高釩鈦鐵水冶煉超低碳超低硫鋼生產實踐

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圈鋼鐵分公司，遼寧 營口115007）

目前，超低碳超低硫鋼被廣泛應用于石油管線、電工、核電、橋梁、模具等制造行業，對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圈鋼鐵分公司 （以下簡稱 “鲅魚圈分公司”）冶煉無取向硅鋼 （50AW1300、50AW800）、IF鋼和工業純鐵 （ACT、FJACT、DYCT）等超低碳超低硫鋼成品時，硫含量要求在0.006 0%以下，以減少鑄坯裂紋發生率及成分偏析。在實際生產中，為保證高爐穩定順行，加入釩鈦礦護爐，產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，影響鐵水預處理過程硫的命中率以及轉爐回硫。為此，需要提高鐵水預處理和轉爐冶煉過程的深脫硫能力。鲅魚圈分公司分析了鐵水預處理和轉爐冶煉工序對硫含量的影響之后，采取了一系列控制措施，滿足了該鋼種鑄坯硫含量的要求，能夠在現有的工藝條件下大批量穩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LF爐脫硫，則需先脫氧，進RH后則要吹入大量氧氣來脫碳，嚴重影響鋼液純凈度；若鋼水后進LF爐脫硫，則無法避免電極增碳現象［1］。因此，超低碳超低硫鋼種生產工藝流程為：鐵水鎂鈣復合噴吹脫硫—260 t轉爐冶煉—RH脫碳—連鑄。表1為2018年高爐鐵水成分，查閱2017年的數據計算得出，鐵水鈦含量增加了66%，釩含量增加了68%。

表1 高爐鐵水成分（質量分數）Table 1 Compositions(Mass Fraction)of Hot Metal in BF%

2 鐵水預處理對脫硫的影響分析

2.1 鐵水成分的影響

影響鐵水粘結性的主要元素是鈦，由于鈦在鐵水中的溶解度很小，當超過其溶解度后會以TiC形態從鐵水中析出。而TiC的熔點高達3 150℃，故呈固體微粒狀態散布在鐵水中。當TiC含量達到一定程度后，將使鐵水的粘度急劇增大。而鐵水釩含量的增加，會提高鐵水融化溫度和凝固溫度，進一步影響脫硫反應動力學條件。同時，鐵水中的鈦和釩是對硫活度系數降低影響最大的元素，因為渣中Ti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速率，影響脫硫反應熱力學條件。因此，從熱力學和動力學兩個方面，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0.001 0%的鐵水鈦含量與轉爐回硫量的關系。由圖1看出，轉爐回硫量隨鐵水鈦含量的增加呈線性增加，當Ti含量大于0.085%以后，轉爐回硫量平均達0.004 5%以上。

圖1 鐵水鈦含量與轉爐回硫量的關系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硫含量與轉爐回硫量的對應關系。如圖2所示，脫硫目標控制在0.003 0%～0.005 0%時，爐內平均回硫量在0.004 0%～0.005 0%；脫硫目標控制在0.001 0%～0.003 0%時，爐內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%，因此鐵水預處理脫硫后硫含量定為0.001 0%，實際生產中必須控制在0.002 0%以下，如果超出脫硫目標上限，則須進行補吹。

圖2 鐵水脫硫目標硫含量與轉爐回硫量的對應關系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

鐵水預處理工藝脫硫后，鐵水表面大量的脫硫渣必須扒除，因為扒除不凈的殘渣在后序轉爐冶煉時會造成鋼液“回硫”現象。當冶煉超低碳超低硫鋼時，“回硫”現象更加嚴重。反應方程式如下：

由此看出，“扒渣”與“脫硫”相輔相成，是穩定脫硫最終效果的關鍵，冶煉超低碳超低硫鋼時要將脫硫渣徹底扒凈。原操作工藝鐵水進脫硫站后，直接進行粉劑噴吹，這種作業方式在常規冶煉狀態下沒有問題，但在高釩鈦鐵水條件下冶煉時，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，造成扒渣過程鐵水罐罐沿、扒渣板粘渣嚴重，導致硫命中率低、扒損大、渣子難以徹底扒凈。

3 轉爐冶煉對硫含量的影響分析

3.1 高釩鈦鐵水對硫含量的影響

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

上述反應均為吸熱反應。在低FeO含量、高溫、高CaO、MnO含量的條件下，上述反應向正反應方向移動，對脫硫有利。脫硫與脫磷一樣，都是界面反應，需要進行充分的熔池攪拌提供反應動力學條件，保證熔渣必須具有良好的流動性，同時適當的大渣量也對脫硫有利［2］。

在轉爐冶煉氧化性條件下，爐渣中的TiO2、V2O5會顯著降低轉爐渣熔點。在高釩鈦鐵水條件下，冶煉前期來渣快，過程爐渣活躍，極易發生跑渣噴濺現象，一方面易損壞設備，不利于爐襯維護，影響鋼鐵料指標；另一方面，渣量損失影響轉爐脫磷、脫硫。

3.2 終點溫度對硫含量的影響

高溫不僅有利于石灰的熔化，還可以改善熔渣流動性和加速擴散。鲅魚圈分公司轉爐終點鋼水溫度與硫的分配比LS的關系如圖3所示。由圖3可看出，隨著轉爐終點溫度的提高，硫的分配比隨之增加。

圖3 轉爐冶煉終點鋼水溫度與硫的分配比LS的關系Fig.3 Relationship between Temperature of Molten Steel at End Point and Sulfur Distribution

3.3 轉爐渣對硫含量的影響

轉爐渣的主要成分是 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的關系。由圖4可知，R=3.4 左右時，LS最大；R＜3.4 時，LS隨 R 升高而增大。這是因為隨著爐渣堿度的升高，爐渣硫容量變大，脫硫能力增強所致；R＞3.4時，LS隨R升高而降低，這是因為爐渣粘度明顯增大，爐渣流動性變差，脫硫動力學條件受限。

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

TFe含量對硫分配比產生影響主要是因為轉爐內發生氣化脫硫反應，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。氧氣頂吹轉爐內的氣化脫硫也是通過熔渣進行，氣化脫硫率隨TFe含量提高而增加。 其反應式如下［3］：

但是當TFe含量增加時，又影響到爐渣脫硫，反應式如下：

當TFe含量增加時，爐渣反應向反方向移動，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的關系。

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

由圖5看出，當爐渣中TFe含量≤21%時，可滿足LS≥6的要求；當爐渣中TFe含量＞21%時，爐渣氧化性增強，硫在渣鋼間分配比減小，不利于脫硫反應進行。

3.4 其它因素對硫含量的影響

（1）留渣影響。轉爐出鋼后需進行濺渣護爐操作，導致約有1/3的爐渣留在轉爐內，渣中平均硫含量達到0.052%；下一爐鋼液冶煉時，殘留渣熔化與新生成爐渣混合，使爐渣中硫含量升高，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0.030%，含硫廢鋼加入量越多，對轉爐脫硫的影響越大。在冶煉成品硫含量0.010 0%以上的鋼種時，普通廢鋼的加入不會對品種質量產生大的影響，在冶煉工業純鐵等超低碳超低硫鋼種時，回硫量的增加會帶來質量風險。

4 采取的措施

（1）優先選擇鐵水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保證脫硫命中率。采取該預處理工藝后，鐵水脫硫命中率達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，即鐵水進站后先將鐵水表面固態渣扒除，然后復合噴吹脫硫，之后扒渣，同時配合涌動扒渣槍，可降低脫硫粉劑消耗，防止高釩鈦爐渣對脫后渣粘度的影響，既能提高硫命中率，又能降低二次扒渣強度，提高扒渣效果。

（3）為減少爐渣回硫，轉爐冶煉之前，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）轉爐操作時，當鐵水釩含量超過0.012%（或鈦含量超過0.10%），硅含量超過0.5%時，轉爐必須采用雙渣操作。冶煉時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，密切觀察爐口火焰狀態，火焰呈現白亮，爐口甩出顆粒狀爐渣時，抬槍放渣。放渣時盡量放出更多的渣子，避免渣子剩余過多導致后期爐渣不易控制。放渣以后再次下槍時，將氧氣流量調整為48 000 m3/h，氧槍槍位300 cm打火，緩解鐵水與氧氣瞬間反應過大造成煙塵外溢。打著火后，將氧氣流量調回57 000 m3/h，慢慢降槍，控制爐渣，30～60 s后槍位穩定在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程的跑渣噴濺現象，保證了冶煉時的渣量要求，滿足脫硫條件。

考慮到高溫給脫磷以及爐襯維護帶來的影響，將出鋼溫度控制為1 690℃。轉爐終點渣的堿度控制在3.0～4.0，TFe含量控制在21%以下。

（5）為降低廢鋼導致的增硫量，冶煉時使用硅鋼專用廢鋼（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，實現了在現有工藝條件下該鋼種的大批量穩定冶煉。檢測41罐鐵水預處理后的鋼水硫含量，繪制I-MR控制圖，見圖6。

圖6 超低硫鋼鐵水預處理脫硫后硫含量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%，所有的檢測數據均處于上、下限控制值之間，說明了脫后硫的控制達到了六西格瑪標準，實現了鐵水預處理后硫的穩定控制。計算得出脫后硫含量控制在0.002 0%以下的合格率達95.3%。

統計41組2019年1～7月超低碳超低硫鋼鑄坯的硫含量，繪制I-MR控制圖見圖7。由圖7可知，硫含量控制水平達0.004 5%以下，平均為0.003 464%，約為0.003 5%，實現了鑄坯硫含量的穩定控制。

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 結語

結合高釩鈦鐵水冶煉超低碳超低硫鋼的生產實踐，分析了鐵水預處理和轉爐冶煉工序各關鍵因素對鋼中硫含量控制的影響。工業實踐表明：

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

（2）轉爐冶煉時，使用入爐鐵水硫含量≤0.005 0%的扒渣鐵水涮爐一次。轉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%。