转炉双联工艺冶炼X80管线钢脱磷试验研究

张瑞青

（河钢集团唐山钢铁集团有限责任公司，河北 唐山 063600）

0 引言

对于绝大多数钢种来说，磷是钢中有害元素之一，作为杂质元素必须在铁水预处理或者转炉冶炼环节尽可能去除。钢中磷元素含量越高，在钢水的凝固过程中越容易产生偏析，钢材冲击性能降低就越大。磷元素也能够降低钢水表面张力，很容易聚集在结晶边界处，导致钢材的局部组织异常，降低钢材的抗热裂纹性能，容易引起“冷脆”，对焊接使用功能也有不利影响。目前低温容器用钢、海洋用钢、石油天然气用钢等高级别管线钢中，均要求极低的磷、硫含量。其中X80 管线钢对钢中磷元素的质量分数要求低于0.010%，目前常规的冶炼工艺已无法满足超低磷钢的生产工艺要求。唐钢公司根据现有的工艺装备，采用了转炉双联炼钢工艺生产X80 管线钢，即脱磷转炉先进行脱磷，再装入脱碳转炉继续进行冶炼。脱磷转炉利用低温的有利条件实现充分快速脱磷，脱碳转炉出钢温度在1680℃较高的条件下，要控制钢中磷含量不大于0.009%。

唐钢公司利用两座转炉冶炼，再通过LF 工序进行温度调节，RH 工序进行脱气，进一步提高了钢水洁净度，不仅降低了管线钢的生产成本，还生产出高品质的洁净钢[1-3]。本文介绍了唐钢公司X80管线钢生产工艺流程，结合唐钢公司实际提出X80管线钢的试验方案，并对试验结果进行了分析。

1 唐钢公司X80管线钢生产工艺流程简介

唐钢公司热轧部共有3 座公称容量200t 顶底复吹转炉，其中1 座脱磷炉，2 座脱碳炉，配有双工位LF 炉2 座和RH 炉2 座，以及2 台直弧型两流板坯连铸机，年产合格板坯600 万吨左右。其中大部分是[P]＜0.02%的优质钢，要求出钢[P]≤0.015%。X80 管线钢生产采用了转炉双联工艺，KR 脱硫→脱磷转炉→脱碳转炉→LF 精炼处理→RH 精炼处理→连铸。

2 试验方案

现场首次试验共生产两炉X80 管线钢。脱磷炉要在低供氧强度下脱磷、脱硅，并要抑制铁水升温过高，防止碳的氧化。根据铁水硅元素含量，脱磷炉使用恒流量吹炼，供氧强度为2.22Nm3/(t·min)，底吹强度为0.08Nm3/(t·min)。根据现场炉况和生产节奏要求，铁水预处理脱硫，控制入炉铁水[S]≤0.005%。加入转炉的废钢要使用自产的优质废钢，不得使用生铁块、钢渣。脱磷炉目标碱度控制在1.8～2.2，半钢温度控制在1340℃～1380℃；脱碳炉终点温度控制在1665℃～1685℃，控制终点钢水[P]≤0.009%，全程底吹氩气。在生产中，分别对脱磷炉和脱碳炉的入炉铁水、冶炼终点进行取样，在出钢时取炉渣试样。入炉铁水成分和温度如表1所示，H1、H2代表2炉实验炉的入炉铁水样。

表1 入炉铁水成分和温度

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

表2为两炉实验炉脱磷终点和脱碳终点钢水成分及温度，P1、P2 为脱磷终点样，C1、C 2 为脱碳终点样。表3为两炉实验炉脱磷终点和脱碳终点渣成分，S1、S2 为脱磷终点渣样，F1、F2 为脱碳终点渣样。由表2、表3可知，S1 脱磷炉渣碱度是1.36,T.Fe 含量为10.67%，钢水温度为1361℃，脱磷率为25.85%，磷分配比LP为35；F1脱碳炉渣碱度是4.15,T.Fe 含量为33.74%，钢水温度为1672℃，脱磷率为94.18%，磷分配比LP为320。S2 脱磷炉碱度是1.7,T.Fe 含量为13.08%，钢水温度为1366℃，脱磷率为50.85%，磷分配比LP为36；F2脱碳炉渣碱度是3.27,T.Fe 含量为18.35%，钢水温度为1684℃，脱磷率为87.93%，磷分配比LP是232。

表2 两炉实验炉脱磷终点和脱碳终点钢水成分和温度

图1是由表1、表2数据绘制成的2 炉X80 实验管线钢碳、磷、硫成分变化曲线。由图1可以看出，第2炉钢的脱磷炉终点磷元素含量比第1炉钢低了32.55%，碳元素含量低12.5%。由于首次试验，根据第1 炉的试验生产实际状况，对普瑞特自动化冶炼模型的供氧强度、氧枪枪位、加料过程等参数进行了调整，降低了脱磷转炉终点磷含量。

图1 两炉X80实验管线钢碳、磷、硫成分变化曲线

3.2 铁水中磷的氧化反应

研究表明，铁水中磷的氧化及其实际自由能变化如式（1）所示。由式（1）中ΔrG= 0，可得到式（2）。磷分配比的定义式如式（3）所示。

由式（2）和式（3）可得磷分配比LP的计算式,如式（4）所示。

式中：XP2O5为脱磷渣中P2O5的摩尔分数；aFeO为脱磷渣中FeO活度；γFeO为脱磷渣中FeO活度系数；fP为铁水中磷的活度系数；w[P]为铁水中磷的质量分数；γP2O5为脱磷渣中P2O5活度系数；T为温度，K。

由式（4）可知，若要提高磷在渣铁间的分配比，可以采取下述方式。一是提高渣中的氧化性，即增加渣中FeO 含量；二是降低冶炼温度；三是提高渣量并降低炉渣中P2O5的活度系数。

3.3 脱磷主要影响因素分析

3.3.1 渣中氧化性影响分析

图2为渣中T.Fe 含量和碱度对磷分配比的影响情况。由图2可知，随着渣中T.Fe 含量的增大，氧化性的提高，渣/钢间的磷分配比增大；随渣中碱度的提高，冶炼终点渣/钢间的磷分配比逐渐增大。由式（1）～（4）可知，渣中(FeO)与(P2O5)形成的(3FeO·P2O5)，有利于渣中(CaO)与(P2O5)反应结合成(3CaO·P2O5)。另外(FeO)可与石灰反应生成低熔点铁酸钙，降低炉渣的黏度，改善熔渣的流动性，加快磷在渣/钢界面的传质，改善脱磷的动力学条件，从而提高脱磷速率。但若渣中T.Fe含量过高，不仅会增加铁的损失，降低金属收得率，也会造成炉渣稀释，降低（CaO）的脱磷作用。廖鹏等研究认为半钢时转炉渣中T.Fe 含量保持在14%～20%较为合适，转炉终渣中T.Fe 含量保持在16%～18%较为合适[4]。吴伟研究认为前期转炉渣中T.Fe含量保持在35%～40%较为合适，转炉终渣中T.Fe 含量保持在20%～25%较为合适[5]。

图2 渣中T.Fe含量和碱度对磷分配比的影响

综上所述，唐钢公司脱磷转炉终渣中T.Fe含量保持在10%～15%较为合理，脱碳转炉终点的磷含量要求更低，渣中T.Fe 含量保持在20%～25%较为合理。

3.3.2 渣中碱度影响分析

炉渣碱度高且熔化好，则炉渣的脱磷能力强，炉渣在温度较高条件下生成的磷酸钙比较稳定。（CaO）可降低（P2O5）活度，在渣中的（SiO2）一定的前提下，渣中的（CaO）增加，可以获得高碱度、高氧化性炉渣，得到较大的磷分配比。由于石灰在渣中的熔解需要Fe3+和O2-，石灰的加入量过大，炉渣不能提供足够的Fe3+和O2-，造成炉渣的黏度增加、流动性变差，炉渣反应的动力学条件变差，反而会影响脱磷效率。所以，保持合理的碱度是脱磷的关键。廖鹏等研究认为保持半钢时渣碱度在2.0～2.3，脱碳转炉终点渣碱度在3.6～3.8 较为合适[4]。吴伟研究认为前期转炉碱度保持在2.0，转炉终点渣碱度保持在3.5～4.0较为合适[5]。

综上所述，唐钢公司脱磷转炉终中渣碱度保持在1.6～2.0 较为合适，脱碳转炉终渣中碱度保持在3.3～4.1较为合适。

3.4 转炉终炉渣矿相分析

炉渣矿相分析的主要目的是确定渣中的矿相组成和分布，把矿相分析与炉渣化学成分结合起来，更全面地了解炉渣的性质。图3和表4分别为脱磷炉和脱碳炉终渣的矿相微观结构和矿相组成。由图3可知，两炉实验炉渣的矿相主要特征如下:

表4 脱磷炉和脱碳炉终渣的矿相组成

（1）两炉炉渣的矿相组成基本一致，主要包括C2S（硅酸二钙）、C3S（硅酸三钙）、RO 相、C4AF（铁铝酸钙）、fCaO（自由氧化钙）。由于终点温度不同，低温条件矿相结构还没有形成稳定组织，从图3中可以看出，炉渣终点温度越高矿相晶体组织越明显。脱碳炉终点温度较高，渣（CaO）和（SiO2）反应充分，形成的C3S 相也较粗大，而脱磷炉温度较低，渣中形成的C3S 相对较少，粒状分布的C2S 相含量较多，炉渣中形成C2S和C3S的固溶体，热力学条件好有利于反应的正向进行[6-9]。

图3 脱磷炉和脱碳炉终渣的矿相微观结构

（2）脱碳炉终渣的矿相组成中，以长条状及板柱状存在的C3S 数量比脱磷炉终渣的比例高15%，以灰褐色粒状分布的C2S 数量比脱磷炉终渣的比例高10%。

（3）脱磷炉终渣的矿相组成中的C4AF 数量比脱碳炉终渣中的C4AF 高15%，两炉终渣中RO 和fCaO相比例基本相当。

4 结语

（1）使用转炉双联高效化生产工艺生产的X80钢水洁净度对比传统生产工艺有较大幅度提高，终点钢水中[P]+[S]最低可控制到90ppm。

（2）双联工艺复合吹炼条件下冶炼过程中炉渣成渣快，渣-钢反应更加充分。脱磷转炉终渣中T.Fe 含量保持在10%～15%，炉渣碱度保持在1.6～2.0 较为合适；脱碳转炉终渣中T.Fe 含量保持在20%～35%，炉渣碱度保持在3.3～4.1较为合适。

（3）复合吹炼工艺条件下，炉渣矿相为C2S、C3S、RO 相、C4AF、fCaO。脱碳炉终渣矿相组成中的C3S 数量比脱磷炉终渣的比例高15%，以灰褐色粒状分布的C2S 数量比脱磷炉终渣的比例高10%，炉渣组元反应充分。