复吹转炉冶炼低磷钢工艺

来源：李峻，刘浏 |浏览：次|评论：0条 [收藏] [评论]

复吹转炉冶炼低磷钢工艺

李峻，刘浏

(钢铁研究总院冶金工艺所，北京100081)

摘要：探讨了复吹转炉采用常规冶炼工艺和脱磷预处理直炼工艺冶炼低磷钢的工艺条件。A、B两厂采用常规冶炼工艺，当炉渣ω(T．Fe)=16％～24％，炉渣碱度为3．5时，要稳定冶炼训(P)<0．01％的低磷钢时，终点ω(C)应控制在0．05％以下。C、D两厂采用脱磷预处理直炼工艺，当一次倒炉ω(C)<0．10％时，钢水。(P)能控制在0．01％以下。预处理直炼工艺脱磷、脱碳期的关键是控制总渣量和半钢磷含量，为使在冶炼低磷钢ω(P)<0．01％的同时吨钢总渣量控制在90kg以内，当脱磷期倒渣率达到40％～50％时，半钢ω(P)最高应控制在0．026 %~0．037％。

关键词：复吹转炉；脱磷预处理；造渣；磷分配比

社会对低硫优质钢的巨大需求使铁水脱硫预处理工艺被钢铁企业广泛采用，由于转炉具有较好的脱磷能力，而对于ω(P)小于0．01％和0．005％的低磷、超低磷钢种需求量还不是很大，铁水脱磷预处理工艺还未被大多数钢厂所重视和采用。当不采用铁水脱磷预处理工艺时，转炉冶炼低磷钢一般采用“双渣”法或脱磷预处理直炼工艺(简称“预直炼”工艺)^[1-2]。两种方法冶炼低磷钢时，常存在终点命中率不高，磷含量波动大等问题；同时倒渣操作也降低了冶炼过程的稳定性和连续性。本文结合不同吨位转炉炼钢终点脱磷的实际情况，通过理论分析和计算探讨了转炉常规冶炼工艺和“预直炼”工艺冶炼低磷钢的工艺条件。

1 工艺参数

为全面比较不同吨位复吹转炉冶炼终点脱磷情况，选取了A、B、C、D 4家钢厂复吹转炉冶炼不同钢种时的终点数据。其中，A、B两厂为大型复吹转炉，采用常规工艺冶炼低碳钢；C、D为中型转炉，采用“预直炼”工艺冶炼低、中、高碳钢。4个钢厂铁水P、钢水C、P和终点温度、终渣碱度情况如表1所示。

2转炉常规冶炼工艺

2．1 终点C、P分布

为了便于比较，将A、B两厂一次倒炉和钢水终点C、P关系按磷的分配比L_P(L_P=(％P)／[％P])大小进行分类，如图1所示。

A、B两厂大部分炉次终点L_P能够较稳定控制在50～100。L_P值在同一范围内时，钢水C降低，P降低；当钢水C相同时，L_P越大，终点P越低。钢水终点ω(C)<0．05％时，ω(P)<0．01％；终点ω(C)控制在0．05％～0．10％时，大部分炉次ω(P)<0．02％。为了考察C较高时的脱磷情况，图1中也相应给出了B厂一次倒炉钢水C、P分布情况。ω(C)：0．20％～0．60％时，由于C较高，LP较低，在30～50，一次倒炉ω(P)较高，在0．019％～0．045％。

2．2 炉渣碱度和T．Fe对磷分配比的影响

脱磷反应是渣一钢界面反应，炉渣碱度和T．Fe对L_P有重要影响，这里引入Suito等^[3]关于Mg(1)饱和CaO基复杂渣系磷分配比经验计算式，如式(1)，用以判断A、B两厂的大型转炉吹炼终点脱磷平衡状况。

lg L_P=0．072[(％CaO) 0．3(％MgO) 0．6(％P₂O₅) 0．2(％MnO) 1．2(％CaF₂)一0．5(％Al₂O₃) 11570／T一10．52 2．51g(％T．Fe)] (1)

如图2所示，A厂终点炉渣碱度较高，钢水ω(C)波动于0．03％～0．05％的炉次，平均碱度为3．68，lg L_P实际值波动于2．00～2．18；钢水ω(C)波动于0．05％～0．08％的炉次，平均碱度为3．60，lg L_P实际值波动于1．70～2．11。B厂终点炉渣碱度较低，钢水ω(C)波动于0．03％～0．05％的炉次，平均碱度为3．06，lg L_P实际值稳定在1．60～2．00；钢水ω(C)波动于0．05％～0．13％的炉次，平均碱度为3．04，lg L_P实际值稳定在1．48～1．88。

由于炼钢过程存在C、P的选择性氧化，即当炉渣碱度相同时，只有将C脱至较低值，才能满足渣一钢脱磷平衡对于熔池氧势的要求，也就是说，当不采用脱磷预处理或换渣操作时，冶炼低碳钢ω(C)<0．05％)时最容易实现冶炼低磷钢，因此，A、B两厂终点脱磷隋况符合基本脱磷热力学原理。当C较高时，通过控制成渣及最佳成分组成(包括适宜的碱度、T．Fe和渣量)也可以实现低磷钢冶炼，但控制成渣过程的难度要大得多，因此钢中[C]、[P]的波动程度也会变大。通过计算可以发现，大部分炉次lg Lp计算值略高于实际值，说明渣钢反应接近平衡，但炉渣仍有一定的脱磷能力，因此，需进一步找出提高L_P的因素。

如图3所示，随炉渣碱度增加，Lr先增大，在R为3．5左右时出现极大值，R进一步增加，Lr降低。如图4所示，炉渣T．Fe增加，Lp先增大，在ω(T．Fe)=18％～21％时出现极大值，T．Fe进一步增加，L_P降低。可以发现，当炉渣ω(T．Fe)低于16％时，大部分炉次终渣碱度小于3．5；炉渣ω(T．Fe)为16％～24%时，炉渣碱度能稳定在3．5左右。A、B两厂终点数据表明，炉渣碱度过高或过低都无法获得较高的Lr，为使Lr稳定在100左右，炉渣碱度应控制在3．5左右，炉渣ω(T．Fe)应控制在16％～24％。

2．3渣量对磷分配比的影响

如上节所述，炉渣碱度和T．Fe在较小范围波动时，A、B两厂终点Lr值也较为固定，而冶炼低磷钢时，磷含量较低，要求渣一钢间Lr有较高值，若L，无法达到预期值，则只有通过降低铁水初始磷含量或增加渣量来满足冶炼低磷钢的需要。由于大型转炉造渣模式较为固定，渣量也相对稳定，因此，L_P同渣量的关系直接影响到采用常规工艺能否在正常渣量条件下冶炼低磷或超低磷钢。

L_P取不同值时，渣量同铁水初始P的关系如图5所示。

为使脱碳终点钢水ω(P)达到(1．01％，当L_P为50和100时，若吨钢渣量为80 kg，铁水初始ω(P)不应超过0．05％和0．09％；若吨钢渣量为100kg，铁水初始ω(P)不超过0．06％和0．11％。为使脱碳终点ω(P)达到)．005％，当L，=50时，若吨钢渣量为80～100 kg，铁水初始ω(P)应小于0．03％；当L，为100、吨钢渣量为120 kg时，铁水初始ω(P)应小于0．065％，这显然小于普通铁水的初始ω(P)(一般铁水ω(P)=0．08％～0．12％)，因此，只有LP能够稳定的达到150，在正常炼钢吨钢渣量条件下(80～100kg)，才能使脱碳终点ω(P)达到0．005％。按A、B两厂目前正常造渣模式来看，在终渣碱度能够比较容易的控制范围内(3．0～4．0)，Lr很难稳定达到150，因此，正常炼钢渣量条件下，很难将钢水ω(P)较稳定的控制在0．005％以下。

3转炉前期脱磷预处理直炼工艺

如前节所述，转炉常规冶炼工艺通过将钢水ω(C)降低到0．05％以下，在较高的炉渣碱度条件下，能够较稳定的冶炼ω(P)小于0．01％的低磷钢；当冶炼碳含量较高的钢种时，脱碳同脱磷的矛盾更为突出，冶炼低磷钢会遇到很大困难。为了解决这一矛盾，转炉前期脱磷预处理直炼工艺得到了应用。“预直炼”工艺的特点是，转炉冶炼分为脱磷和脱碳两个阶段，冶炼前期采用脱磷预处理工艺，吹氧时间为8～10min，脱磷期结束后倒掉部分脱磷渣，直接进入脱碳期，脱碳过程加入少量渣料以确保渣量。

3．1 终点C、P分布

C厂和D厂采用了“预直炼”工艺冶炼低碳和高碳钢。将两厂一次倒炉和终点[C]、[P]关系按Lr值大小进行分类，如图6所示。

由图6可知，高碳范围磷的控制水平有所改善，C厂钢水一次倒炉ω(C)=0．50％～1．0％时，钢水ω(P)稳定在0．03％以下，平均碱度仅为2．58；D厂由于一次倒炉平均碱度波动较大，钢水ω(P)波动也较大，当钢水一倒ω(C)=0．20％～0．50％时，对于平均碱度为2．35的炉次，钢水ω(P)。0．01％～0．05％；对于平均碱度为2．83的炉次，钢水砌(P)波动于0．003％～0．03％。采朋“预直炼”工艺后，低碳范围磷的控制水平较A、B两厂常规冶炼工艺更为稳定，冶炼ω(P)<0．01％的低磷钢，钢水一倒ω(C)从0．05％提高到0．10％；中、高碳范围磷的控制水平较A、B两厂常规冶炼工艺有一定的提高，但还无法满足钢水ω(P)<0．01％的要求。

可以发现，同常规冶炼工艺相比，采用“预直炼”工艺后，低碳范围磷的控制水平较A、B两厂常规冶炼工艺更为稳定，冶炼ω(P)<0．01％的低磷钢，钢水一倒ω(C)从0．05％提高到0．10％；当钢水ω(C)提高到0．30％～0．80％时，能够较稳定将钢水阳(P)控制在0．03％以下，达到一般钢种对磷含量的要求，但还无法满足ω(P)小于0．01％的要求。从C、D两厂“预直炼”工艺试验情况来看，采用脱磷期倒渣工艺后，由于倒渣率难以精确控制，使脱碳期的造渣模式及渣量控制变得困难，这成为影响“预直炼”工艺终点控制水平的最主要问题。

3．2造渣工艺对终点磷含量的影响

从试验结果来看，虽然终点磷的控制水平已得到一定改善，但钢水ω(C)提高到0．30％后，控制钢水ω(P)<0．01％的难度仍然很大，其主要原因是，前期脱磷后倒渣量难以准确控制，倒渣率一般不会超过50％，剩余的脱磷渣被保留至脱碳期，渣中P₂O₅影响了脱碳终点钢水平衡磷含量。

转炉一般根据铁水叫(Si)和目标碱度来确定渣料加入量，假设脱磷期铁水叫(Si)为0．40％，当炉渣碱度为2．5时，理论吨钢渣量计算值约为63 kg(石灰中叫(CaO)取85％)。C厂和D厂“预直炼”工艺脱磷期吨钢石灰加入量为37～55kg／t，考虑到脱磷倒渣后炉温的损失，脱碳期吨钢渣料(主要是石灰)的加入量较小，一般为6～15妇，若脱磷期倒渣率能够控制在40％～50％，吨钢总渣量能够达到70～80kg的水平。

假设脱磷期理论吨钢渣量为63奴，计算了L_P为100、不同倒渣率条件下，冶炼ω(P)=0．01％的低磷钢时，半钢P含量同总渣量的关系，如图7所示。

当脱磷期倒渣率一定时，总渣量(η_倒渣率·Q_脱磷渣量 Q_脱碳渣量)随半钢P含量的增加而增加，半钢P含量增加到一定值时，“预直炼”工艺的总渣量会超过常规冶炼渣量。从节约渣料、降低处理成本的角度来说，希望“预直炼”工艺的总渣量能够低于常规冶炼工艺。从图7中可以发现，当“预直炼”工艺脱磷期倒渣率为30％时，为使脱碳终点钢水ω(P)达到0．01％且总渣量不超过常规冶炼渣量(常规冶炼理论吨钢渣量为90kg)，则半钢ω(P)应不低0．026％；当倒渣率为40％时，半钢ω(P)应不低于0．037％。若最大倒渣率为50％，当半钢ω(P)为0．015％时，理论吨钢总渣量为70．5 kg，比常规冶炼渣量减少21．7％，需要在脱碳期吨钢补充渣量7．5 kg；若半钢ω(P)为0．045％，理论吨钢总渣量为88．5 kg，减少1．6％，需要在脱碳期吨钢补充渣量25．5 kg。

“预直炼”工艺冶炼低磷钢时，脱磷、脱碳期的造渣工艺主要有以下两方面控制环节，一是对总渣量的控制，脱磷期倒渣后，吨钢在脱碳期补充少量渣料的情况下(6～15 kg)，总渣量满足脱磷、脱碳期渣钢问L_p对渣量的要求；二是对半钢P的控制，对于冶炼ω(P)<0．01％的低磷钢来说，当脱磷期倒渣率仅能达到40％～50％时，为使吨钢总渣量控制在90kg以内，最高半钢ω(P)应控制在0．026％～0．037％。从C厂和D厂“预直炼”工艺脱碳终点情况来看，导致终点P波动较大的主要原因是脱磷期倒渣量的控制难度大，倒渣率的不确定性增加了控制脱碳期终点P含量的难度。

4结论

通过对4家钢厂冶炼低磷钢工艺进行分析，复吹转炉低磷钢工艺可总结如下：

(1)A、B两厂采用常规冶炼工艺，当炉渣ω(T．Fe)控制在16％～24％，炉渣碱度控制在3．5左右，L_P控制在100左右时，将终点ω(C)控制在0．05％以下，能够稳定将ω(P)控制在0．01％以下；正常炼钢吨钢渣量(80～100kg)能够满足冶炼ω(P)<0．01％的低磷钢对炉渣碱度、磷的分配比和渣量的要求，但无法满足稳定冶炼ω(P)<0．005％的低磷钢要求。

(2)C厂和D厂采用“预直炼”工艺冶炼低碳和高碳钢，低碳范围磷的控制水平较A、B两厂常规冶炼工艺更为稳定，冶炼ω(P)<0．01％的低磷钢，一倒ω(C)从0．05％提高到0．10％；当ω(C)提高到0．30％～0．80％时，能够较稳定将ω(P)控制在0．03％以下，达到一般钢种对磷的要求，但还无法满足ω(P)<0．01％的要求。