120吨复吹转炉冶炼低磷钢的生产实践*

曾海军， 黄治成

(湖南华菱湘潭钢铁有限公司， 湖南 湘潭 411101)

引 言

随着公司品种升级，生产品种转向高精端、高品质、高附加值的钢材领域，所生产的低温容器用钢、海洋用钢、低温船板用钢、抗酸容器用钢等对钢中的磷元素含量要求极其严格，部分要求磷含量小于0.008%。如何高效地去除钢中的磷，成为转炉冶炼生产中亟待解决的关键问题之一。为此，各研究机构、生产单位对脱磷工艺进行了一系列研究[1-3]。湖南华菱湘潭钢铁有限公司(以下简称“湘钢”)五米宽厚板厂生产初期采用双渣法冶炼低磷钢，但是因为冶炼周期偏长，钢铁料等消耗高，操作不稳定等，产能受到限制。为了提高低磷钢产能，开发出了复吹转炉冶炼低磷钢的新工艺，可将中间包磷含量稳定控制在0.008%以下，有效降低了现场生产成本和提高产能，为大幅拓宽高附加值产品的生产提供了保障。

1 脱磷原理

1.1 脱磷反应的热力学条件

转炉脱磷为氧化反应，其氧化产物P2O5与渣中CaO结合形成稳定的高熔点(3CaO·P2O5)或(4CaO·P2O5)化合物存在于渣中，脱磷产物为4CaO·P2O5的反应式为[4]：

(1)

(2)

式中Kθ为反应平衡常数，a为熔渣中成分的活度，w(P)为钢中磷的质量分数，T为钢液温度(℃)。

从脱磷反应方程式中可以看出，提高炉渣中CaO和FeO含量，降低出钢温度对脱磷有利。

1.2 脱磷反应的动力学条件

转炉冶炼过程的脱磷反应[5]包括两个反应区域：第一反应区是超音速氧气流股吹开炉渣直接接触金属液面发生[P]+{O2} 的直接氧化反应，由于连续冲击金属液面，液面上的反应物和产物不断更新，有利于反应进行；第二反应区是除氧气流股作用区以外的炉渣与金属液相接触的区域，即在渣-钢界面上发生[P]+(FeO)的间接氧化反应。第二反应区的动力学条件远不如第一反应区，提高底吹供气强度，加强该区域搅拌，创造良好的渣-钢接触条件，对脱磷有利。采用炉外脱磷[6]时，磷在渣中及钢液中的扩散均影响反应速率，但主要是在钢液中的传质。充分的搅拌能和炉渣流动性是促进脱磷反应的动力学条件。

2 冶炼工艺

湘钢五米宽厚板厂有120吨复吹转炉2座、扒渣机1台、双工位LF炉4座、RH炉和VD炉各1座、板坯连铸机2台、方坯连铸机1台。针对07MnNIDR等w(P)≤0.008%的低磷钢种订单量不断增加的情况，开发了转炉+出钢后脱磷工艺，转炉出钢w(P)<0.010%，沸腾出钢加入适量石灰、调渣剂等造渣，出钢过程中利用大氩气搅拌结合石灰、调渣剂等造高碱度渣，出钢后在炉后继续进行大氩气搅拌，待钢水磷满足要求后，加入适量石灰进行稠渣，然后扒去高磷渣。其工艺路线为：120 t 转炉→出钢后脱磷→扒渣→120 t LF炉→120 t RH/VD炉→300×(2080-2280) mm板坯连铸。

3 冶炼实践3.1 铁水及废钢选取

因公司铁水采用铁水罐一罐到底和低铁耗模式，废钢加入量较大，对转炉入炉铁水温度和成分都有着较严格的要求，如表1所示。冶炼前期熔池温度低，高温铁水对脱磷有利，铁水的硅含量也不能低，否则会导致熔池热量不足，影响出钢后脱磷及扒渣效果。

表1 入炉铁水成分及温度

废钢种类及配比对冶炼低磷钢有很大影响，因此，合理的废钢配比及加入，是转炉脱磷的基础。通过实践得出了有利于脱磷的废钢配比，如表2所示；重型废钢和生铁块不宜加入，防止其裹入渣中难以熔化，生铁块后期熔化还会导致增磷。

表2 废钢配比

3.2 转炉工艺控制

3.2.1 操作控制

转炉采取留渣操作，留渣量5-8吨，以加速石灰溶解，保证前期快速成渣，提高炉渣碱度和氧化性。采用5孔13.6°夹角氧枪喷头，吹炼开始后，将枪位控制在1.3-1.7 m，氧气压力0.8-0.85 MPa，底吹供气强度0.045-0.055 m3/(min·t钢)。第一批料在开吹后0.5 min左右加入，加入量为1 / 2活性石灰、4/5轻烧白云石；吹炼中期底吹供气强度0.03-0.04 m3/(min·t钢)，根据炉口反应调整氧枪枪位，保证渣中有合适的FeO，防止炉渣返干；吹炼末期底吹供气强度控制为0.045-0.055 m3/(min·t钢)，结合TSC测量温度和碳含量结果，再次加入适量的石灰、白云石造渣，过氧化出钢，并合理控制终点温度，保证出钢w(P)控制在0.010%以下。

(1) 终点w(P)对中间包w(P)的影响

要满足中间包w(P)≤0.008%，转炉终点w(P)应尽可能低，这样会减轻后续工序压力。当转炉终点w(P)≤0.0065%时，可取消扒渣工序，图1为转炉终点w(P)对连铸中间包w(P)的影响。

图1 终点w(P)对中间包w(P)的影响

通过图1可以看出：要实现中间包w(P)≤0.008%，转炉终点w(P)宜控制在0.011%以下。终点w(P)过高时，会加大后续处理难度，部分甚至无法达到中间包w(P)要求。控制好转炉终点w(P)是冶炼低磷钢的基础，当终点w(P)高时，必须进行补吹操作，一方面可以降低钢水磷含量，还可以增加钢水w(O)，提高出钢后脱磷效果。

(2) 终点温度控制

低温有利于脱磷。冶炼前期采用低枪位操作结合大底吹搅拌改善脱磷的动力学条件，实现最大程度的脱磷；冶炼中期通过调整氧枪枪位和铁矿石的加入量，来控制熔池均匀、缓慢升温，将钢水w(P)控制在较低水平；吹炼末期，加入适量铁矿石等渣料控制终点温度，防止温度过高而返磷。终点温度与终点w(P)的关系如图2所示。

图2 终点温度对终点w(P)的影响

由图2可知：随着出钢温度的提高，出钢w(P)急剧上升。出钢温度控制在1625 ℃以下时，可将出钢w(P)控制在0.011%以下。TSC钢水温度控制在1580 ℃，w(C)控制在0.25%以下为宜；TSC温度过高会导致钢水w(P)偏高，末期去磷难度大，w(C)过高则会导致末期吹炼时间长，升温高导致钢水返磷。因钢包全流程加盖保温，以及出钢只加入少量渣料，温降较小。因此，在保证生产顺行的前提下，应适当降低出钢温度，以达到低磷出钢的目的。根据现场实践，出钢温度不得低于1605 ℃；否则导致出钢后温度不足，钢渣结块，影响扒渣效果。

(3) 氧化性控制

渣中FeO是钢液中磷的氧化剂，炉渣的FeO越高，磷在渣钢间的分配比越大。FeO还可以改善炉渣的流动性，促进钢渣界面反应。转炉冶炼过程中，通过调整氧枪枪位、加入铁矿石、终点过氧化等措施来保证炉渣的氧化性，提高脱磷效果。采用转炉+出钢后脱磷冶炼低磷钢，利用终点w(O)来代表钢水氧化性，其对终点w(P)的影响如图3所示。

图3 终点w(O)对终点w(P)的影响

由图3可以看出：提高终点钢水w(O)对于降低w(P)有利。要将转炉终点w(P)稳定控制在0.011%以下，终点w(O)宜控制在0.055%以上，否则会影响出钢后进一步脱磷效果。实际操作时，可以结合转炉快速成分分析仪来检测钢水w(P)，若钢水w(P)低，可以适当降低终点w(O)。

(4) 终渣碱度控制

钢中磷氧化后与渣中CaO结合成稳定的磷酸钙，渣中有效(CaO)含量越高，磷在渣钢间的分配比越大，从而降低钢水w(P)，但低铁耗下，熔池热量可能不足，要避免加入过多石灰，否则会恶化炉渣流动性、粘度等，而不利于脱磷。终渣碱度对终点w(P)的影响如图4所示。

图4 终渣碱度对终点w(P)的影响

根据图4可知：将终渣碱度控制在3.5以上，可将转炉终点w(P)控制在0.011%以下；当碱度超过4.5后，终点w(P)有增大的趋势。冶炼时必须保证加入足够的石灰，增加熔渣碱度和渣量，这样对脱磷有利。研究表明[3]：当碱度为2.5-4.0时，增加渣中TFe含量有利于脱磷反应进行，若想再提高炉渣碱度，就必须提高渣中TFe含量或加入化渣剂等措施来帮助石灰熔化。根据实践：终渣碱度按3.5-4.5控制，对保证脱磷效果和成本控制均有利。

3.2.2 出钢及炉后脱磷控制

钢包投入要求：周转钢包，无残钢和渣沿，包壁温度>950 ℃。出钢过程中，采用红外下渣检测和滑板联用进行挡渣。采取沸腾方式出钢，出钢时控制钢包底吹氩气流量为600-800 L/min，利用大氩气强烈搅拌以及高的氧分压冲混脱磷。出钢开始后向钢包内加入石灰3.0-5.0 kg/t钢，调渣剂1.5-3.0 kg/t钢，在保证顶渣渣量、碱度的同时，保持顶渣有较好的流动性，尽可能多去磷。钢水出完后，继续在炉后大氩气搅拌4-8 min，进行测温取样，当钢水w(P)<0.006%时，结合钢水温度，加粉末石灰1.5-3.5 kg进行稠渣，然后氩气搅拌2-5 min出站，出钢温度控制在1560-1575℃。转炉终点w(O)对出钢后脱磷率的影响如图5所示。

图5 终点w(O)对出钢后脱磷率的影响

由图5可知：转炉终点w(O)越高，炉后脱磷率越大。通过控制钢中氧含量与适当的渣中FeO，并调整渣中CaO含量，通过大氩气流量搅拌，脱磷效果明显。出钢后平均脱磷率达到51.20%，最高接近60%。在转炉终点钢水w(P)为0.011%时，要将其降至0.006%以下，终点w(O)宜控制在0.065%以上，提高终点w(O)对降低钢水w(P)也有利。

3.2.3 扒渣控制

当倾斜至钢包口与钢水面平齐时，开始进行扒渣作业，当目测钢水面裸露85%以上时，扒渣完毕。扒渣是否干净影响到LF炉脱氧后的钢水返磷量。转炉出钢w(P)与返磷率的关系如图6所示。

图6 出钢w(P)与返磷率的关系

用[中间包w(P)-炉后出站w(P)]/[转炉终点w(P)-炉后出站w(P)]计算钢水返磷率。由图6可以看出：扒渣结束后，钢水返磷率为30%-39%，平均返磷率34.6%，返磷量为0.001%-0.002%， 扒渣前将钢水w(P)脱至0.006%以下，扒渣后可以满足中间包钢水w(P)≤0.008%的要求。

3.3 实践效果

采用转炉+出钢后脱磷工艺后，不仅可以将中间包w(P)稳定控制在0.008%以下，转炉冶炼时间平均缩短了约5 min，连续浇铸的炉数由初期的5-8炉延长至≥12炉，低磷钢产量得到大幅增加。转炉采取单渣操作，煤气回收量得到了较大增加，减少倒前期渣，延长连续浇铸炉数使钢铁料消耗降低明显，还降低了石灰和白云石加入量。其加合金操作调整至扒渣后进LF炉时进行，新工艺与初期双渣法工艺相比，物料消耗对比如表3所示，按照公司当前物料采购价格，新工艺平均降低生产成本约22元/t钢。

表3 两种工艺物料对比

4 结束语

1)采用120 t复吹转炉+出钢后脱磷工艺生产低磷钢，可以满足中间包w(P)≤0.008%要求，连浇炉数≥12炉，磷含量的控制不再是低磷钢产量的限制性环节。

2)转炉终渣碱度控制在3.5-4.5，终点温度控制在1605-1625 ℃，终点w(O)≥0.065%，可将出钢w(P)稳定控制在0.011%以下，也可保证出钢后进一步脱磷效果。

3)采用新工艺生产低磷钢，LF炉平均脱磷率51.2%，扒渣后平均返磷率34.6%，生产成本平均降低了约22元/t钢。