唐钢纯净钢生产技术的生产实践

孙利顺，陈俊东，陈杰，杜洪波

(河北钢铁股份有限公司唐山分公司)

摘 要：介绍了唐钢在纯净钢生产方面的实践，阐述了纯净钢生产过程中对S、P、C、N、O等元素以及残余元素的控制措施，分析了唐钢目前纯净钢控制水平。

关 键 词：纯净钢；炼钢；RH；实践

0 前言

随着深冲钢、无取向电工钢等高等级钢种的开发，需要建立以低硫、低磷、低碳和超低碳、低氮、低氧等质量指标和综合技术为特征的纯净钢冶炼平台。

1 低硫钢生产技术

硫除了对钢材的热加工性能、焊接性能、抗腐蚀性能有较大影响外，对力学性能的影响主要表现在与钢材轧制方向的性能相比，非轧制方向(横向、厚度方向)的强度、延伸性和冲击韧性显著降低，同时显著降低钢材的抗氢致裂纹(HICC)的能力。对于高层建筑、重载桥梁、海洋设施等重要用途的钢板，硫含量目前大都控制在0．008％以下。

硫的控制一般采用铁水预处理脱硫和转炉冶炼控硫的措施，有的钢厂也采用RH真空精炼深脱硫技术，以获得更低硫含量的钢水[1]。

唐钢采用喷吹颗粒镁铁水脱硫技术，使入炉铁水硫含量达到20×10-6以下，吨铁喷吹颗粒镁0．8kg。转炉使用优质低硫的自产废钢、气烧石灰、低硫轻烧白云石等入炉材料，尽量减少硫的带入。另外，在冶炼纯净钢前2～3炉，冶炼低硫钢水，清洗高硫的转炉炉衬，也称为“洗炉”，从而创造低硫的冶炼环境，确保钢水低硫含量。还有，在出钢过程中，加入脱硫渣，提高钢包顶渣碱度和硫容量。以上措施的采用，使得吹炼终点钢水硫含量达到60×10-6以下，成品硫含量70×10-6以下。

2 低磷钢生产技术

一般情况下，磷在钢铁产品中是有害杂质，需在炼钢时设法尽可能多地去除掉。钢中含磷高时，会使钢的塑性和韧性降低，即出现钢的脆性现象，低温时更加严重，通常称之为冷脆。脱磷反应一般用以下方程式表示：

2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]  (1)

式(2)中，K为平衡常数；为活度；为磷的质量分数；t为钢水温度，℃。

由式(1)、(2)可知，欲提高炉渣的脱磷能力必须提高aFeO、aCaO活度。且满足高碱度、大渣量、低温等条件。但前期如果温度太低，将不利于石灰熔化，影响脱磷；若温度太高，将引发脱碳反应，转炉熔池反应剧烈，易发生喷溅。因此在吹炼前期应尽快早化渣。形成具有一定碱度和流动性好的前期渣，利用前期有利条件尽可能多脱磷；吹炼中期要控制好过程温度及渣况，做到均匀升温并且延长在低温区(1450℃～1550℃)的冶炼时间。理论研究表明，脱磷的最佳温度范围是1450％～1500％[2]。同时控制好过程枪位，使渣中含有一定量的FeO，避免炉渣返干，达到有效脱磷；吹炼后期利用高碱度、高FeO和适当高的温度条件进一步脱磷。操作中灵活调整枪位和散料加入量，控制渣中适当的(FeO)，并减缓C—O反应速度，避免返干，并使脱磷速度大于脱碳速度，以利于磷的去除。

出钢过程防止钢水回磷也是控制钢水磷含量的关键步骤，采取控制钢包下渣和顶渣改质等措施。

2．1 控制下渣

转炉出钢后，由于脱磷热力学条件的改变，致使钢包顶渣发生磷的还原反应，“回磷”现象不可避免地发生。为从根本上消除这一不利影响，最有效的方式就是严格控制出钢下渣量。唐钢采用挡渣球和挡渣锥综合挡渣技术，下渣量控制在50mm以下。

2．2 顶渣改质

在实际操作条件下，即使采取了非常严格的挡渣措施，仍会有少量的下渣量。从理论上讲，只要钢包有含磷顶渣，钢液就可能发生回磷。因此，还要对钢包顶渣进行改质。在钢包中加入一定量的小粒白灰(约3kg／吨)，增加顶渣碱度，可以有效抑制回磷。通过上述技术的应用，唐钢可以批量生产磷含量低于0．010％的低磷钢。

3 低碳钢生产技术

碳对纯净钢的性能影响最大，高的碳含量能增加钢的强度，但使塑性下降，冲压性能变坏。钢中碳的控制主要集中在真空精炼脱碳和防止连铸过程增碳两个方面。

3．1 RH脱碳技术

RH脱碳技术主要包括两点：RH脱碳前最佳成分控制，使之处于最佳范围以及加速脱碳。

循环流量可用以下公式表示：

式(3)中：Q：环流量(t／min)；

G：环流气流量(Nm3／min)；

d：浸渍管内径(550mm)；

P：真空槽内压力(Pa)；

P0：大气压(取1．013×105Pa)

由上式可见，提高提升气体流量，增大浸渍管直径，降低真空室压力，均能增大循环流量，加速脱碳速率，其中浸渍管直径变化影响最大。综合考虑防止真空室内钢水喷溅以及脱碳反应条件，唐钢采用脱碳前中后期循环气体流量分别为72、90、108Nm3／h。通过应用RH真空脱碳工艺，钢水碳含量可以达到20×10-6。

3．2 防止钢水增碳技术

经RH脱碳处理的超低碳钢水，一旦脱氧后，就极易增碳。增碳是导致钢水成分出格和成品降级的主要原因。在导致钢水增碳的诸多因素中，炼钢辅材和耐材中含有过量的碳是重要原因。唐钢采用了无碳钢包、无碳中间包和覆盖剂、低碳结晶器保护渣。连铸过程增碳量达到20×10-6以下。

4 低氮钢生产技术

钢中氮对冷轧板的深冲性能影响极大，为使冷轧板保持良好的加工性能，钢中氮含量应尽可能降低；钢中氮含量过高将导致时效硬化、硬度增大而延展性变差。一般来说，因为RH脱氮能力有限，特别在低氮范围(氮的质量分数<50×10-6)，脱氮反应几乎中止。因此，降低转炉吹炼终点氮含量和避免钢液增氮是获得低氮钢水的主要措施[3]。

4．1 转炉低氮冶炼工艺从控制入炉原料和优化吹炼工艺两方面入手。开发了转炉低氮吹炼模式，即优化转炉造渣和吹炼制度等。在采用转炉低氮吹炼模式后，终点氮可控制在15×10-6以下。

4．2 防止钢水增氮技术不同出钢方式对钢水增氮影响很大，氧化状态出钢有利于减少增氮，脱氧出钢增氮量平均为16．8×10-6，而氧化出钢增氮量仅为5×10-6。板坯连铸中，最大的增氮一般发生在钢包和中间包之间。为此，唐钢除采用中间包覆盖剂覆盖钢水外，在钢包和中间包之间采用长水口，并在钢包水口和长水口连接处采用氢气和纤维体密封。采用上述措施后可使浇铸过程中的增氮量控制在1．5×10-6以内。通过上述技术的应用，目前唐钢可批量生产氮含量低于20×10-6的低氮钢。

5 低氧钢生产技术

氧主要以氧化物系非金属夹杂物的形式存在于钢中，对钢材的疲劳特性、加工性能、延伸性、韧性、焊接性能、耐腐蚀性能等均有明显的影响。钢中脱氧的复杂性在于钢水冷却过程中，氧的溶解度降低将进一步生成脱氧产物。钢水在浇铸过程中，会因与大气、炉渣、耐材发生氧化反应形成大颗粒夹杂物。要减少所生成夹杂物的数量，首先必须降低转炉终点氧含量。合理的吹炼制度，特别是减少补吹，将有助于降低终点钢水氧含量。钢包渣中FeO+MnO的含量与钢水中氧含量成正比关系，广泛采用挡渣法减少出钢下渣量，以及提高转炉终渣MgO含量和碱度，也有利于减少下渣。RH真空脱碳工艺减少铝氧反应升温操作、降低脱碳终了钢中自由氧含量，减少氧化铝夹杂物的生成；保持足够的纯脱气时间，使钢中夹杂物充分上浮。目前唐钢纯净钢全氧含量达到30×10-6。

6 下一步工作目标

6．1 优化铁水预处理工艺，采用石灰和颗粒镁符合脱硫剂，提高脱硫率和脱硫成本。

6．2 开发转炉双渣预脱磷工艺，实现钢水磷含量≤80×10-6。

6．3 通过对RH真空脱碳设备的改造和深脱碳工艺的优化，进一步降低钢水碳含量。另外，采用无碳水口、无碳保护渣等耐火材料，降低连铸过程增碳量，实现成品碳含量30≤70×10-6。

7 结语

通过开发低硫、低磷、低碳和超低碳、低氮、低氧冶炼技术，唐钢初步建立起以深冲钢、无取向电工钢为代表的纯净钢冶炼平台，实现了钢水硫含量≤70×10-6，磷含量≤100×10-6，碳含量≤50×10-6，氮含量≤20×10-6，全氧含量≤30×10-6的质量指标。

参 考 文 献：

[1]   崔健，郑贻裕，朱立新宝钢纯净钢生产技术的进步，中国工程科学2005，(6)．

[2]   姚娜，李祥胜．转炉脱磷工艺的优化[J]．河北理工大学学报(自然科学版)，2011，(2)．

[3]   田启新，杨晓江，耿伟，刘暑光．薄板坯工艺生产SPHC钢中氮的控制实践[J]南方金属，2010，(10)．