工业纯铁炼钢工艺控制实践

张玉秀，张燕平，姜仁波

（唐山不锈钢有限责任公司，河北063105）

0 引言

纯铁是一种含碳量很低的金属材料，具有矫顽力低、导热和电磁性能良好、质地柔软、韧性大等优良性能。目前已实现工业化生产和应用的纯铁又称为工业纯铁，纯度为99.6%～99.8%[1]。工业纯铁是一种重要的钢铁基础材料，主要用于冶炼各种高温合金、耐热合金、精密合金、马氏体时效钢等航空航天、军工和民用合金或钢材[2]。

我国工业纯铁的市场需求量较大，目前部分需求扔依赖进口。根据国内市场调查，2013年我国工业纯铁的产量在30万t以上，但扔有很大缺口[3]。唐山不锈钢有限责任公司（下称不锈钢公司）为开拓纯铁市场，围绕纯铁低C、低P、低S、低Si和低Mn的特点，开发了工业纯铁的产品，推进了工业纯铁的冶炼工艺的贯通。

1 工业纯铁成分控制

工业纯铁主要作为冶炼耐热合金、超高强度钢等的原材料，因此对成分有着非常严格的要求。

（1）钢水中的碳和氮形成的固溶体在常温条件下易析出形成碳化物和氮化物，使钢的强度降低，塑韧性降低，同时，碳含量高会降低钢水的氧化性，不利于脱磷，因此，必须控制碳、氮在较低水平；

（2）工业纯铁中硅、锰含量高时易形成夹杂物，使钢的塑韧性降低，因此硅、锰含量在高纯工业纯铁中控制越低越好；

（3）磷和硫是钢中的有害元素，对钢材有很多不利的影响，因此高级优质钢对钢中磷和硫含量的要求越来越严格；

（4）作为最有效的脱氧元素铝元素能够有效降低钢的含氧量，提高钢水纯净度。

综上所述，工业纯铁的冶炼要求必须将钢中有害元素碳、锰、硅、硫、磷等降到非常低的水平，因此，不锈钢公司制定了高纯工业纯铁冶炼目标成分，如表1所示。

表1 工业纯铁目标成分 /%

目前工业纯铁冶炼主要采用电弧炉，但电弧炉每炉生产的工业纯铁约为5～60 t，生产能力较小，不能满足工业生产要求。以现有的生产流程为基础，国内外各家钢铁企业都在不断的开展提高工业纯铁纯净度、缩短生产流程和改善产品性能等的尝试。因此，不锈钢公司为了扩大工业纯铁的生产能力，炼钢生产采用“铁水预处理→转炉→LF→RH→连铸”的双联工艺路线进行超低碳工业纯铁的冶炼。

2 冶炼模型控制

2.1 脱硫预处理模型控制

硫除了对钢材的热脆性外，还对钢的热加工性能、焊接性能、力学性能、耐腐蚀性能、成型性等都有极大的负作用，如何高效脱硫一直是冶金行业的首要任务。

不锈钢公司现有铁水预处理方法为复合喷吹法，该方法的优点是操作灵活，费用低，处理量大，缺点是实际预测精度差，不能准确预测终点硫含量，容易造成二次喷吹，导致脱硫命中率低等问题。为提高脱硫控制水平，加强脱硫控制能力，提高产品质量和企业竞争力，不锈钢公司结合增量模型与神经元网络模型，开发了以数据挖掘为基础的脱硫综合模型。以增量模型为基础，利用神经元模型动态检索参照炉次，并用多元回归模型进行增量计算及结果筛查，经方差分析去除异常值后，将剩余数值的平均值作为最终输出结果，降低单一模型的偏差比例。脱硫综合模型的应用，降低钝化镁粉消耗10 kg/炉，实现脱硫一次处理终点命中率达到98%以上，进转炉铁水S≤0.001%。

2.2 转炉双渣冶炼

由于铁水初始P含量是制约成品P含量控制的难点，因此如何高效去除钢中P元素，对超低碳工业纯铁的冶炼具有重要影响。对于绝大多数钢种来说，磷元素越低越好，脱磷是转炉炼钢生产过程中的重要任务之一[4]。

转炉采用双渣法进行脱磷操作，充分利用脱磷三高一低的热力学条件，将吹炼分为两个阶段，在第一阶段结束后进行倒炉倒掉部分炉渣，氧枪提枪后可用氮气进行渣补，促进渣铁分离；然后再加入部分造渣料，进入第二个阶段的造渣脱磷。双渣操作保证脱磷效率达到96%以上，控制终点P≤0.004%。

2.3 降低转炉出钢温度

转炉终点温度控制较高时，不利于降低转炉终点Mn含量，使得最终产品锰含量无法得到保证。因此，要通过对转炉的冶炼工艺和操作方法进行优化，有效降低转炉终点温度，达到降低转炉终点锰和产品锰含量的目的。

如图1所示，对转炉出钢温度进行优化控制，对比转炉终点温度1 640℃和1 680℃时的Mn含量发现，随着终点温度的降低，锰含量也明显降低，大约降低了0.016%。这主要是由于转炉终点温度较高时，冶炼后期会发生“回锰”现象，从而终点残锰含量较高，而降低转炉冶炼终点温度，减少了钢水回锰[5-6]。

图1 转炉出钢温度与Mn含量关系

2.4 滑板挡渣的应用

冶炼过程的增磷主要有两个方面，随着合金的加入增磷和转炉下渣带来的增磷。钢种不变，合金加入量相对稳定，增磷也相对稳定。而转炉下渣的增磷则受转炉下渣量的影响，下渣量大会在精炼处理过程中造成钢水回磷。

为了更好控制转炉出钢过程中钢水回磷、回锰问题，转炉采用炉内投放挡渣塞、出钢口使用挡渣滑板挡渣工艺，并配合出钢口下渣检测系统和钢包强力搅拌，使得出钢过程钢水回磷、回锰率大幅减少，实现回磷量≤0.001%。

3 精炼冶炼模型控制

3.1 LF精炼控制

LF精炼的目的是：对钢水温度进行调整，可使得转炉终点温度有效降低，有效防止冶炼终点回磷、回锰，实现低磷、低锰控制；与铁水预处理一起形成双脱硫方式，可以进一步降低钢中硫的含量；LF采用白渣冶炼还可抑制精炼时氧化铝系夹杂物的生成，有利于产品质量的提高；LF加RH的双联精炼流程可有效保证冶炼温度和工序衔接，降低温度损失，延长夹杂上浮时间。

3.2 RH精炼控制

对于工业纯铁的冶炼而言，RH的主要作用是脱C和脱气。脱碳完成后进行镇静脱氧，并通过循环+弱吹两种方式降低钢中T[O]含量至15 ppm内。循环脱氧时，吹氩流量控制在115～125 Nm3/h，时间控制在8～12 min；弱吹脱氧时，吹氩流量控制在15～25 Nm3/h，时间控制在10～15 min。

4 连铸过程控制

4.1 中间包全保护技术

中包使用氩气进行保护浇注，防止氧气进入氧化钢水，但中包内残氧含量没有测量仪器，人工经验调整中包保护浇注氩气量，因此中包氩气保护效果无法量化掌控，影响铸坯质量。

为改善保护浇注效果，对中包氩气浇注情况进行测量，设计了便携抽气式残氧测量系统，抽气流量为2.4升/分钟，根据抽气铜管长度计算，抽气铜管排空管道内空气时间为2分钟。

使用此测量系统，为中包氩气保护浇注时的氩气供气流量提供了依据，也为烘烤中包时助燃空气流量的调整提供了依据，同时也掌握了更换大包后中包残氧恢复的时间。通过测量中包残氧数值（见图2），标准化了中包浇注时石棉布封闭的要求，测量3#连铸机中间包氧气含量为0.7%，目前国内外先进水平控制在1%以下，最低0.5%。

图2

4.2 采用涂抹料中间包并用涂抹料封堵

为降低中包增碳，采用涂抹料代替干式料，减少干式料粘结剂的增碳。经过试验，采用涂抹料中间包并使用涂抹料对中间包浇铸孔、测温口、溢流槽进行密封处理，使中包增碳在3×10-6以内，明显优于普通干式料和无碳干式料，如图3所示。

图3 不同中包增碳分析

5 结语

不锈钢公司采用了转炉双渣操作、LF加RH双精炼工艺和铁水预处理加LF双脱硫方式，成功开发了高纯度工业纯铁，冶炼工艺控制能力达到国内原料级工业纯铁一流水平，这标志着不锈钢公司具备了生产高纯度工业纯铁的能力。工业纯铁开发的重点和难点是钢水纯净度的控制，其对工业纯铁理化性能影响很大。不锈钢公司通过采取以下措施，有效地提高了工业纯铁的纯净度，最终实现了工业纯铁的工业化生产。

（1）炼钢采用“铁水预处理→转炉→LF→RH→连铸”的工艺流程冶炼超低碳工业纯铁，使钢液中碳、锰、硫、磷、硅等16种元素的总含量全部保持在设定目标成分范围内，达到业内的高水准。

（2）转炉双渣操作保证脱磷效率达到96 %以上，控制终点P≤0.004%；

（3）降低转炉出钢温度，可以有效减少回锰；

（4）RH脱碳完成后进行镇静脱氧，并通过循环加弱吹两种方式降低钢中T[O]含量至15 ppm内；

（5）采用涂抹料中间包并使用涂抹料对中间包浇铸孔、测温口、溢流槽进行密封处理，使中包增碳在3×10-6以内。