程剛嶺 楊斌

（河北永洋特鋼集團(tuán)有限公司 057150）

摘  要：本文介紹了河北永洋特鋼公司在轉(zhuǎn)爐出鋼后利用鐵水進(jìn)行合金化工藝分析和選擇。通過對(duì)轉(zhuǎn)爐出鋼成分、鐵水溫度和成分、以及磷在過程中變化規(guī)律分析結(jié)合理論計(jì)算,確定合理的鐵水加入量。試驗(yàn)結(jié)果表明，該工藝可以明顯的降低合金消耗。以50Mn鋼為例，噸鋼節(jié)約高碳錳鐵0.205kg/t，硅鐵0.363kg/t，增碳劑3.24kg/t，實(shí)現(xiàn)了低成本煉鋼。

關(guān)鍵字：合金化；鐵水；合金消耗；低成本；

1  引言

在鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能過剩的大環(huán)境下，市場(chǎng)供求矛盾依舊存在，供大于求的現(xiàn)狀迫使鋼鐵企業(yè)降本增效，努力打造低成本煉鋼模式^[1-2]。為降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，在力求效益最大的同時(shí)，綜合考慮自身工藝水平及設(shè)備裝備條件下，不斷開發(fā)高效、低成本、精準(zhǔn)控制的轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)^[3]。河北永洋特鋼煉鋼廠利用鐵水中的合金元素與鋼水中的合金元素狀態(tài)相似，進(jìn)行了利用鐵水對(duì)鋼水進(jìn)行合金化工藝的試驗(yàn)研究。這項(xiàng)新工藝的優(yōu)點(diǎn)在于，一方面使鐵水中含有的C、Si、Mn、Cr等合金元素能夠代替部分增碳劑、錳鐵合金、鉻鐵合金、硅鐵合金，降低其合金消耗，從而節(jié)約了合金成本；另一方面由于鐵水可以直接變成了鋼水，也即增加了出鋼量，使得石灰、白云石等造渣料的消耗降低，這樣不僅節(jié)約能源，而且降低了煉鋼成本。

永洋特鋼目前有一座1260m³高爐，一座120t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，兩座120tLF精煉爐，兩臺(tái)連鑄機(jī)，一臺(tái)六機(jī)六流，一臺(tái)八機(jī)八流。生產(chǎn)的鋼種有：合金結(jié)構(gòu)鋼、彈簧鋼、貨叉扁鋼、軸承鋼、工業(yè)軌道專用鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼為主導(dǎo)的特鋼企業(yè)，現(xiàn)有產(chǎn)品主要是高、中壓鍋爐管、石油套管用管坯，汽車板簧用彈簧扁鋼、貨叉用扁鋼、高強(qiáng)度汽車用熱軋扁鋼以及輕軌、重軌、起重機(jī)鋼軌、礦用工字鋼、礦用U型鋼等。為了探索該工藝的規(guī)律性，我們選擇了優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼做為試驗(yàn)研究對(duì)象，本文主要結(jié)合50Mn鋼種的兌鐵水進(jìn)行合金化工藝的試驗(yàn)過程，探討該工藝的技術(shù)要點(diǎn)，為其他鋼種的推廣應(yīng)用提供參考。

2  利用鐵水進(jìn)行鋼水合金化工藝流程選擇

目前我公司煉鋼廠的冶煉流程主要是采用轉(zhuǎn)爐-LF精煉爐-連鑄的生產(chǎn)模式，當(dāng)采用兌鐵水的合金化工藝，在鐵水兌入鋼包后，需要通過加強(qiáng)鋼水吹氬操作，促進(jìn)鋼水成分均勻，保證提供優(yōu)質(zhì)鋼水到精煉工序。這樣在精煉處理過程中只需要進(jìn)行微調(diào)，不占用過長(zhǎng)的精煉時(shí)間，便可進(jìn)行澆注^[4]。由于煉鋼生產(chǎn)組織的復(fù)雜性和鋼的質(zhì)量要求的嚴(yán)格性，需要選擇合理的工藝方式，即是采用先向鋼包兌鐵水再出鋼工藝方式，還是先出鋼再向鋼包兌鐵水的工藝方式。因此我煉鋼廠組織了兩種工藝方式的對(duì)比試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)利用此工藝優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，確定其既滿足效益最大化，又能便于生產(chǎn)組織的工藝方式，對(duì)其工藝的分析歸納如表1所示。

表1 兩種兌鐵工藝方式對(duì)比

Table 1 Comparison of the two ironing process methods

通過對(duì)兩種工藝方法的優(yōu)缺點(diǎn)的比較，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件等多方面因素的綜合考慮，我們選擇了第二種工藝方法。至于兌鐵過程所產(chǎn)生的煙塵污染問題，通過在兌鐵點(diǎn)新增除塵系統(tǒng)加以解決。

3  利用鐵水進(jìn)行鋼水合金化工藝的成分控制

3.1  利用鐵水合金化工藝中磷元素的影響

轉(zhuǎn)爐出鋼至LF精煉結(jié)束出站，由于合金含磷和過程回磷，其鋼液一般會(huì)增磷。因此確定增磷量是利用鐵水進(jìn)行合金化工藝中的重要問題。其鋼水中的磷取決于：轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的含磷量、出鋼及精煉過程回磷量和合金帶入的磷增量，因而允許兌入磷含量如公式（3-1）、（3-2）、（3-3）所示。

由于轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水的磷是可以檢測(cè)的，合金帶入的磷也是可以計(jì)算的，只有過程回磷量無法準(zhǔn)確計(jì)算。因此，要想盡可能發(fā)揮兌入鐵水合金化的經(jīng)濟(jì)性，必須要控制出鋼和精煉過程的回磷量。從熱力學(xué)角度可知，影響脫磷的主要因素是：溫度、爐渣堿度、爐渣氧化性及渣量四個(gè)因素。但在出鋼過程中由于脫氧合金化使得脫磷要素發(fā)生變化，從而導(dǎo)致磷從爐渣返回到鋼液中。

回磷的反應(yīng)式如下：

由于（SiO₂）增加，使得堿度降低，從而導(dǎo)致鋼液中[P]增加，因此要盡可能在出鋼過程中減少下渣量，從而減少回磷量。轉(zhuǎn)爐出鋼溫度對(duì)回磷的影響，脫磷需要低溫下進(jìn)行，隨著轉(zhuǎn)爐出鋼溫度的增加，脫磷的有利條件被破壞，反應(yīng)式（3-4）反應(yīng)正向進(jìn)行，鋼中平衡磷含量值增大，鋼液總回磷量增加。爐渣堿度越低、爐渣氧化性越小，出鋼溫度對(duì)回磷的影響越大。合理控制出鋼溫度有利于抑制鋼液回磷。

當(dāng)過程回磷能穩(wěn)定控制在一定的范圍時(shí)，則可由（3-1）計(jì)算出允許鋼水合理的增磷量；為保證兌入鐵水量準(zhǔn)確性，在計(jì)算允許兌入鐵水量時(shí)，要兼顧鐵水磷含量和吹煉終點(diǎn)鋼水的磷含量和成品目標(biāo)磷含量之間的關(guān)系，再根據(jù)（3-2）和（3-3）公式算出鐵水的兌入量。

在冶煉50Mn鋼時(shí)，為了達(dá)到所規(guī)定成分的要求，其目標(biāo)成分如表2所示，合金元素成分如表3所示。

表2  50Mn 工藝參數(shù)

Table 2 50Mn process parameters

表3  合金原料成分（w/%）

Table 3 Composition of alloy raw materials (w /%)

根據(jù)公式（3-1）和（3-2）出鋼磷含量與兌入鐵水量的關(guān)系作圖，隨著出鋼磷含量的不斷增加，允許兌入鐵水含量不斷減少。由圖1中的規(guī)律可以清楚的看出磷含量和鐵水兌入量成線性關(guān)系，而且圖1所示數(shù)據(jù)為我們確定就50Mn鋼根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)出鋼磷含量范圍以磷含量作為限制環(huán)節(jié)時(shí)確定允許鐵水兌入量范圍。根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)可以確定兌入鐵水重量范圍7.7~10.2t。

圖1  鋼水磷含量與兌入鐵水的關(guān)系

Figure 1 Relationship between molten steel phosphorus content and molten iron

3.2  利用鐵水合金化工藝中碳、硅、錳等元素的影響

    根據(jù)其生產(chǎn)條件，確定采用出鋼后兌鐵水的工藝方式，這樣在出完鋼后，通過取樣化驗(yàn)，可以準(zhǔn)確知道鋼水的化學(xué)成分，因此為確定合理的鐵水加入量提供了有利條件。由于C、Si、Mn的控制原則相似，現(xiàn)以50Mn鋼的C含量為例進(jìn)行分析。

表4是我公司高爐鐵水成分，在轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)進(jìn)行測(cè)溫取樣其結(jié)果表5所示，在兌鐵合金化過程中碳含量是兌入鐵水多少的主要限制條件之一。其計(jì)算公式如下：

表4  鐵水成分

Table 4   Hot metal composition

表5  轉(zhuǎn)爐出鋼成分（w/%）

Table 5 Composition of converter tapping (w /%)

根據(jù)公式（3-6）作圖。如圖2規(guī)律所示隨著出鋼的碳含量的不斷增加兌入鐵水的重量不斷減少。如果出鋼碳含量為0.5%時(shí)兌入鐵水重量1.6t。可以從圖中數(shù)據(jù)看出實(shí)施兌鐵合金化過程中，在只考慮碳含量為限制條件時(shí)，利用鐵水進(jìn)行合金化處理的最大兌入鐵水量14噸左右。根據(jù)表5中出鋼碳含量看出碳含量為限制條件時(shí)允許兌入鐵水含量范圍1.6~14t。

圖2 鋼水碳含量與兌入鐵水量關(guān)系

Figure 2 Relationship between carbon content in molten steel and molten iron

4  50Mn鋼試驗(yàn)分析

由于煉鋼生產(chǎn)的復(fù)雜性，根據(jù)不同鋼種和不同鐵水成分有不同的限制性條件。由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件關(guān)系和出鋼水平的限制。由表5出鋼磷含量可以看出只考慮磷為限制條件兌入鐵水量7~12噸鐵水量。我公司煉鋼廠生產(chǎn)50Mn鋼種時(shí)，轉(zhuǎn)爐出鋼碳含量一般控制在0.10%左右，故只考慮碳限制環(huán)節(jié)兌入鐵水量1.6~14噸。本次僅針對(duì)正在實(shí)施的先出鋼再兌鐵水的工藝流程，對(duì)50Mn鋼種進(jìn)行試驗(yàn)分析，綜合考慮鋼水碳含量、磷含量、溫度為限制條件，目前采用定量?jī)度敕椒ǎ_定出鋼后兌入鐵水重量為7噸，底吹氬氣強(qiáng)攪拌均勻鋼水成分，再加入合金元素。表6是兌鐵合金化的成分情況。表7是兌鐵7t后溫度與液相線溫度的情況。

表6      兌鐵7t后成分

Table 7Composition after 7t ironing

表7 兌鐵7t后溫度與液相線溫度

Table 8 Temperature and liquidus temperature after ironing 7t

從表7中可以看出來，兌入鐵水合金化后的鋼水C≤0.5%、P≤0.035%符合國(guó)標(biāo)。從表8數(shù)據(jù)看兌入7噸鐵水是滿足溫度限制條件的。鋼包兌鐵合金化造成磷含量平均增加0.007%，碳含量平均增加0.236%，硅含量增加0.021%，錳含量平均增加0.014%，硫含量平均增加0.003%。50Mn鋼噸鋼節(jié)約高碳錳鐵0.205kg/t，硅鐵0.363kg/t，增碳劑3.24kg/t。

5  結(jié)論與展望

1)通過對(duì)轉(zhuǎn)爐出鋼后兌鐵合金化的生產(chǎn)試驗(yàn)表明，利用鐵水進(jìn)行合金化處理的工藝是可行的，其對(duì)于50Mn鋼種可節(jié)約合金硅錳合金0.162kg/t，高碳錳鐵1.472kg/t，硅鐵0.147kg/t，增碳劑0.24kg/t。

2)利用鐵水進(jìn)行合金化處理工藝，鐵水不經(jīng)過轉(zhuǎn)爐工序的吹煉，直接變成質(zhì)量合格鋼水多達(dá)7噸，減少環(huán)境及污染物排放，降低了噸鋼成本，實(shí)現(xiàn)了低成本煉鋼的目標(biāo)。

3)目前采用定量?jī)度氲姆椒ㄟ€有一定局限性，還沒有發(fā)揮該工藝的全部?jī)?yōu)勢(shì)。如果結(jié)合不同鋼種的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，通過理論計(jì)算及試驗(yàn)研究，尋找出各元素在該工藝中的變化規(guī)律，并與一系列限制條件擬合一起，然后建立鋼水利用鐵水合金化的工藝控制智能模型，將會(huì)使操作工藝變得高效、經(jīng)濟(jì)、可控。

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