頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐冶煉45#硬線鋼終點硫的控制

鄧南陽，王建軍，吳 堅，潘 軍

(1.安徽工業(yè)大學冶金工程學院，安徽馬鞍山243032；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司長材事業(yè)部，安徽馬鞍山243000)

45#硬線鋼具有較高的強度、良好的延伸及韌性等優(yōu)點，被廣泛用于加工鋼絲繩、彈簧、胎圈等高強度鋼絲，具有廣闊的市場前景[1-3]。硫在45#硬線鋼中主要以硫化物(Mn，F(xiàn)e)S的形式存在，其能顯著降低鋼材的熱加工性能、焊接性能以及抗腐蝕性能[4-5]，故硫含量控制是冶煉45#硬線鋼的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。生產(chǎn)實踐表明[6]，45#硬線鋼中硫的質(zhì)量分數(shù)高于0.015%時，連鑄坯易出現(xiàn)裂紋。因此為生產(chǎn)高品質(zhì)的45#硬線鋼，鋼中硫的質(zhì)量分數(shù)應(yīng)小于0.015%，甚至小于0.001%。河南濟鋼為降低45#硬線鋼終點硫含量，采用低拉碳增碳法來提高轉(zhuǎn)爐脫硫能力，要求轉(zhuǎn)爐終點w(S)≤0.030%，采用造還原性白渣脫硫工藝對鋼水進行精煉，要求出站w(S)≤0.015%[7]；江西新余轉(zhuǎn)爐冶煉45#硬線鋼時，在鋼包精煉爐(Ladle Furnace,LF)采取造堿性白渣脫硫工藝控制終點硫含量，LF脫硫后硫的質(zhì)量分數(shù)可穩(wěn)定在0.015%以下[8]。

馬鋼股份公司長材事業(yè)部（簡稱馬鋼）70 t頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐冶煉45#硬線鋼時，脫硫鐵水在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中回硫嚴重，終點硫的質(zhì)量分數(shù)波動較大（w(S)=0.006%～0.019%），加之采用造酸性渣工藝LF精煉鋼水，不具備后續(xù)脫硫能力，致使成品鋼的硫含量控制不穩(wěn)定，平均回硫質(zhì)量分數(shù)為0.007%，最高達到0.011%，終點硫合格率僅70%。為此，針對馬鋼70 t頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐冶煉45#硬線鋼的生產(chǎn)實踐，在硫的物料平衡計算及轉(zhuǎn)爐脫硫影響因素分析的基礎(chǔ)上，提出減少入爐原料帶入的硫含量和優(yōu)化轉(zhuǎn)爐冶煉工藝參數(shù)等控制措施，為加強45#硬線鋼轉(zhuǎn)爐終點硫含量的控制提供參考。

1 硫的物料平衡

馬鋼45#硬線鋼生產(chǎn)工藝流程為：鐵水預處理（石灰+鎂粉混噴）→70 t頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐→吹氬合金微調(diào)站→LF→六機六流方坯連鑄機（全保護澆注+電磁攪拌）。45#硬線鋼的主要化學成分見表1。

馬鋼轉(zhuǎn)爐在冶煉45#硬線鋼時，鐵水預處理采用石灰+鎂粉混噴深脫硫，脫硫后鐵水成分含量和溫度見表2。轉(zhuǎn)爐主要造渣輔料各組分含量見表3。鐵水平均裝入量58 t，廢鋼比17%，平均出鋼70 t。根據(jù)各工藝階段取樣檢驗硫含量，進行硫的物料平衡分析，結(jié)果如表4。

由表4可看出：馬鋼轉(zhuǎn)爐冶煉45#硬線鋼的過程中，硫收入項中占比最大的物料是廢鋼，其次為造渣輔料及脫硫渣，占比分別為26.17%，24.71%，21.42%，質(zhì)量分別為3.42，3.23，2.80 kg，入爐總硫量為13.07 kg；硫支出項中占比最大的物料是鋼水，其次是轉(zhuǎn)爐渣，占比分別為59.83%和38.33%，質(zhì)量分別為7.82，5.01 kg。

從馬鋼轉(zhuǎn)爐冶煉45#硬線鋼實際脫硫情況來看，硫在渣鋼間的分配比LS為4～8，要達到w(S)≤0.015%冶煉控制目標，就要使LS≥5,入爐總硫量需穩(wěn)定在10 kg以下。由硫的物料平衡分析可知，假使入爐的總硫量13.07 kg全部進入鋼液，則鋼液中硫的質(zhì)量分數(shù)為0.020%，以轉(zhuǎn)爐正常脫硫率為30%計算[9]，鋼液終點硫質(zhì)量分數(shù)為0.014%，符合w(S)≤0.015%冶煉控制目標要求。因此，為實現(xiàn)w(S)≤0.015%的冶煉控制目標，增強轉(zhuǎn)爐渣的脫硫能力，提高硫在渣鋼間的分配比是轉(zhuǎn)爐冶煉45#硬線鋼終點硫控制的關(guān)鍵。

表1 45#硬線鋼主要化學成分Tab.1 Main chemical components of 45#hard wire steel

表2 脫硫后鐵水成分含量及溫度Tab.2 Content and temperature of iron melt after desulfurization

表3 轉(zhuǎn)爐主要造渣輔料各組分含量Tab.3 Content of the main slag charge using in converter

表4 硫的收入項與支出項中各物料硫量及所占比例Tab.4 Content and proportion of Sinthe expenses and receipts

2 轉(zhuǎn)爐渣鋼間硫分配比的影響因素

轉(zhuǎn)爐脫硫反應(yīng)在渣-鋼界面進行，且爐渣離子理論對于堿性氧化渣脫硫的解釋已得到公認[10]，脫硫離子反應(yīng)式為

反應(yīng)式(1)平衡時，平衡常數(shù)KS可表示為

使用飽和石灰的氧化鐵渣條件下，取a(O2-),f(O鋼),a(S2-),f(S鋼)均為1，簡化處理后，得出脫硫離子反應(yīng)式的平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系式

式中：r(S2-)，r(O2-)分別為渣中S2-和O2-的活度系數(shù)；x(S2-),x(O2-)分別為渣中S2-和O2-的摩爾分數(shù)；f(O鋼),f(S鋼)分別為鋼中O和S的活度系數(shù)；w(O鋼)和w(S鋼)分別為鋼中O和S的質(zhì)量分數(shù)。硫分配比可反應(yīng)爐渣的脫硫能力，由式(2)～(4)可知，硫分配比主要與轉(zhuǎn)爐終點溫度、爐渣堿度以及渣中FeO含量有關(guān)。

2.1 溫度對硫分配比的影響

選取35爐轉(zhuǎn)爐終點鋼水及爐渣的硫含量進行測定，分別計算出硫分配比，再根據(jù)對應(yīng)的終點溫度實測值，得出轉(zhuǎn)爐終點溫度與硫分配比的關(guān)系（統(tǒng)計分析方法下同），結(jié)果如圖1。

由圖1可看出，隨著轉(zhuǎn)爐終點溫度的升高，硫分配比相應(yīng)逐漸增大，當轉(zhuǎn)爐終點溫度≥1 630℃時，LS≥5。脫硫反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，溫度升高有利于爐渣脫硫，但熱效應(yīng)值不大（吸熱值在108.2～128.0kJ/mol），故溫度對脫硫反應(yīng)影響不大，高溫主要是促進石灰的溶解和提高爐渣的流動性，從而有利于提高脫硫反應(yīng)速度[11-12]。終點溫度超過1 660℃時，反而易導致終點磷偏高且對爐況維護不利。因此，依據(jù)馬鋼生產(chǎn)實際情況，達到終點w(S)≤0.015%目標，轉(zhuǎn)爐終點溫度可控制在1 630～1 650℃范圍。

2.2 爐渣堿度對硫分配比的影響

根據(jù)轉(zhuǎn)爐終點渣樣堿度及其對應(yīng)的硫分配比，得出冶煉過程中爐渣堿度R與硫分配比LS的關(guān)系，結(jié)果如圖2。

由圖2可知：R=3.7左右時，LS最大；R＜3.7時，LS隨R的升高而增大，這是因隨爐渣堿度的升高，爐渣硫容量變大，脫硫能力增強所致；R＞3.7時，LS隨R的升高而降低，這是因為爐渣黏度明顯增大，爐渣流動性變差，脫硫的動力學條件受限。圖2結(jié)果表明，轉(zhuǎn)爐終點堿度控制在3.5～4.0范圍，可使LS≥5，滿足爐渣脫硫能力要求。

2.3 終渣FeO含量對硫分配比的影響

根據(jù)終點渣樣FeO含量及其相應(yīng)的硫分配比，得出爐渣FeO含量與硫分配比的關(guān)系，結(jié)果如圖3。

由圖3可知：硫在渣鋼間的分配比隨爐渣FeO含量增加而逐漸減小，當爐渣中w(FeO)≤20%時，可滿足LS≥5的要求；當爐渣中w(FeO)＞20%時，爐渣氧化性增強，硫在渣鋼間分配比減小，不利于脫硫反應(yīng)的進行。因此，為使爐渣獲得良好的脫硫效果，控制轉(zhuǎn)爐終渣中w(FeO)=10%～20%。

圖1 轉(zhuǎn)爐終點溫度與硫分配比的關(guān)系Fig.1 Relationship between end point temperature and sulfur distribution ratio in converter

圖2 轉(zhuǎn)爐終渣堿度與硫分配比的關(guān)系Fig.2 Relationship between the slag basicity and sulfur distribution ratio in converter

圖3 爐渣FeO含量與硫分配比的關(guān)系Fig.3 Relationship between FeO content and sulfur distribution ratio in the slag

3 轉(zhuǎn)爐冶煉脫硫控制

3.1 廢鋼硫含量

轉(zhuǎn)爐冶煉45#硬線鋼，選用自循環(huán)方坯及盤螺切頭等優(yōu)質(zhì)低硫廢鋼(w(S)≤0.025%)，廢鋼比控制在15%～17%，控制廢鋼帶入硫的質(zhì)量≤3 kg。

3.2 入爐鐵水硫含量

優(yōu)先安排帶渣量相對較少的魚雷罐鐵水進行鐵水預處理脫硫，噴吹脫硫前，盡量扒除高爐渣，扒渣亮面≥60%，然后噴吹鎂粉和流化態(tài)石灰進行深脫硫，脫硫渣成分見表5。由表5可知，脫硫后渣中含硫量較高，質(zhì)量分數(shù)達1.8%。因此，預處理脫硫后盡量扒除脫硫渣是控制轉(zhuǎn)爐回硫的一個重要環(huán)節(jié)[13]。對此，要求扒渣后亮面≥90%，入爐脫硫渣質(zhì)量≤100 kg，脫硫渣帶入硫的質(zhì)量≤1.8 kg。

表5 脫硫后脫硫渣成分Tab.5 Composition of desulphurization slag after desulphurization

3.3 造渣輔料硫含量控制

確定煉鋼造渣輔料的加入量需同時考慮脫磷和脫硫的要求。冶煉45#硬線鋼時，要求鋼水中w(P)≤0.02%；鐵水中w(Si)=0.30%～0.80%，w(P)=0.09%～1.40%，故優(yōu)先選擇低磷鐵水冶煉。對于高硅鐵水，轉(zhuǎn)爐采用“雙渣法”冶煉工藝，減少造渣輔料用量，控制造渣輔料帶入的硫量≤2.5 kg。

3.4 轉(zhuǎn)爐冶煉過程操作

馬鋼70 t轉(zhuǎn)爐冶煉45#硬線鋼平均每爐供氧時間為13 min，冶煉周期28 min，留渣量約為總裝入量的6%。轉(zhuǎn)爐冶煉過程加料、槍位及供氧流量等操作工藝參數(shù)如圖4。

馬鋼70 t轉(zhuǎn)爐冶煉45#硬線鋼時，過程加料控制為：第一批石灰和輕燒白云石各加入總量的4/5，礦石根據(jù)熱平衡加入總量的3/4，轉(zhuǎn)爐吹煉第一批料適當加重是為了盡快形成高堿度爐渣，提高爐渣脫磷脫硫能力；剩余石灰和輕燒白云石在吹煉6 min前全部加完，剩余礦石根據(jù)爐內(nèi)化渣及熱平衡狀況在吹煉的中后期加入。氧槍槍位及供氧強度控制為：采用變槍位、變流量供氧操作，前期采用低槍位和高供氧強度，加強熔池攪拌，促進化渣；吹煉中期，碳氧反應(yīng)激烈，采用高槍位和低供氧強度，避免爐渣返干；吹煉后期采用低槍位和高供氧強度，加強熔池攪拌，提高渣鋼間反應(yīng)的動力學條件。

圖4 轉(zhuǎn)爐冶煉45#硬線鋼過程操作工藝參數(shù)示意圖Fig.4 Diagrammatic sketch of operating parameters during the smelting 45#hard wire steel

3.5 轉(zhuǎn)爐終點控制

終點采用高拉補吹留碳操作，根據(jù)上述分析結(jié)果，控制轉(zhuǎn)爐終渣堿度R=3.5～4.0，終渣中w(FeO)=10%～20%，溫度在1 630～1 650℃，確保硫在渣鋼間分配比LS≥5，可滿足馬鋼生產(chǎn)45#硬線鋼轉(zhuǎn)爐脫硫熱力學條件。

4 控制效果分析

在馬鋼現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，按照上述轉(zhuǎn)爐冶煉脫硫控制措施，即嚴格控制入爐原輔料硫含量、優(yōu)化轉(zhuǎn)爐冶煉過程工藝參數(shù)等冶煉45#硬線鋼，統(tǒng)計100爐轉(zhuǎn)爐冶煉45#硬線鋼各階段鋼水成分和溫度，結(jié)果如表6。對應(yīng)終點爐渣各組元成分質(zhì)量分數(shù)(平均值)如表7，終點S含量控制統(tǒng)計，結(jié)果如圖5。

由表6，7及圖5可知，轉(zhuǎn)爐終渣堿度為3.68，終渣w(FeO)=18.26%，終點溫度為1 635℃的控制條件下，轉(zhuǎn)爐終點S質(zhì)量分數(shù)平均為0.011%，平均回硫0.004%，硫在渣鋼間分配比達到5.9，轉(zhuǎn)爐終點S控制合格率達到96%。由此表明，采用本文提出的轉(zhuǎn)爐冶煉脫硫控制措施冶煉45#硬線鋼，轉(zhuǎn)爐終點回硫狀況得到明顯改善，轉(zhuǎn)爐終點S質(zhì)量分數(shù)平均為0.011%，實現(xiàn)了終點w(S)≤0.015%的冶煉控制目標，終點硫控制合格率由之前的70%提高到96%。

5 結(jié) 論

1)入爐原輔料中，廢鋼、造渣輔料及脫硫渣帶入的硫量是造成轉(zhuǎn)爐回硫的主要因素。采取選用優(yōu)質(zhì)低硫廢鋼、減少造渣輔料用量及提高扒渣亮面等措施，控制入爐原輔料帶入總硫量≤10 kg，可滿足轉(zhuǎn)爐冶煉45#硬線鋼對原輔料帶入總硫量的要求。

2)轉(zhuǎn)爐冶煉45#硬線鋼時，終點溫度、爐渣堿度及渣中FeO含量是影響轉(zhuǎn)爐脫硫的主要因素?？刂妻D(zhuǎn)爐終渣R=3.5～4.0，w(FeO)=10%～20%，溫度在1 630～1 650℃，有利于提高硫在渣鋼間的分配比。

3)通過嚴格控制入爐原輔料硫含量及優(yōu)化轉(zhuǎn)爐冶煉過程工藝參數(shù)，轉(zhuǎn)爐冶煉45#硬線鋼回硫狀況明顯改善，終點S質(zhì)量分數(shù)平均為0.011%，平均回硫質(zhì)量分數(shù)為0.004%，硫在渣鋼間的分配比達到5.9，終點S控制合格率達到96%。

表6 不同倒爐階段鋼水成分和溫度Tab.6 Component and temperature of molten steel during different stages of turning down

表7 轉(zhuǎn)爐終點爐渣成分Tab.7 Component of end slag of converter

圖5 轉(zhuǎn)爐終點S含量控制情況統(tǒng)計Fig.5 Content statistics of end sulfur control of converter