宝钢炼钢纯净钢生产技术进展

1、宝钢炼钢纯净钢生产技术进展郑贻裕 蒋晓放（宝山钢铁股份有限公司炼钢厂，上海，200941）摘要：本文简要介绍了宝钢炼钢厂主要装备，重点介绍了炼钢厂生产纯净钢在磷、硫、氧、氮、碳等元素的控制水平和采取的措施，以及目前厚板钢种残余元素的控制水平。关键词：洁净钢，炼钢，残余元素此文是本刊特约的文章Progress of Production Technology for Clean Steel at BaosteelZheng Yiyu Jiang Xiaofang(Steelmaking Plant, Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai, 20

2、0941)ABSTRACT The 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 to

3、o.KEYWORDS clean steel, steelmaking, residual elements文中红色字体是审稿时建议作者补充的（红色字体的分节和小节标题除外）1 前言所谓纯净钢一般指钢中杂质元素磷、硫、氧、氮、氢（有时包括碳）和非金属夹杂物含量很低的钢。而所谓杂质又是随钢种而变的，某一元素在某钢种内是有害杂质，在另一种钢内其有害程度可能轻些甚至是有益的。也就是说，对于钢性能要求的不同，纯净度所要求的控制因素也不同。如对于IF钢，为获得成品钢材的高延展性、高r值以及优良的表面性能，要求钢中碳、氮、氧含量尽可能低；为生产高强度、高韧性、优良的低温性能、更高的抗氢断裂能力的高质量管线

4、钢，则要求钢中低硫、低磷、尽可能低的氮、氧、氢和一定的Ca/S比。宝钢从九十年代中期就着手研究开发洁净钢生产技术以及超纯净钢冶炼技术1、2，主要工作集中在两方面。第一方面集中在纯净钢相关单项技术开发上，通过研究找寻控制钢中磷、硫、氧、氮、碳、氢和非金属夹杂物含量的主要环节和影响因素。第二方面，主要针对纯净度要求很高的钢种（IF钢、管线钢等），开展提高纯净度的研究，开发批量生产纯净钢的生产技术和管理技术。2004年IF钢纯净度达到C16ppm、N15ppm、TO19ppm；管线钢纯净度可达到S5ppm、P35ppm、TO16ppm、N29ppm、H1.0ppm；达到了国际同类产品的先进水平3。本

5、文拟介绍目前宝钢在大生产条件下重点钢种的纯净度水平。2 炼钢厂主要装备能力2.1 一炼钢装备能力宝钢一炼钢于1985年9月投产，设计年产量648.5万吨，目前产能可以达到850万吨。在后来的生产过程中，根据市场需要和产品开发的需要，还逐步新增和改造了一些工艺设备装置，它是宝钢目前产量最高、品种最多的炼钢生产线。主要品种有汽车板用钢、管线钢、船板钢、塑模钢、耐候钢、钢帘线钢和高压锅炉管钢等。主要装备见表1。表1 一炼钢主要装备Table 1 Main equipments of No.1 steelmaking plant项目内容铁水预处理型式混铁车和铁水包脱硫年处理比例, %100转炉型式LD

6、-BB吨位×座数300t×3（3吹2）底吹气体Ar、N2底吹风口多孔塞底吹强度, Nm3/(t.min)0.0220.25烟气处理系统OG挡渣装置挡渣镖、滑板挡渣精炼型式×台数RH×3，CAS×2，KIP×1，LF×2连铸台数×流数3×2机型垂直弯曲结晶器长度, mm900铸坯尺寸（厚×宽×长）, mm230/250×(9001930)×(800012000)220/250/300×(12002300)×(680011800)二冷方式气雾冷却2.

7、2 二炼钢装备能力 二炼钢于1998年4月投产，属于宝钢三期建设项目，设计年产量288万吨。2006年通过挖潜改造，新增1座转炉、1台RH、1座LF炉和1台连铸机，目前产能已达到680万吨。主要品种有电工钢、镀锡板、汽车用钢、高强度钢等。主要装备见表2。表2 二炼钢主要装备Table 2 Main equipments of No.2 steelmaking plant项目内容铁水预处理型式混铁车脱硫、脱磷，铁水包脱硫年处理比例, %De-S：100；De-P：35转炉型式LD-BB吨位×座数300t×3（3吹2）底吹气体Ar、N2底吹风口多孔塞底吹强度,Nm3/(t.mi

8、n)0.010.22烟气处理系统LT挡渣装置滑板挡渣精炼型式×台数RH×2，IR-UT×1，LF×1连铸台数×流数3×2机型垂直弯曲结晶器长度, mm900铸坯尺寸（厚×宽×长）, mm230×(9001450)×(800011000)230×(9001750)×(900011000)二冷方式气雾冷却3 宝钢纯净钢生产技术现状3.1 单元素控制水平 3.1.1 硫的控制铁水脱硫是一种较经济、有效的脱硫方法，在工业生产中得到广泛的采用。目前，由于废钢质量波动大，废钢中的硫含量不

9、稳定，往往造成转炉冶炼过程中回硫严重，因此，对铁水脱硫处理，减少入炉铁水硫含量是对钢种硫含量控制的关键。宝钢铁水脱硫方法有混铁车脱硫法和铁水包喷吹脱硫法，经过多年的实践，两种脱硫方法均可使最低硫含量达到0.001%，为批量生产低硫钢创造了条件。为了提高铁水脱硫效率，装备了混铁车前、后扒渣工位，减少了铁水包内的渣量，抑制了回硫现象的发生。目前转炉产线使用的铁水脱硫比例从1985年12.5提高到100，处理后铁水硫含量平均值也从1985年的0.023下降到2010年0.004。转炉的脱硫能力是有限的。特别在铁水原始硫含量很低的情况下，由于入炉的石灰、废钢等原料带有较高的硫含量，往往出现转炉过程回硫

10、现象。因此，要稳定生产硫含量小于0.003%的钢时，除了控制铁水硫含量之外，还需要对钢水进行脱硫处理。宝钢目前采用的钢水深脱硫工艺主要有两种，其基本特点如下：RH脱硫方式（方式A）：开发高效CaO-CaF2系脱硫剂，通过RH合金溜槽将脱硫剂加入真空室；脱硫处理的炉次需控制转炉下渣量，并对钢包顶渣进行改质处理，使其具有高碱度和低FeO含量。LF炉深脱硫方式（方式B）：开发钙铝系合成渣剂，优化渣脱氧制度，优化钢包底吹氩模式。对于深脱硫钢，为强化渣钢界面的脱硫反应，采用强搅拌方式。两种不同炉外脱硫方式大生产情况下的深脱硫效果如表3所示：表3 不同钢水脱硫方式下的深脱硫效果Table 3 Result

11、s of desulfurization in steel for different patterns方式初始S，ppm处理后S，ppm脱硫率，统计炉数，炉A21.411.844.7186B49.27.983.9160由表3可见，RH处理过程脱硫（方式A），其脱硫率平均44.7%，其具有占用工位时间少，增氮量小的优点。LF炉深脱硫工艺（方式B）具有很高的脱硫效率，平均脱硫率达到83.9%，在初始硫含量并不很低的前提下，脱硫后可使钢水硫含量稳定达到10ppm以下，平均为7.9ppm，为超低硫钢的生产提供了有力保证。 3.1.2 磷的控制钢中磷含量过高，在凝固时会产生严重的偏析而导致产品脆裂。对

12、于高级管线钢，特别是抗HIC（氢致裂纹）管线钢需要将磷降至0.010%以下，而对于在极寒冷地区使用的管线钢，为防止冷脆，甚至需将钢中磷含量控制在0.005%以下。宝钢为不同钢种的需要相继开发了5种不同脱磷工艺，特别是宝钢BRP技术的开发为极低磷钢种的生产创造了条件4。l 铁水三脱转炉小渣量（渣量指数为0.3）冶炼工艺（方式A）l 铁水脱硫转炉大渣量（渣量指数为1.0）冶炼工艺（方式B）l 铁水三脱转炉大渣量（渣量指数为1.0）冶炼工艺（方式C）l 转炉预处理脱磷脱碳转炉中渣量（渣量指数为0.6）冶炼工艺（方式D）l 转炉预处理脱磷脱碳转炉大渣量（渣量指数为1.0）冶炼工艺（方式E）上述5种不同

13、工艺脱磷效果如图1所示：图1 不同工艺转炉终点磷平均含量比较Fig.1 Comparison of average P at end point of BOF for different patterns 由图1可见，采用三脱铁水少渣量工艺的转炉终点平均磷含量为0.012%；采用通常脱硫铁水的大渣量工艺的转炉终点平均磷含量为0.010%；采用三脱铁水大渣量工艺的转炉终点平均磷含量为0.0066%；采用转炉脱磷预处理铁水+脱碳炉中渣量工艺转炉终点平均磷含量达到0.0058%；采用转炉脱磷预处理铁水+脱碳炉大渣量工艺转炉终点平均磷含量达到0.0035%，由此可见，方式C、方式D和方式E均为生产极低

14、磷钢的有效工艺。采用方式E生产的高级管线钢成品磷含量为0.0063%，CPK值达到1.33，过程控制稳定。 3.1.3 氧的控制在钢中氧含量过高，则角状夹杂物及宏观夹杂物增多，易于发生脆性断裂，而且非金属夹杂物含量过多也影响钢的表面质量。宝钢主要针对IF钢，开展了一系列旨在降低全氧含量，减少夹杂物和防止卷渣的研究，在生产中所采用的措施包括：* 采用挡渣出钢，要求使钢包渣层厚度70mm。* 钢包渣改质：出钢时向钢包表面加入改质剂，降低渣的氧化性。* 控制RH中FO浓度和纯脱气时间。* 采用中间包纯净化技术。* 为了防止结晶器保护渣卷入，采用不易卷入的高粘度保护渣。* 在连铸操作方面，保持适量的A

15、r气吹入量和维持结晶器液面稳定。图2是近几年宝钢汽车板产品TO含量的变化趋势，从2007年开始，大批量生产的汽车板成品氧含量低于25ppm，目前平均氧含量达到22ppm，保持稳定。图2 近几年宝钢汽车板成品氧含量走势Fig.2 TO in automoblie sheet in recent years 3.1.4 氮的控制 钢中氮对冷轧板的深冲性能影响极大，为使冷轧板保持良好的加工性能，钢中氮含量应尽可能降低；钢中氮含量过高将导致时效硬化、硬度增大而延展性变差。一般来说，因为RH脱氮能力有限，特别在低氮范围（氮在50ppm以下），脱氮反应几乎中止。因此、降低转炉吹炼终点氮含量和避免钢液增氮是

16、获得低氮钢水的主要措施。 （1）转炉低氮冶炼工艺从控制入炉原料和优化吹炼工艺两方面入手，开发了转炉低氮吹炼模式：其措施包括控制铁水氮含量和入炉铁水比，优化转炉造渣和吹炼制度等。在采用转炉低氮吹炼模式后，停吹氮可控制在15ppm以下。 （2）防止钢水增氮技术 不同出钢方式对钢水增氮影响很大，氧化状态出钢有利于减少增氮，如图3所示：图3 氧化出钢与脱氧出钢增氮量的比较Fig.3 Comparison of nitrogen pick-up between partial deoxidation tapping and full deoxidation tapping由图3可见，脱氧出钢增氮量平均为

17、16.8ppm，而氧化出钢增氮量仅为5ppm.板坯连铸中，最大的增氮一般发生在钢包和中间包之间5。为此，宝钢除采用中间包覆盖剂覆盖钢水外，在钢包和中间包之间采用长水口，并在钢包水口和长水口连接处采用氩气和纤维体密封。采用上述措施后可使浇铸过程中的增氮量控制在1.5ppm以内。通过上述措施的应用，目前宝钢可批量生产N20ppm的低氮钢。目前宝钢大批量生产IF钢的成品氮含量达到15.1ppm，CPK值达到1.41，保持稳定。 3.1.5 IF钢碳的控制IF钢碳的控制包括RH脱碳技术和防止钢水的增碳技术。RH脱碳技术主要包括两点：RH脱碳前最佳成分控制，使之处于最佳范围；加速RH脱碳技术。防止钢水增

18、碳技术：经RH脱碳处理的超低碳钢水，一旦脱氧后，就极易增碳。在不少场合增碳是导致钢水成分出格，成品降级的主要原因。在导致钢水增碳的诸多因素中，炼钢辅材和耐材中的碳是重要原因。 图4是宝钢近几年IF钢碳含量变化情况，从2006年开始，大批量生产的IF钢碳含量平均值低于15ppm，2009年以后，IF钢碳含量平均值均在13ppm以下，目前IF钢碳含量平均值为12.7ppm，其中极低碳IF钢平均碳含量达到8.8ppm，基本保持稳定。图4 近几年IF钢碳含量走势Fig.4 Carbon of IF steel in recent years3.2 多元素综合控制水平在纯净钢生产单项技术研究的基础上，以

19、超低碳IF钢和X系列管线钢为对象钢种进行联动试验，开发了批量生产纯净IF钢、管线钢生产技术和管理技术。目前批量生产试验的管线钢磷、硫、氧、氮、氢5个元素含量总和平均值达到85.5ppm。其中最低值达到71ppm；批量生产试验的IF钢碳、氧、氮3个元素含量总和平均值达到49.7ppm，其中最低值达到37ppm，达到了国际同类产品的先进水平。本段部分内容和数据是我们建议增加的。3.3 残余元素的控制水平钢中的杂质元素一般是指S、P、N、H、O。钢中微量元素（Pb、As、Sb、Bi、Cu、Sn等）也包括在杂质元素之列。炼钢过程中上述微量元素难以去除，随着废钢的不断返回利用，这些微量元素在钢中不断富集

20、，因而其有害作用日益突出。宝钢通过废钢的管理和铁水的合理使用，钢中的残余元素得到了有效控制，图5是目前厚板钢种残余元素As、Sn、Sb含量水平。从图中可以看出，目前厚板钢种残余元素As、Sn、Sb平均含量分别为19.2ppm、11.3ppm和11.6ppm。As和Sb的标准差在3ppm以内，控制稳定；而Sn的标准差为8.4ppm，相对波动较大，这与目前家电和食品类废钢返回生产利用逐渐增多有关。图5 厚板钢中As、Sn、Sb含量Fig.5 Content of As, Sn and Sb in heavy plate steel4 结论（1）宝钢经过多年对洁净钢生产技术的研究，掌握了炼钢过程中杂质元素去除的最佳工序和经济有效的方法，目前已经在大生产过程中广泛应用洁净钢生产技术，为高端产品的开发和生产打下了坚实的基础。（2）宝钢在目前的装备条件下，应用洁净钢生产技术，大批量生产的IF钢达到的纯净度为：碳含量平均值8.8ppm，氮含量平均值15.1ppm，氧含量平均值22ppm；大批量生产的高级管线钢达到的纯净度为：硫含量平均值7.9ppm，磷含量平均值63ppm，过程控制稳定。（3）连续生产试验的管线钢磷、硫、