冷轧基板SPHC钢转炉直上规模化生产

2020年第2
期典型冷轧基板钢种SPHC 钢属低碳、低硅、低硫铝镇静钢，具有较强的延展性及冷加工性能，用途广需求量大。

钢种特性要求决定了其基本的冶炼任务为深脱氧、深脱硫、控铝、控硅、夹杂物控制。

生产实践表明，该类钢种冶炼工艺的复杂性和难点还比较突出，传统工艺为了实现低硫目标往往采用铁水预处理工艺；为实现精确控铝、深脱氧、深脱硫、夹杂物及流动性控制往往必须采用精炼处理工艺，从而形成了铁水预处理→转炉冶炼→LF （RH ）精炼→连铸的典型生产工艺流程。

传统工艺流程已经很成熟稳定了，不论在生产的稳定性和连续性、质量控制已经没有太多问题，但存在工艺流程复杂、工序多、生产成本高、效率低等问题。

在行业产能过剩、市场竞争激烈、成本控制压力大的背景下，很多冶金工作者热衷于研究精简化的生产工艺流程。

传统工艺流程中铁水预处理和精炼工序趋于省略。

SPHC 钢转炉直上浇铸的生产工艺，近年来在国内也初步取得了一定的成果，但存在的问题是生产不稳定，钢水流动性不好(絮流)、钢中Al 和S 成分控制不稳定、连浇炉数低等。

笔者在柳州钢铁集团公司柳钢转炉炼钢厂120t 转炉作业区，通过研究摸索优化工艺，解决了上述难题，实现了冷
轧基板SPHC 钢转炉直上连续规模化批量生产的目的，生产过程控制稳定、钢的质量控制接近或等同于原走精炼工艺流程的水平。

因简化了生产工序，提升了生产效率，降低了生产成本。

炼钢工序工艺简介
柳钢为华南地区特大型钢铁联合企业。

柳钢转炉炼钢厂为柳钢钢铁制造流程上极其重要的工序，近年来通过技术改造，已装备了目前国内主流先进的炼钢工艺装备，在产量、品种、质量上面已达到国内同类企业先进水平。

2019年钢产量达到1367万吨，品种涵盖了建筑、造船、桥梁、汽车、及其他工业用材。

采用SPHC 转炉直上工艺的主要生产现状如下：
生产条件
柳钢转炉炼钢厂第二作业区装备2套颗粒镁喷吹脱硫装置，3座120t 顶底复吹转炉，2台120t LF 精炼炉，1台120t RH 精炼，3台断面220mm ×（1000～1810）mm 板坯连铸机，2台断面165mm ×165mm7机7流方坯连铸机。

年产钢能力450万吨，其中SPHC 冷轧基板产量较大，2019年1～9月SPHC 钢产量约占总产量
冷轧基板钢转炉直上规模化生产
覃胜苗，杨正府，刘飞，邹延（转炉炼钢厂）
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的22.8%。

该厂传统生产SPHC 钢的工艺路流程为：转炉→氩站→LF 精炼→连铸。

生产原材料中铁水硫含量波动比较大，废钢采用普通废钢（见表1）。

由于作业区内颗粒镁脱硫装置存在布局不合理，生产作业率低、扒渣不净、铁损大、成本高等问题，限制了铁水预处理工艺的采用，铁水不经过脱硫预处理，转炉入炉铁水硫含量
较高且波动大。

脱硫任务被迫放在精炼工序。

由于LF 精炼脱硫任务重，精炼时间长，钢液增氮、增硅钢较为严重而硬度偏高，延展性和冲压性能相对差。

走精炼工艺冶炼成本也较高。

另外，由于SPHC 钢走精炼工艺挤占了别的必须精炼品种的作业时间，而作业区内精炼能力有限，影响了品种生产安排，造成总体生产效率低下。

表1炼钢原材料
铁水
t
废钢温度/℃
C Si Mn P S 范围1250～1400
3.8～
4.50.15～0.850.1～0.30.01～0.0170.020～0.05普通
均值
1350
4.1
0.47
0.2
0.013
0.025
为了解决上述问题，本厂试验采用“转炉→氩站→连铸”工艺流程组织SPHC 钢种的生产，经过不断的摸索研究和优化，解决了直上工艺常见的诸多难题。

直上工艺存在的难点
采用“转炉→氩站→连铸”直上工艺流程生产SPHC 钢，与传统的工艺路径“铁水预处理→转炉→氩站→精炼（LF 或RH ）→连铸”工艺路线相比，没有了铁水预处理、精炼（LF 或RH ）工序，所有的冶炼任务压在了转炉冶炼和氩站工序上，对转炉和氩站工序提出了相当高的要求，面临着很多问题：
（1）脱硫效率低的问题。

由于取消了精炼工序，又没有铁水预处理的手段，对转炉渣洗脱硫及氩站处理过程脱硫提出了很高的要求。

氩站没有升温功能，处理时间不能太长，否则温降太大生产将难以为继，炉后的处理时间较短，如若不能实现快速高效脱硫目标将功败垂成。

所以要求快速高效的深脱硫是直上工艺最基本的要求。

（2）控铝不稳定的问题。

为了追求较好的延展性能和冲压性能，标准设计的SPHC 钢种成分为碳低、锰低、硅低，钢中没有其它大量的合金元素平衡控制氧位。

加铝脱氧并且稳定控制钢中铝含量在一定范围内是众所周知的生产控制方案。

成分要求见表2。

表2
SPHC 钢种化学成分
t
/%
C
Si Mn P
S Alt 内控0.04～0.07≤0.060.10～0.25≤0.025≤0.0150.020～0.050目标
0.05～0.07
≤0.06
0.15～0.25
≤0.020
≤0.015
0.020～0.045
查冶金氧势图，铝元素在氧势图下方，可知在炼钢条件下Al 极为活泼。

实践中铝易于氧化，波动大，钢中控铝操作难度比较大，特别是在精炼时间短，脱硫任务重的情况下，难度更加大。

铝成分命中率往往比较大低，影响钢质量的稳定性。

（3）钢水流动性不好的问题。

铝脱氧的钢种容易产生连铸堵水口（絮流）。

原因是：加铝脱氧产生的脱氧产物Al 2O 3是熔点很高的脆性夹杂物，浇注温度下呈固态吸附在连铸中间包水
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期口附近而造成结瘤而堵塞钢流通道。

絮流的机理国内研究得已经深入了，思路一方面是控制Al 2O 3的生成量，一方面是提高Al 2O 3夹杂的去除率，无法去除的Al 2O 3夹杂物采用钙处理进行变性处理工艺，降低其熔点而得到液态复合型夹杂物从而避免絮流。

采用转炉直上工艺后，由于炉后处理时间短，或温降没有补偿手段，作为简单有效去除夹杂物手段的钢包底吹氩工艺往往执行不到位，容易出现顶渣化渣不良、脱氧不良、吹氩强度和吹氩时间控制不合理、夹杂物上浮不充分等等是造成钢水流动性不好的主要原因。

工艺措施
稳定转炉终点和稳定出钢温降
直上工艺路线采用普通的装入模式，没有了铁水预处理工序，转炉终点S 成分波动还是比较大。

转炉出钢过程和氩站精炼过程承担了全部的脱硫任务。

温度作为脱硫操作执行的最先决条件。

因此，要求转炉围绕终点命中率，稳定转炉终点的温度及成分开展攻关，为氩站处理提供最基础的温度条件。

以转炉副枪自动化控制为核心手段的转炉终点命中率攻关发挥了重要作用，该作业区2017年新增了副枪并达产后，终点碳温磷氧“四命中”一次命中率大幅度提高，不补吹直接出钢率提高到了95%以上，为SPHC 直上工艺创造了良好的基础条件。

上副枪后，为转炉快速出钢创造了便利条件，出钢温降比原来降低了约15℃；采用钢包加盖技术，出钢温降又下降了约15℃，而且温降相对稳定；转炉出钢口内径从原来的155mm 扩大到170mm ，平均出钢时间约缩短了1min ，出钢温降又降低了约10℃。

以上措施综合应用后SPHC 直上工艺出钢温度从原来的1670℃左右下降到1630℃左右，极大地缓解了转炉冶炼的压力。

温降的稳定性提高，为氩站完成既定
工艺制度的落实创造了良好的前提条件，直上工艺操作规范性得到提高。

快速脱硫工艺
快速高效完成深脱硫任务是SPHC 钢直上工艺获得成功的基本要求。

根据脱硫的热力学及动力学条件，脱硫主要在钢—渣界面处进行，脱硫反应为吸热反应。

高温、高碱度、低氧性有利于脱硫反应向正向进行。

脱硫的化学反应：
[S]+(CaO)=(CaS)+[O]△r G θ=98474～22.82(J/mol)
(1)
为此，围绕脱硫的热力学和动力学条件，
创造快速脱硫的有利条件是实现快速深脱硫的手段。

转炉出钢过程加入足量的渣洗造渣料（冶金石灰）及助溶剂（萤石），利用出钢过程钢流的冲击作用，辅助以出钢在线强吹氩工艺，促进造渣料的快速熔化成渣，促进钢～渣的充分混合。

出钢过程尽早加入铝质脱氧合金，控制钢水[O]位在较低水平，促进上述脱硫反应正向进行（见式1）。

要求钢水到达氩站钢中Al 质量分数＞0.020%（但又不能太高，防止成品Al 超上限）以完成钢液较深的脱氧。

钢液脱硫实际上是在钢—渣界面处进行，除了钢液脱氧，钢包顶渣脱氧也是保证脱硫快速进行的关键。

因此，出钢过程及钢水到达氩站后，在钢包内加入一定量的改质剂，迅速脱除顶渣氧，控制渣中(FeO+MnO)＜1%。

改质剂成分，（Al ）：8%～12%；（CaO ）：18%～22%；（Al 2O 3）：38%～45%；
（SiO 2）：＜8%；
（P ）：＜
0.1%；（S ）：＜0.1%。

总之，通过以上工艺措施后快速得到具有较高碱度、低氧化性、流动性良好、乳化良好的还原性“白渣”，并伴以强烈的钢包底吹氩搅拌是实现快速深脱硫的重要措施。

钢水流动性控制
Al 2O 3的特点是熔点高、界面张力大、密度
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低，易于碰撞聚合长大上浮去除，研究表明通过底吹氩Al 2O 3夹杂的去除较高。

钢中残留的少量Al 2O 3夹杂采用物钙处理方式，将单质Al 2O 3夹杂或高熔点的铝酸盐夹杂转变为低熔点的复合夹杂物，利于上浮液排除，不能上浮的因熔点低而不会造成水口结瘤的絮流现象。

生产组织上必须提供底吹氩透气性良好的钢包，保证吹氩工艺的需要。

吹氩工艺分为两段式：前期强吹氩促进夹杂物的碰撞聚合长大上浮，后期通过“偏软”的吹氩方式防止二次卷渣，从而提高钢液去除夹杂的效率。

平衡条件下，炉渣内氧化铁的活度与钢中自由氧的含量有关，按氧的渣—钢间的分配常数有：（FeO ）=[Fe]+[O]
lg ［Ｏ］/（FeO ）＝-5730/
+2.397
（2）
加Al 脱氧后，SPHC 钢液中溶解氧的活度
约为４×10-6。

若取
FeO
＝１，根据式（2）计
算得到与钢液平衡的炉渣中
（FeO ）≈
0.020％。

因此，钢包渣中的FeO 含量较高时，会向钢液中传氧，与钢液中的Al 发生发应，产生大量的Al 2O 3夹杂物，导致连铸过程浸入式水口结瘤。

2[Al]+3[O]=Al 2O 3(S)
△G m θ=～1200.82+0.395(kJ/mol)(3)lg
Al
＝～63685/～20.59
式（3）中，铝是极为活泼的元素，只有把顶渣氧化性控制在低水平，才能控制渣中的（FeO ）往钢液中传[O]，进而防止[O]与钢液中的活泼Al 元素发生反应再次生成Al 2O 3夹杂，在精炼结束后的钢液镇静阶段和浇注阶段，被顶渣污染二次氧化产生的Al 2O 3没有上浮去除的动力和时间而残留在钢液中造成堵水口。

生产实践中也表明，顶渣脱氧不良没有形成“白渣”的炉次，钢水絮流往往发生在浇注后期的钢包顶层钢水，严重时在大包水口处都形成堵水口絮流现象，造成大包钢流跟不上中包钢流的浇注速度。

这充分说明顶渣脱氧对钢水中Al 2O 3夹杂控制有很大的影响作用。

钢包顶渣脱氧的好坏，经验丰富的现场工人可以通过肉眼观察炉渣的形态、颜色加以判断：用一根光滑的钢管伸进渣层中蘸取一层钢渣上来，冷却后观察渣样的形态和颜色，若呈渣样光滑说明炉渣化透性良好；炉渣呈乳白色或黄白色，说明已经得到脱氧良好的还原性“白渣”。

若渣呈黑色说明脱氧不良，应立即补加钢包改质剂进一步加深顶渣脱氧直到得到“白渣”为止。

快速形成“白渣”是实现快速脱硫及防止钢液出现絮流的重要措施。

直上工艺
顶渣的成分与走精炼工艺得到的顶渣成分很接近（见表3）。

表3直上工艺与原精炼工艺顶渣成分对比
t
/%
工艺模式TFe CaO SiO 2MgO MnO Al 2O 3R 直上（平均）0.8948.96 4.05 6.720.2844.3012.09精炼（
平均）0.7157.37 4.15 6.580.2838.2813.82对比
0.18
-8.41
-0.10
0.14
0.00
6.02
-1.74
实际上钢中Al 2O 3夹杂物是不可能百分之百地去除。

残留的Al 2O 3夹杂物也会造成水口夹杂物富集结瘤而逐步消耗连铸塞棒行程。

单质Al 2O 3夹杂熔点高达2300℃，在炼钢温度下呈固态悬浮于钢液中，但是Al 2O 3与CaO 聚合成铝酸钙却能显著降低熔点（见Al 2O 3-CaO 二元相图）。

钙处理正是利用这一规律进行夹杂物变性处理达到防止堵水口絮流问题的。

直上工艺在脱硫、成分微调完成后即向钢液中喂入一定量的钙线进行钢液钙处理操作，喂线后保持软吹
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期氩时间5分钟以上，促进夹杂物的上浮排除。

氩站结束后保证一定的镇静时间也能促进夹杂物的自然上浮。

铝成分的精确控制
从炼钢氧势图可见，Al 极为活泼，炼钢环境下极易氧化，要精确控铝成分是炼钢操作的难点之一。

为精确控铝，必须在钢液脱氧良好、顶渣脱氧良好的条件下进行Al 成分的微调。

直上工艺采用“二步控铝法”对钢液进行精确控制：第一步加铝在转炉出钢过程，加铝量控制钢中含铝在成品目标的中下限，保证钢水脱氧良好满足深脱硫需要即可。

防止一次控铝过高造成最终成品铝高而成分出格。

氩站强吹氩结束后取一个样品送检，铝含量控制在成品目标中下限；第二步加铝在第一个化验结果的基础上，精确计算需补加量后进行针对性补铝微调完成精确控铝操作。

通过这种办法，较好地解决了铝的命中难问题。

需要注意的是，氩站第一个样要注意取样的代表性，要求强吹氩搅拌
时间达标后顶渣脱氧脱硫基本完成后才能取样。

而且，为了防止等样过程铝元素的大量二次氧化造成按化验结果补加造成控铝偏低的问题，氩站取第一个样后，应立即调整吹氩由强吹模式转为软吹氩模式，防止长时间的强吹氩钢液吸氧严重造成铝元素的大量二次氧化，从而保证了铝成分控制的稳定。

效果
通过不断优化工艺，严抓操作管理，SPHC 转炉直上工艺取得了突破。

脱硫率及成分命中率与原精炼工艺相比基本持平；钢水流动性达到了控制目标，生产稳定顺行，实现了一个完整中间包连浇的记录，无堵水口絮流问题；钢的轧后质量与原来走精炼工艺几乎没有差别，成品Si 、N 含量的降低减缓了钢质偏硬的问题。

实现减了轻LF 精炼负荷，降本提效的目的，吨钢降精炼电耗、电极消耗、钢包耐材消耗等合计成本40元以上。

两种工艺流程生产数据对比见表4。

表4
SPHC 钢直上工艺与原精炼工艺关键技术指标对比
工艺模式精炼电耗/（kW ·h ·t -1）
S 命中率/%
脱硫率/%成品成分t /%
处理时间/min
S Si N 直上099.172.7 6.720.0270.005118.2精炼
29
99.3
74.1
6.58
0.035
0.0063
37.5
总结
（1）温度是保证SPHC 直上工艺的基础，提高终点命中率、采用钢包加盖技术、红包出钢等降低和稳定出钢温降的措施，为直上工艺顺利实施创造良好的前提条件。

（2）快速形成具有一定碱度、良好的还原性的顶渣，以及优良的钢水深脱氧和优越钢包底吹氩搅拌是现快速深脱硫的重要手段。

（3）解决钢水堵水口絮流问题本质上是夹杂物的去除与形态控制。

其基本的措施是合理
的钢液吹氩制度，优良的顶渣脱氧和合理的钙处理工艺。

（4）铝元素炼钢条件下极为活泼，炼钢操作精确控制铝含量有一定难度。

采用“二步控铝法”实现了SPHC 转炉直上工艺精确控铝的目的。

（5）转炉SPHC 直上工艺，钢中硅含量、氮含量比原走精炼工艺控制得更低，钢的延展性和深冲性能更好。

在满足钢的质量达到要求的前提下，较好的实现了降本提效目的，也缓解了品种精炼生产压力。

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