八鋼管線鋼深脫硫技術的探討

徐鴻飛

摘 要 為了快速有效地實現高級別管線鋼的深脫硫技術，本文通過生產實踐對管線鋼脫硫各影響因素的分析，通過對轉爐出鋼“渣洗”工藝的實施，精煉初煉溫度、渣量、強攪拌工藝等熱力學和動力學條件的改善，實現高級別管線鋼成品[S]≤0.002 0%的深脫硫目標。

關鍵詞 LF爐 深脫硫 渣系

一、前言

隨著輸送石油、天然氣效率的提高， 輸送管徑的加大，高級別管線鋼更趨向高強度、高韌性、低韌脆變溫度和良好的焊接性能的方向發展，而硫含量及硫化物潔凈度作為鋼的潔凈度的重要標志之一，對鋼材性能有重要影響，直接影響到鋼的抗腐蝕性能，以及形成的塑性夾雜物惡化鋼的各向異性。近年來，用戶對低硫鋼和超低硫鋼（ω（S）≤40×10-6）的需求量日益增加，一些特殊用途的高級鋼，對ω（S）的要求往往低于20×10-6，國外有的廠家甚至低于10×10-6。因此，降低硫含量和改變夾雜物形態的鈣處理工藝， 提高板卷的橫向沖擊韌性和減少性能的方向性，是優質生產管線鋼的關鍵工藝。目前八鋼股份煉鋼廠管線鋼生產要求ω（S）≤40×10-6，與國外相比還有很大差距，而八鋼二煉鋼廠采用“三機對四爐”的作業體系，對實現快速深脫硫、提高單機作業率提出了更高的要求。因此，研發管線鋼精煉深脫硫技術及應用具有重要的實用價值。

二、工藝流程

高爐-鐵水預處理-120 t轉爐吹煉-出鋼合金化-LF+RH二次精煉-板坯連鑄-軋制。

三、工藝現狀及影響因素分析

1.LF精煉深脫硫機理。LF深脫硫必須滿足良好的熱力學和動力學條件，而大渣量、高堿度、適當高的鋼水溫度、較低的爐渣氧化性、良好的吹氬攪拌以及鋼水鈣處理是鋼水深脫硫的有利條件。

脫硫反應的基本離子方程可表示為：[S]+（O2-）=[O]+（S2-）

上式是一個吸熱反應，高溫有利于脫硫反應進行。溫度的重要影響主要體現在高溫能促進石灰溶解和提高爐渣流動性。影響鋼水脫硫效果的熱力學因素主要包括：渣的硫容量（CS）和硫在鋼-渣間的分配系數（LS）；鋼水溫度及爐渣黏度。

2.爐渣對脫硫的影響。通常脫硫反應需要提高爐渣的堿度，堿度高，游離的CaO多，或（O2-）增大，有利于脫硫。但過高的堿度，常出現爐渣黏度增加，反而降低脫硫效果。

而從熱力學角度可以看出，脫硫反應是在還原性氣氛中進行，渣中的（FeO）高不利于脫硫。當爐渣堿度高時、流動性差時，爐渣中有一定量的（FeO），可助熔化渣。在實際生產中，當渣中ω（ FeO+ MnO）< 1%時， 脫硫反應速率會得到顯著的提高。當（FeO）<1%時，Ls與（FeO）之間具有線性關系，當（FeO）<0.5%時，Ls顯著提高。但實際生產中，由于LF爐內的還原氣氛較難全過程保持，很難穩定控制（FeO）≤0.5%。對爐渣氧化性的控制目標是（MnO+FeO）<1%。在脫硫反應中，渣中FeO含量與硫分配系數的關系如圖1所示。

圖1 渣中FeO含量與硫分配系數的關系

3.渣量及初煉溫度對脫硫的影響。在實際生產現場，轉爐出鋼下渣過多和備包時間過長，會使鋼中氧含量增加、精煉初始溫度降低，影響造白渣的過程，從而惡化脫硫條件，降低脫硫效率。因此，轉爐擋渣成功率和精煉初始溫度，往往也制約到精煉的脫硫效率。

鋼液最終[S]量與初始鋼液及鋼包頂渣含硫量ΣS和渣量b有關系如下：

[S]=ΣS-（S）×b÷100 （1）

可見，增大渣量有利于脫硫。要取得理想的深脫硫效果，應嚴格控制初始鋼中[S]含量及轉爐出鋼下渣量，并適當增加LF造渣材料的加入量，渣量與脫硫速率的關系如圖2所示。

脫硫反應的平衡常數KS與溫度的關系式為：

lgKS=-5743/T+1.621 （2）

在平衡條件下，KS與溫度成正比，提高溫度有利于脫硫。雖然KS隨溫度的變化值不大，但提高鋼、渣溫度可以改善其流動性，增大鋼渣界面反應面積，提高脫硫速度，從而加速脫硫過程，鋼水溫度與脫硫率的關系如圖3所示。

4.鋼包底吹Ar攪拌對脫硫的影響。鋼包底吹氬攪拌具有兩種功能：一是均勻鋼水的成分與溫度， 促進夾雜的上浮；二是加快渣-鋼的反應。兩種功能在氣體流量的臨界點上下表現是不一樣的。當氣體流量高于臨界點時， 對渣-鋼反應有利。攪拌氣體量增加時，脫硫反應速率急劇增大，原因是渣粒卷入金屬熔池增大了渣-鋼接觸界面，促進了脫硫反應的快速進行，前提條件是[ S]比較高。對于底吹 Ar 攪拌方式， 通過頂渣脫硫，脫硫反應速率在不同[ S] 濃度下， 限制環節是不同的。[ S] ≥0. 005%以上時， Ar 氣的攪拌能力是限制環節；當[ S] ≤0. 005%時， S 的傳質是限制環節。

5.渣系對脫硫的影響。根據精煉渣系的選擇原則，脫硫渣系主要有CaO-CaF2、CaO-CaF2-Al2O3、CaO-SiO2-Al2O3等，其中CaO- CaF2的渣系硫容量最高，其脫硫能力也最強 因此，在不具備噴粉的條件下， 采用CaO- CaF2脫硫單從脫硫角度講，CaF2的含量最好為30%左右，此時計算硫容比可達到140以上，但考慮到鋼包的侵蝕，實際上一般將CaF2含量約控制在15%。但此類渣系需要在溫度較高的冶煉環境下，方可發揮良好的脫硫效果。在實際生產中，往往需要選擇熔點更低、易渣化、吸附夾雜更強的渣系，同時具有經濟高效、能實現快速脫硫，那么，通過CaO-SiO2-Al2O3三元相圖，結合八鋼現有工藝條件，試驗適用于管線類鋼的脫硫工藝，其意義非常深遠。

四、LF精煉深脫硫實踐及操作

1.轉爐出鋼環節的控制。提高轉爐終點一次命中率，降低再次次數，適當提高出鋼溫度，出鋼溫度控制在1 630 ℃以上，充分利用出鋼過程中高溫鋼流的攪拌“渣洗”脫硫，具體措施是在出鋼至20%時左右時，開始短時間內向鋼包內快速地加入合金、脫氧渣等，改善包內頂渣環境，增加鋼水與加料的接觸時間和面積，達到快速形渣、提高脫硫率的目的。除此之外，出鋼過程脫硫率還受到加入量和鋼渣氧化性等動力學條件的影響，采用下渣檢測技術，提高擋渣率，控制包內渣厚低于100 mm，降低轉爐終渣中的TFe含量，提高渣料加入量，可增加相對硫容量，通過降低頂渣熔點來促進鋼-渣以及渣-渣間的界面反應， 既具有提高出鋼過程脫硫率和降低頂渣氧化性的雙重作用。

采用此方法后，降低了LF精煉脫硫的處理時間，縮短了精煉時間，降低精煉電耗，降低精煉勞動強度，快速完成鋼水成分控制，降低了精煉成本，且脫硫率較高，采用轉爐出鋼渣洗脫硫的經驗，平均脫硫率控制為20%～30%，基本實現精煉初始硫小于8×10-6的目標。

2.生產調度環節的控制。采用品種鋼調度系統組織生產，提高鋼包的熱周轉率，降低鋼水的過程溫降，將出鋼至LF精煉環節的閑置時間控制在25 min內，確保精煉初煉溫度在1 540 ℃以上，縮短LF精煉脫硫時間。

3.LF精煉環節的控制。在確保LF精煉有良好初始溫度的前提下，LF精煉冶煉初期采取早化渣、化好渣的控制策略，合理控制爐渣堿度和熔渣的流動性，并根據渣面狀況，適當適時地配加一定量的石灰、高鋁渣球、合成渣等精煉脫氧渣料，也可在渣面撒入少量鋁粒，降低爐渣中TFe含量，根據八鋼工藝現狀，前期渣量宜控制在13 kg/t，中后期根據渣況控制目標渣系；

通過LF精煉前期的造渣、化渣、調渣等環節，將鋼水溫度快速提升至1 560 ℃以上，停電蘸取爐渣判斷氧化性，當渣中w（ FeO）≤1.0%～1.5%時，爐渣呈白色，即通常所說的白渣，是快速脫硫的最佳時機，此時采取吹Ar強攪拌模式進行快速脫氧、脫硫，攪拌時間根據渣樣顏色和脫氧程度約控制在2 min～5 min，攪拌過程中注意爐內氣氛的微正壓操作，并適當加入少量的埋弧劑，避免脫氧鋼水的二次吸氮，此環節脫硫率可達到50%以上，甚至一次將鋼中的[S]直接脫至2×10-6以下；

LF精煉中后期，注重渣系的調節和控制，由于此時鋼水已經處于強還原氣氛狀態，脫硫水平已經減緩，鋼液中的[S]已經接近或者達到控制目標，吹氬氣流宜控制不裸露鋼液面為標準，適當調整活性石灰的加入量，控制目標精煉頂渣指標為：CaO≈50%～60%，SiO2≤6%，Al2O3≈20%～30%，為控制鋼液吸所及脫除夾雜物創造條件。

為確保脫硫效果和夾雜物的變性處理，冶煉末期需要進行鈣處理作業，同時注意控制鋼中的酸溶鋁[Als]=0.025%～35%之間，鈣處理時，合理控制喂線速度和節奏，避免鋼液面發生強烈鈣蒸氣反應，確保夾雜物的變性和實現脫硫的雙贏效果。

五、工藝效果

八鋼通過開展對管線鋼快速深脫硫技術的工藝實踐，結合原有工藝環境，有針對性地采取了一系列的工藝優化，圖4是對工藝實施前后X70管線鋼脫硫水平的控制效果圖（各隨機取12爐次的樣本）。

圖4 工藝實施前后X70管線鋼脫硫水平控制效果圖

上述控制曲線顯示，工藝改進前成品[S]控制波動較大，且靠近成分上限值爐次較多，工藝優化后，成品[S]控制線較為平穩，說明工藝得到穩定化和可控化，最好值達到了[S]=0.001 1%的水平，最高值也只有0.002 0%，平均值達到了0.001 59%，實現了控制目標。

六、結論

通過對脫硫一系列熱力學和動力學條件的分析和實踐，結合八鋼現有煉鋼環境和工藝特點，在開展管線鋼深脫硫的實踐中，LF精煉生產X70系列管線鋼可以實現40 min內快速將[S]從0.008%深脫硫降至0.002%以下。而要實現此冶煉周期，需要滿足以下條件：

（1）控制好轉爐出鋼環節的“渣洗”脫硫，杜絕出鋼過程的下渣，確保包內形成良好的頂渣和預脫氧條件，確保出鋼過程中的脫硫率，降低精煉環節初始硫和化渣時間；

（2）提高鋼水出鋼溫度，減少鋼水的閑置時間，確保LF精煉初煉溫度在1 540 ℃以上，縮短LF精煉脫硫時間，爭取早化渣、化好渣，降低爐渣中TFe含量，當渣中w（ FeO）≤1.0%～1.5%時，抓住快速脫硫的最佳時機，采取吹Ar強攪拌模式進行快速脫氧、脫硫，攪拌時間根據渣樣顏色和脫氧程度約控制在2 min～5 min；

（3）控制目標精煉頂渣指標為：CaO≈50%～60%，SiO2≤6%，Al2O3≈20%～30%，為控制鋼液吸所及脫除夾雜物創造條件。

參考文獻

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