转炉冶炼高碳钢的工艺研究与分析

转炉冶炼高碳钢的工艺研究与分析

周    详    向小龙

摘　要：分析了陕钢汉钢公司（以下简称汉钢）转炉冶炼高碳钢存在的问题和难点，探讨了转炉冶炼高碳钢的操作要点：脱磷、保碳、提温，控制好碳温、碳磷协调，做好造渣脱磷操作是转炉能够冶炼出合格的高碳钢的关键所在。

关键词：高碳钢；冶炼；脱磷

1 前言

汉钢公司转炉现拥有两座公称容量120 t的氧气顶底复吹转炉，1座双工位120 吨LF钢包精炼炉，2台R10m连铸机（方坯，可生产矩形坯和圆坯），基本形成了一条现代化的冶炼工艺路线。转炉冶炼品种较多，处于同类型行业领先位置。汉钢转炉常炼的高碳钢主要是高碳钢绞线、硬线系列钢种，其化学成分见表1。现根据汉钢生产实践，对转炉冶炼高碳钢的工艺技术作进一步探讨。

表1 常炼高碳钢化学成分(w) %

钢牌号        C                Si                 Mn               P            S

70     0.67～0.75   0.17～0.37   0.50～0.80  ≤0.035   ≤0.035

77B    0.75～0.80   0.19～0.26   0.70～0.80  ≤0.020   ≤0.020

82B    0.80～0.84   0.19～0.26   0.60～0.80  ≤0.020   ≤0.020

2.1  冶炼难点分析

从表1可知，该系列钢种都是优质钢，磷、硫含量要求较低。目前转炉冶炼的主要困难是:

（1）吹炼终点w(C)高（一般要求w(C)＞0.35%）,且时间较短,吹炼终点正处于降碳速度较快的阶段，不利于化渣、去磷和终点控制。为确保成品磷合格，一般碳含量较低，增碳量大,难以获得质量良好的产品,即“碳磷”不易协调，实际生产中，碳、磷协调炉数占总数不到50%。

（2）冶炼高碳钢,拉碳时间短,终点温度影响较大。冶炼高碳钢对转炉的出站钢水温度要求很高,当终点碳高时,钢水温度不易达到目标值,补吹升温则保不了碳含量,即“碳温”不易协调。

转炉冶炼高碳钢操作的主要任务就是做到碳温、碳磷协调，目前条件可采取的主要措施如下：

（1）铁水预处理脱磷,将去磷的任务,在铁水兑入转炉前完成。目前汉钢无铁水预处理工艺设备,因此采取留渣和二次造渣操作方法可强化去磷。

（2）纯铁冶炼,转炉纯铁冶炼有足够的物理热和化学热，有利于化渣料的加入，确保终点钢水温度、成分合格。汉钢使用矿石、化渣球做好温度调节和辅助化渣。

（3）终点“高拉补吹”,包内增碳。国内有的厂家采用高拉碳炉后喷吹碳粉、高拉碳喂线增碳工艺。

（4）合金必须进行烘烤，红包出钢，做好工序间衔接，不允许出现等包，减少钢水温度损失。

2.2.1  装入控制

装入量按140 t控制（纯铁）,吹损按3.6%计算。铁水的技术要求如表2所示。原则上是纯铁，实际中可根据上炉C—T协调、C—P协调情况，决定下炉次是否加废钢。

表2　铁水技术要求

成　　份(w)/%

Si             Mn                P            S           渣             温度/℃

0.30～0.40   0.10～0.30  ≤0.100   ≤0.045      <50    1300＜温度℃＜1360

2.2.2  造渣控制和供氧制度

根据铁水硅、铁水温度，调整渣料结构，碱度要求3.0-3.2，不宜以加大石灰量去磷。具体加料化渣控制如下:

（1）适当留渣，一批料开吹加入石灰2 t左右,轻烧白云石、化渣球一次性加入，矿石1t。

（2）二批料分多批次、小批量，10min之前加完，化好化透过程渣，做到不喷溅，不返干。

（3）全过程采用恒压变枪，通过减小供氧压力来调整供氧强度，终点前两分钟严禁加任何物料，视化渣情况确定倒炉时机。

2.2.3  终点控制

终点按“高拉补吹”控制, 冶炼高碳钢时，为了进一步促进中后期脱磷反应的有效进行，一般采取降低供氧强度或者提高操作枪位，使渣中聚集一定数量的氧化铁，改善终渣流动性，确保终点成分、温度均匀，终点成分要求:w(C)≥0.40%、w(P)<0.020%、w(T)为1 590～1610℃，高拉补吹次数≯2次。严格执行一、二次挡渣工作，严禁下渣或者大炉口下渣。

2.2.4  脱氧合金化

钢水脱氧方式采用硅钙合金、硅锰合金，加入顺序按先强后弱，促进夹杂物充分上浮，,此外，其加入时还必须根据钢水量进行适当调整。

2.2.5  增碳

根据终点[C]和目标[C]适当用增碳剂增碳，增碳剂一律在过程出钢过程对准钢流加入，不允许提前加入包底，防止成分不均匀。

3  工艺探讨

高碳钢不能和低碳钢那样根据炉口火焰形状拉碳，一般只能根据吹氧时间结合氧气耗量进行拉碳，勺样很难准确判断碳含量，因此必须取光谱样并等样点吹和等样出钢，碳的控制关键是掌握好拉碳时间和点吹降碳速度。

3.1.1  拉碳时间

实践表明,中高碳钢的拉碳时间比条件相近的低碳钢吹氧耗时少2.5 min左右。冶炼硬线钢时,可根据钢种碳含量以及中高碳钢点吹时降碳速度确定拉碳时间。

3.1.2  点吹降碳速度

根据实践统计结果，中高碳钢点吹平均降碳速度为0.2～0.25%/min。在操作中，应稳定造渣和供氧制度，使终渣有适当流动性，点吹用正常枪位，降碳速度按平均值考虑。如终渣过粘，点吹枪位高，降碳速度按低于平均值考虑；终渣稀发泡，点吹枪位低，降碳速度按高于平均值考虑。

3.1.3  出钢碳的控制

因炉型问题、降提枪速度、开关氧的时间、炉渣流动性等外界情况的不同，使降碳量波动很大，出钢时按25 kg增碳量为0.015%配加增碳剂至炉前控制要求，若终点磷成分不合适，需要下枪处理，一定要再次倒炉取样，等样出钢。

3.1.4  取样过程的控制

实践表明，由于高碳钢终点碳含量较高，炉内存在成分不均、取样没有代表性的现象,这是造成炉前碳含量控制偏高的主要原因。因为冶炼高碳钢时,为了有利于去磷、拉碳和点吹，往往采用较高枪位，氧气搅拌能力差,倒炉后熔池中靠近于炉渣交界面的碳含量接近渣中氧化铁相平衡值,随着熔池深度增加碳含量逐渐增加,当取样深度不够时,碳含量就会低于炉内平均值,按这个样出钢或加增碳剂,成品碳就会比预想的高,甚至高出规格上限。为此,可采取以下措施。

(1)   全过程化渣，避免采用过高枪位点吹。

(2)  过程化渣差，用高枪吊吹后要低枪搅拌再进行倒炉。

(3)  取样样勺样，尽量取至熔池中心较深处，样勺取满。

冶炼高碳钢时，如采用正常拉碳枪位,由于碳高,炉渣氧化性低,流动性差,不利于去磷。拉碳磷高,终点脱磷比较困难和出钢过程回磷是冶炼高碳钢经常遇到的问题,也是造成磷高废品的根本原因。

用脱磷的经验公式，来分析脱磷的影响因素和限制环节，如下：

熔池反应：2【P】+5【O】=（P2O5）

钢渣反应：（P2O5）+3（CaO）=（3CaO. P2O5）

2【P】+5（FeO）+4（CaO）=（4CaO. P2O5）+5【Fe】 （放热）

2【P】+5（FeO）+3（CaO）=（3CaO. P2O5）+5【Fe】  （放热）

由上反应式，可以得知：

①、ω（FeO）、ω（CaO）是脱磷的必要条件，冶炼中后期ω（FeO）处于相对较低的数量，影响脱磷效果且容易回磷，增加渣中（FeO）（如图1），可以加速石灰渣化和改善熔渣流动性，有利于脱磷反应。提高渣中（CaO）的有效浓度，也有利于脱磷，但并不是碱度越高越好（如图2）。

图1 ω（FeO）对磷分配比的影响             图2 ω（CaO）对磷分配比的影响

② 脱磷反应是强放热反应，因此熔池温度过高，会抑制脱磷的进行，钢中磷含量不仅不能降低，反而会回磷；熔池温度过低，不利于石灰的成渣，并影响溶质的流动性，阻碍脱磷的进行。

③ 控制适当的渣量，降低（4CaO. P2O5）（或（3CaO. P2O5））浓度，有利于脱磷反应的进行。

此外，脱磷反应是在钢-渣界面反应，良好的熔渣流动性和充分的熔池搅拌也是促进脱磷反应进行的关键。

控制要点如下。

（1）吹炼过程和终点温度不要过高,冷却剂和化渣料主要在吹炼过程加入。

（2）拉碳枪位比低碳钢提高100～200 mm,使终渣有一定氧化性。

（3）保证炉渣高碱度，终渣碱度达到3.0～3.2。

（4） 座包前余渣倒净，出钢严格执行挡渣作业，杜绝下渣，防止脱氧不当钢水回磷。

冶炼高碳钢温度控制原则前期不过低，中后期不过高，由于高碳钢终点w(C)高，磷含量很低，因此温度控制也是冶炼高碳钢保碳、去磷环节的关键性限制因素，图3表示吹炼终点温度与钢中磷含量的关系，终点温度越低钢中磷含量越低。

图3 吹炼终点温度对钢中磷含量的影响

控制好各环节对温度的损失，确保前期低温环境脱磷效率和中后期温度不过高的的前提下，是满足保碳、脱磷的良好条件。一般采用红包出钢、合金必须进行烘烤、减少过程热损失等。

参考文献

[1]  王雅贞，等.转炉炼钢问答【M】.北京：冶金工业出版社，2007.

[2]  邢洪涛.高碳钢82B脱磷技术研究【J】.甘肃冶金，2011，2（33）：3-4.