SPA-H鋼低氧出鋼的生產技術實踐

李 超 于海岐 劉 博 崔福祥 金百剛 蘇小利

(鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司煉鋼部)

耐候鋼是廣泛應用于生產生活中的鋼品種之一，該鋼種生產中需要加入鎳、鉻等元素，在其表面形成防侵蝕的保護層，以適應復雜的使用環境[1-7]。SPA-H鋼屬于耐大氣腐蝕高耐候結構鋼，主要用于制造集裝箱，目前約占集裝箱用鋼的90%。由于需在惡劣條件下使用，要求耐腐蝕同時，還要求具有較高的機械性能[8]。國內外學者圍繞SPA-H鋼生產開展大量工作，如產品開發、冶煉工藝優化、軋制技術改進和防腐蝕機理研究等[9-17]，但未見針對該品種的轉爐終點氧含量是如何合理控制的介紹。

2008年投資建設鞍鋼股份鲅魚圈分公司煉鋼部(以下簡稱“鲅魚圈煉鋼”)，鋼產品1 000余種，品種涵蓋高級別管線、核電、橋梁、建筑和船舶等各行業關鍵鋼鐵產品。其中SPA-H鋼是開發最早的產品之一，按照以往統計，鲅魚圈煉鋼SPA-H鋼月平均產量8萬t左右，是部門產量占比較大的重點鋼種之一。多年來，鲅魚圈煉鋼在SPA-H鋼生產中的熔劑替代技術保磷、渣洗脫硫技術方面開展了一系列研究工作，達到了較好的保磷脫硫效果[18-19]。最近，研究人員針對鋼種成分、路徑等工藝條件，結合低氧控制相關理論，確定了低氧控制的合理范圍，通過針對性的工藝改善取得了較好的實踐效果。

1 基本情況

SPA-H鋼中Ni、Cu等元素含量與文章討論的低氧控制問題無關，其余主要成分標準為：C 0.06%～0.11%，Si 0.30%～0.60%，Mn 0.3%～0.60%，P 0.065%～0.125%，S ≤0.020。

SPA-H鋼設計工藝路徑分兩種：路線1：倒罐折鐵→鐵水預處理(根據鐵水硫含量決定)→轉爐→ANS-OB→1 450連鑄機；路線2：倒罐折鐵→轉爐→LF→1 450連鑄機。生產中具體排產路徑根據現場鋼種、精煉位情況等現場條件進行生產組織，無特殊要求。

2 低氧的必要性

SPA-H鋼要求磷含量適當高、硫含量較低、一定碳含量與錳含量，因此，此部分主要理論分析了氧化性與這幾種成分含量的關系，同時論述了相較其他鋼種低氧化出鋼，SPA-H鋼低氧化性出鋼更多優越性。

2.1 碳、磷、硫及錳理論分析

[FeS]+(CaO)=(CaS)+[FeO]

(1)

2[P]+5(FeO)+3(CaO)=(3CaO·P2O5)+5[Fe]

(2)

[Mn]+(FeO)=(MnO)+[Fe]

(3)

[C]+[O]=CO

(4)

反應(1)～(4)分別為硫、磷、錳及碳在轉爐內的主要反應，根據熱力學基本原理，化學反應更容易向反應物減少一側進行，(1)～(3)中FeO及(4)中[O]表示4個反應的氧化性，可見低氧化性條件下，分別有利于反應(1)向右側進行，而反應(2)、(3)和(4)向左側進行，通過降低氧化性可以獲得SPA-H鋼冶煉的脫硫、保磷、高殘錳及留高碳的較好熱力學條件[20-22]。

2.2 優越性分析

在生產低碳超低碳時，由反應(4)可知，低氧可能會導致碳超標；在生產一些低磷超低磷鋼種時，由反應(2)可知，低氧化性可能會導致磷超標；對于某些低錳鋼種，由反應(3)可知，低氧可能會導致錳含量不合格，具體可能引起的問題為：碳含量要求<0.05%的低碳鋼不適宜低氧出鋼；錳含量要求<0.05%的低錳類鋼不適宜低氧出鋼；磷含量要求<0.010%低磷、超低磷鋼，低氧化性出鋼有磷超標風險。

基于SPA-H鋼成分特點，從理論分析可知，該鋼種低氧控制有更多優越性：低氧后可留適當碳到成分要求范圍，節省增碳劑成本；低氧殘錳含量高，降低錳合金的使用成本；氧含量控制恰當，較好保磷，可節約部分配加磷鐵的合金消耗；低氧后利于脫硫，較好控制硫含量，實現鐵水預處理不脫硫或少脫硫目的，降低預處理工序成本。另外，低氧化性控制是鋼種潔凈化的基礎，低氧化性出鋼不僅有利于降低夾雜物數量，提高鋼產品內部質量，而且可以減少轉爐爐襯耐材侵蝕，降低爐襯維護成本和能源成本[22]。

3 低氧控制范圍及實踐

根據SPA-H鋼成分標準可知，氧含量不允許無限制的降低，硫含量無下限要求，鲅魚圈鐵水錳含量均<0.20%，所以低氧控制不需要考慮硫與錳超標準問題。碳含量、磷含量要求一定范圍，因此需針對碳與磷要求確定SPA-H鋼氧含量的合理理論控制區間。

3.1 低氧范圍確定

3.1.1 基于碳含量要求的氧含量合理范圍確定

目前鲅魚圈煉鋼260 t轉爐全品種終點平均氧含量為450×10-6，SPA-H鋼的平均出鋼溫度1 680 ℃，平均碳氧積0.002 0左右?；谠撲摲N碳含量要求范圍為0.06%～0.11%，根據碳氧積換算關系，得碳氧積為0.001 5～0.002 5所對應氧含量，最小氧含量136×10-6，最大氧含量417×10-6，具體如圖1所示。在鲅魚圈煉鋼碳氧積0.002 0的生產條件下，理想氧含量范圍應為(182～333)×10-6。

圖1 SPA-H鋼基于碳合格條件下可選取氧含量

3.1.2 基于磷含量要求的氧含量合理范圍確定

由260 t轉爐生產數據統計可知，當氧含量在(130～500)×10-6范圍內時，隨著氧含量氧含量增加，磷含量減少，如圖2所示。磷含量標準范圍為0.065%～0.125%，則對應氧含量控制范圍為(188～427)×10-6，但考慮到氧含量高于405×10-6可能需要補磷，低于198×10-6可能造成磷含量超標準，因此氧含量控制范圍劃定為(198～405)×10-6。結合“3.1.1”分析得到合格碳含量對應范圍為(136～417)×10-6，可以確定：最佳低氧控制范圍為(198～405)×10-6，對于出鋼平均溫度1 680 ℃、碳氧積0.002 0的生產條件下，理想氧含量范圍應為(198～333)×10-6。

圖2 不同氧含量的磷含量

3.2 低氧控制措施

轉爐冶煉鋼氧化性的影響因素主要是底吹效果、造渣及溫度等，國內其他企業在復吹、冶煉制度優化上取得了很好效果，鲅魚圈煉鋼通過分析本廠情況，并結合其他企業技術經驗[23-24]，在造渣及溫度制度、終點控制、輔助手段等方面開展低氧控制技術改進。

3.2.1 底吹效果保證

保證轉爐底吹效果是一項長期的、系統的復雜工作，針對該廠260 t轉爐進行優化，一方面，日常生產中保證轉爐終渣中MgO約9%、FeO小于20%，堿度控制在3.5左右，既能較好護爐，又能保持底槍的良好可視性。另一方面，當底吹可視性不理想時，排產低碳鋼，沸騰鋼，適當提高出鋼溫度；當底吹可視性好時，減少補吹、高溫過氧化出鋼，出鋼溫度按下限控制出鋼。另外，實行針對性的濺渣護爐操作措施，轉爐開爐后第三爐進行濺渣操作，并保證爐渣完全濺干，日常濺渣過程中底吹N2流量設定為最大，保持到爐渣倒完為止。爐役中前期，當轉爐BL值小于190 cm時，濺渣槍位在標準濺渣槍位的基礎上提高5 cm，在濺渣時加入終渣改質劑，適當增厚爐底元件附近護爐熔渣厚度，防止底吹元件裸漏；當轉爐BL值大于210 cm時，濺渣槍位在標準濺渣槍位的基礎上降低5 cm。在爐役后期，根據轉爐底槍的可視情況，對濺渣槍位進行動態微調，確保轉爐爐底在動態零侵蝕的有效復吹，底吹可視性不好時，出鋼溫度高于1 700 ℃情況下，濺渣結束后爐子在零位停1 min。

3.2.2 冶煉制度改進

根據SPA-H鋼特殊的成分要求，冶煉操作主要任務為脫硫保磷，要實現低氧控制，造渣及供氧制度應在不出現明顯“返干”前提下，全程低槍位大供氧強度，熔渣低氧化鐵，熔渣化透，熔池快速脫碳升溫，平穩到達終點。

造渣料投入原則：在不出現低溫噴濺的情況下，盡早結束投料?；赟PA-H鋼相比一般常冶煉品種的總造渣量偏少情況，爐內熔渣形成的泡沫渣噴濺容易被控制，中后期不預留渣料壓渣。低硅鐵水條件下噴濺容易控制的爐次，采用“一批料”造渣模式；高硅鐵水條件下(Si含量>0.5%)噴濺不容易控制的爐次，采用首次加入總量90%，留少量造渣料的模式。供氧制度改進原則：氧槍供氧強度3.60 m3/(min·t)，平均供氧量53 700 m3/h以上，工作壓力1.0 MPa以上，平均槍位降低100 mm，降低開吹槍位，脫碳期不進行高槍位運行，降低拉碳槍位，副槍過程測試提槍，測試結束直接進入拉碳階段，拉碳時間保持在2 min以上。具體槍位及造渣制度見圖3。

圖3 造渣方案與槍位運行控制

終點控制原則：為防止高槍位帶來終點氧化鐵含量提高，要保證低槍位拉碳持續足夠長時間，確保終點前熔渣狀態及鋼水成分穩定；為避免高溫提高鋼水氧含量，轉爐終點溫度按照下限溫度1 680 ℃控制；根據鋼種碳含量要求，終點碳按照0.06%～0.11%目標控制，出于保磷目的，SPA-H鋼造渣料相比普通鋼種要少，因此依托過程測試碳溫結果判斷溫度及碳含量時，需要注意兩個關鍵點，熔池升溫較普通鋼種快2 ℃/s左右，碳消耗速度較普通鋼種更快，達到目標碳范圍一般提前10～20 s。

3.2.3 輔助手段

通過自主開發的260 t轉爐實時碳—氧修正模型，輔助判斷終點提槍時機。該模型能夠對脫碳速率與溫度進行預測，并根據數據庫中有效參考爐次的碳氧積、升溫速率、脫碳速率、氧槍槍型等關鍵參數模型參數，實現自動修正功能，對輔助操作者判斷冶煉終點有較大參考價值。另外，轉爐質譜儀的煙氣檢測系統可以實時取得的CO與CO2含量，幫助提高操作者對終點判斷準確性。

4 實踐效果

260 t轉爐冶煉SPA-H鋼的低氧技術改進前氧含量控制范圍(164～912)×10-6，平均氧含量504×10-6，改進后氧含量控制范圍為(201～345)×10-6，平均氧含量302×10-6，終點氧含量范圍及平均值都有不同程度降低。其中80%左右氧含量在理想氧含量范圍(198～333)×10-6，整體控制水平有明顯改善。

改進后硫含量為0.010%～0.018%，轉爐一次合格率100%；磷含量為0.046%～0.105%，轉爐一次合格率達到82%，18%爐次低于成品含量下限，少量補磷鐵即可；殘錳含量為0.09%～0.19%，較改進前平均增加0.025%；碳含量為0.035%～0.101%，轉爐一次合格率達到84%，16%爐次低于成品含量下限，補加增碳劑即可。

5 結論

(1)通過轉爐硫、磷、錳及碳的熱力學分析，降低氧化性可實現SPA-H鋼冶煉的脫硫、保磷、高殘錳及留碳目的，低氧控制后可節省碳、磷、錳的合金化成本，降低脫硫預處理工序成本，提高鋼的內部質量，降低轉爐爐襯維護與能源成本。

(2)基于碳含量要求的氧含量合理范圍(136～417)×10-6，在目標溫度控制與0.002 0的碳氧積條件下，理想氧含量范圍應為(188～333)×10-6?；诹缀恳蟮难鹾亢侠矸秶鸀?198～405)×10-6，結合合格碳含量對應的區間，SPA-H鋼最終選取理想氧含量范圍應為(198～333)×10-6。

(3)為實現低氧控制，保證底吹效果，保證轉爐終渣合適爐渣成分，合理排產，實行針對性的濺渣護爐措施；采用“一批料”模式或留少量料模式，改進氧槍工作參數，降低平均槍位，優化槍位控制，終點保證低槍位拉碳時間，終點溫度按下限溫度1 680 ℃控制，碳按0.06%～0.11%控制，但需要注意熔池升溫脫碳速度快問題；另外，采用時時碳—氧修正模型、轉爐質譜儀輔助提高終點判斷準確性。

(4)改進后氧含量控制范圍為(201～345)×10-6，平均氧含量302×10-6，平均終點氧降低，氧含量80%控制在選定的(198～333)×10-6范圍，磷、硫、碳及錳含量控制水平均有不同程度提升。