程剛嶺 楊斌

（河北永洋特鋼集團有限公司 057150）

摘  要：本文介紹了河北永洋特鋼公司在轉爐出鋼后利用鐵水進行合金化工藝分析和選擇。通過對轉爐出鋼成分、鐵水溫度和成分、以及磷在過程中變化規律分析結合理論計算,確定合理的鐵水加入量。試驗結果表明，該工藝可以明顯的降低合金消耗。以50Mn鋼為例，噸鋼節約高碳錳鐵0.205kg/t，硅鐵0.363kg/t，增碳劑3.24kg/t，實現了低成本煉鋼。

關鍵字：合金化；鐵水；合金消耗；低成本；

1  引言

在鋼鐵行業產能過剩的大環境下，市場供求矛盾依舊存在，供大于求的現狀迫使鋼鐵企業降本增效，努力打造低成本煉鋼模式^[1-2]。為降低生產成本，提高產品競爭力，在力求效益最大的同時，綜合考慮自身工藝水平及設備裝備條件下，不斷開發高效、低成本、精準控制的轉爐煉鋼生產工藝技術^[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相似，進行了利用鐵水對鋼水進行合金化工藝的試驗研究。這項新工藝的優點在于，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頂底復吹轉爐，兩座120tLF精煉爐，兩臺連鑄機，一臺六機六流，一臺八機八流。生產的鋼種有：合金結構鋼、彈簧鋼、貨叉扁鋼、軸承鋼、工業軌道專用鋼、優質碳素結構鋼為主導的特鋼企業，現有產品主要是高、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、高強度汽車用熱軋扁鋼以及輕軌、重軌、起重機鋼軌、礦用工字鋼、礦用U型鋼等。為了探索該工藝的規律性，我們選擇了優質碳素結構鋼做為試驗研究對象，本文主要結合50Mn鋼種的兌鐵水進行合金化工藝的試驗過程，探討該工藝的技術要點，為其他鋼種的推廣應用提供參考。

2  利用鐵水進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爐-LF精煉爐-連鑄的生產模式，當采用兌鐵水的合金化工藝，在鐵水兌入鋼包后，需要通過加強鋼水吹氬操作，促進鋼水成分均勻，保證提供優質鋼水到精煉工序。這樣在精煉處理過程中只需要進行微調，不占用過長的精煉時間，便可進行澆注^[4]。由于煉鋼生產組織的復雜性和鋼的質量要求的嚴格性，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比試驗，根據試驗結果對利用此工藝優缺點進行分析，確定其既滿足效益最大化，又能便于生產組織的工藝方式，對其工藝的分析歸納如表1所示。

表1 兩種兌鐵工藝方式對比

Table 1 Comparison of the two ironing process methods

通過對兩種工藝方法的優缺點的比較，并結合現場實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。至于兌鐵過程所產生的煙塵污染問題，通過在兌鐵點新增除塵系統加以解決。

3  利用鐵水進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

轉爐出鋼至LF精煉結束出站，由于合金含磷和過程回磷，其鋼液一般會增磷。因此確定增磷量是利用鐵水進行合金化工藝中的重要問題。其鋼水中的磷取決于：轉爐終點的含磷量、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。

由于轉爐終點鋼水的磷是可以檢測的，合金帶入的磷也是可以計算的，只有過程回磷量無法準確計算。因此，要想盡可能發揮兌入鐵水合金化的經濟性，必須要控制出鋼和精煉過程的回磷量。從熱力學角度可知，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因素。但在出鋼過程中由于脫氧合金化使得脫磷要素發生變化，從而導致磷從爐渣返回到鋼液中。

回磷的反應式如下：

由于（SiO₂）增加，使得堿度降低，從而導致鋼液中[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。轉爐出鋼溫度對回磷的影響，脫磷需要低溫下進行，隨著轉爐出鋼溫度的增加，脫磷的有利條件被破壞，反應式（3-4）反應正向進行，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。

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

在冶煉50Mn鋼時，為了達到所規定成分的要求，其目標成分如表2所示，合金元素成分如表3所示。

表2  50Mn 工藝參數

Table 2 50Mn process parameters

表3  合金原料成分（w/%）

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

根據公式（3-1）和（3-2）出鋼磷含量與兌入鐵水量的關系作圖，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中的規律可以清楚的看出磷含量和鐵水兌入量成線性關系，而且圖1所示數據為我們確定就50Mn鋼根據現場出鋼磷含量范圍以磷含量作為限制環節時確定允許鐵水兌入量范圍。根據表5中的數據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

    根據其生產條件，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，可以準確知道鋼水的化學成分，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，現以50Mn鋼的C含量為例進行分析。

表4是我公司高爐鐵水成分，在轉爐出鋼時進行測溫取樣其結果表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。其計算公式如下：

表4  鐵水成分

Table 4   Hot metal composition

表5  轉爐出鋼成分（w/%）

Table 5 Composition of converter tapping (w /%)

根據公式（3-6）作圖。如圖2規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%時兌入鐵水重量1.6t。可以從圖中數據看出實施兌鐵合金化過程中，在只考慮碳含量為限制條件時，利用鐵水進行合金化處理的最大兌入鐵水量14噸左右。根據表5中出鋼碳含量看出碳含量為限制條件時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系

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

4  50Mn鋼試驗分析

由于煉鋼生產的復雜性，根據不同鋼種和不同鐵水成分有不同的限制性條件。由于現場實際條件關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50Mn鋼種時，轉爐出鋼碳含量一般控制在0.10%左右，故只考慮碳限制環節兌入鐵水量1.6~14噸。本次僅針對正在實施的先出鋼再兌鐵水的工藝流程，對50Mn鋼種進行試驗分析，綜合考慮鋼水碳含量、磷含量、溫度為限制條件，目前采用定量兌入方法，確定出鋼后兌入鐵水重量為7噸，底吹氬氣強攪拌均勻鋼水成分，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%符合國標。從表8數據看兌入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鋼噸鋼節約高碳錳鐵0.205kg/t，硅鐵0.363kg/t，增碳劑3.24kg/t。

5  結論與展望

1)通過對轉爐出鋼后兌鐵合金化的生產試驗表明，利用鐵水進行合金化處理的工藝是可行的，其對于50Mn鋼種可節約合金硅錳合金0.162kg/t，高碳錳鐵1.472kg/t，硅鐵0.147kg/t，增碳劑0.24kg/t。

2)利用鐵水進行合金化處理工藝，鐵水不經過轉爐工序的吹煉，直接變成質量合格鋼水多達7噸，減少環境及污染物排放，降低了噸鋼成本，實現了低成本煉鋼的目標。

3)目前采用定量兌入的方法還有一定局限性，還沒有發揮該工藝的全部優勢。如果結合不同鋼種的生產標準，通過理論計算及試驗研究，尋找出各元素在該工藝中的變化規律，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，將會使操作工藝變得高效、經濟、可控。

參考文獻

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