复吹转炉单渣条件下低磷钢生产工艺实践

论文题目：复吹转炉单渣条件下低磷钢生产工艺实践姓 名：黄桂斌工作单位：一炼钢炼钢作业区日 期： 目录1 绪论 IV2 生产工艺条件 IV3 生产工艺 V.3.1 脱磷的影响因素分析 V.3.1.1 转炉内脱磷基本原理 V.3.1.2 影响脱磷的因素 V.3.2 现有低磷钢吹炼工艺分析 V. III3.2.1 迁钢入炉铁水硅、磷含量及冶炼终点磷分配比分布 .VIII3.2.2 现有低磷钢冶炼工艺 IX3.2.3 现有低磷钢冶炼工艺实验研究 X.3.2.3.1 实验条件 X.3.2.3.2 实验结果与分析 X.3.3 工艺调整方案及实践结果 XVI3.3.1 工艺调整方案 XVI3.3.1.1 枪位、供氧流量和复吹流量调整 XVI3.3.1.2 副原料加入量和加入时机调整 XVII3.3.1.3 实验条件 X.VIII3.3.1.4 实验结果及分析 X. VIII3.4 研究推广工作 X.X4 结论 XXI参考文献： XXI摘要 本文详细介绍了首钢迁钢公司一炼钢分厂冶炼低磷钢的工艺实 践情况。迁钢一炼钢分厂有 3座顶底复吹转炉， 副枪自动化炼钢系统 投入率100%,从2006年12月开始开发汽车用钢、X80级别管线钢 等高端产品， 对转炉终点磷含量的要求日益严格。 实际生产过程中转 炉一次拉碳、 硫含量控制水平能满足生产工艺要求, 但磷含量超标炉 次较多,只能通过补吹或拉低碳提高钢水和炉渣的氧化性来保证转炉 终点磷含量, 对钢水的洁净度以及物料消耗带来严重影响。 针对上述 问题,本课题组首先从脱磷的热力学分析入手 ,探讨了冶炼过程中温 度控制情况、炉渣碱度、吹炼过程中TFe含量变化对转炉终点磷含量 的影响,再以现有的副枪自动化炼钢控制系统为控制平台, 对现行吹 炼枪位、副原料操作、造渣路线、复吹流量、供氧流量进行工艺优化 并进行工业实践, 总结出了一套较为成熟的低磷钢水的冶炼工艺, 并 应用于DC系列、M3A系列等低碳低磷钢种。实践表明，采用新吹炼 工艺以后, 低磷钢磷含量控制水平显著提高, 不再依靠通过提高钢水 和炉渣氧化性来保证转炉终点磷含量的落后工艺路线, 为低磷钢种生 产工艺的顺行提供有力支撑。关键词：转炉、脱磷、氧化铁、化渣1 绪论钢中的磷可降低钢的冲击韧性 ,尤其是低温冲击韧性。磷的枝晶 偏析使板材产生带状组织 ,造成钢板的各向异性。研究开发、冶炼低 磷钢水，生产出优质钢材，是市场的需求，也是众多钢企急需解决的 难题1。迁钢从2006年12月开始开发汽车用钢、X80级别管线钢等高端 产品，对转炉终点磷含量的要求日益严格， 相当部分钢种成品磷含量 要求小于 0.01%，实际生产过程中转炉一次拉碳、硫含量控制水平能 满足生产工艺要求， 但转炉拉碳磷含量超标炉次较多， 只能通过补吹 或拉低碳提高钢水和炉渣的氧化性来保证转炉终点磷含量， 对钢水的 洁净度以及物料消耗带来严重影响。迁钢 100%采用转炉副枪自动化 炼钢，在确定钢种以后，吹炼的枪位、供氧制度、复吹流量设置、副 原料操作、造渣路线、拉碳调整操作均已确定，但仍无法完全满足冶 炼冶炼低磷钢（终点磷W 0.01%）的工艺要求，因此有必要对原有工 艺参数进行认真分析和改良， 突破现有转炉脱磷工艺瓶颈， 确实提高 转炉脱磷工艺控制水平， 使转炉脱磷能力与现有品种磷含量控制标准 相匹配。2 生产工艺条件迁钢一炼钢分厂有 3 座顶底复吹转炉，副枪自动化炼钢系统投 入率100%，转炉公称容量210t，平均出钢量215t。氧枪采用5孔喷 头，马赫数为2.0,喷孔与氧枪中心线夹角出口倾角为16°。炼钢用铁 水成分，C :4.2%4.9%, Si : 0.10%0.70%, Mn : 0.10%0.20%,S< 0.070%, Pv 0.10%，属低磷铁水。日作业炉数 6075炉，转炉 冶炼平均周期36分钟，由于生产节奏较紧，故只能采取单渣法冶炼。3生产工艺3.1脱磷的影响因素分析转炉内脱磷基本原理转炉内脱磷，首先是将钢液中的磷氧化成溶解度很小的P2O5,并使其进入炉渣；其次要把 P2O5固定在炉渣中，防止其再分解返回 到钢液中。脱磷反应可以表示为如下两个公式 2: 熔池反应： 渣钢反应：影响脱磷的因素采用STB复吹转炉脱磷经验公式2，分析复吹转炉炼钢条件下脱 磷过程的主要影响因素和脱磷限度。 1）温度由公式可知，温度越低，则磷的分配比越大，熔池磷含量越低。文献2用公式所得的计算结果表明：影响复吹转炉脱磷的最主要 因素是温度。低温有利于脱磷， 即使是在较低的炉渣碱度和较低的渣 中 TFe 条件下，采用小渣量也可以保证较好的脱磷效果。 理论研究表 明5，最有效的脱磷有一个最佳温度范围（1450C 1500C）。这就 要求冶炼初期 ,要根据铁水温度采用不同的操作制度。铁水温度低 （1250C以下）,要采用低枪位操作以提高熔池温度，加速石灰的熔解，迅 速形成初期渣 ,充分利用前期炉渣 FeO 高、炉温低的优势 ,快速脱磷。若铁水温度特别高（大于1350C），冶炼初期要适当采用高枪位操作，并 加入部分矿石 ,抑制炉温的快速升高 ,同时也有利于石灰的溶解 ,延长 冶炼在低温区（1500C以下）的运行时间。2）氧化铁由公式和公式可知，渣中的（FeO）在脱磷反应中还起着双 重作用3，一是作为磷的氧化剂，二是可以与（P2O5）结合成（3FeO P2O5）,进一步与（CaO）反应。此外，（FeO）还可以改善 炉渣的流动性，促进钢渣界面反应，加速氧化钙向渣中溶解，快速提 高炉渣碱度。3）碱度由式可知，渣中有效（CaO）含量越高，磷的分配比越大，因 为（CaO）可以与（P2O5）生成在高温下活度较低的（3CaO -P2O5）, 防止（P2O5）分解或被硅锰还原。所以渣中的有效（CaO）含量是脱 磷的充分条件。但是渣中（CaO） /（FeO）很大时，氧化铁的活度会降 低，不利于脱磷。为了达到较高的磷分配比，渣中的（ FeO）以及渣 中（CaO） /（FeO）比值应有适宜值。前者为14%18%，后者为2.5 3.0。也就是说，当炉渣中（FeO）处于一定量时，炉渣中的碱度并 不是越咼越好。只有提咼渣中（FeO）同时，提咼碱度才有助于脱磷。4） 成渣路线 综合以上三个因素，在相同温度条件下，决定脱磷效率的主要因 素就是成渣路线， 而成渣情况的好坏则取决于吹炼过程控制的合理性。 首先在吹炼前期，要保证快速造成高（FeO）、高碱度、流动性良好 的炉渣，才能使脱磷过程快速进行；其次，前期要控制好温升速率， 前期温度上升到一定程度后要及时加冷料抑制熔池过快升温， 延长前 期脱磷窗口期，避免熔池快速进入脱碳期；再次，在吹炼中期，由于 脱碳反应大量消耗渣中（FeO）,炉渣容易返干，渣中非稳态的（3FeO- P2O5）会分解，会导致熔池不脱磷，甚至会出现一定的回磷 现象，此时可以加入一定量的矿石补充渣中（FeO）,同时可以适当提高吹炼枪位，缓解甚至消除炉渣返干现象；最后，在吹炼末期，熔 池脱碳速率减缓，渣中（FeO）逐渐积聚趋于稳定，此时脱磷主要依 靠熔池搅拌能力。3.2现有低磷钢吹炼工艺分析迁钢入炉铁水硅、磷含量及冶炼终点磷分配比分布121084比分6百22O64%/比分百0.400.480.560.64硅含量/%00图1迁钢入炉铁水硅、磷含量及分布从入炉铁水条件看，硅含量平均为0.37%,磷含量平均为0.068%, 入炉平均铁水温度为1331C，入炉铁水硅锰含量以及温度条件均较 好，且整体分布比较稳定。从终点磷分配比看，转炉终点磷平均分配 比为58,较之宝钢、武钢尚存在较大差距。现有低磷钢冶炼工艺60402002040eoBO1002?脅 w t t图2迁钢现有枪位控制图表1迁钢现有低磷钢吹炼模式吹氧比 例（%氧枪高度氧气流量(NM3/mi n)复吹流量（NM3/h）副原料加入比例（%）石灰生白云 石轻烧萤石球团024073530000000224073530070100700752022073530000000302207353003003002550200735480000500562007504800000067200775480000500731808004800000080160800600000008516080060000000901608006000000010016080060000000从迁钢现有低磷钢吹炼模式看，迁钢过程枪位为1.6m 2.4m,前期2.4m2.2m，中期为2m,吹炼末期为1.8m 1.6m （如图1）。 供氧流量和复吹流量米取逐渐增强的的方式（如表1）。从实际吹炼的效果看，吹氧至50%70%之间时，炉内返干现象较严重，金属喷 溅较为剧烈，操作工只能通过手动加入大量萤石和白灰来维持吹炼的平稳性。现有低磷钢冶炼工艺实验研究实验条件（一）取样步骤取铁水样、测定入炉铁水温度*吹氧30%利用副枪取熔池钢样、炉内渣样、测定熔池温度 吹氧85%利用副枪取熔池钢 样、炉内渣样、测定熔池温度 拉碳后利用副枪取熔池钢样、炉内渣样、测定熔池温度（二）实验过程操作要求1）吹炼之前手动测量液面高度，确保吹炼枪位的准确性。2）在同一转炉上做实验，该转炉炉龄25004000炉之间，属于中期 炉况。3）吹炼过程完全按照模型设定枪位、供氧流量进行操作，副原料操 作严格按照吹炼模式表自动加料，吹炼全过程不允许人工手动干 预。3232实验结果与分析 （一） 冶炼过程磷含量变化图3实验炉次磷含量变化图4各个实验炉次吹炼过程磷含量变化实验结果表明：整个吹炼过程磷变化由吹氧比例30%时的0.027%降低到吹氧比例80%时的0.0242%，说明吹炼中期熔池内磷含量变化 不大。从吹炼终点磷含量看，吹炼终点平均磷含量为0.0098%，对于冶炼磷含量判定上限小于0.01%的低磷钢种而言，并不能提供可靠的 工艺保证。（二）熔池升温速率170013001600jQ 1500度温1400炉号107055 107056业 107060* 107061+1070624681012141200 ILL-20216Time/min图5吹炼过程熔池温度变化从吹炼过程熔池温度变化看，熔池升温速率并不快，在吹炼前期（吹氧比例30%）,熔池温度始终温度在1500C以下；在吹炼末期（吹 氧比例85%）,熔池温度控制在1600C左右；转炉拉碳温度控制在 1685-1700C之间。说明当前迁钢冶炼低磷钢炉内升温速率的控制较 为合理，不是脱磷的限制性环节。（三）吹炼过程渣成分以及熔池成分变化"分成水钢0.35-0.05 1L11J_1 1200020406080100O4030520 5 02 11 o o O0500180060冶炼时间/%图6冶炼过程各成分及温度变化（5炉实验数据平均）oac50402 1 .1 .1 .1 .1 .1 .1 .1 .1 .1R?e. .T b ,ps601008060p40202040608000di冶炼时间/%图7冶炼过程渣成分变化整个冶炼过程，从吹氧比例 30%至吹氧比例80%这一时期内， 过程磷含量变化不大。从全铁含量看，吹炼中期全铁含量较低。从锰 含量的变化也可以间接证明，过程返干。实验中，在吹氧比例50% 70%之间时，转炉炉口也观察到较为严重的炉渣返干现象。冶炼过程（吹氧比例 30%80%之间）渣量有所增加（SiO2由 16.12%降低到15%）,但磷分配比由52降低到了 39.4，渣脱磷能力 降低，钢水磷含量略有降低，由 0.027%降低到0.0242%。此过程脱 磷效果不理想，分析主要原因为过程全铁含量较低（11%左右）。吹炼后期（吹氧比例80%100%之间）渣量、氧化铁含量增加较快， 促进了石灰进一步熔化，碱度有所增加，使得磷分配比迅速增大到 89。因此应提高过程氧化铁含量，促进过程化渣，提高过程渣去磷能 力。对其中三炉钢的吹炼前期渣样（氧耗 30%）、吹炼后期渣样（氧耗85%）以及拉碳渣样进行岩相分析如下:图8107056炉次岩相分析结果图9107060炉次岩相分析结果图10107061炉次岩相分析结果从这三炉钢的岩相分析可以发现，前期渣样C3S含量很少，少于 10%，吹炼后期渣样中C3S含量较少，少于30%，不利于渣脱磷。渣 样中还发现了不少未利用CaO。综合以上分析可以认为，目前迁钢低磷钢冶炼工艺存在的突出问题：过程氧化铁控制低，化渣不好，过程脱磷不好，到TSC取样时,仍为0.0242%。依靠后期吹炼提高炉渣和钢水氧化性脱磷；过程渣以C2S、RO中间相为主，未利用 CaO较多，C3S较少； 终点渣中C3S占30%左右，含量较少，对于脱磷不利。3.3 工艺调整方案及实践结果工艺调整方案枪位、供氧流量和复吹流量调整表2吹炼枪位、供氧流量及复吹流量表原氧枪 高度调整后氧枪高度原氧气流 量(NM3/mi n)调整后氧 气流量(NM3/mi n)原复吹 流量(NM3/h)调整后复 吹流量(NM3/h)普通铁水低硅铁水02402402507357353003002240240250735735300300202202202307357353003003022022023073573530030050200220230735735480300562002202157507354804806720020020077575048048073180180180800800480480801601601608008006006008516016016080080060060090160160160800800600600100160160160800800600600原工艺吹氧比例50%67%之间时，氧枪高度为200cm,调整后 针对中普通铁水(铁水硅0.25%),吹氧比例50%67%之间时， 氧枪高度改为为220cm,吹炼中期提高枪位20cm,减缓中期炉渣返 干现象；低硅铁水(铁水硅V 0.25%),由于化渣条件较差，开吹枪 位改为250cm,吹炼前期枪位在230cm250cm之间，提高前期化渣 能力，吹氧比例50%67%之间时，氧枪高度在215cm230cm之间， 减缓中期炉渣返干现象。复吹流量和供氧流量也做了相应的调整：原工艺吹氧比例达到50%时，复吹流量从 300Nm3/h提高至480Nm3/h600Nm3/h,供氧 流量从735Nm3/h提高至750Nm3/h800Nm3/h;调整后工艺吹氧比 例达到56%时，复吹流量才从300Nm3/h提高至480Nm3/h 600Nm3/h,供氧流量从 735Nm3/h 提高至 750Nm3/h 800Nm3/h;使 吹炼中期熔池搅拌不至于过分剧烈，提高熔池反应的稳定性。副原料加入量和加入时机调整表3副原料添加模式表吹氧比 例（%原副原料加入比例（）调整后副原料加入比例（）石灰萤石球团石灰萤石球团0000000270075700702000000030300253001550050005005600002506705000250730000008000000158500000090000000100000000对萤石加入时机做了相应调整，原工艺在吹氧比例分别达到50% 和67%时，分别加入50%、50%的萤石，调整后在吹氧比例分别达到 50%、56%和 67%时，分别加入50%、25%和25%的萤石。矿石加入时机也做了相应调整，原工艺在吹氧比例分别达到2%和30%时，分别加入75%和25%的萤石，调整后在吹氧比例分别达 到2%、30%和 80%时，分别加入70%、15%和15%的矿石。实验条件（一）取样步骤取铁水样、测定入炉铁水温度吹氧30%利用副枪取熔池 钢样、炉内渣样、测定熔池温度 吹氧85%利用副枪取熔池钢样、炉内渣样、测定熔池温度 拉碳后利用副枪取熔池钢样、炉内渣样、测定熔池温度（二）实验过程操作要求1）吹炼之前手动测量液面高度，确保吹炼枪位的准确性。2）在同一转炉上做实验，该转炉炉龄25004000炉之间，属于中期 炉况。3）吹炼过程完全按照模型设定枪位、供氧流量进行操作，副原料操 作严格按照吹炼模式表自动加料，吹炼全过程不允许人工手动干 预。4）试验炉数：20炉 实验结果及分析（一）吹炼过程熔池磷含量变化086 4 o O o O 量尸水钢02000003085100吹氧比例（%）图11吹炼过程熔池磷含量变化箱线图图11吹炼过程熔池磷含量变化整个冶炼过程，吹氧比例从30%80%之间，过程磷含量变化较 大，说明吹炼中期，炉内持续脱磷，转炉吹炼中期具备相当的脱磷能 力。从拉碳磷含量看，拉碳平均磷为 0.0076%, 100%的炉次拉碳磷 含量能控制在0.01%以内。图12吹炼过程炉渣TFe变化从全铁含量看，过程全铁含量控制较为稳定，吹炼中期炉渣未出现返干现象，吹炼过程较为平稳，说明工艺调整中采取的吹炼中期提 高过程枪位、降低吹炼中期供氧流量和复吹流量、调整过程矿石、萤 石加入时机等改善措施对于抑制吹炼中期返干， 提咼吹炼中期脱磷能 力有着较为明显的效果。3.4 研究推广工作图13新旧工艺转炉拉碳磷对比的箱线图0.0140.012 -% 0.010(磷碳拉炉转0.0080.0060.004新工艺0.002原工艺工艺类别图13工艺调整前后转炉拉碳磷对比从图13可以看出，工艺调整以后，冶炼低磷钢种时（磷含量判定上限W 0.01%）,转炉拉碳磷平均含量比原工艺要低0.002%,工艺调整后，转炉拉碳磷控制水平有了明显提升，能很好的满足迁钢冶炼低磷钢的工艺要求。4 结论1、通过现场工艺试验发现，目前迁钢低磷钢冶炼工艺存在的突出问 题：过程氧化铁控制低，化渣不好，过程脱磷效果差，只能依靠后期 吹炼提高炉渣和钢水氧化性脱磷。2、结合现场工艺试验结果，课题组对现行工艺进行改良：吹炼中期 提高过程枪位、降低吹炼中期供氧流量和复吹流量、调整过程矿石、 萤石加入时机。经现场验证，调整后的工艺对于抑制吹炼中期返干， 提高吹炼中期脱磷能力有着较为明显的效果。3、工艺调整后，转炉拉碳磷控制水平有了明显提升，能很好的满足 迁钢冶炼低磷钢的工艺要求。参考文献：1 原 利 君 . 转 炉 低 磷 钢 水 冶 炼 的 研 究 与 实 践 J. 鞍 钢 技 术,2003,2(10):26.2 刘欣隆.顶底复吹转炉的脱磷J.炼钢，1988,4(1):7-9.3 F.奥特斯.钢冶金学M.北京:冶金工业出版社，1997,54-62.