陳晨，于海岐，尹宏軍，趙自鑫，馬寧，王富亮，李超

（鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司，遼寧 營(yíng)口115007）

目前，超低碳超低硫鋼被廣泛應(yīng)用于石油管線、電工、核電、橋梁、模具等制造行業(yè)，對(duì)鋼中硫含量的控制提出了很高要求。鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司 （以下簡(jiǎn)稱 “鲅魚(yú)圈分公司”）冶煉無(wú)取向硅鋼 （50AW1300、50AW800）、IF鋼和工業(yè)純鐵 （ACT、FJACT、DYCT）等超低碳超低硫鋼成品時(shí)，硫含量要求在0.006 0%以下，以減少鑄坯裂紋發(fā)生率及成分偏析。在實(shí)際生產(chǎn)中，為保證高爐穩(wěn)定順行，加入釩鈦礦護(hù)爐，產(chǎn)生了大量高釩鈦含量的鐵水，這種鐵水渣子粘稠，渣鐵分離差，影響鐵水預(yù)處理過(guò)程硫的命中率以及轉(zhuǎn)爐回硫。為此，需要提高鐵水預(yù)處理和轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程的深脫硫能力。鲅魚(yú)圈分公司分析了鐵水預(yù)處理和轉(zhuǎn)爐冶煉工序?qū)α蚝康挠绊懼螅扇×艘幌盗锌刂拼胧?，滿足了該鋼種鑄坯硫含量的要求，能夠在現(xiàn)有的工藝條件下大批量穩(wěn)定冶煉超低碳超低硫鋼種。

1 超低碳超低硫鋼鑄坯工藝流程

超低碳超低硫鋼鋼水如果先進(jìn)LF爐脫硫，則需先脫氧，進(jìn)RH后則要吹入大量氧氣來(lái)脫碳，嚴(yán)重影響鋼液純凈度；若鋼水后進(jìn)LF爐脫硫，則無(wú)法避免電極增碳現(xiàn)象［1］。因此，超低碳超低硫鋼種生產(chǎn)工藝流程為：鐵水鎂鈣復(fù)合噴吹脫硫—260 t轉(zhuǎn)爐冶煉—RH脫碳—連鑄。表1為2018年高爐鐵水成分，查閱2017年的數(shù)據(jù)計(jì)算得出，鐵水鈦含量增加了66%，釩含量增加了68%。

表1 高爐鐵水成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Compositions(Mass Fraction)of Hot Metal in BF%

2 鐵水預(yù)處理對(duì)脫硫的影響分析

2.1 鐵水成分的影響

影響鐵水粘結(jié)性的主要元素是鈦，由于鈦在鐵水中的溶解度很小，當(dāng)超過(guò)其溶解度后會(huì)以TiC形態(tài)從鐵水中析出。而TiC的熔點(diǎn)高達(dá)3 150℃，故呈固體微粒狀態(tài)散布在鐵水中。當(dāng)TiC含量達(dá)到一定程度后，將使鐵水的粘度急劇增大。而鐵水釩含量的增加，會(huì)提高鐵水融化溫度和凝固溫度，進(jìn)一步影響脫硫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件。同時(shí)，鐵水中的鈦和釩是對(duì)硫活度系數(shù)降低影響最大的元素，因?yàn)樵蠺i和V主要以酸性的 TiO2、V2O5形式存在，粘度大，降低渣鐵之間的傳質(zhì)速率，影響脫硫反應(yīng)熱力學(xué)條件。因此，從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面，Ti、V的存在都降低了鎂的利用率，而且渣鐵不易分離，扒渣鐵損大。圖1所示為脫硫目標(biāo)0.001 0%的鐵水鈦含量與轉(zhuǎn)爐回硫量的關(guān)系。由圖1看出，轉(zhuǎn)爐回硫量隨鐵水鈦含量的增加呈線性增加，當(dāng)Ti含量大于0.085%以后，轉(zhuǎn)爐回硫量平均達(dá)0.004 5%以上。

圖1 鐵水鈦含量與轉(zhuǎn)爐回硫量的關(guān)系Fig.1 Relationship between Content of Titanium in Hot Metal and Resulfurization Quantity in Converter

2.2 脫硫量的影響

圖2所示為高釩鈦鐵水脫硫目標(biāo)硫含量與轉(zhuǎn)爐回硫量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如圖2所示，脫硫目標(biāo)控制在0.003 0%～0.005 0%時(shí)，爐內(nèi)平均回硫量在0.004 0%～0.005 0%；脫硫目標(biāo)控制在0.001 0%～0.003 0%時(shí)，爐內(nèi)平均回硫量可控制在0.004 0%左右。鑒于大部分超低碳低硫鋼成品硫上限為0.006 0%，因此鐵水預(yù)處理脫硫后硫含量定為0.001 0%，實(shí)際生產(chǎn)中必須控制在0.002 0%以下，如果超出脫硫目標(biāo)上限，則須進(jìn)行補(bǔ)吹。

圖2 鐵水脫硫目標(biāo)硫含量與轉(zhuǎn)爐回硫量的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.2 Corresponding Relationship between Target Content of Sulfur after Desulphurization in Hot Metal and Resulfurization Quantity in Converter

2.3 扒渣的影響

鐵水預(yù)處理工藝脫硫后，鐵水表面大量的脫硫渣必須扒除，因?yàn)榘浅粌舻臍堅(jiān)诤笮蜣D(zhuǎn)爐冶煉時(shí)會(huì)造成鋼液“回硫”現(xiàn)象。當(dāng)冶煉超低碳超低硫鋼時(shí)，“回硫”現(xiàn)象更加嚴(yán)重。反應(yīng)方程式如下：

由此看出，“扒渣”與“脫硫”相輔相成，是穩(wěn)定脫硫最終效果的關(guān)鍵，冶煉超低碳超低硫鋼時(shí)要將脫硫渣徹底扒凈。原操作工藝鐵水進(jìn)脫硫站后，直接進(jìn)行粉劑噴吹，這種作業(yè)方式在常規(guī)冶煉狀態(tài)下沒(méi)有問(wèn)題，但在高釩鈦鐵水條件下冶煉時(shí)，因鐵水渣中含有 TiO2、V2O5等不利于脫硫的組分［1］，粉劑噴吹以后，渣子粘稠，渣鐵不易分離，造成扒渣過(guò)程鐵水罐罐沿、扒渣板粘渣嚴(yán)重，導(dǎo)致硫命中率低、扒損大、渣子難以徹底扒凈。

3 轉(zhuǎn)爐冶煉對(duì)硫含量的影響分析

3.1 高釩鈦鐵水對(duì)硫含量的影響

轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程熔池中的脫硫方式主要為熔渣脫硫。FeS首先由鋼液擴(kuò)散至熔渣中，遇熔渣中CaO（或MnO）生成CaS（或MnS），只溶于熔渣中。 即：

上述反應(yīng)均為吸熱反應(yīng)。在低FeO含量、高溫、高CaO、MnO含量的條件下，上述反應(yīng)向正反應(yīng)方向移動(dòng)，對(duì)脫硫有利。脫硫與脫磷一樣，都是界面反應(yīng)，需要進(jìn)行充分的熔池?cái)嚢杼峁┓磻?yīng)動(dòng)力學(xué)條件，保證熔渣必須具有良好的流動(dòng)性，同時(shí)適當(dāng)?shù)拇笤恳矊?duì)脫硫有利［2］。

在轉(zhuǎn)爐冶煉氧化性條件下，爐渣中的TiO2、V2O5會(huì)顯著降低轉(zhuǎn)爐渣熔點(diǎn)。在高釩鈦鐵水條件下，冶煉前期來(lái)渣快，過(guò)程爐渣活躍，極易發(fā)生跑渣噴濺現(xiàn)象，一方面易損壞設(shè)備，不利于爐襯維護(hù)，影響鋼鐵料指標(biāo)；另一方面，渣量損失影響轉(zhuǎn)爐脫磷、脫硫。

3.2 終點(diǎn)溫度對(duì)硫含量的影響

高溫不僅有利于石灰的熔化，還可以改善熔渣流動(dòng)性和加速擴(kuò)散。鲅魚(yú)圈分公司轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水溫度與硫的分配比LS的關(guān)系如圖3所示。由圖3可看出，隨著轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度的提高，硫的分配比隨之增加。

圖3 轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)鋼水溫度與硫的分配比LS的關(guān)系Fig.3 Relationship between Temperature of Molten Steel at End Point and Sulfur Distribution

3.3 轉(zhuǎn)爐渣對(duì)硫含量的影響

轉(zhuǎn)爐渣的主要成分是 CaO、SiO2、TFe、MgO、MnO、P2O5，爐渣堿度和TFe含量直接影響硫含量。圖4為爐渣堿度與硫的分配比LS的關(guān)系。由圖4可知，R=3.4 左右時(shí)，LS最大；R＜3.4 時(shí)，LS隨 R 升高而增大。這是因?yàn)殡S著爐渣堿度的升高，爐渣硫容量變大，脫硫能力增強(qiáng)所致；R＞3.4時(shí)，LS隨R升高而降低，這是因?yàn)闋t渣粘度明顯增大，爐渣流動(dòng)性變差，脫硫動(dòng)力學(xué)條件受限。

圖4 爐渣堿度與硫的分配比LS的關(guān)系Fig.4 Relationship between Slag Basicity and Sulfur Distribution

TFe含量對(duì)硫分配比產(chǎn)生影響主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)爐內(nèi)發(fā)生氣化脫硫反應(yīng)，約占脫硫總量的10%～30%。由于硫與氧的親和力比碳與氧、硅與氧的低很多，所以鋼液中只要有碳、硅存在，硫被直接氧化的可能性就很小。氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐內(nèi)的氣化脫硫也是通過(guò)熔渣進(jìn)行，氣化脫硫率隨TFe含量提高而增加。 其反應(yīng)式如下［3］：

但是當(dāng)TFe含量增加時(shí)，又影響到爐渣脫硫，反應(yīng)式如下：

當(dāng)TFe含量增加時(shí)，爐渣反應(yīng)向反方向移動(dòng)，硫在渣鋼間的分配比隨爐渣TFe含量增加而逐漸減小。圖5為TFe含量與硫的分配比LS的關(guān)系。

圖5 爐渣TFe含量與硫的分配比LS的關(guān)系Fig.5 Relationship between Total Content of Fe in Slag and Sulfur Distribution

由圖5看出，當(dāng)爐渣中TFe含量≤21%時(shí)，可滿足LS≥6的要求；當(dāng)爐渣中TFe含量＞21%時(shí)，爐渣氧化性增強(qiáng)，硫在渣鋼間分配比減小，不利于脫硫反應(yīng)進(jìn)行。

3.4 其它因素對(duì)硫含量的影響

（1）留渣影響。轉(zhuǎn)爐出鋼后需進(jìn)行濺渣護(hù)爐操作，導(dǎo)致約有1/3的爐渣留在轉(zhuǎn)爐內(nèi)，渣中平均硫含量達(dá)到0.052%；下一爐鋼液冶煉時(shí)，殘留渣熔化與新生成爐渣混合，使?fàn)t渣中硫含量升高，降低了爐渣的整體脫硫能力，增大回硫量［4］。

（2）廢鋼影響。目前轉(zhuǎn)爐冶煉所使用的廢鋼中都有一定的含硫量，普通廢鋼含硫0.020%、生鐵含硫0.026%、粒鐵含硫超過(guò)0.030%，含硫廢鋼加入量越多，對(duì)轉(zhuǎn)爐脫硫的影響越大。在冶煉成品硫含量0.010 0%以上的鋼種時(shí)，普通廢鋼的加入不會(huì)對(duì)品種質(zhì)量產(chǎn)生大的影響，在冶煉工業(yè)純鐵等超低碳超低硫鋼種時(shí)，回硫量的增加會(huì)帶來(lái)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

4 采取的措施

（1）優(yōu)先選擇鐵水Ti含量＜0.085%以下罐次的鐵水，采取先扒渣后噴粉脫硫的工藝來(lái)保證脫硫命中率。采取該預(yù)處理工藝后，鐵水脫硫命中率達(dá)90.5%以上。

（2）為提高扒渣效果，降低扒損，在高釩鈦鐵水條件下，采用“兩扒一脫”處理方法，即鐵水進(jìn)站后先將鐵水表面固態(tài)渣扒除，然后復(fù)合噴吹脫硫，之后扒渣，同時(shí)配合涌動(dòng)扒渣槍，可降低脫硫粉劑消耗，防止高釩鈦爐渣對(duì)脫后渣粘度的影響，既能提高硫命中率，又能降低二次扒渣強(qiáng)度，提高扒渣效果。

（3）為減少爐渣回硫，轉(zhuǎn)爐冶煉之前，使用入爐鐵水硫含量≤0.005%的扒渣鐵水涮爐一次，并不允許留渣操作，將熔渣全部倒凈。

（4）轉(zhuǎn)爐操作時(shí)，當(dāng)鐵水釩含量超過(guò)0.012%（或鈦含量超過(guò)0.10%），硅含量超過(guò)0.5%時(shí)，轉(zhuǎn)爐必須采用雙渣操作。冶煉時(shí)下槍打火后迅速降槍到220 cm，深槍攪拌 2.5～3.0 min，之后每間隔 20～30 s將氧槍抬起20 cm，逐步抬至300 cm。冶煉5～6 min時(shí)，密切觀察爐口火焰狀態(tài)，火焰呈現(xiàn)白亮，爐口甩出顆粒狀爐渣時(shí)，抬槍放渣。放渣時(shí)盡量放出更多的渣子，避免渣子剩余過(guò)多導(dǎo)致后期爐渣不易控制。放渣以后再次下槍時(shí)，將氧氣流量調(diào)整為48 000 m3/h，氧槍槍位300 cm打火，緩解鐵水與氧氣瞬間反應(yīng)過(guò)大造成煙塵外溢。打著火后，將氧氣流量調(diào)回57 000 m3/h，慢慢降槍，控制爐渣，30～60 s后槍位穩(wěn)定在220 cm，重新加料造渣。采用這種方式后，有效避免了高釩鈦鐵水冶煉過(guò)程的跑渣噴濺現(xiàn)象，保證了冶煉時(shí)的渣量要求，滿足脫硫條件。

考慮到高溫給脫磷以及爐襯維護(hù)帶來(lái)的影響，將出鋼溫度控制為1 690℃。轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)渣的堿度控制在3.0～4.0，TFe含量控制在21%以下。

（5）為降低廢鋼導(dǎo)致的增硫量，冶煉時(shí)使用硅鋼專用廢鋼（含硫0.010%），且廢鋼量控制在35 t以下，最大限度降低廢鋼導(dǎo)致的增硫量。

5 取得的效果

采取上述措施后，降低了超低碳超低硫鋼種鑄坯的硫含量，實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有工藝條件下該鋼種的大批量穩(wěn)定冶煉。檢測(cè)41罐鐵水預(yù)處理后的鋼水硫含量，繪制I-MR控制圖，見(jiàn)圖6。

圖6 超低硫鋼鐵水預(yù)處理脫硫后硫含量I-MR控制圖Fig.6 I-MR Control Chart for Content of Sulfur in Ultra-low Sulfur Liquid Steel after Desulfurization Pretreatment

由圖6看出，脫硫后平均硫含量中心控制線為0.001 623%，所有的檢測(cè)數(shù)據(jù)均處于上、下限控制值之間，說(shuō)明了脫后硫的控制達(dá)到了六西格瑪標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了鐵水預(yù)處理后硫的穩(wěn)定控制。計(jì)算得出脫后硫含量控制在0.002 0%以下的合格率達(dá)95.3%。

統(tǒng)計(jì)41組2019年1～7月超低碳超低硫鋼鑄坯的硫含量，繪制I-MR控制圖見(jiàn)圖7。由圖7可知，硫含量控制水平達(dá)0.004 5%以下，平均為0.003 464%，約為0.003 5%，實(shí)現(xiàn)了鑄坯硫含量的穩(wěn)定控制。

圖7 超低硫鋼鑄坯硫含量I-MR控制圖Fig.7 I-MR Control Chart for Content of Sulfur in Ultra-low Sulfur Casting Blank

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合高釩鈦鐵水冶煉超低碳超低硫鋼的生產(chǎn)實(shí)踐，分析了鐵水預(yù)處理和轉(zhuǎn)爐冶煉工序各關(guān)鍵因素對(duì)鋼中硫含量控制的影響。工業(yè)實(shí)踐表明：

（1）冶煉超低碳超低硫鋼種時(shí)，選取Ti含量＜0.085%以下罐次的鐵水，鐵水脫硫目標(biāo)控制在0.001 0%。采取先扒渣后噴粉脫硫的“兩扒一脫”預(yù)處理工藝，鐵水脫硫命中率達(dá)90.5%以上，脫后硫含量控制在0.002 0%以下的合格率達(dá)95.3%。

（2）轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)，使用入爐鐵水硫含量≤0.005 0%的扒渣鐵水涮爐一次。轉(zhuǎn)爐前一爐次冶煉后不留渣，使用硅鋼專用廢鋼控制在35 t以下，控制目標(biāo)出鋼溫度1 690℃，爐渣堿度控制在3.0～4.0，終渣TFe含量控制在21%以下。

（3）采取上述措施后，超低碳超低硫鋼鑄坯的硫含量可控制在0.004 5%以下，平均為0.003 5%。