超低磷工业纯铁生产实践

2024-01-07陈泽民张锦文

山西冶金 2023年11期

陈泽民，李青，张锦文

（山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心，山西太原 030003）

0 引言

磷在大多数合金钢中是有害元素，磷具有强烈的固溶强化作用，使钢的强度[1]、硬度增加，塑性、韧性显著降低。磷使钢的韧性转变温度升高，磷在结晶过程中晶内偏析严重，热轧后出现带状组织而影响钢材性能。工业纯铁[2]作为原料用于粉末冶金、高温合金、非晶和超低磷不锈钢等领域，下游行业对纯铁磷含量有严格要求。常规工艺冶炼纯铁，转炉终点磷质量分数可以达到0.010%以下。为进一步降低纯铁磷含量，通常采用“三脱”工艺将铁水磷质量分数处理至0.020%，或者采用转炉“双联[3]”工艺，达到降低转炉终点磷含量的目的。本文通过采用转炉“双渣”操作，结合转炉炉后脱磷工艺，在超低磷工业纯铁生产中取得了良好的效果。

1 太钢工业纯铁磷含量控制现状

连续统计太钢炼钢厂生产的5 个常见纯铁品种，共计435 炉钢的成品磷含量数据，磷质量分数在0.004 6%～0.011%之间波动，分钢种平均磷质量分数控制水平在0.005 5%～0.006 1%之间，如图1 所示。常规冶炼方法很难将成品磷质量分数控制在0.003%以下。

图1 工业纯铁分钢种磷含量控制水平

2 脱磷热力学分析

以石灰脱磷，脱磷产物为4CaO·P2O5为例，反应式如下：

脱磷反应为放热反应，低温有利于脱磷。同时，炉渣碱度越高，脱磷能力越强。渣中FeO 含量对脱磷有重要作用，FeO 含量越高，越有利于脱磷。

3 工业试验方案

3.1 工艺路线设计

为解决磷含量偏高的问题，采用“转炉炼钢→炉后造渣脱磷→RH 真空处理→连铸”工艺生产工业纯铁。

3.2 工艺条件

1）转炉出钢温度≥1 720 ℃，转炉下渣量≤15 kg/t 钢。

2）铁水条件如表1 所示。

表1 铁水条件

3.3 工艺措施

1）转炉采用“双渣”操作，即吹氧5～8 min 左右，硅、锰氧化结束，碳氧激烈氧化前，进行一次倒渣操作。倒渣结束后，炉内渣量不大于倒渣前炉渣总量的50%。

2）为提高造渣效果，造渣料分两批加入。第一批料在兑铁前加入转炉内，包括30～40 kg/t CaO、20～30 kg/t 轻烧、6～7 kg/t 红泥球和1.2～2.0 kg/t 萤石。第二批料在第一次倒渣后，吹炼开始时加入。

3）控制好吹炼前期氧枪枪位，确保化渣效果。以80 t 转炉为例，枪位根据化渣效果控制在1.6～1.8 m之间。

4）转炉出钢前钢包内加入以下渣料：300 kg 红泥球、100 kg 萤石和400 kg 石灰。

5）转炉出钢过程打开钢包底吹氩，出钢结束后继续吹氩搅拌5～8 min，吹氩强度控制在300～360 m3/min水平。

6）吹氩搅拌结束后，扒渣去除钢包内炉渣，扒渣后残余渣量不大于总渣量的30%。

4 试验结果及分析

生产期间，选取工业纯铁其中的一个牌号（代号5）开展了2 炉试验，成品磷含量控制水平如表2 所示。

表2 成品磷含量

4.1 转炉脱磷过程分析

试验炉次铁水磷质量分数分别为0.048%、0.050%，如表3 所示。转炉吹炼前期加料情况及氧枪枪位控制情况如表4 所示。转炉吹炼前，炉内提前加入造渣料，同时使用萤石助熔化渣，提高了化渣效果。合适的氧枪枪位，保证了吹炼前期快速化渣，不喷溅、不返干。转炉吹炼6 min 后，摇炉倒渣。之后，根据炉内测温情况，加入适量造渣材料继续吹炼，直至温度、成分符合要求后出钢。试验炉次转炉终点磷质量分数分别达到0.004 8%、0.003 5%，脱磷率分别达到90%、93%，比同期脱磷率高2%～5%，如图2 所示。

表3 试验用铁水参数

表4 转炉吹炼前期主要参数

图2 工业纯铁转炉工序脱磷率比较

4.2 钢包炉脱磷分析

钢包炉脱磷过程料渣加入量等参数如表5 所示。转炉渣中氧化铁含量较高，利用原始转炉渣，配加红泥球，使渣中具有较高的FeO 含量。同时，加入适量石灰，提高炉渣碱度，萤石作为助溶剂，有利于化渣并提高炉渣流动性。高氧化性、高碱度炉渣为脱磷提供了良好的热力学条件。钢包底吹氩，为钢包炉脱磷提供了良好的动力学条件，促使钢渣反映快速进行。试验炉次，脱磷前后磷含量如图3 所示，钢包炉内脱磷率分别达到47.9%、34.3%，且初始磷含量越高，脱磷率越高。

表5 钢包炉脱磷过程参数

图3 脱磷前后工业纯铁磷含量

4.3 炉渣控制水平分析

表6 中，炉序号1 和2 在转炉采用了“双渣”工艺，渣中w（P2O5）较低。由此可见，通过转炉“双渣”操作，有效降低了渣中P2O5的含量，有利于脱磷反应。同时，试验炉次钢包炉脱磷结束后，渣中w（FeO）＞30%，相比未进行钢包炉脱磷的对比炉次，氧化性更强，碱度R 值更高，强氧化性和高碱度有利于钢包内脱磷。