馬鋼硬線鋼硫含量控制的生產(chǎn)實(shí)踐

鄧南陽，徐 露，潘 軍

(1.安徽工業(yè)大學(xué) 安徽馬鞍山 243032；2.馬鋼股份公司長(zhǎng)材事業(yè)部 安徽馬鞍山 243000)

硫在鋼中主要以硫化物(Mn、Fe)S的形式存在，能夠降低鋼的韌性，對(duì)鋼材的熱加工性能、焊接性能、抗腐蝕性能均有一定影響，并顯著降低鋼材的抗氫致裂紋(HIC)的能力[1]。硫化錳夾雜是鋼基體點(diǎn)腐蝕的發(fā)源地，鋼的氫脆也與鋼中硫化物夾雜密切相關(guān)。因此，最大限度地降低鋼中硫含量對(duì)鋼材的加工性能和使用性能具有重要意義。目前，鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制、以及豐富的爐外精煉手段，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼中硫元素的有效控制，國內(nèi)某些鋼廠的高級(jí)管線鋼、深沖鋼、IF鋼中的硫含量w(S)為控制在8×10-6以下[2]。但由于各廠的原料水平、生產(chǎn)工藝流程、設(shè)備條件以及鋼種自身對(duì)硫含量的要求不同，故而依照各廠自身特點(diǎn)進(jìn)行鋼中硫的有效控制具有重要意義。

依據(jù)工藝要求，馬鋼生產(chǎn)低硫高碳硬線鋼，LF造酸性渣不具備脫硫能力，通過鐵水預(yù)處理深脫硫，轉(zhuǎn)爐煉鋼嚴(yán)格控制回硫，達(dá)到成品鋼中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)滿足小于0.015%的要求。本文重點(diǎn)介紹鐵水預(yù)處理脫硫和轉(zhuǎn)爐回硫的控制實(shí)現(xiàn)低硫高碳硬線鋼的穩(wěn)定生產(chǎn)情況。

1 生產(chǎn)工藝流程

馬鋼70t轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)低硫高碳硬線鋼的工藝流程為：鐵水預(yù)處理-轉(zhuǎn)爐煉鋼-LF-方坯連鑄。由于LF造酸性渣，不具備后序的脫硫能力，所以鐵水預(yù)處理脫硫和轉(zhuǎn)爐煉鋼控制回硫是冶煉低硫高碳硬線鋼的關(guān)鍵，其主要化學(xué)成分見表1：

表1 硬線鋼主要化學(xué)成分 %

2 鐵水預(yù)處理脫硫

鐵水中硫的活度系數(shù)大，所以鐵水預(yù)處理脫硫效果最好且成本低，在鋼鐵生產(chǎn)流程中，鐵水預(yù)處理脫硫是生產(chǎn)低硫鋼的重要環(huán)節(jié)。

鐵水預(yù)處理脫硫工藝流程：高爐鐵水-鐵水脫硫扒渣-轉(zhuǎn)爐鐵水罐-扒渣-深脫硫-扒渣-轉(zhuǎn)爐。鐵水成分見表1，噴吹脫硫前，盡量扒除高爐鐵水渣，扒渣亮面大于90%，然后噴吹鎂粉和流態(tài)化石灰進(jìn)行深脫硫，經(jīng)處理后鐵水中硫含量﹤0.005%，脫硫率87%以上。為保證扒渣效果，鐵水渣中加入凝渣劑，脫硫扒渣后，亮面大于90%，扒渣鐵損﹤13 kg/t。脫硫后鐵水渣成分見表2。

表2 馬鋼鐵水成分和溫度

表3 脫硫后鐵水渣成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

來自鐵水包鐵水帶渣量較大平均為0.8t，而魚雷罐鐵水的帶渣量平均為0.4t，為了穩(wěn)定脫硫率及減少扒渣鐵損，安排魚雷罐鐵水進(jìn)行鐵水預(yù)處理。由表2可已看出，脫硫后鐵水渣中的含硫量為1.8%，是冶煉低硫高碳硬線鋼轉(zhuǎn)爐終渣中硫含量(0.65%)的3.3倍，脫硫后鐵水帶渣量每增加50 kg，回硫量增加0.001%。所以預(yù)處理脫硫后盡量扒除脫硫渣是控制轉(zhuǎn)爐回硫的一個(gè)重要措施。

3 轉(zhuǎn)爐冶煉回硫控制

3.1 入爐原料的控制

經(jīng)過鐵水預(yù)處理脫硫，保證脫硫后鐵水中w(S)﹤0.005%，脫硫后扒渣，亮面大于90%，鐵水渣量小于100 kg。轉(zhuǎn)爐冶煉主要用的造渣料為石灰、搶燒白云石、冷壓球和鐵礦石。廢鋼全部采用內(nèi)部自循環(huán)優(yōu)質(zhì)低硫廢鋼，廢鋼比為21%(冶煉一般鋼種爐廢鋼比為19%)，由于化渣劑鐵礦石和冷壓球中的含硫量較高，提高入爐廢鋼比，可以減少鐵礦石的加入量(比冶煉一般鋼種減少了約10 kg/t)。為保證終渣堿度及控制爐內(nèi)渣量，鐵水w(Si) ﹥0.60%時(shí)，進(jìn)行造雙渣冶煉操作。爐冶煉一般鋼種終渣硫含量為0.11%，故冶煉一般鋼種接著冶煉低硫高碳硬線鋼時(shí)不留渣，重新造渣進(jìn)行冶煉，連續(xù)生產(chǎn)時(shí)采用全留渣操作，留渣量一般控制在總渣量的1/3-1/2。

3.2 吹煉過程控制

研究表明[3]-[4]，冶煉低硫鋼時(shí)，轉(zhuǎn)爐熔池內(nèi)存在明顯的回硫現(xiàn)象。在冶煉初期爐內(nèi)起渣后，造渣料及脫硫渣中的硫使熔池硫含量升高，冶煉中期廢鋼熔化后，爐內(nèi)熔池的硫含量達(dá)到最高峰，吹煉中后期，隨著爐渣堿度和熔池溫度的升高，熔池中硫被最大限度的脫除。生產(chǎn)中造渣料采取的加入量和時(shí)機(jī)為：頭批石灰加入總量的約4/5，輕燒白云石加入總量的約1/2，冷壓球和礦石依據(jù)熱平衡加入總量的約1/3。采用留渣操作，頭批料適當(dāng)加重，能夠保證前期化好渣，為避出現(xiàn)后期加入的石灰未完全熔化的現(xiàn)象，剩余石灰在吹煉8min前加完。為控制較高的過程熔池溫度，使廢鋼盡早熔化，以保證后期脫硫效率，并控制終點(diǎn)溫度不過高以保證脫磷率，剩余冷料在吹煉的后期少量分批加入。吹煉過程搶位及流量的控制：前期采用中等槍位(1.5±0.1)m和高供氧強(qiáng)度(14000±2000)m3/h，加強(qiáng)熔池?cái)嚢?，促進(jìn)化渣。爐內(nèi)起渣后搶位調(diào)整到(1.3±0.1)m，供氧強(qiáng)度調(diào)整為(133000±2000)m3/h，吹煉中期，碳氧反應(yīng)激烈，采用高槍位(1.7±0.1)m和中等供氧強(qiáng)度(135000±2000)m3/h，以緩解和避免爐渣返干；吹煉后期采用中等供氧強(qiáng)度并不斷變化搶位保持爐內(nèi)熔渣的活躍性，倒?fàn)t前1min及補(bǔ)吹階段，采用低搶位(0.9±0.1)m和高供氧強(qiáng)度(14000±2000)m3/h，加強(qiáng)熔池?cái)嚢?，提高渣鋼間反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件。

3.3 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)硫狀況

3.3.1 終點(diǎn)鋼水及爐渣成分

對(duì)46爐終點(diǎn)鋼水成分及終點(diǎn)渣成分的統(tǒng)計(jì)見表4和表5。

表4 倒?fàn)t及終點(diǎn)鋼水成分

表5 終點(diǎn)爐渣成分 %

轉(zhuǎn)爐冶煉采用高拉補(bǔ)吹兩倒出鋼模式，一倒鋼液的平均硫含量為0.013%，終點(diǎn)的平均硫含量為0.012%，補(bǔ)吹一次的平均脫硫量為0.001%，因此，一倒鋼液中硫含量反應(yīng)了轉(zhuǎn)爐控制回硫的水平，故而在吹煉的后期形成高溫、高堿度、低氧化鐵的脫硫有利條件是轉(zhuǎn)爐脫硫的關(guān)鍵時(shí)期。經(jīng)LF后，成品中平均硫含量為0.011%。生產(chǎn)各工序平均硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化如圖1所示。

3.3.2 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)對(duì)硫分配比的影響

鋼渣間脫硫是吸熱反應(yīng)[5]，高溫有利于脫硫，其吸熱反應(yīng)熱為108.2 kg/mol-128 kg/mol，熱效應(yīng)值不大，溫度對(duì)脫硫反應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在能夠促進(jìn)化渣和提爐渣的流動(dòng)性。從圖2可以看出，硫在渣鋼間的分配比Ls隨溫度的提高呈逐漸增加的趨勢(shì)。依據(jù)轉(zhuǎn)爐渣的離子理論，提高爐渣中堿性氧化物的濃度，主要是渣中CaO含量，渣中O-2濃度高，有利于脫硫。從圖3可以看出，提高爐渣堿度有利于提高硫在渣鋼間的分配比Ls，但是過高的堿度使得爐渣的流動(dòng)性變差，渣鋼分離效果差，增加鋼鐵料消耗。爐渣中FeO含量高意味著鋼液中[O]增加，不利于脫硫，但在高堿度爐渣中，在一定范圍內(nèi)提高渣中FeO含量的可以增加爐渣的流動(dòng)性，改善脫硫的動(dòng)力學(xué)條件，有利于提高硫在渣鋼間的分配比Ls。從圖4可以看出，渣中FeO含量超過20%，則不利于脫硫。

圖1 各工序硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均變化趨勢(shì)

依據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，轉(zhuǎn)爐終渣堿度為3.5-4.0，終渣FeO﹤20%，終點(diǎn)溫度為1630 ℃-1350 ℃的控制條件下，渣鋼間硫的平均分配比Ls為5.4，依照目前的目前入爐原料的控制水平和轉(zhuǎn)爐冶煉工藝生產(chǎn)可以滿足低硫高碳硬線鋼成品w(S)≤0.015%的要求。同時(shí)，由于入爐鐵水磷含量較高，所以轉(zhuǎn)爐在最大限度控制回硫的同時(shí)，兼顧較重的脫磷的任務(wù)。合適的終渣堿度及適當(dāng)降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度及進(jìn)行留碳操作，一方面有利于終點(diǎn)磷的控制，另一方面有利于降低鋼液中的氧含量，減少脫氧劑的用量，為獲得高潔凈度鋼水提供了條件。

圖2 Ls與轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度的關(guān)系

圖3Ls與終渣堿度的關(guān)系

圖4Ls與終渣FeO含量的關(guān)系

3.4 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)硫的物料平衡分析

表6 吹煉終點(diǎn)硫的物料平衡

從表6可以看出，鐵水帶入硫占總硫量的23.2%，廢鋼占19.5% ，造渣劑占25.1%，留渣量占17.6%，脫硫渣占14.6%。入爐鐵水S≤0.005%，廢鋼帶入的硫?yàn)?.004%，兩者帶入熔池中的硫含量為0.009%，造渣料和脫硫渣帶入的硫大于爐渣脫除的硫，成為轉(zhuǎn)爐回硫的重要原因，轉(zhuǎn)爐的平均回硫量為0.007%。即使入爐的總硫量12.47 kg全部進(jìn)入鋼液，則鋼液的硫含量為0.019%，以轉(zhuǎn)爐正常脫硫率為30%，終點(diǎn)鋼液的硫含量為0.013%，這與實(shí)際控制的終點(diǎn)平均硫含量為0.012%極為相符。由此可見，轉(zhuǎn)爐回硫的控制核心為，一方面控制入爐的總硫含量，另一方面要增強(qiáng)轉(zhuǎn)爐渣的脫硫能力，提高硫在渣鋼間的分配比，促進(jìn)硫進(jìn)入渣中。

4 結(jié)論

(1)依據(jù)工藝要求，由于LF造酸性渣不具備脫硫能力，所以鐵水預(yù)處理脫硫和轉(zhuǎn)爐控制回硫成為冶煉高碳硬線低硫鋼的關(guān)鍵。

(2)經(jīng)鐵水預(yù)處理脫硫后，鐵水S≤0.005%，扒渣后亮面大于90%，脫硫率大于87%，脫硫后鐵水渣量控制小于100 kg。控制低的鐵水硫含量及最大限度地扒除脫硫渣是鐵水預(yù)處理的關(guān)鍵。

(3)轉(zhuǎn)爐終渣堿度為3.5-4.0，終渣FeO﹤20%，終點(diǎn)溫度1630 ℃-1650 ℃，渣鋼間硫的平均分配比Ls為5.4，終點(diǎn)硫?yàn)?.012%。

(4)控制入爐原料總硫量是控制轉(zhuǎn)爐回硫的重要措施，采用自循環(huán)低硫廢鋼，提高廢鋼比，控制造渣料代入的硫含量，入爐的總硫量為12.47 kg，在造渣料和脫硫渣帶入的硫含量大于爐渣脫硫能力的情況下，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的硫含量依然可以滿足生產(chǎn)要求。

[1] 楊森祥.潔凈鋼生產(chǎn)中硫的控制大型轉(zhuǎn)爐煉鋼脫硫的研究[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011,33(1):151

[2] 潘秀蘭,李震,王艷紅,等.國內(nèi)外純凈鋼生產(chǎn)先進(jìn)技術(shù)[J].煉鋼,2007, 23(1):59

[3] 周俐,劉國平,丁長(zhǎng)江.120t轉(zhuǎn)爐熔池硫行為的研究[J].鋼鐵,2007, 42(10):29

[4] 楊文元,鄭從杰,杜昆,等.大型轉(zhuǎn)爐煉鋼脫硫的研究[J].鋼鐵,2002,37(12):14

[5] 朱苗勇.現(xiàn)代冶金學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2001