顶底复吹转炉冶炼45#硬线钢终点硫的控制

2018-11-01邓南阳王建军

安徽工业大学学报（自然科学版） 2018年2期

邓南阳，王建军，吴坚，潘军

(1.安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山243032；2.马鞍山钢铁股份有限公司长材事业部，安徽马鞍山243000)

45#硬线钢具有较高的强度、良好的延伸及韧性等优点，被广泛用于加工钢丝绳、弹簧、胎圈等高强度钢丝，具有广阔的市场前景[1-3]。硫在45#硬线钢中主要以硫化物(Mn，Fe)S的形式存在，其能显著降低钢材的热加工性能、焊接性能以及抗腐蚀性能[4-5]，故硫含量控制是冶炼45#硬线钢的一个关键环节。生产实践表明[6]，45#硬线钢中硫的质量分数高于0.015%时，连铸坯易出现裂纹。因此为生产高品质的45#硬线钢，钢中硫的质量分数应小于0.015%，甚至小于0.001%。河南济钢为降低45#硬线钢终点硫含量，采用低拉碳增碳法来提高转炉脱硫能力，要求转炉终点w(S)≤0.030%，采用造还原性白渣脱硫工艺对钢水进行精炼，要求出站w(S)≤0.015%[7]；江西新余转炉冶炼45#硬线钢时，在钢包精炼炉(Ladle Furnace,LF)采取造碱性白渣脱硫工艺控制终点硫含量，LF脱硫后硫的质量分数可稳定在0.015%以下[8]。

马钢股份公司长材事业部（简称马钢）70 t顶底复吹转炉冶炼45#硬线钢时，脱硫铁水在转炉冶炼过程中回硫严重，终点硫的质量分数波动较大（w(S)=0.006%～0.019%），加之采用造酸性渣工艺LF精炼钢水，不具备后续脱硫能力，致使成品钢的硫含量控制不稳定，平均回硫质量分数为0.007%，最高达到0.011%，终点硫合格率仅70%。为此，针对马钢70 t顶底复吹转炉冶炼45#硬线钢的生产实践，在硫的物料平衡计算及转炉脱硫影响因素分析的基础上，提出减少入炉原料带入的硫含量和优化转炉冶炼工艺参数等控制措施，为加强45#硬线钢转炉终点硫含量的控制提供参考。

1 硫的物料平衡

马钢45#硬线钢生产工艺流程为：铁水预处理（石灰+镁粉混喷）→70 t顶底复吹转炉→吹氩合金微调站→LF→六机六流方坯连铸机（全保护浇注+电磁搅拌）。45#硬线钢的主要化学成分见表1。

马钢转炉在冶炼45#硬线钢时，铁水预处理采用石灰+镁粉混喷深脱硫，脱硫后铁水成分含量和温度见表2。转炉主要造渣辅料各组分含量见表3。铁水平均装入量58 t，废钢比17%，平均出钢70 t。根据各工艺阶段取样检验硫含量，进行硫的物料平衡分析，结果如表4。

由表4可看出：马钢转炉冶炼45#硬线钢的过程中，硫收入项中占比最大的物料是废钢，其次为造渣辅料及脱硫渣，占比分别为26.17%，24.71%，21.42%，质量分别为3.42，3.23，2.80 kg，入炉总硫量为13.07 kg；硫支出项中占比最大的物料是钢水，其次是转炉渣，占比分别为59.83%和38.33%，质量分别为7.82，5.01 kg。

从马钢转炉冶炼45#硬线钢实际脱硫情况来看，硫在渣钢间的分配比LS为4～8，要达到w(S)≤0.015%冶炼控制目标，就要使LS≥5,入炉总硫量需稳定在10 kg以下。由硫的物料平衡分析可知，假使入炉的总硫量13.07 kg全部进入钢液，则钢液中硫的质量分数为0.020%，以转炉正常脱硫率为30%计算[9]，钢液终点硫质量分数为0.014%，符合w(S)≤0.015%冶炼控制目标要求。因此，为实现w(S)≤0.015%的冶炼控制目标，增强转炉渣的脱硫能力，提高硫在渣钢间的分配比是转炉冶炼45#硬线钢终点硫控制的关键。

表1 45#硬线钢主要化学成分Tab.1 Main chemical components of 45#hard wire steel

表2 脱硫后铁水成分含量及温度Tab.2 Content and temperature of iron melt after desulfurization

表3 转炉主要造渣辅料各组分含量Tab.3 Content of the main slag charge using in converter

表4 硫的收入项与支出项中各物料硫量及所占比例Tab.4 Content and proportion of Sinthe expenses and receipts

2 转炉渣钢间硫分配比的影响因素

转炉脱硫反应在渣-钢界面进行，且炉渣离子理论对于碱性氧化渣脱硫的解释已得到公认[10]，脱硫离子反应式为

反应式(1)平衡时，平衡常数KS可表示为

使用饱和石灰的氧化铁渣条件下，取a(O2-),f(O钢),a(S2-),f(S钢)均为1，简化处理后，得出脱硫离子反应式的平衡常数与温度的关系式

式中：r(S2-)，r(O2-)分别为渣中S2-和O2-的活度系数；x(S2-),x(O2-)分别为渣中S2-和O2-的摩尔分数；f(O钢),f(S钢)分别为钢中O和S的活度系数；w(O钢)和w(S钢)分别为钢中O和S的质量分数。硫分配比可反应炉渣的脱硫能力，由式(2)～(4)可知，硫分配比主要与转炉终点温度、炉渣碱度以及渣中FeO含量有关。

2.1 温度对硫分配比的影响

选取35炉转炉终点钢水及炉渣的硫含量进行测定，分别计算出硫分配比，再根据对应的终点温度实测值，得出转炉终点温度与硫分配比的关系（统计分析方法下同），结果如图1。

由图1可看出，随着转炉终点温度的升高，硫分配比相应逐渐增大，当转炉终点温度≥1 630℃时，LS≥5。脱硫反应是吸热反应，温度升高有利于炉渣脱硫，但热效应值不大（吸热值在108.2～128.0kJ/mol），故温度对脱硫反应影响不大，高温主要是促进石灰的溶解和提高炉渣的流动性，从而有利于提高脱硫反应速度[11-12]。终点温度超过1 660℃时，反而易导致终点磷偏高且对炉况维护不利。因此，依据马钢生产实际情况，达到终点w(S)≤0.015%目标，转炉终点温度可控制在1 630～1 650℃范围。

2.2 炉渣碱度对硫分配比的影响

根据转炉终点渣样碱度及其对应的硫分配比，得出冶炼过程中炉渣碱度R与硫分配比LS的关系，结果如图2。

由图2可知：R=3.7左右时，LS最大；R＜3.7时，LS随R的升高而增大，这是因随炉渣碱度的升高，炉渣硫容量变大，脱硫能力增强所致；R＞3.7时，LS随R的升高而降低，这是因为炉渣黏度明显增大，炉渣流动性变差，脱硫的动力学条件受限。图2结果表明，转炉终点碱度控制在3.5～4.0范围，可使LS≥5，满足炉渣脱硫能力要求。

2.3 终渣FeO含量对硫分配比的影响

根据终点渣样FeO含量及其相应的硫分配比，得出炉渣FeO含量与硫分配比的关系，结果如图3。

由图3可知：硫在渣钢间的分配比随炉渣FeO含量增加而逐渐减小，当炉渣中w(FeO)≤20%时，可满足LS≥5的要求；当炉渣中w(FeO)＞20%时，炉渣氧化性增强，硫在渣钢间分配比减小，不利于脱硫反应的进行。因此，为使炉渣获得良好的脱硫效果，控制转炉终渣中w(FeO)=10%～20%。

图1 转炉终点温度与硫分配比的关系Fig.1 Relationship between end point temperature and sulfur distribution ratio in converter

图2 转炉终渣碱度与硫分配比的关系Fig.2 Relationship between the slag basicity and sulfur distribution ratio in converter

图3 炉渣FeO含量与硫分配比的关系Fig.3 Relationship between FeO content and sulfur distribution ratio in the slag

3 转炉冶炼脱硫控制

3.1 废钢硫含量

转炉冶炼45#硬线钢，选用自循环方坯及盘螺切头等优质低硫废钢(w(S)≤0.025%)，废钢比控制在15%～17%，控制废钢带入硫的质量≤3 kg。

3.2 入炉铁水硫含量

优先安排带渣量相对较少的鱼雷罐铁水进行铁水预处理脱硫，喷吹脱硫前，尽量扒除高炉渣，扒渣亮面≥60%，然后喷吹镁粉和流化态石灰进行深脱硫，脱硫渣成分见表5。由表5可知，脱硫后渣中含硫量较高，质量分数达1.8%。因此，预处理脱硫后尽量扒除脱硫渣是控制转炉回硫的一个重要环节[13]。对此，要求扒渣后亮面≥90%，入炉脱硫渣质量≤100 kg，脱硫渣带入硫的质量≤1.8 kg。

表5 脱硫后脱硫渣成分Tab.5 Composition of desulphurization slag after desulphurization

3.3 造渣辅料硫含量控制

确定炼钢造渣辅料的加入量需同时考虑脱磷和脱硫的要求。冶炼45#硬线钢时，要求钢水中w(P)≤0.02%；铁水中w(Si)=0.30%～0.80%，w(P)=0.09%～1.40%，故优先选择低磷铁水冶炼。对于高硅铁水，转炉采用“双渣法”冶炼工艺，减少造渣辅料用量，控制造渣辅料带入的硫量≤2.5 kg。

3.4 转炉冶炼过程操作

马钢70 t转炉冶炼45#硬线钢平均每炉供氧时间为13 min，冶炼周期28 min，留渣量约为总装入量的6%。转炉冶炼过程加料、枪位及供氧流量等操作工艺参数如图4。

马钢70 t转炉冶炼45#硬线钢时，过程加料控制为：第一批石灰和轻烧白云石各加入总量的4/5，矿石根据热平衡加入总量的3/4，转炉吹炼第一批料适当加重是为了尽快形成高碱度炉渣，提高炉渣脱磷脱硫能力；剩余石灰和轻烧白云石在吹炼6 min前全部加完，剩余矿石根据炉内化渣及热平衡状况在吹炼的中后期加入。氧枪枪位及供氧强度控制为：采用变枪位、变流量供氧操作，前期采用低枪位和高供氧强度，加强熔池搅拌，促进化渣；吹炼中期，碳氧反应激烈，采用高枪位和低供氧强度，避免炉渣返干；吹炼后期采用低枪位和高供氧强度，加强熔池搅拌，提高渣钢间反应的动力学条件。

图4 转炉冶炼45#硬线钢过程操作工艺参数示意图Fig.4 Diagrammatic sketch of operating parameters during the smelting 45#hard wire steel

3.5 转炉终点控制

终点采用高拉补吹留碳操作，根据上述分析结果，控制转炉终渣碱度R=3.5～4.0，终渣中w(FeO)=10%～20%，温度在1 630～1 650℃，确保硫在渣钢间分配比LS≥5，可满足马钢生产45#硬线钢转炉脱硫热力学条件。

4 控制效果分析

在马钢现有生产条件下，按照上述转炉冶炼脱硫控制措施，即严格控制入炉原辅料硫含量、优化转炉冶炼过程工艺参数等冶炼45#硬线钢，统计100炉转炉冶炼45#硬线钢各阶段钢水成分和温度，结果如表6。对应终点炉渣各组元成分质量分数(平均值)如表7，终点S含量控制统计，结果如图5。

由表6，7及图5可知，转炉终渣碱度为3.68，终渣w(FeO)=18.26%，终点温度为1 635℃的控制条件下，转炉终点S质量分数平均为0.011%，平均回硫0.004%，硫在渣钢间分配比达到5.9，转炉终点S控制合格率达到96%。由此表明，采用本文提出的转炉冶炼脱硫控制措施冶炼45#硬线钢，转炉终点回硫状况得到明显改善，转炉终点S质量分数平均为0.011%，实现了终点w(S)≤0.015%的冶炼控制目标，终点硫控制合格率由之前的70%提高到96%。