戴雨翔,楊利彬,王 杰,汪成義

(鋼鐵研究總院冶金工藝研究所,北京 100081)

1 前 言

磷在大多數(shù)鋼中是一種有害元素,容易在晶界偏析,造成鋼材“冷脆”降低鋼材的低溫韌性[1]。因此,很多鋼種都對(duì)鋼種磷含量有著較為嚴(yán)格的要求,優(yōu)質(zhì)的鋼種成品磷含量要求低于0.015%,一些航空、船舶、管線鋼要求成品鋼中磷含量小于0.005%。煉鋼過(guò)程的脫磷主要由轉(zhuǎn)爐或鐵水預(yù)處理過(guò)程完成,由于精煉及連鑄過(guò)程中會(huì)有回磷的情況產(chǎn)生,因此,這就對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)磷含量提出了更高的要求[2]。

磷可以通過(guò)氧化條件脫除,也可以通過(guò)強(qiáng)還原的條件來(lái)脫除。當(dāng)合金中的貴金屬低于鐵時(shí),可以在還原的條件下脫磷,以避免貴金屬的大量流失。實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程,更多的是在轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中完成脫磷任務(wù)。轉(zhuǎn)爐的脫磷工藝主要有單渣法、雙渣法以及雙聯(lián)法[3-5]。本文將對(duì)近些年的低磷鋼轉(zhuǎn)爐冶煉工藝進(jìn)行總結(jié),以對(duì)現(xiàn)在低碳低磷鋼生產(chǎn)工藝提供新的思路。

2 轉(zhuǎn)爐脫磷工藝的主要方法

2.1 轉(zhuǎn)爐單渣法脫磷工藝

轉(zhuǎn)爐單渣法是轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中只造一次渣中間不進(jìn)行倒渣操作,直至冶煉終點(diǎn)。單渣法工藝簡(jiǎn)單,因?yàn)橹虚g不倒?fàn)t不倒渣,冶煉周期更短,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,但是單渣法脫磷率不高,一般在80%～90%,終點(diǎn)磷含量0.01%～0.02%。如果想將磷含量控制到0.01%以?xún)?nèi),需要低溫低碳出鋼。也就是說(shuō)在不采用二次造渣和脫磷預(yù)處理的情況下,冶煉低碳鋼(w([C])<0.05%)時(shí)最為容易實(shí)現(xiàn)低磷鋼生產(chǎn)[6-8]。

鞍鋼股份有限公司自2009年起分別在180 t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐、100 t頂吹轉(zhuǎn)爐和260 t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐上進(jìn)行了單渣法深脫磷的試驗(yàn)研究,總結(jié)出了一套成熟的轉(zhuǎn)爐單渣法深脫磷冶煉工藝,并取得了控制冶煉終點(diǎn)[P]在0.00 63%～0.007 5%的脫磷效果,為生產(chǎn)低磷鋼、超低磷鋼奠定了技術(shù)基礎(chǔ)[9-10]。

當(dāng)成品鋼中碳含量要求較高時(shí),通過(guò)控制成渣過(guò)程及最佳成分組成,也可以實(shí)現(xiàn)低磷鋼的冶煉,但控制成渣過(guò)程的難度較大。武漢鋼鐵公司開(kāi)發(fā)的“單渣高拉碳”工藝冶煉優(yōu)質(zhì)高碳鋼,轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)平均磷含量可控制到0.011%,碳含量控制在0.44%[11]。

20世紀(jì)80年代初,日本開(kāi)發(fā)了鐵水“三脫”預(yù)處理工藝[12],鐵水經(jīng)預(yù)處理后,鐵水中硅含量接近痕跡量,鐵水磷含量大幅降低,鐵水脫硅和脫磷從轉(zhuǎn)爐冶煉中分離出來(lái),轉(zhuǎn)爐的冶煉功能簡(jiǎn)化為脫碳和升溫,轉(zhuǎn)爐渣量大幅降低。由于脫磷負(fù)擔(dān)小,前期化渣脫磷的時(shí)間縮短,盡快進(jìn)入轉(zhuǎn)爐脫碳期,轉(zhuǎn)爐產(chǎn)能提高。轉(zhuǎn)爐“三脫”預(yù)處理給轉(zhuǎn)爐煉鋼帶來(lái)的好處有:提高鋼水潔凈度,大量生產(chǎn)低磷低硫鋼水;降低工序成本;易于轉(zhuǎn)爐操作的簡(jiǎn)單化和標(biāo)準(zhǔn)化,提高轉(zhuǎn)爐產(chǎn)能;提高成分命中率,工序更易于調(diào)度。

1982年,日本住友鹿島制鐵所和和歌山制鐵所就采用了鐵水“三脫”預(yù)處理工藝,圖1為日本住友和歌山制鐵所少渣脫磷工藝[13]。

圖1 日本住友和歌山制鐵所的少渣脫磷冶煉工藝

工藝通過(guò)向魚(yú)雷罐中的鐵水噴吹燒結(jié)礦粉,鐵水硅由0.6%脫至0.1%以下,噴吹蘇打粉將磷脫到0.01%以下,將硫脫到0.003%以下,處理后的鐵水再由轉(zhuǎn)爐吹煉,轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程渣量小于20 kg/t,噸鋼石灰消耗小于8 kg,對(duì)于普通脫硫預(yù)處理的鐵水,煉鋼過(guò)程渣量在90～130 kg/t。日本鋼管公司福山制鐵所向轉(zhuǎn)爐提供小于0.1%硅含量的鐵水,轉(zhuǎn)爐只需要加少量的石灰,低溫狀態(tài)下即可實(shí)現(xiàn)有效脫磷[14-16]。

2.2 轉(zhuǎn)爐雙渣脫磷工藝

雙渣法是指轉(zhuǎn)爐在吹煉過(guò)程,中途需要倒出或扒出1/2～2/3的爐渣,然后加入輔料重新造渣。根據(jù)鐵水成分和所煉鋼種的要求,可以多次倒渣造新渣。轉(zhuǎn)爐冶煉超低磷鋼,在無(wú)鐵水預(yù)處理脫磷的條件下,鐵水磷含量高且吹煉高碳鋼,鐵水硅含量高為防止噴濺或者在吹煉低錳鋼種時(shí)防止回錳等,均可采用雙渣操作。其操作的關(guān)鍵是確定合適的放渣時(shí)間。雙渣留渣法,是指將雙渣法操作的高堿度、高氧化鐵、高溫、流動(dòng)性好的終渣留一部分在爐內(nèi),然后在下一爐次吹煉第一期結(jié)束時(shí)倒渣,再重新造渣。此法可加速下一爐次吹煉前期初渣的形成,提高前期的脫磷、脫硫率和轉(zhuǎn)爐熱效率,有利于保護(hù)爐襯,降低石灰消耗。采用留渣操作時(shí),關(guān)鍵是要防止兌鐵水時(shí)發(fā)生噴濺。

新鋼在120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)低溫保碳出鋼的條件下,進(jìn)行了雙渣法冶煉脫磷試驗(yàn)。結(jié)果表明,控制半鋼碳含量2.81%～3.13%、半鋼溫度1 400～1 440 ℃、前期渣堿度在2.0～2.3、w(T.Fe)為14%～16%、中后期渣堿度在3.6～3.8、w(T.Fe)在16%～18%、終點(diǎn)溫度1 580～1 600 ℃的工藝條件下,能夠?qū)崿F(xiàn)半鋼脫磷率59.83%、脫碳期脫磷率85.71%和終點(diǎn)脫磷率92.57%,終點(diǎn)鋼液w([P])<0.007%,終點(diǎn)渣-鋼磷分配比高達(dá)346.38[17-18]。

首鋼第三煉鋼廠針對(duì)82B、77B、72A等磷含量要求嚴(yán)格的高碳鋼種,進(jìn)行轉(zhuǎn)爐脫磷冶煉工藝研究,提出了轉(zhuǎn)爐雙渣操作與冶煉終點(diǎn)低拉增碳結(jié)合的脫磷冶煉工藝,成功解決了高碳鋼水脫磷困難、終點(diǎn)鋼水磷含量超標(biāo)的問(wèn)題,降低了鋼水磷含量,提高了鋼的潔凈度和產(chǎn)品質(zhì)量[19-21]。冶煉72A時(shí)具體工藝參數(shù)控制及脫磷效果見(jiàn)1和表2。

從表1和表2可以看出,平均石灰加入量在2.2 t,倒渣時(shí)間在5 min之前,前期平均溫度為1 400 ℃,這樣有利于前期脫磷,其半鋼磷含量平均控制在0.016%,此時(shí)將前期的高磷含量的渣倒出,減少高溫時(shí)的鋼液回磷。拉碳溫度控制在1 570 ℃,也有利于減少回磷,并采用低拉增碳的方式,提高了鋼液的脫磷率,終點(diǎn)的碳含量為0.21%,磷含量為0.007%,終點(diǎn)脫磷率平均為88.52%。

表1 首鋼第三煉鋼廠冶煉72A主要工藝參數(shù)

表2 首鋼第三煉鋼廠轉(zhuǎn)爐冶煉72A脫磷效果

典型的雙渣法有MURC工藝[22-23],該工藝又稱(chēng)為多功能轉(zhuǎn)爐脫磷工藝,最早由日本新日鐵室蘭開(kāi)發(fā),工藝流程如圖2所示。

圖2 MURC工藝流程圖

具體工藝過(guò)程為:轉(zhuǎn)爐脫硅和脫磷→脫磷后倒出部分脫磷渣→造脫碳渣脫碳→脫碳渣保留到下一爐脫硅脫磷。

采用MURC工藝,前期脫磷渣堿度低(一般不大于2),全鐵含量不小于8%,可實(shí)現(xiàn)有利于脫磷的低溫操作(約1 350 ℃),廢鋼比高,減少了煉鋼渣量和石灰用量。

MURC法的核心在于留渣操作,出鋼之后,將轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)有較高堿度和氧化性的爐渣留一部分,保證濺渣之后爐內(nèi)還有一定量的爐渣,確保下一爐吹煉時(shí)有足夠的爐渣覆蓋在鋼液表面。由于少渣冶煉末期,渣中FeO含量比較高,渣的黏度小,流動(dòng)性強(qiáng),因此濺渣時(shí),應(yīng)注意加改質(zhì)劑或輕燒調(diào)節(jié)MgO含量,形成高熔點(diǎn)的爐渣。

由首鋼開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)爐“留渣+雙渣”煉鋼工藝技術(shù),也稱(chēng)SGRS工藝,在生產(chǎn)中也取得了顯著的效果,該工藝的基本原理為利用低溫有利于脫磷反應(yīng)的熱力學(xué)基本原理,在轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn),由于溫度較高,鋼水磷含量較低,爐渣已經(jīng)不具備脫磷能力,轉(zhuǎn)爐終渣留在爐內(nèi),在下一爐吹煉前期由于溫度較低,鐵水中磷含量較高,爐渣重新具備脫磷能力,隨著吹煉進(jìn)行,在溫度升高至脫磷不利前倒出部分爐渣,之后進(jìn)行再造渣進(jìn)行脫碳階段的吹煉。該工藝重復(fù)利用了上爐留渣,避免了常規(guī)工藝因倒渣而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)爐內(nèi)殘鋼隨爐渣倒出引起的鋼鐵料損失[24]。

雙渣法存在以下問(wèn)題:

(1)煤氣回收的問(wèn)題。煤氣回收量降低30%～40%,影響3～3.5 min煤氣回收時(shí)間。同時(shí),可能會(huì)發(fā)生泄爆,泄爆產(chǎn)生的原因?yàn)?中途提槍時(shí)爐氣中CO含量高,提槍后與系統(tǒng)吸入空氣中的氧形成爆炸性氣體;二次下槍時(shí),由于碳氧快速反應(yīng),生成CO與開(kāi)吹前系統(tǒng)中殘存的氧氣形成爆炸性氣體。

(2)倒渣較為困難。前期溫度低,渣流動(dòng)性不好,倒渣時(shí)會(huì)帶鐵出爐,影響金屬收得率,特別是生產(chǎn)低磷鋼或極低磷鋼時(shí),前期渣量大,溫度控制不好,這種現(xiàn)象將更為明顯。如果渣回收利用,可減少部分鐵損失。

(3)影響轉(zhuǎn)爐冶煉節(jié)奏。與正常爐次相比,由于中間倒渣,冶煉周期延長(zhǎng)5～7 min。

2.3 轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)脫磷工藝

20世紀(jì)90年代中后期,為了解決超低磷鋼的生產(chǎn)問(wèn)題,提出了轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)脫磷工藝。轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)脫磷工藝是兩座轉(zhuǎn)爐聯(lián)合作業(yè),一座轉(zhuǎn)爐脫磷,另一座轉(zhuǎn)爐接受來(lái)自脫磷轉(zhuǎn)爐的低磷鐵水進(jìn)行脫碳。典型的轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)工藝流程為:高爐鐵水→鐵水預(yù)脫硫→轉(zhuǎn)爐脫磷→轉(zhuǎn)爐脫碳→(精煉)→連鑄。目前日本住友和歌山制鐵所、川崎制鐵水島廠、NKK福山廠以及新日鐵藍(lán)室制鐵廠等鋼廠均采用轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)[25-27]。轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)脫磷具有以下特點(diǎn):

(1)爐容比大,對(duì)鐵水脫硅沒(méi)有苛刻的要求,有利于轉(zhuǎn)爐脫磷;

(2)處理方法簡(jiǎn)單,可采用轉(zhuǎn)爐渣作為脫磷劑;

(3)渣量降低,冶煉時(shí)間縮短;

(4)處理過(guò)程熱效率高;

(5)可采用全氧氣操作,適宜大批量處理。

日本住友鹿島制鐵所采用轉(zhuǎn)爐雙聯(lián),一個(gè)脫磷轉(zhuǎn)爐供應(yīng)兩個(gè)脫碳轉(zhuǎn)爐鐵水,脫磷轉(zhuǎn)爐還有25%的富余鐵水供給其他煉鋼廠。圖3為日本住友鹿島制鐵所采用的轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法[28]。

圖3 日本住友鹿島制鐵所轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法

日本住友鹿島制鐵所脫磷轉(zhuǎn)爐技術(shù)指標(biāo)為:吹煉時(shí)間8 min,冶煉周期22 min,廢鋼比為10%,出鐵溫度為 1 350 ℃,石灰用量18 kg/t,渣量為40 kg/t,磷含量降至0.011%。脫碳轉(zhuǎn)爐技術(shù)指標(biāo)為:吹煉時(shí)間14 min,冶煉周期30 min,錳礦用量15 kg/t,渣量20 kg/t。NKK福山三煉鋼300 t轉(zhuǎn)爐采用轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)工藝后,轉(zhuǎn)爐脫磷渣量為20 kg/t,轉(zhuǎn)爐脫碳渣量為8 kg/t。

國(guó)內(nèi)也有數(shù)家鋼鐵企業(yè)采用過(guò)雙聯(lián)工藝生產(chǎn),如寶鋼、首鋼京唐等。首鋼京唐公司采用“全三脫”(脫硅、脫硫、脫磷)工藝生產(chǎn)潔凈鋼,全部鐵水通過(guò)脫硫處理,使硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.002%左右,入爐鐵水磷含量在0.110%左右,鐵水溫度為1 350 ℃。冶煉周期45 min左右。脫磷爐終點(diǎn)磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以控制在0.02%～0.03%。

從表3中可以看出,國(guó)內(nèi)雙聯(lián)工藝的指標(biāo)與國(guó)外還存在一定的差距,比如吹煉時(shí)間、冶煉周期偏長(zhǎng)、渣量偏高、脫磷水平不穩(wěn)定等,還需要進(jìn)一步開(kāi)展技術(shù)攻關(guān),更好地發(fā)揮雙聯(lián)工藝的優(yōu)勢(shì)。

表3 轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)工藝在國(guó)內(nèi)外鋼廠指標(biāo)情況

續(xù)表

3 結(jié)論與展望

近二十年來(lái),我國(guó)鋼鐵產(chǎn)能的逐步提高,轉(zhuǎn)爐冶煉工藝也在不斷的發(fā)展,本文梳理了單渣法、雙渣法和雙聯(lián)轉(zhuǎn)爐冶煉工藝的特點(diǎn),比較了不同工藝的優(yōu)缺點(diǎn),主要結(jié)論如下:

(1)單渣法冶煉周期段、工藝簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,但是脫磷效果一般,只有在低溫低碳的終點(diǎn)條件下,較容易實(shí)現(xiàn)低磷鋼生產(chǎn)。

(2)雙渣法可以防止噴濺、脫磷效果好,合理的雙渣留渣工藝可以加速前期成渣,提高前期脫磷、脫硫以及轉(zhuǎn)爐熱效率,也可以保護(hù)爐襯降低石灰消耗。但是雙渣法倒渣困難,前期溫度控制不好,可能會(huì)帶鐵出爐,降低金屬收得率,同時(shí),冶煉周期比單渣法更長(zhǎng);

(3)雙聯(lián)工藝脫磷效果好,渣鐵分離更容易,降低石灰消耗,在控制合理時(shí),可以縮短整個(gè)的生產(chǎn)周期。但是目前國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)尚未完全發(fā)揮出雙聯(lián)工藝的優(yōu)勢(shì),石灰消耗、脫磷水平以及冶煉周期還存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

當(dāng)今我國(guó)的鋼材種類(lèi)以棒線材為主,棒線材以轉(zhuǎn)爐-精煉-連鑄流程為主,不同企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量差距巨大,與特鋼相比棒線材成分要求簡(jiǎn)單,轉(zhuǎn)爐冶煉也以單渣與雙渣為主,這也是我國(guó)雙聯(lián)工藝應(yīng)用不普及的原因。2022年,鋼鐵行業(yè)虧損面擴(kuò)大、虧損程度加深,高質(zhì)量發(fā)展面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn),對(duì)應(yīng)不同的鋼種,轉(zhuǎn)爐工藝也必須進(jìn)行調(diào)整和發(fā)展,提高轉(zhuǎn)爐工藝的冶煉效率降低冶煉成本,為碳達(dá)峰目標(biāo)做好鋪墊,實(shí)現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)升級(jí)與轉(zhuǎn)型。