转炉冶炼低磷钢的控制技术

/*转炉冶炼低磷钢控制技术

/06:21:56主要内容1.概述2.低磷钢生产的热力学、动力学条件3.铁水预处理4.转炉冶炼脱磷5.转炉炼钢常见的脱磷技术6.超低磷钢的生产工艺/06:21:561概述磷是钢中有害杂质，容易在晶界偏析，造成钢材“冷脆”，显著降低钢材的低温冲击韧性。因此，一般钢种都要求尽量降低磷含量。钢材中的合格磷含量(质量分数)([P]≈0.03%)；高级优质钢中要求钢中磷含量([P]≤0.01%或0.005%）；低磷钢中磷含量([P]＜0.01%~0.02%)超低磷钢则要求磷含量([P]

≤50×10-6）。/06:21:562低磷钢生产的热力学、动力学条件精炼过程中的脱磷反应,根据反应产物不同,分为：氧化脱磷：钢中的磷通过氧化反应以的形式进入炉渣：1/2P2+3/2O2-+5/4O2=PO43-

（1）还原脱磷：钢中的磷通过还原反应以P3-的形式进入炉渣：1/2P2+2/3O2-=P3-+3/4O2

（2）/06:21:56氧分压的高低决定了脱磷产物的类别。下图给出1823K时41%CaO-Al2O3系炉渣，渣中磷浓度与气相氧分压的关系。1823K时，CaO-Al2O3渣系中磷浓度与氧分压的关系/06:21:56HealyGW研究了炼钢炉渣成分变化对炉渣脱磷能力的影响，对于炼钢过程，脱磷反应可以写为：2[P]+5(FeO)+4(CaO)=Ca4P2O9

（5）ΔG15°=-204450+83.55T炉渣成分变化对渣-钢间磷分配系数的影响为：lg（%P）/[%P]=22350/T-16.0+0.08×(%CaO)+2.5×lg(%FeO)下图给出了不同碱性炉渣的脱磷能力。/06:21:56不同碱性炉渣的磷容量

/06:21:56工业生产中，常用表现脱磷速度常数KP表示脱磷速度。如下图所示，随熔池搅拌能的增加，KP提高。搅拌能对脱磷速度常数的影响/06:21:56综合以上分析，脱磷的最佳热力学、动力学条件是：降低反应温度，1300℃低温有利于脱磷反应进行；提高钢水、炉渣的氧化性，有利于脱磷反应；提高钢中磷的活度和增加渣量，有利于脱磷反应；适当的碱度；对熔池进行强力搅拌。/06:21:563铁水预处理脱磷3.1喷吹苏打粉处理下图是日本住友公司鹿岛厂开发的“住友碱精炼法”-SARP法也叫苏打精炼法。用氮气输送和喷吹烧结矿粉(喷入量为40kg/t铁水,最大供粉速度为400kg/min,最大吹氧量为50m3/min,脱硅量约为0.4%)--铁水硅含量可降到0.1%以下--真空吸渣器吸出脱硅渣--脱磷处理--喷入苏打粉(苏打粉用量为18kg/t铁水,最大供粉量为250kg/min,最大吹氧量为50m3/min)--铁水[P]<0.01%,[S]<0.003%--真空吸渣器吸出脱磷渣--送至苏打回收车间(回收约80%的Na2O)--复吹转炉--RH处理--连铸/06:21:56住友碱精炼法的工艺流程/06:21:563.2喷吹石灰系溶剂处理下图是新日铁君津铁厂开发的最佳精炼法，简称ORP（OptimizingRefiningProcess）。该法于1982年9月投产，是使用石灰系熔剂进行铁水预处理的有代表性的方法。喷入的石灰熔剂的化学成分为：55%FeO，35%CaO，5%CaF2，5%CaCl2。喷入量为52kg/t铁水，粒度为0.1mm，用N2为载气，流量为3-5m3/min，平均供粉速度为600kg/mim；处理温度为1350℃处理时间25min。/06:21:56ORP工艺流程/06:21:56研究者粉剂成分，%实验规模加入量，kg/t铁水脱磷率，%佐佐木等CaO35FeO35CaF25CaCl25290t混铁车5288河井等CaO38.5FetO42.3CaF219.2-50t,250t铁水包39氧气1.4m3/t90成田等CaO39FetO39CaF211Na2CO31115t实验炉35氧气9Nm3/t96.5殿村等CaO30.5FetO62.2CaF24CaCl23.3100t铁水包4589某些石灰系粉剂的脱磷效果/06:21:563.3铁水预处理脱磷工艺

铁水预处理工艺，从熔剂加入方式上分为2种：一种是喷粉法：用氮气或空气输送，用浸没喷枪将粉剂喷人熔池底部。另一种是底部吹气法：将熔剂加在铁水表面，炉底通过透气砖吹氮气搅拌。根据所用容器不同，脱磷工艺可分为2种：一种是在盛铁水的铁水包或鱼雷罐车中进行脱磷。如日本新日铁ORP，住友的SARP预处理工艺。我国的太钢二炼钢厂20世纪80年代引进住友主体设备建成铁水罐喷吹三脱工艺。/06:21:56另一种是在转炉内进行铁水预处理。转炉内脱磷具有石灰消耗少，渣量少，脱磷效果好，复吹搅拌强，处理时间短，热损少以及锰回收率增高等优点，而且也解决了敞口罐和鱼雷罐车脱磷中的泡沫渣问题。

神户制钢的H炉、住友金属的SRP、新日铁的LD-ORP，NKK福山少渣冶炼技术，新日铁的MURC法等都是采用的这种转炉内脱磷的预处理工艺。/06:21:564转炉冶炼脱磷

4.1转炉铁水预处理脱磷转炉炼钢过程的脱磷是一个氧化脱磷过程，保证转炉内的有效脱磷要有合适的供氧制度、造渣制度等。为了更好的去除钢中磷，在造渣方式上，根据需要，可由原来的单渣法发展到双渣法、双渣留渣法等操作；在出钢制度上，采用碱性包衬红包出钢、低温弱脱氧出钢、挡渣出钢等措施。转炉铁水预处理主要有H炉、SRP法和Q-BOP法三种工艺。下表给出了三种工艺技术的比较（2005年）。/06:21:56工艺方法H炉法SRP法Q-BOP法开发单位神户制钢住友金属川崎公司工艺特点顶吹转炉加顶吹浸入式喷粉枪、先脱P后脱S顶吹转炉底吹搅拌，转炉渣作脱P剂底吹喷粉转炉，底部喷粉吹O2转炉容量/t802506顶吹供O2强度/m3·(t-min)-11.251.0~1.31.2~2.0渣料消耗（kg/t）石灰萤石铁皮转炉渣Na2CO315~2010~15208~108~10315~2520~2528-25~35-5~8--处理时间/min12min脱P，3min脱S8~105终渣碱度3~3.52~2.53.3脱磷率(%)75~8585~9390脱碳量（%）0.45~0.80.8~1.00.8渣中T、Fe（%）≤5≤34/06:21:56比较三种转炉铁水预处理工艺，SRP法是值得推荐的方法，其优点主要是：(1)采用转炉“双联”工艺，预处理铁水供精炼转炉用，精炼转炉渣作为脱磷剂供脱磷炉使用。吨铁消耗CaO20kg~25kg，可使铁水含磷量(质量分数)降到0.011%。(2)可采用低碱度造渣工艺，获得较高的脱P、脱S效率（见下图）。(3)热效率高，可熔化5%~7%的废钢。(4)生产效率高，纯处理时间仅13min。/06:21:56上述转炉铁水预处理工艺，在操作方法上有一定区别。但其本质是相同的。即采用渣-钢反应进行脱P、S，而未采用喷粉工艺。以气氧为主向熔池供氧，添加废钢控制反应温度。/06:21:56炉渣碱度对脱磷的影响/06:21:564.2影响终点w（P）分配系数LP的因素武钢第二炼钢厂现有3座公称容量90t的全炉役溅渣复吹转炉，底吹供气强度在0.03~0.06m3/(min·t)之间。影响终点Lp(Lp=w(P)/w[P])的因素有终点温度t、终渣碱度R和全铁含量、冶炼过程的底吹强度Q和渣的状况等。/06:21:564.2.1终点温度终点温度对终点Lp的影响见下图:

终点温度对Lp的影响

随温度的升高，LP变小，这是因为脱P是一个放热反应。/06:21:564.2.2终渣w（TFe）终渣对Lp的影响见下图：当w(TFe)＞22%时,aFeO并不能成比例地增大，却生成了3CaO·Fe2O3，反而使渣碱度变小,稀释了（CaO）的碱度，减弱了渣的去P作用，所以Lp反而变小。W(TFe)对Lp的影响/06:21:564.2.3终渣R下图显示了终渣碱度R对Lp的影响：

R对Lp的影响

R在3.7时，Lp是极大值。这是因为在碱性渣条件下2CaO·SiO2·4CaO·P2O5都能生成，两者均消耗(CaO)，故脱磷需要较高的碱度。碱度过高时,使炉渣变粘，恶化了去P的动力学条件，故反而不利于去P。/06:21:564.2.4底吹强度Q第二炼钢厂转炉冶炼时采用底吹自动供气，前10min吹N2，此后吹Ar。下图示出了Lp和底吹强度Q的关系：底吹强度对Lp的影响

它条件相同的情况下,在Q为0.047时，Lp为极大值，所以生产中选择了底吹供气强度为0.04~0.05m3/min·t。/06:21:56炉号低吹强度/(m3·min-1·t-1)温度/℃炉渣状况LpRw(TFe)/%B2311560.0316724.120.690B2312670.04516824.215.1124B2313230.0616723.910.675下表列出了底吹供气强度对终渣Lp影响的3炉吹炼数据：底吹强度对终渣Lp的影响

/06:21:56终点渣状况有炉渣喷溅Lp无炉渣喷溅Lp范围平均范围平均流动性好39~16593.728~10969.2终渣特粘48~595438~66524.2.5过程渣状况过程渣状况主要是指炉渣流动性，即脱P反应动力学条件的好坏。终渣Lp与过程渣状况的关系见下表。终渣Lp与过程渣状况、终渣状况的关系

/06:21:56从表中数据可以看到，当有炉渣喷溅，渣的流动性好时，Lp值较大。这也反映出过程渣一直处于良好的化渣状态，正是脱P所需要的高碱度流动性好的渣。现场实际情况是转炉的炉容比只有0.74m3/t，与正常情况相比此值偏小，所以即使正常泡沫化的炉渣也易发生喷溅，造成粘枪粘罩、质量事故及降低金属收得率。若不出现炉渣喷溅，炉渣泡沫化程度又不够。因此操作时要求控制炉渣处于炉口要喷不喷的状况。

/06:21:56装入量/t铁水情况过程加入散装料/t终渣R铁水量/t铁水w（Si）/%活性灰轻烧平均范围8878.30.423.11.93.73.0~4.54.3终点w[P]≤0.010%的操作的部分控制4.3.1终渣R的控制一次拉碳出钢的终渣R，按下表配制。由于一般普通废钢、低S、低Mn废钢中都含有0.2%以上的钢，所以在配R时，以装入量计算为好。/06:21:56钢种造渣方式出钢w（C）/%出钢温度/℃出钢w（P）/%范围平均值范围平均值范围平均值15CrMoR双渣0.026~0.0360.0311725~173517300.007~0.0090.008HG70B单渣0.02~0.040.031700~173017200.008~0.0110.010双渣与单渣去P效果的对比

4.3.2双渣操作若后期去P的条件不好，出钢过程回P较多，则可采取双渣操作。第一期渣倒炉时尽量多倒渣，有铁水倒出时抬炉。下表是铁水条件相同的情况下，双渣与单渣去P效果的对比。/06:21:56

比较铁水原始含磷量不同时单渣法和双渣法脱磷的区别，得出以下结论：对脱磷而言双渣法明显优于单渣法，双渣法的操作要点是炉渣前期碱度≥2.0，吨钢加入红泥球6kg以提高炉渣中FeO含量，一批料化清后，摇炉倒渣，再造新渣，继续冶炼。采用双渣法在吹炼前期(6min)即可将磷降至<0.015%，脱磷率达75%以上，在随后的冶炼中钢中磷略有降低,但需继续吹炼提高钢水温度后才能出钢。转炉将碳降至0.03%~0.05%时，吹损率由钢中碳为0.20%时的7%左右增至8.5%左右，使钢铁料消耗吨钢增加超过10kg。所以除非生产特殊品种，此工艺决不可取。因此，双渣法只在冶炼低磷钢中有优势。/06:21:56拉碳方式出钢w（C）/%出钢w（P）/%出钢温度/℃终渣w（TFe）/%一次拉碳出钢0.026~0.0350.007~0.0101670~168819.05~21.900.045~0.0540.008~0.0121685~169419.10~22.15高拉补吹出钢0.025~0.0340.007~0.0091677~168516.80~19.940.040~0.0530.008~0.0111680~169216.90~19.034.3.3高拉补吹的控制高拉补吹是在碳高于出钢碳时提枪倒炉，调入活性灰、轻烧等，重新造渣，点吹至出钢碳后再出钢。高拉补吹的效果见下表：

高拉补吹操作的去磷效果

/06:21:56钢种合金增P/%炉渣回P/%总回P/%无取向硅钢00.0008~0.00140.0008~0.0014取向硅钢00.0015~0.00260.0015~0.0026低合金钢0.0024~0.00360.0017~0.00260.004~0.0074.3.4出钢回P的控制在出钢过程中，由于大罐炉渣R和w（TFe）下降，加上脱氧剂直接还原炉渣中P2O5，合金含有微量的P等，都会发生回磷。第二炼钢厂使用挡渣塞、挡渣球后。到RH的渣厚一般在30~60mm之间，此时，过程回磷情况见下表：/06:21:565.转炉炼钢常见的脱磷技术目前，转炉炼钢常见的脱磷技术有：转炉大渣量脱磷、双渣脱磷、转炉双联脱磷及转炉预脱磷等，这些技术在生产中取得了良好的脱磷效果，其中日本先进炼钢厂的实践证明，采用双联法转炉炼钢工艺，可低成本大批量地生产低磷钢和超低磷钢。本节着重介绍双联法。/06:21:565.1转炉双联法简介转炉双联法冶炼是转炉炼钢一项新工艺。该工艺20世纪90年代产生于日本，现在日本住友金属和歌山厂、川崎制铁水岛厂、NKK福山厂以及新日铁室兰厂等均采用转炉双联法冶炼工艺进行大规模生产。转炉双联法工艺被日本住友和歌山厂称为SRP法、新日铁室兰厂称为LD—ORP法、NKK福山厂称为LD—NRP法，操作方式都是采用两座转炉双联作业，一座进行铁水脱磷操作，称为脱磷炉，另一座转炉接受来自脱磷炉的低磷铁水进行脱碳操作，该转炉称为脱碳炉。也就是将铁水脱磷和脱碳分开由两座转炉来完成，有别于传统上在一座转炉内既要完成铁水脱磷又要完成脱碳。/06:21:56典型的双联法工艺流程为高炉铁水一铁水脱硫预处理一转炉脱磷一转炉脱碳一二次精炼一连铸，具体见下图。转炉双联法炼钢工艺流程图/06:21:565.2双联法的主要优势：炉内自由空间大，允许强烈搅拌钢水；顶吹供氧；高强度底吹（0.3m3/(t·min)）；不需要预脱硅；废钢比较高（8%~10%）；炉渣碱度较低（1.5~2）；渣量少；处理后铁水温度较高（1350℃）。/06:21:565.3国内外生产实绩5.3.1SRP法SRP(SimpleRefiningProcess)工艺是20世纪80年代后期日本住友金属开发的，即将一座转炉作为脱磷炉对铁水进行脱Si、脱P预处理，生产的低Si、低P半钢水再送人第二座转炉脱碳炉降碳提温,实现少渣冶炼。这种工艺的优点在于节省基建投资、降低各项消耗，减少环境污染，且能高效率大量处理铁水,使转炉精料冶炼，控制氧化性、高拉碳出钢及减少钢中夹杂物等。/06:21:56

脱磷炉脱碳炉炉容量250tSTB250tSTB顶吹气体O2(1~1.3Nm3/t∙min)O2(2~2.7Nm3/t∙min)底吹气体CO2(0.05~0.2Nm3/t∙min)CO2(0.05~0.2Nm3/t∙min)渣料BOF渣-(Fe矿)-CaO-CaF2

30~60kg/tCaO-MgO10~20kg/t处理时间8~10min13~18min脱碳炉和脱磷炉的操作条件在这种工艺中，两台复吹转炉中的一台作为脱磷炉，另一台作为脱碳炉。脱碳炉产生的炉渣可作为脱磷炉的脱磷剂，从而减少石灰消耗，达到稳定而快速的精炼效果。/06:21:56住友金属鹿岛厂炼钢工艺流程日本住友金属鹿岛制铁所/06:21:56日本住友金属和歌山制铁所住友金属和歌山制铁所的生产流程住友金属和歌山制铁所年产粗钢390万t。该厂脱磷转炉与脱碳转炉设在不同跨间,吹炼时间为9~20min,周期控制在20min以内。一个转炉炼钢车间给3台连铸机供钢水,是目前世界上炼钢生产节奏最快的钢厂。/06:21:56和歌山制铁所SRP法的优点：(1)可高效率、低成本、大批量生产洁净钢，显著改善IF钢板抗二次加工脆化和热轧钢板低温冲击韧性等性能；(2)炼铁生产可以采用较高磷含量的低价位铁矿石，铁水磷含量放宽至0.10％~0.15％，降低了矿石采购成本；(3)炼钢时可以使用锰矿石，取代MnFe合金；(4)炼钢渣量显著降低，脱碳炉渣可返回用于脱磷转炉；(5)脱磷炉渣不经蒸汽稳定化处理,可直接铺路；(6)加快了大型转炉的生产节奏，与高拉速连铸机相匹配；(7)生产工序紧凑。/06:21:565.3.2神户H炉工艺神户制钢炼钢厂平面布置图由于神户制钢生产的高碳钢比例较大，因此转炉的脱磷负荷大。铁水脱磷、脱硫预处理采用H炉(专用转炉)。

/06:21:56神户制钢的Ｈ炉铁水预处理工艺流程图/06:21:56用H炉进行铁水脱磷、脱硫处理具有如下特征：H炉内空间大，进行铁水预处理时，炉内反应效率高、反应速度快，可在较短的时间内连续完成脱磷、脱硫处理；可以用块状生石灰和转炉渣代替部分脱磷渣；脱磷过程中添加部分锰矿，可提高脱磷效率，且增加了铁水中的锰含量。/06:21:565.3.3新日铁LD-ORP(OptimizingRefiningProcess)工艺炉容量/t290顶吹气体O2最大25000Nm3/h铁水比86%～100%脱磷处理氧单耗8～12Nm3/t气氧比60%～95%顶吹氧0.05～0.1Nm3/t·min底喷粉渣料：CaCO370～300kg/minN2：0.05～0.1Nm3/t·min顶加渣料CaO：6～10kg/tCaF2：0～2kg/t脱硫处理底吹渣料：CaO+Na2CO3300～700kg/minN2：0.05～0.1Nm3/t·minLD-ORP的处理条件/06:21:56新日铁名古屋LD-ORP工艺日本新日铁八幡制铁所/06:21:56新日铁君津制铁所第二炼钢厂LD-ORP流程日本新日铁君津制铁所/06:21:56LD-ORP工艺渣量少、可生产高纯净钢。脱磷转炉弱供氧，大渣量，碱度为2.5~3.0，温度为1320~1350℃，纯脱磷时间约为9~10min，冶炼周期约20min，废钢比通常为9％，为了提高产量，目前废钢比已达到11％~14%，经脱磷后的半钢水（ωＰ≤0.020％）兑入脱碳转炉，总收得率92％以上。转炉的复吹寿命约4000炉。脱碳转炉强供氧，少渣量，冶炼周期为28~30min，脱碳转炉不使用废钢。从脱磷至脱碳结束的总冶炼周期约为50min。

/06:21:565.3.4MURC技术新日铁室兰制铁所(两座270tLD-OB转炉)和大分制铁所(3座370t复吹转炉)受设备和产品的限制，难以采用双联法工艺，为此采用了新日铁开发的MURC技术。在同一转炉进行铁水脱磷预处理和脱碳吹炼，类似传统炼钢的双渣法。室兰制铁所和大分制铁所全部采用MURC工艺，见下图。

/06:21:56新日铁大分制铁所的MURC工艺示意图/06:21:56厂家

脱磷吹炼时间/min脱磷后温度/℃脱磷后磷含量/%脱碳冶炼周期/min脱碳吹炼时间/min住友和歌山制铁所10~121300~13500.01209住友金属鹿岛制铁所81350-3014新日铁君津二炼钢厂9~101320~13500.0203012JFE京滨制铁所1213500.01--JFE福山制铁所8~1013500.01225~2711~13日本钢铁厂转炉双联法主要工艺技术参数对比/06:21:565.3.5宝钢的BRP技术宝钢分公司也从2002年开始进行了转炉脱磷-脱碳双联工艺的自主技术研究，称为BRP(BaosteelBOFRefiningProcess)工艺。宝钢开发了一整套转炉脱磷-脱碳的工艺技术，主要包括顶底供气模式、造渣模式、温度控制和脱磷控制模式等。/06:21:56BRP法操作步骤宝钢第一炼钢厂3座300t复吹转炉的双联法设备配置和工艺布置与传统转炉炼钢车间基本一致。每座转炉均具有脱磷和脱碳功能，可采用双联法冶炼，亦可进行常规冶炼，切换灵活。/06:21:56BRP生产实绩BRP法生产的X70管线钢和帘线钢的磷含量与传统工艺的对比BRP开发了一些高难度、高附加值产品,如帘线钢、抗HIC的X65管线钢、2Cr13不锈钢、S135钻杆钢等冶炼工艺技术。BRP法生产的X70管线钢与帘线钢与传统工艺的磷含量对比见右图。/06:21:56炉次PST.ONH总计130424311.090240516321.194.1330412241.071440611291.087平均35.04.815.829.01.085.5

BRP技术生产的4炉抗HICX60管线钢水的化学成分/×10-4%

/06:21:56转炉双联法脱磷与混铁车、铁水罐法脱磷相比，在大批量生产纯净钢时具有如下优势：转炉容量大，有充分的反应空间，反应动力学条件优越，铁水中磷可脱到0.010％以下，为少渣冶炼创造了条件。转炉双联法为生产超低磷钢、管线钢及优质宽厚板铸坯提供了有利的条件。工序简化，人员减少。成本相对较低。据统计，转炉脱碳渣用于另一座转炉脱磷的双联法，生产1t铁水的钢铁料消耗比传统方法减少25kg，石灰消耗减少40％，吨钢成本降低约65元。/06:21:566超低磷钢的生产工艺冶炼超低磷钢已有两种途径。一种是