采用电弧炉生产锅炉管用高合金低磷钢的方法

摘要

本发明提供了一种采用电弧炉生产锅炉管用高合金低磷钢的方法，所述方法包括电弧炉冶炼、LF精炼、VD真空处理和连铸，所述电弧炉冶炼包括以下步骤：将新鲜石灰和氧化铁与炉料一起加入到电弧炉中，加热炉料；当炉料熔化30～40％时，分批加入新鲜石灰，采用大渣量操作，并且将炉渣碱度控制在3.5～5.0，FeO含量控制在25～35％；当炉料全部熔化、熔池温度达1520～1550℃时快速排出脱磷炉渣；分批加入新鲜石灰强化脱磷，造高碱度炉渣，炉渣碱度控制在5.0～6.0，同时将FeO含量控制为30～40％；当熔池温度达1580℃以上时，分批加入新鲜石灰，自动流渣，同时进行钢水脱碳。根据本发明的方法可以生产磷含量低的锅炉管用钢。

说明书

技术领域

本发明涉及电弧炉冶炼方法，具体地讲，本发明涉及一种采用电弧炉生 产锅炉管用高合金低磷钢的方法。

背景技术

目前电站锅炉已由200MW、300MW的亚临界机组发展到600MW、 1000MW的超(超)临界机组，亚临界机组普遍采用的12Cr1MoVG、15CrMoG 高压锅炉管已被ASME/ASTM标准中更高钢级的高合金高压锅炉管P22、P91 等代替。随着近年超(超)临界火电机组建设的增加，电站锅炉制造和电厂 安装对ASME/ASTM标准中的高合金高压锅炉管需求激增，同时对钢管有害 元素P、S和钢质纯净度要求也越来越高，要求钢水中的磷含量小于0.008％。

通常生产的低磷钢的碳和合金含量较低，一般为碳素钢和低合金钢，多 采用转炉工艺生产，采用铁水预处理脱磷技术，使铁水P含量在0.010％以下， 减轻转炉初炼钢水脱磷任务，实现转炉少渣炼钢、单渣法脱磷或者双渣法脱 磷，以获得较低的钢水磷含量。

然而，高压锅炉管用高合金钢(P22的Cr Mo合金成分：Cr 2.2～2.6％、 Mo 0.95～1.13％；P91的Cr Mo合金成分：Cr 8.5～9.5％、Mo 0.90～1.05％)因 铁合金加入量大，产品质量要求高，生产节奏慢，外来增磷因素多(如铁合 金带入的磷含量、钢包耐火材料的磷含量、钢包残钢残渣带入的磷含量、初 炼钢水带入的氧化渣磷含量、LF精炼用合成渣带入的磷含量等)，通常采用 生产灵活的电弧炉冶炼工艺生产。电弧炉冶炼工艺中磷的控制难点主要在： 电炉冶炼过程的脱磷控制，即初炼钢水的磷含量；氧化性含磷炉渣回磷；铁 合金增磷；炉外精炼钢包残渣增磷。由于电炉使用的原材料为废钢和铁水， 铁水没有经过预处理脱磷，铁水中P含量为0.15～0.20％，废钢中P含量为 0.020～0.045％，所以采用电弧炉工艺生产P≤0.008％的高合金低磷钢难度很大， 高合金钢生产不只是关注初炼钢水的磷含量，还要考虑初炼钢水在高温状态 下的回磷、大量铁合金增磷和出钢时初炼钢水带出炉渣回磷和钢包残渣回磷 的影响，在LF精炼过程中一旦出现钢水磷高，产品只能报废，因此实现高合 金低磷钢的稳定生产尤为重要。

申请号为200910063364.3、发明名称为“一种电炉排渣脱磷的方法”的中 国专利申请公开了用活性石灰通过四次排渣脱磷。申请号为201010259981.3、 发明名称为“电炉炼钢脱磷方法”的中国专利申请公开了在电炉中加入金属炉 料后多次加入石灰，强化供氧脱磷。然而，这两种方法都没有完全解决脱磷 的热力学条件即高碱度、高氧化铁、低温问题，也没有解决在电炉冶炼过程 中，随着金属炉料的熔化，熔池温度逐渐升高，炉渣中的P₂O₅分解重新回到 钢水，使钢水中的磷含量升高，电炉初炼钢水出钢时带出的含磷炉渣，在LF 炉外精炼过程中回磷和LF炉加入铁合金的增磷和钢包增磷问题。

脱磷是强放热反应，温度低有利于脱磷反应进行，在电弧炉冶炼过程中， 只有石灰能使磷的氧化产物P₂O₅稳定存在于熔渣中，形成稳定的(CaO)₃·P₂O₅或(CaO)₄·P₂O₅，实现钢水的有效脱磷。其脱磷反应式：

2[P]+5(FeO)+3(CaO)＝(Ca₃P₂O₈)+5[Fe]

或2[P]+5(FeO)+4(CaO)＝(Ca₄P₂O₉)+5[Fe]

增加渣中的(CaO)或石灰用量，会提高炉渣中(P₂O₅)，降低钢中[P]； FeO对脱磷的影响与炉渣碱度(CaO/SiO₂)密切相关，过高的FeO反而使脱 磷能力下降。

发明内容

为了解决现有技术中锅炉用钢磷含量高的问题，本发明提供了一种采用 电弧炉生产锅炉用高合金低磷钢的方法，所述方法包括电弧炉冶炼、LF精炼、 VD真空处理和连铸，所述电弧炉冶炼包括以下步骤：将新鲜石灰和氧化铁与 炉料一起加入到电弧炉中，加热炉料；当炉料熔化30～40％时，分批加入新鲜 石灰，采用大渣量操作，并且将炉渣碱度控制在3.5～5.0，FeO含量控制在 25～35％；当炉料全部熔化、熔池温度达1520～1550℃时快速排出脱磷炉渣； 分批加入新鲜石灰强化脱磷，造高碱度炉渣，炉渣碱度控制在5.0～6.0，同时 将FeO含量控制为30～40％；当熔池温度达1580℃以上时，分批加入新鲜石 灰，自动流渣，同时进行钢水脱碳。

优选地，在将新鲜石灰和氧化铁与炉料一起加入到电弧炉的步骤中，炉 料由按重量计60～70％的废钢和30～40％的铁水组成，新鲜石灰的加入量为炉 料重量的1.5～2.5％，氧化铁的加入量为炉料重量的0.8～1.2％。

优选地，在当炉料熔化30～40％时分批加入新鲜石灰的步骤中，新鲜石 灰的加入量为炉料重量的1.0～1.5％。

优选地，在分批加入新鲜石灰强化脱磷造高碱度炉渣的步骤中，加入新 鲜石灰的量为炉料重量的4.0～4.5％。

优选地，在当熔池温度达1580℃以上时分批加入新鲜石灰的步骤中，新 鲜石灰的加入量为炉料重量的1.0～1.5％。

优选地，初炼钢水出钢前加入重量为炉料重量的0.5～1.0％的新鲜石灰， 抑制炉渣回磷，稀释炉渣中P₂O₅浓度。

优选地，在LF精炼步骤中，采用使用过5次～25次的精炼钢包进行精炼。

根据的采用电弧炉生产锅炉用高合金低磷钢的方法，可以生产磷含量低 的钢，从而满足锅炉用钢的要求。

具体实施方式

由于高压锅炉管对钢质纯净度要求较高，要求电弧炉冶炼时在保证良好 脱磷的条件下，保证钢水终点碳含量，使钢水不被过氧化。从碳和磷的选择 性氧化原理得知，脱碳和脱磷同时进行，脱碳沸腾能促进渣钢间的传质过程， 但碳和磷同时夺氧，因此在冶炼保碳低磷钢时要做到先脱磷后脱碳，如何造 好初期炉渣提高冶炼前期炉渣脱磷率就显得非常重要。

在本申请中，如果没有特别明确指出，则物质的含量为重量百分比含量。

根据本发明的采用电弧炉生产锅炉用高合金低磷钢的方法包括电弧炉冶 炼、LF精炼、VD真空处理、连铸。

(1)电弧炉冶炼

电弧炉冶炼的炉料由按重量计60～70％的废钢和30～40％的铁水组成，铁 水未经过脱磷预处理，炉料的平均磷含量在0.075～0.095％之间。在废钢中加 入重量为炉料重量的1.5～2.5％的新鲜石灰和0.8～1.2％的氧化铁，利用铁水带 入的物理热、电弧加热、炉壁集束氧枪来加速废钢熔化形成熔池。

当炉料熔化30～40％时，从高位料仓分1～2批加入重量为炉料重量的 1.0～1.5％的新鲜石灰，采用大渣量操作，炉渣碱度控制在3.5～5.0，FeO含量 控制在25～35％。

当废钢全部熔化、熔池温度达1520～1550℃时快速排出脱磷炉渣，排渣 80～90％。再分1～2批加入重量为炉料重量的4.0～4.5％的新鲜石灰强化脱磷， 造高碱度炉渣，炉渣碱度控制在5.0～6.0，控制炉壁集束氧枪的喷氧强度，强 烈搅拌熔池使钢渣良好接触，同时将FeO控制在30～40％，避免炉渣FeO含 量过高而降低脱磷能力。用喷碳枪造适量泡沫化的炉渣，提高炉渣脱磷能力， 使钢水P含量达到0.0020％以下。

随着钢水温度的升高，熔池温度达1580℃以上时，分2批加入重量为炉 料重量的1.0～1.5％的新鲜石灰，自动流渣，稳定前期脱磷效果，同时进行钢 水脱碳。

初炼钢水出钢前加入重量为炉料重量的0.5～1.0％的新鲜石灰，增加炉渣 碱度，抑制炉渣中P₂O₅随温度升高而分解，引起炉渣回磷，稀释炉渣中P₂O₅浓度。采用偏心炉底无渣出钢，随钢流加入低磷铁合金和脱氧剂进行预脱氧。

(2)LF精炼

LF精炼增磷因素由三个环节构成：①电炉初炼钢水出钢带出的炉渣回 磷；②铁合金带入的磷；③精炼钢包增磷。在铁合金增磷和炉渣回磷一定的 情况下，精炼钢包的残渣和钢包砖对精炼过程的增磷非常重要，因此选择残 渣容易清除的精炼钢包，使用过5～25次的精炼钢包最佳(此时的钢包砖缝已 烧结好，钢包砖浸蚀不严重)，精炼过程快速脱氧、脱硫，调整铬、钼、锰和 硅合金元素含量达到产品要求范围，在保证钢质纯净度的条件下，缩短低磷 钢水在钢包内的停留时间，减少精炼过程增磷。LF精炼过程中铁合金增磷控 制在0.0025％以下，炉渣回磷和钢包增磷控制在0.0020％以下，使LF精炼结 束后钢水磷为0.004～0.007％，确保铸坯磷小于0.008％。

(3)VD真空处理

由于高压锅炉管对钢质纯净度要求很高，然而低磷钢电炉冶炼周期长， 吸气严重，所以当钢水进行VD真空处理时适当增加吹氩搅拌强度，在真空 度≤67Pa下的保持时间大于15分钟，让钢水与炉渣充分作用，去除钢中的夹 杂物和气体。

(4)连铸

连铸采用20t大容量中间包，液面高度≥800mm；钢包与保护套管连接处 用Ar气和密封垫保护，结晶器用浸入式水口，避免钢水二次氧化和吸气；二 冷区采用汽雾冷却，弱冷方式，防止铸坯产生裂纹缺陷，浇铸的连铸圆坯经 表面检查合格入库。

在下文中，将详细描述根据本发明的采用电弧炉生产锅炉用高合金低磷 钢的方法的具体实施例。

实施例1

生产钢种P22，电弧炉冶炼的炉料由70％的废钢和30％的铁水组成，铁 水未经过脱磷预处理，炉料的平均磷含量为0.075％。在废钢中加入重量为炉 料重量的1.5％的新鲜石灰和0.8％的氧化铁，利用铁水带入的物理热、电弧加 热、炉壁集束氧枪来加速废钢熔化形成熔池。

当炉料熔化30％时，从高位料仓按1批加入重量为炉料重量的1.0％的新 鲜石灰，采用大渣量操作，炉渣碱度为3.5，FeO含量为25％。

当废钢全部熔化、熔池温度达1520℃时快速排出脱磷炉渣，排渣80％。 再分1批加入重量为炉料重量的4.0％新鲜石灰强化脱磷，造高碱度炉渣，炉 渣碱度控制在5.0，控制炉壁集束氧枪的喷氧强度，强烈搅拌熔池使钢渣良好 接触，同时将FeO控制在30％。用喷碳枪造泡沫化的炉渣，提高炉渣脱磷能 力，使钢水P含量达到0.002％。

当熔池温度达1580℃时，分2批加入重量为炉料重量1.5％的新鲜石灰， 自动流渣，同时进行钢水脱碳。

初炼钢水出钢前加入重量为炉料重量的0.5％的新鲜石灰，抑制炉渣中 P₂O₅随温度升高而分解，引起炉渣回磷。

用使用过5次的精炼钢包，采用偏心炉底无渣出钢，在精炼钢包中随出 钢流加入低磷的锰铁、铬铁和钼铁，硅铝钡钙脱氧剂进行预脱氧和合金化。

电炉出完钢后，将钢包吊到LF精炼工位，开通钢包底吹氩气，同时加入 合成渣快速造白渣脱氧、脱硫，缩短低磷钢水在钢包内的停留时间，减少精 炼过程增磷，钢水温度达到1560℃时分批加入低磷的锰铁、铬铁和钼铁，调 整铬、钼、锰和硅合金元素。当钢水磷达到0.005％、硫0.004％、合金成分达 到产品设计要求，温度达到1650℃时，向钢水中喂CaSi线进行钙处理，钙处 理结束后，将精炼钢包吊出LF炉送到VD真空处理工位。

当钢水进行VD真空处理时适当增加吹氩搅拌强度，在真空度≤67Pa下 的保持时间大于15分钟，让钢水与炉渣充分作用，排除钢中的夹杂物和气体。 VD真空处理结束后，将钢水送到连铸工序进行浇铸。

连铸规格为采用20t大容量中间包，钢水液面高度800mm；全保 护浇铸；二冷区采用汽雾冷却，弱冷方式，防止铸坯产生裂纹缺陷，浇铸的 连铸圆坯经表面检查合格后入库。采用本方法生产的P22钢磷含量为0.005％。

实施例2

生产钢种P91，电弧炉冶炼的炉料由60％的废钢和40％的铁水组成，铁 水未经过脱磷预处理，炉料的平均磷含量为0.095％。在废钢中加入重量为炉 料重量的2.5％新鲜石灰和1.2％的氧化铁，利用铁水带入的物理热、电弧加热、 炉壁集束氧枪来加速废钢熔化形成熔池。

当炉料熔化40％时，从高位料仓按1批连续加入重量为炉料重量的1.5％ 的新鲜石灰，采用大渣量操作，炉渣碱度为5.0，FeO含量为35％。

当废钢全部熔化、熔池温度达1520℃时快速排出脱磷炉渣，排渣90％。 再分2批加入重量为炉料重量的4.5％新鲜石灰强化脱磷，造高碱度炉渣，炉 渣碱度控制在6.0，控制炉壁集束氧枪的喷氧强度，强烈搅拌熔池使钢渣良好 接触，同时将FeO控制在40％。用喷碳枪造泡沫化的炉渣，提高炉渣脱磷能 力，使钢水P含量达到0.002％。

当熔池温度达1580℃时，从高位料仓分2批加入重量为炉料重量的1.0％ 的新鲜石灰，自动流渣，同时进行钢水脱碳。

初炼钢水出钢前加入重量为炉料重量的1.0％的新鲜石灰，抑制炉渣中 P₂O₅随温度升高而分解，引起炉渣回磷，稀释炉渣中P₂O₅含量。

用使用过1 5次的精炼钢包，采用偏心炉底无渣出钢，在精炼钢包中随出 钢流加入低磷的锰铁、铬铁和钼铁，硅铝钡钙脱氧剂进行预脱氧和合金化。

电炉出完钢后，将钢包吊到LF精炼工位，开通钢包底吹氩气，同时加入 合成渣快速造白渣脱氧、脱硫，缩短低磷钢水在钢包内的停留时间，减少精 炼过程增磷，钢水温度达到1580℃时分批加入低磷的锰铁、铬铁和钼铁，调 整铬、钼、锰和硅合金元素。当钢水磷达到0.007％、硫0.003％、合金成分达 到产品设计要求，温度达到1670℃时，向钢水中喂CaSi线进行钙处理，钙处 理结束后，将精炼钢包吊出LF炉送到VD真空处理工位。

当钢水进行VD真空处理时适当增加吹氩搅拌强度，在真空度≤67Pa下 的保持时间大于15分钟，让钢水与炉渣充分作用，排除钢中的夹杂物和气体。 VD真空处理结束后，将钢水送到连铸工序进行浇铸。

连铸规格为采用20t大容量中间包，钢水液面高度800mm；全保 护浇铸；二冷区采用汽雾冷却，弱冷方式，防止铸坯产生裂纹缺陷，浇铸的 连铸圆坯经表面检查合格后入库。采用本方法生产的P91钢磷含量为0.008％。

实施例3

生产钢种P22，电弧炉冶炼的炉料由65％的废钢和35％的铁水组成，铁 水未经过脱磷预处理，炉料的平均磷含量为0.085％。在废钢中加入重量为炉 料重量的2.0％新鲜石灰和1.0％的氧化铁，利用铁水带入的物理热、电弧加热、 炉壁集束氧枪来加速废钢熔化形成熔池。

当炉料熔化35％时，从高位料仓按2批连续加入重量为炉料重量的1.2％ 的新鲜石灰，采用大渣量操作，炉渣碱度为4.0，FeO含量为30％。

当废钢全部熔化、熔池温度达1520℃时快速排出脱磷炉渣，排渣85％。 再分2批加入重量为炉料重量的4.3％新鲜石灰强化脱磷，造高碱度炉渣，炉 渣碱度控制在6.0，控制炉壁集束氧枪的喷氧强度，强烈搅拌熔池使钢渣良好 接触，同时将FeO控制在40％。用喷碳枪造泡沫化的炉渣，提高炉渣脱磷能 力，使钢水P含量达到0.002％。

当熔池温度达1580℃时，从高位料仓分2批加入重量为炉料重量的1.2％ 的新鲜石灰，自动流渣，同时进行钢水脱碳。

初炼钢水出钢前加入重量为炉料重量的0.8％的新鲜石灰，抑制炉渣中 P₂O₅随温度升高而分解，引起炉渣回磷，稀释炉渣中P₂O₅含量。

用使用过25次的精炼钢包，采用偏心炉底无渣出钢，在精炼钢包中随出 钢流加入低磷的锰铁、铬铁和钼铁，硅铝钡钙脱氧剂进行预脱氧和合金化。

电炉出完钢后，将钢包吊到LF精炼工位，开通钢包底吹氩气，同时加入 合成渣快速造白渣脱氧、脱硫，缩短低磷钢水在钢包内的停留时间，减少精 炼过程增磷，钢水温度达到1580℃时分批加入低磷的锰铁、铬铁和钼铁，调 整铬、钼、锰和硅合金元素。当钢水磷达到0.006％、硫0.002％、合金成分达 到产品设计要求，温度达到1660℃时，向钢水中喂CaSi线进行钙处理，钙处 理结束后，将精炼钢包吊出LF炉送到VD真空处理工位。

当钢水进行VD真空处理时适当增加吹氩搅拌强度，在真空度≤67Pa下 的保持时间大于15分钟，让钢水与炉渣充分作用，排除钢中的夹杂物和气体。 VD真空处理结束后，将钢水送到连铸工序进行浇铸。

连铸规格为采用20t大容量中间包，钢水液面高度800mm；全 保护浇铸；二冷区采用汽雾冷却，弱冷方式，防止铸坯产生裂纹缺陷，浇铸 的连铸圆坯经表面检查合格后入库。采用本方法生产的P22钢磷含量为 0.007％。

钢液中的磷主要是采用氧化脱磷法去除，得到磷浓度很低的钢。氧化法 是利用氧化剂使钢液中的[P]氧化成P₂O₅，再与加入的、能降低其活度系数的 脱磷剂结合成稳定的复合化合物，而存于熔渣中。在电弧炉冶炼过程中，磷 氧化的同时，金属熔体中易氧化的有价元素也会受到氧化而损失，因此存在 着去磷保合金元素的问题。钢液中[P]的氧化反应为：

2[P]+8(FeO)＝(3FeOP₂O₅)+5[Fe]    (1)

2[P]+8[O]+3[Fe]＝(3FeOP₂O₅)      (2)

由于[P]与[Fe]同时氧化，脱磷基本上按(1)或(2)式进行，形成3FeOP₂O₅产物。但是3FeOP₂O₅的稳定性较差，随着炼钢熔池温度升高，在1500℃以 上难于稳定存在。必须将它转变形成稳定的化合物，降低其在熔渣中的γ_P2O5。

因此脱磷需要氧化剂和脱磷剂，首先把[P]氧化成P₂O₅，再与渣中的脱磷 剂CaO结合形成稳定的化合物溶解在炉渣中。其反应式为：

5(FeO)＝5[O]+5[Fe]

2[P]+5[O]＝(P₂O₅)

(P₂O₅)+4(CaO)＝(4CaO P₂O₅)

从反应式可看出氧化铁与新鲜石灰同时加入时，CaO与P₂O₅能及时结合 形成稳定化合物，提高脱磷效率，尤其是氧化铁与新鲜石灰随炉料同时加入， 效果更佳，其原因是随炉料加入的(FeO)不仅是钢液中磷的氧化剂，而且 (FeO)能直接同P₂O₅结合成3FeOP₂O₅，同时还有促进石灰熔化的作用。在 电弧炉炉料熔化过程中，炉料中的[P]被(FeO)氧化生成P₂O₅或者(FeO) 直接与P₂O₅结合生成3FeOP₂O₅，如果没有脱磷剂CaO及时与其结合形成稳 定的化合物磷酸盐(4CaO P₂O₅)，在电弧高温的作用下，因(P₂O₅)或3FeOP₂O₅不稳定又会分解回到钢液中，起不到脱磷效果，增加电弧炉后期脱磷负担， 大幅度地增加高合金低磷钢生产的难度。从脱磷原理也可知，脱磷是放热反 应，低温、高碱度、高氧化铁是脱磷的必要条件，随炉料装入氧化铁和新鲜 石灰保证了脱磷条件的最佳实现。

从以上实施例可以看出，根据本发明的采用电弧炉生产锅炉用高合金低 磷钢的方法可以生产高合金低磷钢，从而满足锅炉用钢的要求。

尽管已经结合具体实施例描述了本发明，但是本发明的范围不限于以上 具体实施例。本发明的范围由权利要求及其等同物限定，在不脱离本发明范 围的情况下，可以进行各种形式和细节上的修改。