SPA-H钢低氧出钢的生产技术实践

李 超 于海岐 刘 博 崔福祥 金百刚 苏小利

(鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司炼钢部)

耐候钢是广泛应用于生产生活中的钢品种之一，该钢种生产中需要加入镍、铬等元素，在其表面形成防侵蚀的保护层，以适应复杂的使用环境[1-7]。SPA-H钢属于耐大气腐蚀高耐候结构钢，主要用于制造集装箱，目前约占集装箱用钢的90%。由于需在恶劣条件下使用，要求耐腐蚀同时，还要求具有较高的机械性能[8]。国内外学者围绕SPA-H钢生产开展大量工作，如产品开发、冶炼工艺优化、轧制技术改进和防腐蚀机理研究等[9-17]，但未见针对该品种的转炉终点氧含量是如何合理控制的介绍。

2008年投资建设鞍钢股份鲅鱼圈分公司炼钢部(以下简称“鲅鱼圈炼钢”)，钢产品1 000余种，品种涵盖高级别管线、核电、桥梁、建筑和船舶等各行业关键钢铁产品。其中SPA-H钢是开发最早的产品之一，按照以往统计，鲅鱼圈炼钢SPA-H钢月平均产量8万t左右，是部门产量占比较大的重点钢种之一。多年来，鲅鱼圈炼钢在SPA-H钢生产中的熔剂替代技术保磷、渣洗脱硫技术方面开展了一系列研究工作，达到了较好的保磷脱硫效果[18-19]。最近，研究人员针对钢种成分、路径等工艺条件，结合低氧控制相关理论，确定了低氧控制的合理范围，通过针对性的工艺改善取得了较好的实践效果。

1 基本情况

SPA-H钢中Ni、Cu等元素含量与文章讨论的低氧控制问题无关，其余主要成分标准为：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钢设计工艺路径分两种：路线1：倒罐折铁→铁水预处理(根据铁水硫含量决定)→转炉→ANS-OB→1 450连铸机；路线2：倒罐折铁→转炉→LF→1 450连铸机。生产中具体排产路径根据现场钢种、精炼位情况等现场条件进行生产组织，无特殊要求。

2 低氧的必要性

SPA-H钢要求磷含量适当高、硫含量较低、一定碳含量与锰含量，因此，此部分主要理论分析了氧化性与这几种成分含量的关系，同时论述了相较其他钢种低氧化出钢，SPA-H钢低氧化性出钢更多优越性。

2.1 碳、磷、硫及锰理论分析

[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)

反应(1)～(4)分别为硫、磷、锰及碳在转炉内的主要反应，根据热力学基本原理，化学反应更容易向反应物减少一侧进行，(1)～(3)中FeO及(4)中[O]表示4个反应的氧化性，可见低氧化性条件下，分别有利于反应(1)向右侧进行，而反应(2)、(3)和(4)向左侧进行，通过降低氧化性可以获得SPA-H钢冶炼的脱硫、保磷、高残锰及留高碳的较好热力学条件[20-22]。

2.2 优越性分析

在生产低碳超低碳时，由反应(4)可知，低氧可能会导致碳超标；在生产一些低磷超低磷钢种时，由反应(2)可知，低氧化性可能会导致磷超标；对于某些低锰钢种，由反应(3)可知，低氧可能会导致锰含量不合格，具体可能引起的问题为：碳含量要求<0.05%的低碳钢不适宜低氧出钢；锰含量要求<0.05%的低锰类钢不适宜低氧出钢；磷含量要求<0.010%低磷、超低磷钢，低氧化性出钢有磷超标风险。

基于SPA-H钢成分特点，从理论分析可知，该钢种低氧控制有更多优越性：低氧后可留适当碳到成分要求范围，节省增碳剂成本；低氧残锰含量高，降低锰合金的使用成本；氧含量控制恰当，较好保磷，可节约部分配加磷铁的合金消耗；低氧后利于脱硫，较好控制硫含量，实现铁水预处理不脱硫或少脱硫目的，降低预处理工序成本。另外，低氧化性控制是钢种洁净化的基础，低氧化性出钢不仅有利于降低夹杂物数量，提高钢产品内部质量，而且可以减少转炉炉衬耐材侵蚀，降低炉衬维护成本和能源成本[22]。

3 低氧控制范围及实践

根据SPA-H钢成分标准可知，氧含量不允许无限制的降低，硫含量无下限要求，鲅鱼圈铁水锰含量均<0.20%，所以低氧控制不需要考虑硫与锰超标准问题。碳含量、磷含量要求一定范围，因此需针对碳与磷要求确定SPA-H钢氧含量的合理理论控制区间。

3.1 低氧范围确定

3.1.1 基于碳含量要求的氧含量合理范围确定

目前鲅鱼圈炼钢260 t转炉全品种终点平均氧含量为450×10-6，SPA-H钢的平均出钢温度1 680 ℃，平均碳氧积0.002 0左右。基于该钢种碳含量要求范围为0.06%～0.11%，根据碳氧积换算关系，得碳氧积为0.001 5～0.002 5所对应氧含量，最小氧含量136×10-6，最大氧含量417×10-6，具体如图1所示。在鲅鱼圈炼钢碳氧积0.002 0的生产条件下，理想氧含量范围应为(182～333)×10-6。

图1 SPA-H钢基于碳合格条件下可选取氧含量

3.1.2 基于磷含量要求的氧含量合理范围确定

由260 t转炉生产数据统计可知，当氧含量在(130～500)×10-6范围内时，随着氧含量氧含量增加，磷含量减少，如图2所示。磷含量标准范围为0.065%～0.125%，则对应氧含量控制范围为(188～427)×10-6，但考虑到氧含量高于405×10-6可能需要补磷，低于198×10-6可能造成磷含量超标准，因此氧含量控制范围划定为(198～405)×10-6。结合“3.1.1”分析得到合格碳含量对应范围为(136～417)×10-6，可以确定：最佳低氧控制范围为(198～405)×10-6，对于出钢平均温度1 680 ℃、碳氧积0.002 0的生产条件下，理想氧含量范围应为(198～333)×10-6。

图2 不同氧含量的磷含量

3.2 低氧控制措施

转炉冶炼钢氧化性的影响因素主要是底吹效果、造渣及温度等，国内其他企业在复吹、冶炼制度优化上取得了很好效果，鲅鱼圈炼钢通过分析本厂情况，并结合其他企业技术经验[23-24]，在造渣及温度制度、终点控制、辅助手段等方面开展低氧控制技术改进。

3.2.1 底吹效果保证

保证转炉底吹效果是一项长期的、系统的复杂工作，针对该厂260 t转炉进行优化，一方面，日常生产中保证转炉终渣中MgO约9%、FeO小于20%，碱度控制在3.5左右，既能较好护炉，又能保持底枪的良好可视性。另一方面，当底吹可视性不理想时，排产低碳钢，沸腾钢，适当提高出钢温度；当底吹可视性好时，减少补吹、高温过氧化出钢，出钢温度按下限控制出钢。另外，实行针对性的溅渣护炉操作措施，转炉开炉后第三炉进行溅渣操作，并保证炉渣完全溅干，日常溅渣过程中底吹N2流量设定为最大，保持到炉渣倒完为止。炉役中前期，当转炉BL值小于190 cm时，溅渣枪位在标准溅渣枪位的基础上提高5 cm，在溅渣时加入终渣改质剂，适当增厚炉底元件附近护炉熔渣厚度，防止底吹元件裸漏；当转炉BL值大于210 cm时，溅渣枪位在标准溅渣枪位的基础上降低5 cm。在炉役后期，根据转炉底枪的可视情况，对溅渣枪位进行动态微调，确保转炉炉底在动态零侵蚀的有效复吹，底吹可视性不好时，出钢温度高于1 700 ℃情况下，溅渣结束后炉子在零位停1 min。

3.2.2 冶炼制度改进

根据SPA-H钢特殊的成分要求，冶炼操作主要任务为脱硫保磷，要实现低氧控制，造渣及供氧制度应在不出现明显“返干”前提下，全程低枪位大供氧强度，熔渣低氧化铁，熔渣化透，熔池快速脱碳升温，平稳到达终点。

造渣料投入原则：在不出现低温喷溅的情况下，尽早结束投料。基于SPA-H钢相比一般常冶炼品种的总造渣量偏少情况，炉内熔渣形成的泡沫渣喷溅容易被控制，中后期不预留渣料压渣。低硅铁水条件下喷溅容易控制的炉次，采用“一批料”造渣模式；高硅铁水条件下(Si含量>0.5%)喷溅不容易控制的炉次，采用首次加入总量90%，留少量造渣料的模式。供氧制度改进原则：氧枪供氧强度3.60 m3/(min·t)，平均供氧量53 700 m3/h以上，工作压力1.0 MPa以上，平均枪位降低100 mm，降低开吹枪位，脱碳期不进行高枪位运行，降低拉碳枪位，副枪过程测试提枪，测试结束直接进入拉碳阶段，拉碳时间保持在2 min以上。具体枪位及造渣制度见图3。

图3 造渣方案与枪位运行控制

终点控制原则：为防止高枪位带来终点氧化铁含量提高，要保证低枪位拉碳持续足够长时间，确保终点前熔渣状态及钢水成分稳定；为避免高温提高钢水氧含量，转炉终点温度按照下限温度1 680 ℃控制；根据钢种碳含量要求，终点碳按照0.06%～0.11%目标控制，出于保磷目的，SPA-H钢造渣料相比普通钢种要少，因此依托过程测试碳温结果判断温度及碳含量时，需要注意两个关键点，熔池升温较普通钢种快2 ℃/s左右，碳消耗速度较普通钢种更快，达到目标碳范围一般提前10～20 s。

3.2.3 辅助手段

通过自主开发的260 t转炉实时碳—氧修正模型，辅助判断终点提枪时机。该模型能够对脱碳速率与温度进行预测，并根据数据库中有效参考炉次的碳氧积、升温速率、脱碳速率、氧枪枪型等关键参数模型参数，实现自动修正功能，对辅助操作者判断冶炼终点有较大参考价值。另外，转炉质谱仪的烟气检测系统可以实时取得的CO与CO2含量，帮助提高操作者对终点判断准确性。

4 实践效果

260 t转炉冶炼SPA-H钢的低氧技术改进前氧含量控制范围(164～912)×10-6，平均氧含量504×10-6，改进后氧含量控制范围为(201～345)×10-6，平均氧含量302×10-6，终点氧含量范围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围(198～333)×10-6，整体控制水平有明显改善。

改进后硫含量为0.010%～0.018%，转炉一次合格率100%；磷含量为0.046%～0.105%，转炉一次合格率达到82%，18%炉次低于成品含量下限，少量补磷铁即可；残锰含量为0.09%～0.19%，较改进前平均增加0.025%；碳含量为0.035%～0.101%，转炉一次合格率达到84%，16%炉次低于成品含量下限，补加增碳剂即可。

5 结论

(1)通过转炉硫、磷、锰及碳的热力学分析，降低氧化性可实现SPA-H钢冶炼的脱硫、保磷、高残锰及留碳目的，低氧控制后可节省碳、磷、锰的合金化成本，降低脱硫预处理工序成本，提高钢的内部质量，降低转炉炉衬维护与能源成本。

(2)基于碳含量要求的氧含量合理范围(136～417)×10-6，在目标温度控制与0.002 0的碳氧积条件下，理想氧含量范围应为(188～333)×10-6。基于磷含量要求的氧含量合理范围为(198～405)×10-6，结合合格碳含量对应的区间，SPA-H钢最终选取理想氧含量范围应为(198～333)×10-6。

(3)为实现低氧控制，保证底吹效果，保证转炉终渣合适炉渣成分，合理排产，实行针对性的溅渣护炉措施；采用“一批料”模式或留少量料模式，改进氧枪工作参数，降低平均枪位，优化枪位控制，终点保证低枪位拉碳时间，终点温度按下限温度1 680 ℃控制，碳按0.06%～0.11%控制，但需要注意熔池升温脱碳速度快问题；另外，采用时时碳—氧修正模型、转炉质谱仪辅助提高终点判断准确性。

(4)改进后氧含量控制范围为(201～345)×10-6，平均氧含量302×10-6，平均终点氧降低，氧含量80%控制在选定的(198～333)×10-6范围，磷、硫、碳及锰含量控制水平均有不同程度提升。