260 t轉爐生產SPA-H鋼保磷技術研究與實踐

李超 ，于海岐 ，黃巖 ，許營 ，尚德義 ，李文博 ，冉茂鐸

（1.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

耐候鋼被廣泛應用于集裝箱板、橋梁等，其使用環境對鋼的耐腐蝕性、屈服強度等均有較高要求，國內酒鋼、馬鋼、萊鋼、鞍鋼等鋼鐵企業通過研究冶煉鋼水成分控制、軋制工藝等，使純凈度、屈服強度、抗拉強度、延伸率等指標均得到改善［1-7］。SPA-H鋼是耐候鋼的一種，磷是大多數鋼種中常見的有害元素，容易造成“冷脆”質量問題［8］，但SPA-H鋼要求一定的磷含量來提高其耐腐蝕性能［9］，所以轉爐冶煉SPA-H鋼時的保磷技術是生產此類鋼的關鍵技術之一。國內對此進行了一系列相關技術研究，如馬鋼采用合理控制熱力學條件、少渣冶煉等措施冶煉高磷類鋼種,取得較好生產效果［10］；梅鋼采用提高供氧強度冶煉，縮短熔煉時間，保磷效果得到提高［11］；鞍鋼采用不加白灰的經濟性少渣冶煉方法實現了SPA-H磷含量達0.050%以上［12］；武漢科技大學張思維通過控制堿度、優化廢鋼結構等工藝方法將終點磷含量控制在0.042%以上［13］。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司煉鋼部（以下簡稱“鲅魚圈煉鋼部”）針對SPA-H高磷類鋼種進行了轉爐保磷技術理論分析，并將相關結論應用于生產，取得較好效果［14］，本文對此做一介紹。

1 工藝概況

鲅魚圈煉鋼部有3套噴吹型鐵水預處理設備，3座 260 t轉爐，5套 LF、ANS-OB 等精煉設備，3臺連鑄機 （2臺1450 mm薄板鑄機、1臺2300 mm厚板鑄機）。SPA-H鋼工藝路徑為：鐵水預處理脫硫→轉爐脫碳保磷→ANS-OB調整成分與鋼水凈化→1 450 mm鑄機澆注、切割出坯。為了滿足SPA-H鋼較好的耐腐蝕性能，要求鋼中具有一定的Cu、P、Cr含量［15］。結合鋼種過熱度、爐機對應、澆注參數及精煉工況等情況設計了SPA-H鋼轉爐終點溫度。SPA-H鋼水成分及終點溫度控制要求見表1。

表1 SPA-H鋼水成分及終點溫度控制要求Table 1 Compositions in SPA-H Molten Steel and Requirements of Molten Steel Temperature at End Point

SPA-H鋼的保磷工藝控制關鍵是轉爐工序，轉爐常規冶煉中大多以脫磷為目的，脫磷技術成熟穩定，而保磷技術缺乏系統研究。影響磷含量的因素很多，合理準確控制各元素成分和溫度，達到終點標準要求難度較大。與保磷技術相關的生產參數見表2。主要生產指標有：平均渣量5～10 t，堿度0.5～3.5，終點氧含量0.02%～0.10%。采用高碳鉻鐵、硅錳合金、硅鐵合金等脫氧合金化，平均終點增碳0.01%～0.03%。

表2 相關的生產參數Table 2 Related Production Parameters

2 保磷理論分析

轉爐冶煉中的脫磷反應主要在渣-鋼界面進行，反應方程式見式（1），磷分配比見式（2）。

式中，LP為磷分配系數；xP2O5為熔渣的磷含量；ω［P］為鋼液中磷含量；k為平衡常數；a（CaO）為 CaO 活度；a（FeO）為 FeO 活度。

脫磷反應為放熱反應，根據熱力學原理，影響脫磷的主要因素為FeO含量、CaO含量及溫度，因此高溫控制、低FeO含量和CaO含量均有利于保磷［16-17］。同時根據式（1）可知，渣中 P2O5含量高有利于反應向左側進行，因此在冶煉中適當減少總造渣量，提高P2O5百分比也能起到保磷作用。

3 保磷技術研究

根據理論分析結果，圍繞四個因素進行試驗，即溫度、FeO含量、CaO含量及渣量。利用冶煉終點鋼水氧含量評價FeO含量；考慮SiO2對CaO消耗的影響，使用二元堿度 R=CaO/SiO2［16］評價 CaO 含量；取冶煉終點副槍測試溫度值；渣量為造渣材料求和重量。試驗中鐵水條件（平均值）為：Si含量0.4%，P含量0.115%，C含量4.5%，鐵水溫度1 300℃。

3.1 溫度對磷含量的影響

溫度是影響保磷的重要熱力學因素，理論上高溫控制利于保磷，但溫度過高有可能影響安全生產。試驗中，控制轉爐終渣堿度為1.5±0.1，投入總造渣重量 （7±0.2）t，冶煉終點氧含量 （0.040±0.001）%。考慮澆注溫度、高溫轉爐耐材侵蝕等問題，認為將終點溫度控制在1 650～1 710℃更有利于指導生產。進行了35爐試驗，鋼水溫度對磷含量的影響如圖1所示。由圖1看出，鋼水中磷含量隨著溫度的升高逐漸增加，1 670℃以下增加較平緩，1 670℃以上增加快速。

圖1 鋼水溫度對磷含量的影響Fig.1 Effect of Molten Steel Temperature on Phosphorus Content

結合表1中SPA-H鋼種的溫度、磷含量要求，溫度控制在1 675℃以上能夠滿足磷含量0.070%～0.090%的要求范圍。但考慮1 670℃只能達到磷含量成分要求下限左右，因此生產中應適當控制溫度在1 680℃以上來保證磷成分合格。

3.2 堿度對磷含量的影響

理論分析認為，低堿度渣利于保磷，但過低堿度會產生磷超標的質量問題，因此需研究確定合理的堿度范圍使磷含量控制在標準范圍。試驗了55爐鋼水，終點溫度控制為（1 680±3）℃，使用總造渣重量 （7±0.2）t，終點氧含量為 （0.040±0.001）%，控制轉爐終渣堿度為0.5～3.0，對終點鋼中磷含量進行化驗分析，得出堿度對鋼水磷含量的影響見圖2。由圖2看出，鋼水中磷含量隨著堿度的升高逐漸降低，符合保磷理論分析結論。

圖2 堿度對鋼水磷含量的影響Fig.2 Effect of Alkalinity on Phosphorus Content in Molten Steel

根據數據統計并結合表1所示的磷含量要求，在生產中控制堿度范圍在1.2～2.0。

3.3 渣量對磷含量的影響

渣量的大小影響冶煉保磷效果，少渣冶煉利于保磷，過大渣量保磷效果差，但過少渣量存在磷含量超標的風險。試驗45爐鋼水，終點溫度控制為（1 680±3） ℃，轉爐終渣堿度控制為 1.5±0.1，終點氧含量為（0.040±0.001）%，對終點鋼中磷含量進行化驗分析，得出渣量對鋼水磷含量的影響見圖3所示。由圖3看出，鋼水中磷含量隨著渣量的增大逐漸降低，符合理論分析結論。

圖3 渣量對鋼水磷含量的影響Fig.3 Effect of Slag Volume on Phosphorus Content in Molten Steel

根據數據結果對應SPA-H要求磷含量范圍，同時考慮磷含量高會造成質量事故，所以總渣量應控制在6.3～8.3 t。

3.4 氧含量對磷含量的影響

低氧含量利于保磷。但是根據碳氧積換算，過低氧化性存在兩個問題，一是過低氧存在碳含量超標的可能，二是過低氧化性也存在磷含量超標的可能，因此需研究確定合理的氧值范圍將碳和磷含量控制在標準范圍內。試驗65爐，終點溫度控制為（1 680±3） ℃，使用總造渣重量（7±0.2） t，轉爐終渣堿度控制在1.5±0.1，終點氧含量控制為0.020%～0.068%。對試驗終點鋼水中磷含量進行化驗分析，得出鋼水中氧含量對磷含量的影響見圖4。由圖4看出，鋼水中磷含量隨著氧含量的升高逐漸降低，在氧值達到0.05%后，磷含量降低趨勢減緩。

圖4 鋼水中氧含量對磷含量的影響Fig.4 Effect of Oxygen Content on Phosphorus Content in Molten Steel

結合表1中磷與碳含量的要求，可得到合適的氧含量為0.030%～0.045%。實際平均碳氧積為0.002 0左右，根據碳氧積的換算規則［16］可得到對應碳含量為0.044%～0.066%，合金增碳為0.01%～0.03%，碳含量也可一次合格。由于氧值過低可能造成磷超標問題，氧過高時需要加增碳劑進行補碳，所以實際生產中氧含量應控制為0.030%～0.045%。

上述試驗結果與前文的保磷理論分析結論一致。四個參數合理值可確定為：終點溫度1 680℃，造渣總重量約7.3 t，終點氧含量約0.037 5%，轉爐終渣堿度約1.6。

4 應用效果

生產中選取成分、溫度等條件基本相同的鐵水，生產了60爐，實際參數控制平均值為終點溫度約1 681℃，造渣總重量7.38 t，終點氧含量0.038 2%，轉爐終渣堿度1.68。對終點鋼水磷含量化驗分析，結果見圖5所示。由圖5看出，磷含量分布在0.070 0%～0.087 5%，合格率100%，統計可得平均磷含量0.077 3%；磷含量分布在均值以下范圍頻次較多，符合磷含量可低不可高的控制要求。

圖5 終點鋼水磷含量情況Fig.5 Content of Phosphorus in Molten Steel at End Point

5 結論

針對鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司260 t轉爐冶煉SPA-H鋼的保磷技術開展了研究及應用，得出如下結論：

（1）理論分析認為，影響保磷的主要因素為FeO含量、CaO含量、鋼水溫度及渣中P2O5含量，適當高溫控制、低FeO含量、低CaO含量及減少總造渣重量均利于保磷；260 t轉爐試驗結果與理論分析結果一致，即鋼水溫度升高、堿度降低、氧含量降低、渣量減少均使終點鋼水磷含量增多。生產過程還需要考慮澆注溫度等因素對磷含量的影響。

（2）實際生產中，終點溫度為1 681℃，渣重量為7.38 t，氧含量為0.038 2%，終渣堿度為1.68時 （均為平均值），可將終點鋼水磷含量控制在0.070 0%～0.087 5%，磷含量合格率100%，平均磷含量為0.077 3%，且磷含量分布在均值以下范圍頻次較多，符合磷含量可低不可高的控制要求。