如图1所示，固定加料控制模式如图2所示。

图1 动态加料控制模式

图2 固定加料控制模式

4.2 非对称性底吹模型开发

采用非对称性底吹流量设置，提升熔池搅拌动力，可实现更好的混匀。前期针对冶炼过程中的反应特点，对底吹参数进行了优化。以目前经过优化后的底吹流量参数为基础，对不同底吹枪流量调节阀开度进行不同系数的设定，促使单枪输出流量实现差异，但总流量和与原来的设定保持不变。根据炉龄不同阶段炉况的不同特点，对底吹流量进行差异性设置，力求冶炼过程中的熔池搅拌更加均匀，更好地促进过程反应的进行，稳定终点控制，实现良好的终点命中。底吹枪系数设定如图3所示。

图3 底吹参数设定

当总流量为360 Nm3/h时，正常每支单枪底吹流量为60 Nm3/h，其中3支底吹枪系数每支均设定为1.5，则该3支每一支实际输出流量为90 Nm3/h。为了保证总流量不变，剩余3支底吹枪流量系数需要调小，每支系数设定为0.5，每一支实际输出流量为30 Nm3/h。从动力学的角度来看，足样的流量设置可使熔池内钢水搅拌更加均匀，底吹搅拌无死角，更好地促进了钢水在熔池内的流动。

从生产实际来看，转炉开吹后未出现明显的喷溅事故，冶炼终点时炉渣变黏，炉渣全铁进一步降低。同时，冶炼过程脱磷效果进一步提升，减少了终点磷高补吹的现象，继而进一步稳定低磷钢种终点控制水平。

5 结语

随着钢铁行业的不断转型发展，以客户需求为导向的市场背景迫使钢铁生产企业不断提高产品等级，大力发展超低磷钢是炼钢生产的发展趋势。通过工艺技术创新来降低生产成本也成为当下的必由之路。随着济钢的全面停产，大部分高附加值产品也不断由莱钢承接生产，包括油罐用钢、贝斯耐磨钢、高强钢、水电用钢、海洋用钢等，品种钢中低磷钢的需求不断增加。经过工艺的优化创新，莱钢炼钢厂在低磷钢种生产过程中终点稳定控制水平进一步提升，磷含量稳定控制在0.001 2%以内。转炉冶炼低磷钢种各类消耗不断降低，其中石灰消耗控制在38 kg/t左右，转炉总渣量控制在85 kg/t左右，终点磷合格率达到98%以上，真正地实现了低成本生产及产品质量的稳步提升。

参考文献：

［1］ 朱英雄，钟良才，萧忠敏.复吹转炉深脱磷技术在国内的应用与进展［J］.炼钢，2013，29（4）：1-6.

［2］ 姜迪刚.120 t转炉双渣留渣操作工艺实践［J］.江西冶金，2014，34（2）：19-21.

［3］ 李翔，包燕平，王敏，等.转炉留渣双渣工艺脱磷阶段成渣路线研究［J］.炼钢，2016，32（1）：6-11.