張 賢

（河鋼集團唐山不銹鋼有限責(zé)任公司，河北063000）

0 引言

磷是鋼中的有害元素，容易在晶界偏析，造成鋼材“冷脆”，顯著降低鋼材的低溫沖擊韌性，引起鋼的低溫脆性和回火脆性。高級優(yōu)質(zhì)鋼對磷含量的要求越來越嚴格，特別是對于低溫用鋼、海洋用鋼、抗氫致裂紋鋼等高級別鋼材，鋼中磷含量小于0.010%，甚至小于0.005%才能夠滿足使用要求。隨著市場對高級優(yōu)質(zhì)鋼材需求量的增加，低磷鋼、超低磷鋼作為純凈鋼生產(chǎn)環(huán)節(jié)中不可缺少的一部分，受到越來越多的關(guān)注，采用新技術(shù)、新工藝盡可能降低鋼中磷含量成為眾多鋼鐵企業(yè)的主要研究方向。

唐山不銹鋼有限責(zé)任公司通過對脫磷熱力學(xué)條件的研究分析，以及國內(nèi)外低磷鋼生產(chǎn)方法的研究，結(jié)合不銹鋼公司現(xiàn)有的鐵水條件、轉(zhuǎn)爐裝備條件以及冶煉鋼種結(jié)構(gòu)，并結(jié)合轉(zhuǎn)爐現(xiàn)有的脫磷工藝，對轉(zhuǎn)爐的脫磷操作工藝進行了優(yōu)化調(diào)整，提升了轉(zhuǎn)爐脫磷的能力，為低磷鋼種的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1 轉(zhuǎn)爐脫磷反應(yīng)條件

轉(zhuǎn)爐脫磷是氧化放熱反應(yīng)，脫磷反應(yīng)是在渣鋼界面進行的，其化學(xué)反應(yīng)式為：

由以上脫磷反應(yīng)式可以得到脫磷反應(yīng)的熱力學(xué)條件為：

（1）提高爐渣中CaO含量，即提爐渣堿度，有利于脫磷反應(yīng)的進行；

（2）由于脫磷是氧化反應(yīng)，提高爐渣的氧化性，即提高渣中的氧化鐵含量，有利于脫磷反應(yīng)的進行；

（3）由于脫磷是可逆反應(yīng)，提高轉(zhuǎn)爐渣量有利于脫磷反應(yīng)的進行和脫磷效果的穩(wěn)定；

（4）由于脫磷是放熱反應(yīng)，低爐溫有利于脫磷反應(yīng)的進行。

從動力學(xué)方面考慮

（1）爐渣良好的流動性有利于脫磷產(chǎn)物的擴散，可以促進脫磷反應(yīng)的進行；

（2）增加轉(zhuǎn)爐的渣鋼反應(yīng)面積，增加轉(zhuǎn)爐渣鋼界面的混合動能，可以提高脫磷反應(yīng)的速度。

2 開發(fā)動態(tài)堿度模型

通過對轉(zhuǎn)爐脫磷熱力學(xué)條件和不銹鋼公司轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝中存在的固有模式研究，發(fā)現(xiàn)煉鋼鐵水成分波動大，其中鐵水Si含量波動范圍在0.15%～1.2%之間，P含量波動范圍在0.11%～0.145%之間；另外轉(zhuǎn)爐冶煉生產(chǎn)時，堿度控制范圍工藝標準為2.8～3.5，未充分考慮渣量、終渣FeO含量、終點溫度、不同鋼種磷的控制要求等因素。這些問題導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)中脫磷效果不穩(wěn)定，難以滿足不銹鋼公司品種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的冶煉需求，尤其是無法完成低磷鋼種的穩(wěn)定生產(chǎn)。

不銹鋼公司轉(zhuǎn)爐是基于LOMAS煙氣分析的自動化煉鋼系統(tǒng)，其中轉(zhuǎn)爐自動化煉鋼二級系統(tǒng)由靜態(tài)模型（熱平衡、物料平衡模型）+動態(tài)模型組成，為爐渣堿度精準控制、動態(tài)控制創(chuàng)造了良好的條件。為了改善轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)中脫磷效果的穩(wěn)定性，滿足低磷鋼種生產(chǎn)的穩(wěn)定，在轉(zhuǎn)爐自動化煉鋼二級系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立了轉(zhuǎn)爐渣堿度與鐵水Si含量的回歸方程，同時綜合考慮了終點溫度、終點碳、終點磷、脫磷效率等對脫磷效果的影響，對堿度控制動態(tài)模型進行了優(yōu)化。具體參見圖1鐵水Si與爐渣R新擬合關(guān)系圖。

圖1 鐵水Si與爐渣R新擬合關(guān)系圖

由圖1可見，在轉(zhuǎn)爐終點溫度、終點碳、終點磷、脫磷效率等條件相同條件下，動態(tài)堿度與鐵水硅含量的對應(yīng)公式為：

考慮到影響終點磷命中的其他因素如終點溫度、終點碳、終點磷、脫磷效率等對脫磷效果的影響，動態(tài)堿度的公式優(yōu)化為：

其中：y為堿度，x為硅含量，a為終點溫度參數(shù)，b為終點碳參數(shù)，c為終點磷參數(shù)，d為脫磷效率參數(shù)，e為轉(zhuǎn)爐渣量參數(shù)。堿度計算模型擬合系數(shù)見表1。

通過應(yīng)用堿度動態(tài)調(diào)整模型，不銹鋼公司實現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐終點溫度1 620℃～1 690℃、終點碳0.025%～0.06%、終點磷0.008%～0.020%、鐵水磷＜0.150%的條件下，成品磷含量合格率100%。

3 開發(fā)標準補吹模型冶煉超低磷鋼種

3.1 目前超低磷鋼種生產(chǎn)工藝

表1 堿度計算模型擬合系數(shù)

超低磷鋼一般指鋼中磷含量≤0.005%的鋼，國內(nèi)外企業(yè)開發(fā)了多種鋼水脫磷及冶煉超低磷鋼的方法。上世紀80年代初期，以新日鐵和住友為代表的日本鋼鐵企業(yè)及我國太鋼、寶鋼相繼開發(fā)應(yīng)用了鐵水罐、魚雷罐中鐵水預(yù)處理脫磷技術(shù)，但由于鐵水溫降大、反應(yīng)界面小、廢鋼比低（≤5%）、脫磷爐渣處理難（堿度過高）、處理效率差等原因，不能達到良好的脫磷效果。受現(xiàn)場條件限制，國內(nèi)各鋼鐵企業(yè)又相繼研究采用了轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)單渣法、留渣法、雙渣法、雙渣留渣法等進行鋼水的深度脫磷，但單渣法適用全新料，雙渣法存在前期倒渣溫度低，渣料融化效果不好的現(xiàn)象，留渣法兌鐵過程容易噴濺造成安全隱患，上述方法同樣存在脫磷不穩(wěn)定的問題。20世紀90年代中后期，日本及國內(nèi)寶鋼開發(fā)了轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)工藝技術(shù)，隨后首鋼、重鋼和鞍鋼也都選用了雙聯(lián)法煉鋼工藝，但是雙聯(lián)工藝要求必須采用兩個轉(zhuǎn)爐，一個作為脫磷轉(zhuǎn)爐，一個作為脫碳轉(zhuǎn)爐，且需要半鋼鋼包實施中間環(huán)節(jié)的倒運，鋼水溫度損失大，并且受裝備水平和車間改造難度限制，不能普及使用。

3.2 標準補吹模型的開發(fā)

不銹鋼公司標準補吹模型的開發(fā)是基于雙渣法冶煉低磷鋼工藝，與雙渣法不同之處在于初期渣倒渣時機的確定，主要考慮到倒爐過早溫度低，爐渣尚未熔化好脫磷效果不佳，同時未熔化好渣不易倒出，且鐵損大。另外終點C含量及溫度的控制也考慮到不銹鋼公司應(yīng)用了基于煙氣分析的自動化煉鋼系統(tǒng)的影響，對于終點的判斷低碳范圍控制精準，高碳判斷偏差較大。

基于上述原因，不銹鋼公司開發(fā)了標準補吹模型冶煉低磷鋼的工藝，標準補吹模型是通過將“主吹煉”與“補吹煉”有效結(jié)合，對主吹煉過程結(jié)束時機進行優(yōu)化調(diào)整，確保終點P達到較低水平進行倒渣，補吹煉階段重新造渣提高爐渣堿度以利于脫磷，實現(xiàn)超低磷鋼（成品P含量≤0.005%）的穩(wěn)定生產(chǎn)。標準補吹步驟及關(guān)鍵控制點見表2。

表2 標準補吹步驟及關(guān)鍵控制點

標準補吹的“主吹煉”終點時機為：C含量范圍0.05～0.08%，溫度范圍1 600℃～1 630℃，堿度范圍3.0～3.4，爐渣MgO含量范圍7～8%，吹煉過程底吹供氣強度0.08～0.12 Nm3/t·min，吹煉結(jié)束后靜置60s（底吹供氣強度 0.15 Nm3/t·min）；靜置結(jié)束后倒爐倒渣30%-40%；倒渣結(jié)束后，重新加料造渣（確保爐渣堿度范圍為3.5～4.0）并補吹（氧槍槍位1.8 m）進行再次脫磷，確保終點P達到≤0.004%，為升溫和防止后吹根據(jù)實際溫度與目標溫度的差值加入適量硅鐵；補吹結(jié)束后進行靜置90～120 s（底吹供氣強度0.15 Nm3/t·min）；為避免出鋼過程下渣回磷，轉(zhuǎn)爐使用滑板擋渣+擋渣標的雙擋渣模式，回磷量控制在0.001%，實現(xiàn)了超低磷鋼的穩(wěn)定生產(chǎn)。

4 結(jié)論

針對不銹鋼公司高爐鐵水Si含量波動范圍在0.15%～1.2%之間，P含量波動范圍在0.11%～0.145%之間的不穩(wěn)定因素，結(jié)合轉(zhuǎn)爐脫磷的熱力學(xué)條件，為實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐鋼終點P的精準控制和穩(wěn)定，在轉(zhuǎn)爐自動化煉鋼二級系統(tǒng)基礎(chǔ)上重新調(diào)整了堿度動態(tài)模型，綜合考慮了鐵水P、鐵水Si、終點P、終點C和終點溫度等影響因素，實現(xiàn)了堿度的動態(tài)控制，確保轉(zhuǎn)爐終點P的精準控制。通過實施“標準補吹”法，即“主吹煉”與“補吹煉”有效結(jié)合，順利的完成了超低磷鋼種（成品P含量≤0.005%）的工藝開發(fā)及試生產(chǎn)。