轉爐雙聯工藝冶煉X80管線鋼脫磷試驗研究

張瑞青

（河鋼集團唐山鋼鐵集團有限責任公司，河北 唐山 063600）

0 引言

對于絕大多數鋼種來說，磷是鋼中有害元素之一，作為雜質元素必須在鐵水預處理或者轉爐冶煉環節盡可能去除。鋼中磷元素含量越高，在鋼水的凝固過程中越容易產生偏析，鋼材沖擊性能降低就越大。磷元素也能夠降低鋼水表面張力，很容易聚集在結晶邊界處，導致鋼材的局部組織異常，降低鋼材的抗熱裂紋性能，容易引起“冷脆”，對焊接使用功能也有不利影響。目前低溫容器用鋼、海洋用鋼、石油天然氣用鋼等高級別管線鋼中，均要求極低的磷、硫含量。其中X80 管線鋼對鋼中磷元素的質量分數要求低于0.010%，目前常規的冶煉工藝已無法滿足超低磷鋼的生產工藝要求。唐鋼公司根據現有的工藝裝備，采用了轉爐雙聯煉鋼工藝生產X80 管線鋼，即脫磷轉爐先進行脫磷，再裝入脫碳轉爐繼續進行冶煉。脫磷轉爐利用低溫的有利條件實現充分快速脫磷，脫碳轉爐出鋼溫度在1680℃較高的條件下，要控制鋼中磷含量不大于0.009%。

唐鋼公司利用兩座轉爐冶煉，再通過LF 工序進行溫度調節，RH 工序進行脫氣，進一步提高了鋼水潔凈度，不僅降低了管線鋼的生產成本，還生產出高品質的潔凈鋼[1-3]。本文介紹了唐鋼公司X80管線鋼生產工藝流程，結合唐鋼公司實際提出X80管線鋼的試驗方案，并對試驗結果進行了分析。

1 唐鋼公司X80管線鋼生產工藝流程簡介

唐鋼公司熱軋部共有3 座公稱容量200t 頂底復吹轉爐，其中1 座脫磷爐，2 座脫碳爐，配有雙工位LF 爐2 座和RH 爐2 座，以及2 臺直弧型兩流板坯連鑄機，年產合格板坯600 萬噸左右。其中大部分是[P]＜0.02%的優質鋼，要求出鋼[P]≤0.015%。X80 管線鋼生產采用了轉爐雙聯工藝，KR 脫硫→脫磷轉爐→脫碳轉爐→LF 精煉處理→RH 精煉處理→連鑄。

2 試驗方案

現場首次試驗共生產兩爐X80 管線鋼。脫磷爐要在低供氧強度下脫磷、脫硅，并要抑制鐵水升溫過高，防止碳的氧化。根據鐵水硅元素含量，脫磷爐使用恒流量吹煉，供氧強度為2.22Nm3/(t·min)，底吹強度為0.08Nm3/(t·min)。根據現場爐況和生產節奏要求，鐵水預處理脫硫，控制入爐鐵水[S]≤0.005%。加入轉爐的廢鋼要使用自產的優質廢鋼，不得使用生鐵塊、鋼渣。脫磷爐目標堿度控制在1.8～2.2，半鋼溫度控制在1340℃～1380℃；脫碳爐終點溫度控制在1665℃～1685℃，控制終點鋼水[P]≤0.009%，全程底吹氬氣。在生產中，分別對脫磷爐和脫碳爐的入爐鐵水、冶煉終點進行取樣，在出鋼時取爐渣試樣。入爐鐵水成分和溫度如表1所示，H1、H2代表2爐實驗爐的入爐鐵水樣。

表1 入爐鐵水成分和溫度

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

表2為兩爐實驗爐脫磷終點和脫碳終點鋼水成分及溫度，P1、P2 為脫磷終點樣，C1、C 2 為脫碳終點樣。表3為兩爐實驗爐脫磷終點和脫碳終點渣成分，S1、S2 為脫磷終點渣樣，F1、F2 為脫碳終點渣樣。由表2、表3可知，S1 脫磷爐渣堿度是1.36,T.Fe 含量為10.67%，鋼水溫度為1361℃，脫磷率為25.85%，磷分配比LP為35；F1脫碳爐渣堿度是4.15,T.Fe 含量為33.74%，鋼水溫度為1672℃，脫磷率為94.18%，磷分配比LP為320。S2 脫磷爐堿度是1.7,T.Fe 含量為13.08%，鋼水溫度為1366℃，脫磷率為50.85%，磷分配比LP為36；F2脫碳爐渣堿度是3.27,T.Fe 含量為18.35%，鋼水溫度為1684℃，脫磷率為87.93%，磷分配比LP是232。

表2 兩爐實驗爐脫磷終點和脫碳終點鋼水成分和溫度

圖1是由表1、表2數據繪制成的2 爐X80 實驗管線鋼碳、磷、硫成分變化曲線。由圖1可以看出，第2爐鋼的脫磷爐終點磷元素含量比第1爐鋼低了32.55%，碳元素含量低12.5%。由于首次試驗，根據第1 爐的試驗生產實際狀況，對普瑞特自動化冶煉模型的供氧強度、氧槍槍位、加料過程等參數進行了調整，降低了脫磷轉爐終點磷含量。

圖1 兩爐X80實驗管線鋼碳、磷、硫成分變化曲線

3.2 鐵水中磷的氧化反應

研究表明，鐵水中磷的氧化及其實際自由能變化如式（1）所示。由式（1）中ΔrG= 0，可得到式（2）。磷分配比的定義式如式（3）所示。

由式（2）和式（3）可得磷分配比LP的計算式,如式（4）所示。

式中：XP2O5為脫磷渣中P2O5的摩爾分數；aFeO為脫磷渣中FeO活度；γFeO為脫磷渣中FeO活度系數；fP為鐵水中磷的活度系數；w[P]為鐵水中磷的質量分數；γP2O5為脫磷渣中P2O5活度系數；T為溫度，K。

由式（4）可知，若要提高磷在渣鐵間的分配比，可以采取下述方式。一是提高渣中的氧化性，即增加渣中FeO 含量；二是降低冶煉溫度；三是提高渣量并降低爐渣中P2O5的活度系數。

3.3 脫磷主要影響因素分析

3.3.1 渣中氧化性影響分析

圖2為渣中T.Fe 含量和堿度對磷分配比的影響情況。由圖2可知，隨著渣中T.Fe 含量的增大，氧化性的提高，渣/鋼間的磷分配比增大；隨渣中堿度的提高，冶煉終點渣/鋼間的磷分配比逐漸增大。由式（1）～（4）可知，渣中(FeO)與(P2O5)形成的(3FeO·P2O5)，有利于渣中(CaO)與(P2O5)反應結合成(3CaO·P2O5)。另外(FeO)可與石灰反應生成低熔點鐵酸鈣，降低爐渣的黏度，改善熔渣的流動性，加快磷在渣/鋼界面的傳質，改善脫磷的動力學條件，從而提高脫磷速率。但若渣中T.Fe含量過高，不僅會增加鐵的損失，降低金屬收得率，也會造成爐渣稀釋，降低（CaO）的脫磷作用。廖鵬等研究認為半鋼時轉爐渣中T.Fe 含量保持在14%～20%較為合適，轉爐終渣中T.Fe 含量保持在16%～18%較為合適[4]。吳偉研究認為前期轉爐渣中T.Fe含量保持在35%～40%較為合適，轉爐終渣中T.Fe 含量保持在20%～25%較為合適[5]。

圖2 渣中T.Fe含量和堿度對磷分配比的影響

綜上所述，唐鋼公司脫磷轉爐終渣中T.Fe含量保持在10%～15%較為合理，脫碳轉爐終點的磷含量要求更低，渣中T.Fe 含量保持在20%～25%較為合理。

3.3.2 渣中堿度影響分析

爐渣堿度高且熔化好，則爐渣的脫磷能力強，爐渣在溫度較高條件下生成的磷酸鈣比較穩定。（CaO）可降低（P2O5）活度，在渣中的（SiO2）一定的前提下，渣中的（CaO）增加，可以獲得高堿度、高氧化性爐渣，得到較大的磷分配比。由于石灰在渣中的熔解需要Fe3+和O2-，石灰的加入量過大，爐渣不能提供足夠的Fe3+和O2-，造成爐渣的黏度增加、流動性變差，爐渣反應的動力學條件變差，反而會影響脫磷效率。所以，保持合理的堿度是脫磷的關鍵。廖鵬等研究認為保持半鋼時渣堿度在2.0～2.3，脫碳轉爐終點渣堿度在3.6～3.8 較為合適[4]。吳偉研究認為前期轉爐堿度保持在2.0，轉爐終點渣堿度保持在3.5～4.0較為合適[5]。

綜上所述，唐鋼公司脫磷轉爐終中渣堿度保持在1.6～2.0 較為合適，脫碳轉爐終渣中堿度保持在3.3～4.1較為合適。

3.4 轉爐終爐渣礦相分析

爐渣礦相分析的主要目的是確定渣中的礦相組成和分布，把礦相分析與爐渣化學成分結合起來，更全面地了解爐渣的性質。圖3和表4分別為脫磷爐和脫碳爐終渣的礦相微觀結構和礦相組成。由圖3可知，兩爐實驗爐渣的礦相主要特征如下:

表4 脫磷爐和脫碳爐終渣的礦相組成

（1）兩爐爐渣的礦相組成基本一致，主要包括C2S（硅酸二鈣）、C3S（硅酸三鈣）、RO 相、C4AF（鐵鋁酸鈣）、fCaO（自由氧化鈣）。由于終點溫度不同，低溫條件礦相結構還沒有形成穩定組織，從圖3中可以看出，爐渣終點溫度越高礦相晶體組織越明顯。脫碳爐終點溫度較高，渣（CaO）和（SiO2）反應充分，形成的C3S 相也較粗大，而脫磷爐溫度較低，渣中形成的C3S 相對較少，粒狀分布的C2S 相含量較多，爐渣中形成C2S和C3S的固溶體，熱力學條件好有利于反應的正向進行[6-9]。

圖3 脫磷爐和脫碳爐終渣的礦相微觀結構

（2）脫碳爐終渣的礦相組成中，以長條狀及板柱狀存在的C3S 數量比脫磷爐終渣的比例高15%，以灰褐色粒狀分布的C2S 數量比脫磷爐終渣的比例高10%。

（3）脫磷爐終渣的礦相組成中的C4AF 數量比脫碳爐終渣中的C4AF 高15%，兩爐終渣中RO 和fCaO相比例基本相當。

4 結語

（1）使用轉爐雙聯高效化生產工藝生產的X80鋼水潔凈度對比傳統生產工藝有較大幅度提高，終點鋼水中[P]+[S]最低可控制到90ppm。

（2）雙聯工藝復合吹煉條件下冶煉過程中爐渣成渣快，渣-鋼反應更加充分。脫磷轉爐終渣中T.Fe 含量保持在10%～15%，爐渣堿度保持在1.6～2.0 較為合適；脫碳轉爐終渣中T.Fe 含量保持在20%～35%，爐渣堿度保持在3.3～4.1較為合適。

（3）復合吹煉工藝條件下，爐渣礦相為C2S、C3S、RO 相、C4AF、fCaO。脫碳爐終渣礦相組成中的C3S 數量比脫磷爐終渣的比例高15%，以灰褐色粒狀分布的C2S 數量比脫磷爐終渣的比例高10%，爐渣組元反應充分。