田云生 趙天陽(yáng) 孫拓 張遠強
應用于復雜的潮濕、酸性環(huán)境中的抗裂紋、抗侵蝕的鋼種如石油、天然氣輸送用耐酸管線(xiàn)鋼，硫[S]含量要求≤0.0020%，對生產(chǎn)工藝要求較高，屬于管線(xiàn)鋼中的前沿產(chǎn)品。隨著(zhù)高酸性天然氣氣田的開(kāi)采，這樣的超低硫管線(xiàn)鋼的需求量日益增加。本文主要分析了安鋼150噸LF爐在冶煉超低硫鋼過(guò)程中深脫工藝的操作流程，進(jìn)而分析LF爐深脫硫工藝的關(guān)鍵環(huán)節，摸索出安鋼二煉軋廠(chǎng)生產(chǎn)耐酸管線(xiàn)鋼冶金控制工藝。
實(shí)施方案及研究動(dòng)向
煉鋼設備及生產(chǎn)工藝。安鋼二煉軋廠(chǎng)有3座150噸轉爐，爐卷生產(chǎn)線(xiàn)精煉設備采用雙車(chē)單工位150噸LF爐，為VD爐提供一次精煉鋼水等精煉任務(wù)。
建立相應的評價(jià)機制把關(guān)原材料。
轉爐爐渣為堿性氧化渣，脫硫率低，冶煉過(guò)程中主要是控制其增硫。因此，在整個(gè)工藝控制中，若要得到轉爐低硫的粗鋼，原材料初始硫含量至關(guān)重要。表1為鐵水評價(jià)標準。
本次試驗廢鋼主要采用本廠(chǎng)返回的廢品，一般硫含量均在0.030%以下。實(shí)際操作中，在冶煉前，對石灰、鐵水進(jìn)行抽檢取樣。表2為鐵水抽驗化驗結果。
石灰取樣抽檢各項指標相對較好，硫含量較低，平均0.024%，滿(mǎn)足一級石灰等級要求。
從表1、表2可以看出，鐵水硫含量相對較高，只有一爐（8K03779）硫含量達到了目標要求；鐵水溫度較高，鐵水折鐵后溫度平均為1385攝氏度，合格率為100%。
鐵水預處理。鐵水在入爐前，試驗采用鐵水預處理工藝，從而降低進(jìn)入轉爐的硫含量。耐酸管線(xiàn)鋼冶煉過(guò)程中鐵水脫硫數據見(jiàn)表3。
從表3可以看出，耐酸管線(xiàn)鋼屬于超低硫鋼，在冶煉過(guò)程，脫硫周期相對較長(cháng)，平均57分鐘，由于脫硫精度較高，石灰、鎂粉吹入量較多，扒損平均在4噸。
轉爐工藝控制。超低硫鋼冶煉在轉爐與其它鋼種區別在于：轉爐在吹煉過(guò)程中，在C、P進(jìn)入目標要求后，還要兼顧脫硫任務(wù)，轉爐吹煉前期、中期，要把爐渣化透，提高爐渣堿度，當磷進(jìn)入目標后，提高熔池溫度，必要時(shí)補加渣料以提高后期爐渣堿度，為脫硫提供高堿度條件。
轉爐裝入量：考慮轉爐脫磷和脫碳目標（終點(diǎn)碳≤0.03%，P≤0.012%）及150噸VD爐的冶煉能力，設計上出鋼量控制在140噸~145噸，故裝入量按鐵水140噸，廢鋼15噸設定（見(jiàn)表4）；從表4可以看出，總裝入量基本滿(mǎn)足預期設定標準，出鋼量略有波動(dòng)，但能夠適應現場(chǎng)冶煉工藝要求。
通過(guò)以上工藝調整，本次生產(chǎn)轉爐終點(diǎn)指標控制較好，實(shí)現終點(diǎn)多項指標全部命中（見(jiàn)表5、表6）。
終點(diǎn)碳及終點(diǎn)氧：由于轉爐已無(wú)底吹，終點(diǎn)氧相對較高，平均1314ppm，終點(diǎn)碳均達到0.03%（除8K03777終點(diǎn)樣取樣失?。┮韵?。
終點(diǎn)硫：在確保脫硫扒渣，控制硫含量高的爐料（燒結返礦）加入量的條件下，試驗采用本廠(chǎng)自產(chǎn)廢鋼，不加生鐵塊，同時(shí)有意提高吹煉后期溫度，在終點(diǎn)取樣成功的爐次，終點(diǎn)硫均達到目標要求（目標[S]≤0.005%），平均0.0038%，即39ppmm。終點(diǎn)溫度：平均為1674攝氏度，4爐鋼全部命中目標（目標要求1660攝氏度~1680攝氏度）。合金化：出鋼采用金屬錳、硅鐵進(jìn)行合金化，過(guò)程控制較好，4爐鋼Mn全部命中目標。出鋼頂渣：轉爐出鋼過(guò)程進(jìn)行爐渣改質(zhì)，即在出鋼過(guò)程中加入一定量的石灰，利用出鋼過(guò)程鋼水的攪動(dòng)可促進(jìn)進(jìn)一步的脫硫，同時(shí)為L(cháng)F爐深脫硫工藝造渣打基礎。本次試驗出鋼過(guò)程中一次性加入石灰（前兩爐200千克/爐，后兩爐300千克/爐）。
LF爐深脫硫工藝研究。
LF爐深脫硫是本次試驗的重點(diǎn)。筆者從脫硫的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，工藝控制上前期以熱力學(xué)為主，當熱力學(xué)條件具備后，迅速提高攪拌強度，強化動(dòng)力學(xué)條件，在最短時(shí)間內把硫脫至目標要求。
造渣工藝：渣料分三批加入，前兩批渣料主要用于造脫硫還原渣，石灰為1500千克/爐~1800千克/爐，精煉劑300千克/爐~600千克/爐，第三批渣料主要用于稀釋爐渣中的硫含量，調整爐渣粘度等。
第一爐鋼8K03776在LF爐精煉過(guò)程控制。8K03776為冶煉的第一爐鋼，在LF爐操作如圖1~圖3所示。
從圖1、圖2可以看出，本爐鋼進(jìn)LF爐時(shí)溫度較高，為1615攝氏度。精煉開(kāi)始6分鐘時(shí)，試驗對本爐鋼喂入鋁線(xiàn)，至精煉14分鐘時(shí)，已加入兩批渣料，此時(shí)石灰加入量共1598千克，精煉劑加入量共300千克，此時(shí)的溫度為1657攝氏度；觀(guān)察鋼渣液面，渣料已經(jīng)全部化盡，流動(dòng)性較好，此時(shí)開(kāi)大氬氣流速至300標準升每分鐘（如圖3），6分鐘后取樣，鋼液的硫[S]含量為20ppm，沒(méi)有進(jìn)入目標要求。試驗再次送電8分鐘，溫度顯示1698攝氏度，開(kāi)大氬氣流速至850標準升每分鐘，攪拌4分鐘，取樣，鋼液硫[S]含量為12ppm，氬氣流速為850標準升每分鐘攪拌4分鐘，再次取樣，鋼液的硫含量[S]為1ppm。試驗將氬氣流速調至50標準升每分鐘，2分鐘后加入第三批渣料，進(jìn)一步提高渣量，稀釋渣中硫含量，避免后序精煉過(guò)程發(fā)生回硫現象。
從圖1~圖3及現場(chǎng)冶煉情況分析如下。
溫度分析：鋼水溫度較高，最高溫度為1698攝氏度，鋼水滿(mǎn)足高溫條件，具備深脫硫熱力學(xué)要求；渣量分析：石灰加入量為1898千克，精煉劑為300千克，鋼水量為142.76噸，即脫硫時(shí)的渣量，石灰占比為13.29千克/噸鋼，精煉劑占比為2.10千克/噸鋼，總渣量占比為15.39千克/噸鋼，本爐鋼滿(mǎn)足大渣量條件，具備深脫硫熱力學(xué)要求。堿度分析：脫硫前爐渣堿度R經(jīng)檢驗為5.16，堿度較高，滿(mǎn)足深脫硫熱力學(xué)要求。氧化性分析：本爐鋼在冶煉過(guò)程采用全程控鋁操作，從圖1可以看到，進(jìn)LF爐后鋁[Al]含量為0.028%，送電6分鐘時(shí)，進(jìn)行補加鋁線(xiàn)，取樣的鋁[Al]含量為0.031%，參考相關(guān)資料，[Al]≥0.010%時(shí)，鋼中氧[O]≤0.0007%可推斷，此時(shí)鋼中氧含量較低，鋼水滿(mǎn)足低氧化性條件，具備深脫硫熱力學(xué)要求。脫硫動(dòng)力學(xué)分析：本爐鋼爐渣成型后，前期脫硫困難，通過(guò)攪拌，鋼水中硫含量降低不明顯。參考資料顯示，當硫脫除至0.0015%以下時(shí)，硫在鋼液中傳遞成為反應的限制環(huán)節。由此可知，前期脫硫由于氬氣流量控制較小，攪拌強度不夠，鋼渣界面更新相對較慢，這是前期脫硫困難的主要原因；后期調整氬氣流量，提高攪拌強度后，深脫硫任務(wù)順利完成。
8K03777、8K03778、8K03779在LF爐冶煉情況。根據第1爐的冶煉經(jīng)驗，在以下3爐鋼冶煉過(guò)程中，對LF爐深脫硫工藝進(jìn)行優(yōu)化，當熱力學(xué)達到要求，即滿(mǎn)足脫硫要求的高堿度、高溫度、大渣量、低氧化性時(shí)，開(kāi)大底吹氬氣（850標準升每分鐘），強化動(dòng)力學(xué)條件，攪拌6分鐘左右時(shí)取樣，硫含量全部進(jìn)入目標要求。
工藝優(yōu)化后，LF爐操作趨于流程化，過(guò)程控制平穩，集中熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)條件進(jìn)行強力脫硫過(guò)程中，鋼水中硫含量降低明顯，能夠滿(mǎn)足耐酸管線(xiàn)鋼的超低硫冶金控制工藝要求。
LF爐脫硫綜合分析。依據8K03776、8K03777、8K03778、8K03779四爐鋼現場(chǎng)冶煉情況及取樣結果，對安鋼二煉軋廠(chǎng)150噸LF爐深脫硫工藝分析如下。
溫度：四爐鋼脫硫開(kāi)始時(shí)溫度分別為1657攝氏度、1638攝氏度、1612攝氏度、1641攝氏度。第一爐經(jīng)過(guò)調整LF爐底吹氬氣流量，強化脫硫動(dòng)力學(xué)條件后，脫硫值進(jìn)入目標，但此時(shí)溫度偏高（最高時(shí)達1698攝氏度），加劇了鋼包、電極等材料的侵蝕程度；后3爐脫硫比較平穩，特別是8K03778，溫度相對較低（脫硫開(kāi)始時(shí)溫度1612攝氏度），這一溫度仍能滿(mǎn)足LF爐深脫硫的溫度條件，同時(shí)由于溫度相對較低，對鋼包、電極等材料侵蝕相對較小，有利于安全生產(chǎn)。
從表7可以看出，四爐鋼脫硫時(shí)的渣量大致相同，出鋼量按平均142噸計算，從轉爐出鋼采用石灰改質(zhì)及LF爐造渣深脫硫，石灰總加入量（包括頂渣、第一批及第二批渣料）平均為1800千克/爐,約12.7千克/噸鋼，精煉劑為300千克/爐,約2.06千克/噸鋼，第三批渣料主要用于脫硫后稀釋渣中硫含量，防止回硫。氧化性：四爐鋼在脫硫前均提前喂入鋁線(xiàn)進(jìn)行深脫氧，取樣分析四爐鋼脫硫前鋁含量均在0.030%~0.040%，說(shuō)明鋁控制在0.030%~0.040%時(shí)，能夠滿(mǎn)足LF爐深脫硫工藝的低氧化性要求。動(dòng)力學(xué)條件：8K03776因動(dòng)力學(xué)條件不足，第一次脫硫沒(méi)有達到目標要求，經(jīng)氬氣流量調整（由300標準升每分鐘增加至850標準升每分鐘）后，再次脫硫，鋼水中的硫下降明顯，效果顯著(zhù)。由此分析可知，當熱力學(xué)條件滿(mǎn)足后，增強鋼水攪拌強度，強化動(dòng)力學(xué)條件是LF爐達到深脫硫工藝的必要條件。
LF爐深脫硫工藝小結。在耐酸管線(xiàn)鋼冶金控制工藝中，LF爐實(shí)現深脫硫工藝的條件為：轉爐粗鋼中硫含量[S]≤0.005%；脫硫溫度≥1610攝氏度；脫硫時(shí)渣量分別是石灰為1800千克/爐（約12.7千克/噸鋼），精煉劑為300千克/爐（約2.06千克/噸鋼）；脫硫前鋼中鋁含量[Al]為0.020%~0.050%；堿度R約為5.0；動(dòng)力學(xué)上，在條件允許的前提下盡可能提高攪拌強度，推薦氬氣流量為850標準升/分鐘。
試驗結果
通過(guò)控制原材料的硫含量，優(yōu)化轉爐生產(chǎn)工藝，強化LF爐深脫硫能力，安鋼二煉軋廠(chǎng)順利完成了耐酸管線(xiàn)超低硫鋼冶煉試驗。其通過(guò)鋼坯取樣，采用碳硫儀化驗成品硫含量見(jiàn)表8。
從表8可以看出，本次試驗硫含量控制較好，成品硫含量全部命中目標要求，最低0.0002%，即2ppm，最高0.0005%，即5ppm，平均0.0004%，即4ppm。
結論
從試驗過(guò)程及數據統計來(lái)看耐酸管線(xiàn)鋼冶金控制工藝主要有以下幾點(diǎn)：
降低入轉爐原材料的硫含量，特別是用量較大的石灰、鐵水、廢鋼等，控制轉爐粗鋼硫[S]含量≤0.005%；強化LF爐熱力學(xué)條件，在鋼水脫硫開(kāi)始時(shí)，溫度可控制在1610攝氏度~1650攝氏度；強化LF爐動(dòng)力學(xué)條件，鋼水脫硫時(shí)氬氣流量為850標準升/分鐘；LF爐脫硫時(shí)間控制約為6分鐘；LF爐脫硫渣量控制，石灰總加入量約為12.7千克/噸鋼，精煉劑約2.06千克/噸鋼，總渣量約為14.76千克/噸鋼；為降低鋼水氧含量，LF爐冶煉全程鋼水鋁[Al]含量保持在0.020%~0.050%。
《中國冶金報》（2019年05月16日 06版六版）
