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攀钢低磷钢生产工艺实践

张强，黄登华，李清春，杨森祥，李利刚

(攀钢集团攀枝花钢钒有限公司 提钒炼钢厂，四川攀枝花617000)

摘 要：攀钢集团攀枝花钢钒有限公司提钒炼钢厂采用单、双渣2种造渣制度进行低磷钢的生产，实际生产过程中以单渣法为主，结合单渣法低磷钢生产工业试验结果，通过对转炉终点钢水碳含量、温度等以及合金化过程增磷的控制，钢中ω(P)<0．008％比例达到97％以上；双渣工艺能够将钢中ω(P)能稳定控制在0．008％以下。

关 键 词：低磷钢；照渣；双渣；脱磷

近年来，随着用户对钢性能要求越来越严格，很多钢种都要求尽量降低磷含量，大量优质钢要求ω(P)<0．015％，一些航空低温用钢管、镀锡板等要求钢中ω(P)低于0．010％^[1]。国内先进企业如宝钢集团有限公司、武汉钢铁集团公司均具备大批量生产ω(P)≤0．015％、ω(P)≤0．010％钢种的能力，其转炉终点钢水达到ω(P)≤0．005％，控制钢包内回磷质量分数小于等于0．003％。用户对攀钢集团攀枝花钢钒有限公司(以下简称攀钢)提钒炼钢厂生产的产品要求不断提高，尤其以现阶段大批量生产的帘线钢、轴承钢、气瓶钢等为代表，其用户要求钢种ω(P)<0．010％，攀钢提钒炼钢厂采用半钢炼钢，提钒后的半钢入转炉热源不足，且半钢ω(P)=(70～90)×10^-6，转炉冶炼时间短，造渣较为困难，无铁水脱磷预处理设备；同时，受转炉终点温度高及出钢回磷的影响，大批量生产ω(P)≤0．010％成品较为困难。为满足市场要求，开发低磷钢的生产工艺，在无铁水预脱磷条件下，通过对现有工艺进行分析优化，攀钢提钒炼钢厂现阶段生产成品ω(P)≤0．010％的钢种年产量达到200万t以上。

1 脱磷热力学与动力学条件

1．1 脱磷的热力学条件

对于炼钢过程，脱磷反应见式(1)，炉渣成分变化对渣—钢间磷分配系数的影响见式(2)

2[P]＋5(FeO)＋4(CaO)=Ca₄P₂O₉＋5Fe

△G^①=-204450＋83．55T                     (1)

lg L_P=22350/T－16．0＋0．08(％CaO)＋2．51(％FeO)    (2)

由式(1)和式(2)可看出，炼钢过程如何使铁水磷与炉渣发生化学反应稳定生成磷酸钙是脱磷效率的关键。根据脱磷反应的热力学条件，要实现转炉深脱磷，即转炉脱磷率达90％以上，应通过建立合理的造渣工艺制度、供氧制度以及温度制度来实现。

1．2 脱磷的动力学

在渣钢界面上：

5(FeO)=5[Fe]＋5[O]            (3)

在与渣相相邻的金属层中：

2[P]5＋5[O]=(P₂O₅)            (4)

在金属相相邻层的渣层中：

(P₂O₅)＋4(CaO)=(4CaO·P₂O₅)   (5)

脱磷反应是在渣、钢间界面上进行的，脱磷过程化学反应速率很大，过程主要受渣、钢间的传质速率所控制^[1]。

影响转炉脱磷效果主要有终点温度、终渣碱度、终渣T．Fe含量、冶炼过程渣的状况、冶炼过程低吹强度等^[2]，在实际生产中，通过控制枪位、造渣碱度、温度以及渣中T．Fe含量，达到脱磷的目的。

2 低磷钢生产工艺优化

攀钢采用半钢炼钢，通常半钢中ω(C)=2．70％～3．80％、Si和Mn痕迹、ω(P)=0．030％～0．085％、ω(S)=0．005％～0．025％；入炉温度为1280～1360℃。因此，攀钢转炉造渣相比国内其它钢铁企业较为困难。攀钢转炉装入量为(135±5)t，供氧时间为12～15min，采用632型氧枪，马赫数为2．08，供氧流量为25000～30000m³／h，吹炼过程中底部气体吹氮流量为50m³／h，补吹过程中底部气体转换为氩气，吹氩流量为60m³／h，于2011年进行了39炉单渣脱磷工业试验，试验主要探讨转炉终点温度、终渣碱度、终渣T．Fe含量以及渣中MgO含量对脱磷的影响。

2．1 转炉终点温度对钢水含磷量的影响

图1为转炉终点温度与钢水含磷量之间的关系(N=11炉)。随着温度的升高，转炉终点钢水磷含量增加，这是因为脱磷反应是放热反应，温度升高不利于转炉脱磷。为保证深脱磷效果出钢温度控制在1660～1685℃。

2．2 转炉终渣碱度对脱磷的影响

图2为转炉终渣碱度与L_P之间的关系(N=9炉)。转炉终渣碱度与L_P之间呈抛物线关系，当R=4．5时，L_P是极大值，当转炉终渣碱度R≥5时，L_P随终渣碱度的升高而出现降低趋势。理论研究指出，增加炉渣碱度导致炉渣的黏度增加，有时CaO颗粒不能完全熔入炉渣，导致炉渣的流动性减弱，从而影响脱磷反应在钢液与炉渣之间的界面进行而降低脱磷效率，因此，攀钢生产低磷钢转炉终渣碱度应控制在4～5。

2．3 终渣T．Fe含量对脱磷的影响

终渣T．Fe含量与L_P之间呈抛物线关系(N=9炉)，随着渣中T．Fe含量的升高，L_P增大(见图3)。但当ω(T．Fe)>26％时，生成了3CaO·Fe₂O₃，稀释了CaO的浓度，使L_P变低。因此，当终渣ω(T．Fe)=24％～26％时，渣钢间脱磷分配比L_P最高，实际生产中，为减少钢铁料的消耗，在冶炼低磷钢生产过程中应控制终渣ω(T．Fe)=20％～25％，普通钢种控制终渣ω(T．Fe)=15％～20％即可。

2．4 终渣MgO含量对脱磷的影响

图4表明，终渣MgO含量与L_P之间呈抛物线关系(N=10炉)，当终渣ω(MgO)≤10％时，终渣MgO含量对L_P基本不产生影响；当终渣ω(MgO)>10％时，随着终渣MgO含量的升高，L_P逐渐降低。为保护炉衬，控制终渣ω(MgO)=8％～10％较好。

2．5 过程渣控制情况

过程渣状况主要是指炉渣流动性，即脱磷反应动力学条件的好坏，在操作过程中，炉渣控制较好，则转炉终点钢水磷含量较低；若炉渣“返干”较为严重，恶化了脱磷的动力学条件，则转炉出钢终点钢水磷含量较高。因此，为保证脱磷的效果，在操作过程中应该保证渣料配比合适、滑枪操作，以保证炉渣流动性较好，且过程不喷渣。

因此，转炉炉内单渣造渣脱磷生产中，为保证深脱磷效果，控制出钢温度在1660～1685℃，造渣碱度在4～5，渣中ω(T．Fe)=20％～25％，渣中ω(MgO)=8％～10％。

3 低磷钢生产实践

要使钢种成品ω(P)≤0．010％，则冶炼钢水终点ω(P)必须控制在0．005％～0．007％，生产过程中钢水回磷质量分数必须控制在0．003％左右。

3．1 转炉出钢碳含量和渣中T．Fe的控制

攀钢生产实践过程中，转炉出钢钢水ω(C)与终渣ω(T．Fe)存在明显的线性关系(N=10炉)，如图5所示。显然要使终渣ω(T．Fe)=20％～25％，则出钢ω(C)必须控制在0．07％～0．15％。

3．2 低磷钢冶炼铁水条件与渣料消耗

生产低磷钢种，转炉冶炼终点温度必须控制在1670℃以下，造渣碱度控制在4～5。生产过程为保证温度与碱度控制合格，通常要求铁水条件与渣料加入如表1所示。

在实际生产过程中，可根据转炉升温实际情况，向炉内加入一定量的提温剂或污泥球，控制转炉的升温，达到控制转炉出钢温度的目的。

3．3 转炉双渣法冶炼

攀钢提钒炼钢厂在实际生产中采用双渣造渣时，第1次造渣时通常加入总渣量的50％以上，当第1批渣料熔化之后，倒炉放渣，一次造渣后半钢温度为1436～1495℃，半钢ω(P)=0．0．009％～0．023％，发挥了低温段的脱磷效果；第2次造渣时半钢ω(C)=1．02％～2．93％，由于攀钢本身钢水热源不足，使用双渣法造渣时，需要更为良好的半钢条件，通常采用扩大装入量，减少废钢消耗来避免炼钢热源不足。攀钢提钒炼钢厂在冶炼重轨钢时采用双渣与单渣脱磷工业对比试验，对比试验结果如表2所示(单渣法N=50炉，双渣法N=45炉)。

从表2可见，采用双渣法冶炼脱磷效果优于采用单渣法脱磷效果，但双渣法冶炼成本高，且在生产过程中，由于要倒炉放渣，造成转炉冶炼周期延长8～14min，转炉热源损失在30～45℃。

3．4 钢水回磷控制措施

钢种配加的含锰合金中，磷含量较高(硅锰合金中ω(P)达0．18％)，配加含锰合金后，钢包回磷较严重，尤其以锰含量较高的钢种为代表，为降低合金增磷，采用金属锰配加锰元素，硅铁合金配加钢水硅元素。由表3可看出，钢水回磷受控，回磷质量分数均在0．002％～0．003％。

此外，转炉出钢下渣对钢水回磷影响较大，为降低转炉下渣回磷，在生产低磷钢时采用终点调渣，出钢采用留钢操作，预留钢水量2～3t，使用前期出钢口出钢。

3．5 应用效果

攀钢提钒炼钢厂目前低磷钢种主要有帘线钢、高强气瓶钢、高级别管线钢等，通过工艺优化以及合金化过程的控制回磷措施，以高级别管线钢为例，2012年共生产高级别管线钢70炉，其中单渣法冶炼62炉、双渣法冶炼8炉，成品(即“中包样”)ω(P)=0．005％～0．010％，采用单渣法冶炼将成品ω(P)控制在0．008％以下的比例达到95．16％，控制成品ω(P)=0．0065％～0．010％，平均值为0．008％；采用双渣法将成品ω(P)在0．008％以下的比例达到100％，控制成品ω(P)=0．005％～0．0075％，平均值为0．0066％。在低磷钢的生产过程中，采用单渣法与双渣法并行的工艺制度进行生产，但大生产过程中仍然以单渣法生产低磷钢为主，依靠优化转炉脱磷工艺参数与控制钢水回磷措施相结合，能够生产出钢种成品ω(P)≤0．008％的低磷钢种，如图6所示。

4 结论

1)转炉冶炼低磷钢最佳控制目标为：转炉出钢温度小于1670℃、转炉终渣ω(T．Fe)控制在20％～25％、造渣碱度控制在4～5、渣中ω(MgO)控制在8％～10％。

2)通过工艺优化，采用单渣法冶炼将成品ω(P)控制在0．008％以下的比例达到95．16％，控制成品ω(P)=0．0065％～0．010％，平均值为0．008％；采用双渣法将成品ω(P)在0．008％以下的比例达到100％，控制成品ω(P)=0．005％～0．0075％，平均值为0．0066％。

参 考 文 献：

[1]   Malsuo T．Development of new hot metal dephosphorization process in top and bottom blowing converter[C]//73^rdSteelmaking Conference，1990．

[2]   黄希祜．钢铁冶金原理[M]．北京：冶金工业出版社，2002．