李超 ，于海岐 ，黄岩 ，许营 ，尚德义 ，李文博 ，冉茂铎
（1.鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司，辽宁 营口 115007；
2.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）
耐候钢被广泛应用于集装箱板、桥梁等，其使用环境对钢的耐腐蚀性、屈服强度等均有较高要求，国内酒钢、马钢、莱钢、鞍钢等钢铁企业通过研究冶炼钢水成分控制、轧制工艺等，使纯净度、屈服强度、抗拉强度、延伸率等指标均得到改善［1-7］。SPA-H钢是耐候钢的一种，磷是大多数钢种中常见的有害元素，容易造成“冷脆”质量问题［8］，但SPA-H钢要求一定的磷含量来提高其耐腐蚀性能［9］，所以转炉冶炼SPA-H钢时的保磷技术是生产此类钢的关键技术之一。国内对此进行了一系列相关技术研究，如马钢采用合理控制热力学条件、少渣冶炼等措施冶炼高磷类钢种,取得较好生产效果［10］；
梅钢采用提高供氧强度冶炼，缩短熔炼时间，保磷效果得到提高［11］；
鞍钢采用不加白灰的经济性少渣冶炼方法实现了SPA-H磷含量达0.050%以上［12］；
武汉科技大学张思维通过控制碱度、优化废钢结构等工艺方法将终点磷含量控制在0.042%以上［13］。鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司炼钢部（以下简称“鲅鱼圈炼钢部”）针对SPA-H高磷类钢种进行了转炉保磷技术理论分析，并将相关结论应用于生产，取得较好效果［14］，本文对此做一介绍。
鲅鱼圈炼钢部有3套喷吹型铁水预处理设备，3座 260 t转炉，5套 LF、ANS-OB 等精炼设备，3台连铸机 （2台1450 mm薄板铸机、1台2300 mm厚板铸机）。SPA-H钢工艺路径为：铁水预处理脱硫→转炉脱碳保磷→ANS-OB调整成分与钢水净化→1 450 mm铸机浇注、切割出坯。为了满足SPA-H钢较好的耐腐蚀性能，要求钢中具有一定的Cu、P、Cr含量［15］。结合钢种过热度、炉机对应、浇注参数及精炼工况等情况设计了SPA-H钢转炉终点温度。SPA-H钢水成分及终点温度控制要求见表1。
表1 SPA-H钢水成分及终点温度控制要求Table 1 Compositions in SPA-H Molten Steel and Requirements of Molten Steel Temperature at End Point
SPA-H钢的保磷工艺控制关键是转炉工序，转炉常规冶炼中大多以脱磷为目的，脱磷技术成熟稳定，而保磷技术缺乏系统研究。影响磷含量的因素很多，合理准确控制各元素成分和温度，达到终点标准要求难度较大。与保磷技术相关的生产参数见表2。主要生产指标有：平均渣量5～10 t，碱度0.5～3.5，终点氧含量0.02%～0.10%。采用高碳铬铁、硅锰合金、硅铁合金等脱氧合金化，平均终点增碳0.01%～0.03%。
表2 相关的生产参数Table 2 Related Production Parameters
转炉冶炼中的脱磷反应主要在渣-钢界面进行，反应方程式见式（1），磷分配比见式（2）。
式中，LP为磷分配系数；
xP2O5为熔渣的磷含量；
ω［P］为钢液中磷含量；
k为平衡常数；
a（CaO）为 CaO 活度；
a（FeO）为 FeO 活度。
脱磷反应为放热反应，根据热力学原理，影响脱磷的主要因素为FeO含量、CaO含量及温度，因此高温控制、低FeO含量和CaO含量均有利于保磷［16-17］。同时根据式（1）可知，渣中 P2O5含量高有利于反应向左侧进行，因此在冶炼中适当减少总造渣量，提高P2O5百分比也能起到保磷作用。
根据理论分析结果，围绕四个因素进行试验，即温度、FeO含量、CaO含量及渣量。利用冶炼终点钢水氧含量评价FeO含量；
考虑SiO2对CaO消耗的影响，使用二元碱度 R=CaO/SiO2［16］评价 CaO 含量；
取冶炼终点副枪测试温度值；
渣量为造渣材料求和重量。试验中铁水条件（平均值）为：Si含量0.4%，P含量0.115%，C含量4.5%，铁水温度1 300℃。
3.1 温度对磷含量的影响
温度是影响保磷的重要热力学因素，理论上高温控制利于保磷，但温度过高有可能影响安全生产。试验中，控制转炉终渣碱度为1.5±0.1，投入总造渣重量 （7±0.2）t，冶炼终点氧含量 （0.040±0.001）%。考虑浇注温度、高温转炉耐材侵蚀等问题，认为将终点温度控制在1 650～1 710℃更有利于指导生产。进行了35炉试验，钢水温度对磷含量的影响如图1所示。由图1看出，钢水中磷含量随着温度的升高逐渐增加，1 670℃以下增加较平缓，1 670℃以上增加快速。
图1 钢水温度对磷含量的影响Fig.1 Effect of Molten Steel Temperature on Phosphorus Content
结合表1中SPA-H钢种的温度、磷含量要求，温度控制在1 675℃以上能够满足磷含量0.070%～0.090%的要求范围。但考虑1 670℃只能达到磷含量成分要求下限左右，因此生产中应适当控制温度在1 680℃以上来保证磷成分合格。
3.2 碱度对磷含量的影响
理论分析认为，低碱度渣利于保磷，但过低碱度会产生磷超标的质量问题，因此需研究确定合理的碱度范围使磷含量控制在标准范围。试验了55炉钢水，终点温度控制为（1 680±3）℃，使用总造渣重量 （7±0.2）t，终点氧含量为 （0.040±0.001）%，控制转炉终渣碱度为0.5～3.0，对终点钢中磷含量进行化验分析，得出碱度对钢水磷含量的影响见图2。由图2看出，钢水中磷含量随着碱度的升高逐渐降低，符合保磷理论分析结论。
图2 碱度对钢水磷含量的影响Fig.2 Effect of Alkalinity on Phosphorus Content in Molten Steel
根据数据统计并结合表1所示的磷含量要求，在生产中控制碱度范围在1.2～2.0。
3.3 渣量对磷含量的影响
渣量的大小影响冶炼保磷效果，少渣冶炼利于保磷，过大渣量保磷效果差，但过少渣量存在磷含量超标的风险。试验45炉钢水，终点温度控制为（1 680±3） ℃，转炉终渣碱度控制为 1.5±0.1，终点氧含量为（0.040±0.001）%，对终点钢中磷含量进行化验分析，得出渣量对钢水磷含量的影响见图3所示。由图3看出，钢水中磷含量随着渣量的增大逐渐降低，符合理论分析结论。
图3 渣量对钢水磷含量的影响Fig.3 Effect of Slag Volume on Phosphorus Content in Molten Steel
根据数据结果对应SPA-H要求磷含量范围，同时考虑磷含量高会造成质量事故，所以总渣量应控制在6.3～8.3 t。
3.4 氧含量对磷含量的影响
低氧含量利于保磷。但是根据碳氧积换算，过低氧化性存在两个问题，一是过低氧存在碳含量超标的可能，二是过低氧化性也存在磷含量超标的可能，因此需研究确定合理的氧值范围将碳和磷含量控制在标准范围内。试验65炉，终点温度控制为（1 680±3） ℃，使用总造渣重量（7±0.2） t，转炉终渣碱度控制在1.5±0.1，终点氧含量控制为0.020%～0.068%。对试验终点钢水中磷含量进行化验分析，得出钢水中氧含量对磷含量的影响见图4。由图4看出，钢水中磷含量随着氧含量的升高逐渐降低，在氧值达到0.05%后，磷含量降低趋势减缓。
图4 钢水中氧含量对磷含量的影响Fig.4 Effect of Oxygen Content on Phosphorus Content in Molten Steel
结合表1中磷与碳含量的要求，可得到合适的氧含量为0.030%～0.045%。实际平均碳氧积为0.002 0左右，根据碳氧积的换算规则［16］可得到对应碳含量为0.044%～0.066%，合金增碳为0.01%～0.03%，碳含量也可一次合格。由于氧值过低可能造成磷超标问题，氧过高时需要加增碳剂进行补碳，所以实际生产中氧含量应控制为0.030%～0.045%。
上述试验结果与前文的保磷理论分析结论一致。四个参数合理值可确定为：终点温度1 680℃，造渣总重量约7.3 t，终点氧含量约0.037 5%，转炉终渣碱度约1.6。
生产中选取成分、温度等条件基本相同的铁水，生产了60炉，实际参数控制平均值为终点温度约1 681℃，造渣总重量7.38 t，终点氧含量0.038 2%，转炉终渣碱度1.68。对终点钢水磷含量化验分析，结果见图5所示。由图5看出，磷含量分布在0.070 0%～0.087 5%，合格率100%，统计可得平均磷含量0.077 3%；
磷含量分布在均值以下范围频次较多，符合磷含量可低不可高的控制要求。
图5 终点钢水磷含量情况Fig.5 Content of Phosphorus in Molten Steel at End Point
针对鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司260 t转炉冶炼SPA-H钢的保磷技术开展了研究及应用，得出如下结论：
（1）理论分析认为，影响保磷的主要因素为FeO含量、CaO含量、钢水温度及渣中P2O5含量，适当高温控制、低FeO含量、低CaO含量及减少总造渣重量均利于保磷；
260 t转炉试验结果与理论分析结果一致，即钢水温度升高、碱度降低、氧含量降低、渣量减少均使终点钢水磷含量增多。生产过程还需要考虑浇注温度等因素对磷含量的影响。
（2）实际生产中，终点温度为1 681℃，渣重量为7.38 t，氧含量为0.038 2%，终渣碱度为1.68时 （均为平均值），可将终点钢水磷含量控制在0.070 0%～0.087 5%，磷含量合格率100%，平均磷含量为0.077 3%，且磷含量分布在均值以下范围频次较多，符合磷含量可低不可高的控制要求。
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