寶鋼煉鋼純凈鋼生產技術進展

1、寶鋼煉鋼純凈鋼生產技術進展鄭貽裕 蔣曉放（寶山鋼鐵股份有限公司煉鋼廠，上海，）摘要：本文簡要介紹了寶鋼煉鋼廠主要裝備，重點介紹了煉鋼廠生產純凈鋼在磷、硫、氧、氮、碳等元素的控制水平和采取的措施，以及目前厚板鋼種殘余元素的控制水平。關鍵詞：潔凈鋼，煉鋼，殘余元素此文是本刊特約的文章Progress of Production Technology for Clean Steel at BaosteelZheng Yiyu Jiang Xiaofang(Steelmaking Plant, Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai, )ABSTRACT Th

2、e main equipments of steelmaking plant of Baosteel are briefly introduced in this paper. The progress in control technology of phosphorus, sulphur, total oxygen, nitrogen, carbon in steel is discussed at Baosteel. The control level of residual elements in heavy plate is introduced too.KEYWORDS clean

3、 steel, steelmaking, residual elements文中紅色字體是審稿時建議作者補充的（紅色字體的分節(jié)和小節(jié)標題除外）1 前言所謂純凈鋼一般指鋼中雜質元素磷、硫、氧、氮、氫（有時包括碳）和非金屬夾雜物含量很低的鋼。而所謂雜質又是隨鋼種而變的，某一元素在某鋼種內是有害雜質，在另一種鋼內其有害程度可能輕些甚至是有益的。也就是說，對于鋼性能要求的不同，純凈度所要求的控制因素也不同。如對于IF鋼，為獲得成品鋼材的高延展性、高r值以及優(yōu)良的表面性能，要求鋼中碳、氮、氧含量盡可能低；為生產高強度、高韌性、優(yōu)良的低溫性能、更高的抗氫斷裂能力的高質量管線鋼，則要求鋼中低硫、低磷、盡可能

4、低的氮、氧、氫和一定的Ca/S比。寶鋼從九十年代中期就著手研究開發(fā)潔凈鋼生產技術以及超純凈鋼冶煉技術1、2，主要工作集中在兩方面。第一方面集中在純凈鋼相關單項技術開發(fā)上，通過研究找尋控制鋼中磷、硫、氧、氮、碳、氫和非金屬夾雜物含量的主要環(huán)節(jié)和影響因素。第二方面，主要針對純凈度要求很高的鋼種（IF鋼、管線鋼等），開展提高純凈度的研究，開發(fā)批量生產純凈鋼的生產技術和管理技術。2004年IF鋼純凈度達到C16ppm、N15ppm、TO19ppm；管線鋼純凈度可達到S5ppm、P35ppm、TO16ppm、N29ppm、H1.0ppm；達到了國際同類產品的先進水平3。本文擬介紹目前寶鋼在大生產條件下重

5、點鋼種的純凈度水平。2 煉鋼廠主要裝備能力2.1 一煉鋼裝備能力寶鋼一煉鋼于1985年9月投產，設計年產量648.5萬噸，目前產能可以達到850萬噸。在后來的生產過程中，根據(jù)市場需要和產品開發(fā)的需要，還逐步新增和改造了一些工藝設備裝置，它是寶鋼目前產量最高、品種最多的煉鋼生產線。主要品種有汽車板用鋼、管線鋼、船板鋼、塑模鋼、耐候鋼、鋼簾線鋼和高壓鍋爐管鋼等。主要裝備見表1。表1 一煉鋼主要裝備Table 1 Main equipments of No.1 steelmaking plant項目內容鐵水預處理型式混鐵車和鐵水包脫硫年處理比例, %100轉爐型式LD-BB噸位座數(shù)300t3（3吹2

6、）底吹氣體Ar、N2底吹風口多孔塞底吹強度, Nm3/(t.min)0.0220.25煙氣處理系統(tǒng)OG擋渣裝置擋渣鏢、滑板擋渣精煉型式臺數(shù)RH3，CAS2，KIP1，LF2連鑄臺數(shù)流數(shù)32機型垂直彎曲結晶器長度, mm900鑄坯尺寸（厚寬長）, mm230/250(9001930)(800012000)220/250/300(12002300)(680011800)二冷方式氣霧冷卻2.2 二煉鋼裝備能力 二煉鋼于1998年4月投產，屬于寶鋼三期建設項目，設計年產量288萬噸。2006年通過挖潛改造，新增1座轉爐、1臺RH、1座LF爐和1臺連鑄機，目前產能已達到680萬噸。主要品種有電工鋼、鍍錫

7、板、汽車用鋼、高強度鋼等。主要裝備見表2。表2 二煉鋼主要裝備Table 2 Main equipments of No.2 steelmaking plant項目內容鐵水預處理型式混鐵車脫硫、脫磷，鐵水包脫硫年處理比例, %De-S：100；De-P：35轉爐型式LD-BB噸位座數(shù)300t3（3吹2）底吹氣體Ar、N2底吹風口多孔塞底吹強度,Nm3/(t.min)0.010.22煙氣處理系統(tǒng)LT擋渣裝置滑板擋渣精煉型式臺數(shù)RH2，IR-UT1，LF1連鑄臺數(shù)流數(shù)32機型垂直彎曲結晶器長度, mm900鑄坯尺寸（厚寬長）, mm230(9001450)(800011000)230(900175

8、0)(900011000)二冷方式氣霧冷卻3 寶鋼純凈鋼生產技術現(xiàn)狀3.1 單元素控制水平 3.1.1 硫的控制鐵水脫硫是一種較經(jīng)濟、有效的脫硫方法，在工業(yè)生產中得到廣泛的采用。目前，由于廢鋼質量波動大，廢鋼中的硫含量不穩(wěn)定，往往造成轉爐冶煉過程中回硫嚴重，因此，對鐵水脫硫處理，減少入爐鐵水硫含量是對鋼種硫含量控制的關鍵。寶鋼鐵水脫硫方法有混鐵車脫硫法和鐵水包噴吹脫硫法，經(jīng)過多年的實踐，兩種脫硫方法均可使最低硫含量達到0.001%，為批量生產低硫鋼創(chuàng)造了條件。為了提高鐵水脫硫效率，裝備了混鐵車前、后扒渣工位，減少了鐵水包內的渣量，抑制了回硫現(xiàn)象的發(fā)生。目前轉爐產線使用的鐵水脫硫比例從1985年

9、12.5提高到100，處理后鐵水硫含量平均值也從1985年的0.023下降到2010年0.004。轉爐的脫硫能力是有限的。特別在鐵水原始硫含量很低的情況下，由于入爐的石灰、廢鋼等原料帶有較高的硫含量，往往出現(xiàn)轉爐過程回硫現(xiàn)象。因此，要穩(wěn)定生產硫含量小于0.003%的鋼時，除了控制鐵水硫含量之外，還需要對鋼水進行脫硫處理。寶鋼目前采用的鋼水深脫硫工藝主要有兩種，其基本特點如下：RH脫硫方式（方式A）：開發(fā)高效CaO-CaF2系脫硫劑，通過RH合金溜槽將脫硫劑加入真空室；脫硫處理的爐次需控制轉爐下渣量，并對鋼包頂渣進行改質處理，使其具有高堿度和低FeO含量。LF爐深脫硫方式（方式B）：開發(fā)鈣鋁系合

10、成渣劑，優(yōu)化渣脫氧制度，優(yōu)化鋼包底吹氬模式。對于深脫硫鋼，為強化渣鋼界面的脫硫反應，采用強攪拌方式。兩種不同爐外脫硫方式大生產情況下的深脫硫效果如表3所示：表3 不同鋼水脫硫方式下的深脫硫效果Table 3 Results of desulfurization in steel for different patterns方式初始S，ppm處理后S，ppm脫硫率，統(tǒng)計爐數(shù)，爐A21.411.844.7186B49.27.983.9160由表3可見，RH處理過程脫硫（方式A），其脫硫率平均44.7%，其具有占用工位時間少，增氮量小的優(yōu)點。LF爐深脫硫工藝（方式B）具有很高的脫硫效率，平均脫硫率達

11、到83.9%，在初始硫含量并不很低的前提下，脫硫后可使鋼水硫含量穩(wěn)定達到10ppm以下，平均為7.9ppm，為超低硫鋼的生產提供了有力保證。 3.1.2 磷的控制鋼中磷含量過高，在凝固時會產生嚴重的偏析而導致產品脆裂。對于高級管線鋼，特別是抗HIC（氫致裂紋）管線鋼需要將磷降至0.010%以下，而對于在極寒冷地區(qū)使用的管線鋼，為防止冷脆，甚至需將鋼中磷含量控制在0.005%以下。寶鋼為不同鋼種的需要相繼開發(fā)了5種不同脫磷工藝，特別是寶鋼BRP技術的開發(fā)為極低磷鋼種的生產創(chuàng)造了條件4。l 鐵水三脫轉爐小渣量（渣量指數(shù)為0.3）冶煉工藝（方式A）l 鐵水脫硫轉爐大渣量（渣量指數(shù)為1.0）冶煉工藝（

12、方式B）l 鐵水三脫轉爐大渣量（渣量指數(shù)為1.0）冶煉工藝（方式C）l 轉爐預處理脫磷脫碳轉爐中渣量（渣量指數(shù)為0.6）冶煉工藝（方式D）l 轉爐預處理脫磷脫碳轉爐大渣量（渣量指數(shù)為1.0）冶煉工藝（方式E）上述5種不同工藝脫磷效果如圖1所示：圖1 不同工藝轉爐終點磷平均含量比較Fig.1 Comparison of average P at end point of BOF for different patterns 由圖1可見，采用三脫鐵水少渣量工藝的轉爐終點平均磷含量為0.012%；采用通常脫硫鐵水的大渣量工藝的轉爐終點平均磷含量為0.010%；采用三脫鐵水大渣量工藝的轉爐終點平均磷含

13、量為0.0066%；采用轉爐脫磷預處理鐵水+脫碳爐中渣量工藝轉爐終點平均磷含量達到0.0058%；采用轉爐脫磷預處理鐵水+脫碳爐大渣量工藝轉爐終點平均磷含量達到0.0035%，由此可見，方式C、方式D和方式E均為生產極低磷鋼的有效工藝。采用方式E生產的高級管線鋼成品磷含量為0.0063%，CPK值達到1.33，過程控制穩(wěn)定。 3.1.3 氧的控制在鋼中氧含量過高，則角狀夾雜物及宏觀夾雜物增多，易于發(fā)生脆性斷裂，而且非金屬夾雜物含量過多也影響鋼的表面質量。寶鋼主要針對IF鋼，開展了一系列旨在降低全氧含量，減少夾雜物和防止卷渣的研究，在生產中所采用的措施包括：* 采用擋渣出鋼，要求使鋼包渣層厚度7

14、0mm。* 鋼包渣改質：出鋼時向鋼包表面加入改質劑，降低渣的氧化性。* 控制RH中FO濃度和純脫氣時間。* 采用中間包純凈化技術。* 為了防止結晶器保護渣卷入，采用不易卷入的高粘度保護渣。* 在連鑄操作方面，保持適量的Ar氣吹入量和維持結晶器液面穩(wěn)定。圖2是近幾年寶鋼汽車板產品TO含量的變化趨勢，從2007年開始，大批量生產的汽車板成品氧含量低于25ppm，目前平均氧含量達到22ppm，保持穩(wěn)定。圖2 近幾年寶鋼汽車板成品氧含量走勢Fig.2 TO in automoblie sheet in recent years 3.1.4 氮的控制 鋼中氮對冷軋板的深沖性能影響極大，為使冷軋板保持良好

15、的加工性能，鋼中氮含量應盡可能降低；鋼中氮含量過高將導致時效硬化、硬度增大而延展性變差。一般來說，因為RH脫氮能力有限，特別在低氮范圍（氮在50ppm以下），脫氮反應幾乎中止。因此、降低轉爐吹煉終點氮含量和避免鋼液增氮是獲得低氮鋼水的主要措施。 （1）轉爐低氮冶煉工藝從控制入爐原料和優(yōu)化吹煉工藝兩方面入手，開發(fā)了轉爐低氮吹煉模式：其措施包括控制鐵水氮含量和入爐鐵水比，優(yōu)化轉爐造渣和吹煉制度等。在采用轉爐低氮吹煉模式后，停吹氮可控制在15ppm以下。 （2）防止鋼水增氮技術 不同出鋼方式對鋼水增氮影響很大，氧化狀態(tài)出鋼有利于減少增氮，如圖3所示：圖3 氧化出鋼與脫氧出鋼增氮量的比較Fig.3 C

16、omparison of nitrogen pick-up between partial deoxidation tapping and full deoxidation tapping由圖3可見，脫氧出鋼增氮量平均為16.8ppm，而氧化出鋼增氮量僅為5ppm.板坯連鑄中，最大的增氮一般發(fā)生在鋼包和中間包之間5。為此，寶鋼除采用中間包覆蓋劑覆蓋鋼水外，在鋼包和中間包之間采用長水口，并在鋼包水口和長水口連接處采用氬氣和纖維體密封。采用上述措施后可使?jié)茶T過程中的增氮量控制在1.5ppm以內。通過上述措施的應用，目前寶鋼可批量生產N20ppm的低氮鋼。目前寶鋼大批量生產IF鋼的成品氮含量達到15

17、.1ppm，CPK值達到1.41，保持穩(wěn)定。 3.1.5 IF鋼碳的控制IF鋼碳的控制包括RH脫碳技術和防止鋼水的增碳技術。RH脫碳技術主要包括兩點：RH脫碳前最佳成分控制，使之處于最佳范圍；加速RH脫碳技術。防止鋼水增碳技術：經(jīng)RH脫碳處理的超低碳鋼水，一旦脫氧后，就極易增碳。在不少場合增碳是導致鋼水成分出格，成品降級的主要原因。在導致鋼水增碳的諸多因素中，煉鋼輔材和耐材中的碳是重要原因。 圖4是寶鋼近幾年IF鋼碳含量變化情況，從2006年開始，大批量生產的IF鋼碳含量平均值低于15ppm，2009年以后，IF鋼碳含量平均值均在13ppm以下，目前IF鋼碳含量平均值為12.7ppm，其中極低

18、碳IF鋼平均碳含量達到8.8ppm，基本保持穩(wěn)定。圖4 近幾年IF鋼碳含量走勢Fig.4 Carbon of IF steel in recent years3.2 多元素綜合控制水平在純凈鋼生產單項技術研究的基礎上，以超低碳IF鋼和X系列管線鋼為對象鋼種進行聯(lián)動試驗，開發(fā)了批量生產純凈IF鋼、管線鋼生產技術和管理技術。目前批量生產試驗的管線鋼磷、硫、氧、氮、氫5個元素含量總和平均值達到85.5ppm。其中最低值達到71ppm；批量生產試驗的IF鋼碳、氧、氮3個元素含量總和平均值達到49.7ppm，其中最低值達到37ppm，達到了國際同類產品的先進水平。本段部分內容和數(shù)據(jù)是我們建議增加的。3.

19、3 殘余元素的控制水平鋼中的雜質元素一般是指S、P、N、H、O。鋼中微量元素（Pb、As、Sb、Bi、Cu、Sn等）也包括在雜質元素之列。煉鋼過程中上述微量元素難以去除，隨著廢鋼的不斷返回利用，這些微量元素在鋼中不斷富集，因而其有害作用日益突出。寶鋼通過廢鋼的管理和鐵水的合理使用，鋼中的殘余元素得到了有效控制，圖5是目前厚板鋼種殘余元素As、Sn、Sb含量水平。從圖中可以看出，目前厚板鋼種殘余元素As、Sn、Sb平均含量分別為19.2ppm、11.3ppm和11.6ppm。As和Sb的標準差在3ppm以內，控制穩(wěn)定；而Sn的標準差為8.4ppm，相對波動較大，這與目前家電和食品類廢鋼返回生產利

20、用逐漸增多有關。圖5 厚板鋼中As、Sn、Sb含量Fig.5 Content of As, Sn and Sb in heavy plate steel4 結論（1）寶鋼經(jīng)過多年對潔凈鋼生產技術的研究，掌握了煉鋼過程中雜質元素去除的最佳工序和經(jīng)濟有效的方法，目前已經(jīng)在大生產過程中廣泛應用潔凈鋼生產技術，為高端產品的開發(fā)和生產打下了堅實的基礎。（2）寶鋼在目前的裝備條件下，應用潔凈鋼生產技術，大批量生產的IF鋼達到的純凈度為：碳含量平均值8.8ppm，氮含量平均值15.1ppm，氧含量平均值22ppm；大批量生產的高級管線鋼達到的純凈度為：硫含量平均值7.9ppm，磷含量平均值63ppm，過程控制穩(wěn)定。（3）連續(xù)生產試驗的管線鋼磷、硫、氧、氮、氫5個元素含量總和平均值達到8