田云生 趙天陽 孫拓 張遠(yuǎn)強(qiáng)
應(yīng)用于復(fù)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鋼，硫[S]含量要求≤0.0020%，對(duì)生產(chǎn)工藝要求較高，屬于管線鋼中的前沿產(chǎn)品。隨著高酸性天然氣氣田的開采，這樣的超低硫管線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(jié)，摸索出安鋼二煉軋廠生產(chǎn)耐酸管線鋼冶金控制工藝。
實(shí)施方案及研究動(dòng)向
煉鋼設(shè)備及生產(chǎn)工藝。安鋼二煉軋廠有3座150噸轉(zhuǎn)爐，爐卷生產(chǎn)線精煉設(shè)備采用雙車單工位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(yīng)的評(píng)價(jià)機(jī)制把關(guān)原材料。
轉(zhuǎn)爐爐渣為堿性氧化渣，脫硫率低，冶煉過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(zhuǎn)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
本次試驗(yàn)廢鋼主要采用本廠返回的廢品，一般硫含量均在0.030%以下。實(shí)際操作中，在冶煉前，對(duì)石灰、鐵水進(jìn)行抽檢取樣。表2為鐵水抽驗(yàn)化驗(yàn)結(jié)果。
石灰取樣抽檢各項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)較好，硫含量較低，平均0.024%，滿足一級(jí)石灰等級(jí)要求。
從表1、表2可以看出，鐵水硫含量相對(duì)較高，只有一爐（8K03779）硫含量達(dá)到了目標(biāo)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(yù)處理。鐵水在入爐前，試驗(yàn)采用鐵水預(yù)處理工藝，從而降低進(jìn)入轉(zhuǎn)爐的硫含量。耐酸管線鋼冶煉過程中鐵水脫硫數(shù)據(jù)見表3。
從表3可以看出，耐酸管線鋼屬于超低硫鋼，在冶煉過程，脫硫周期相對(duì)較長(zhǎng)，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(zhuǎn)爐工藝控制。超低硫鋼冶煉在轉(zhuǎn)爐與其它鋼種區(qū)別在于：轉(zhuǎn)爐在吹煉過程中，在C、P進(jìn)入目標(biāo)要求后，還要兼顧脫硫任務(wù)，轉(zhuǎn)爐吹煉前期、中期，要把爐渣化透，提高爐渣堿度，當(dāng)磷進(jìn)入目標(biāo)后，提高熔池溫度，必要時(shí)補(bǔ)加渣料以提高后期爐渣堿度，為脫硫提供高堿度條件。
轉(zhuǎn)爐裝入量：考慮轉(zhuǎn)爐脫磷和脫碳目標(biāo)（終點(diǎn)碳≤0.03%，P≤0.012%）及150噸VD爐的冶煉能力，設(shè)計(jì)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(shè)定（見表4）；從表4可以看出，總裝入量基本滿足預(yù)期設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，出鋼量略有波動(dòng)，但能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)冶煉工藝要求。
通過以上工藝調(diào)整，本次生產(chǎn)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)指標(biāo)控制較好，實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)多項(xiàng)指標(biāo)全部命中（見表5、表6）。
終點(diǎn)碳及終點(diǎn)氧：由于轉(zhuǎn)爐已無底吹，終點(diǎn)氧相對(duì)較高，平均1314ppm，終點(diǎn)碳均達(dá)到0.03%（除8K03777終點(diǎn)樣取樣失敗）以下。
終點(diǎn)硫：在確保脫硫扒渣，控制硫含量高的爐料（燒結(jié)返礦）加入量的條件下，試驗(yàn)采用本廠自產(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(dá)到目標(biāo)要求（目標(biāo)[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(biāo)（目標(biāo)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，過程控制較好，4爐鋼Mn全部命中目標(biāo)。出鋼頂渣：轉(zhuǎn)爐出鋼過程進(jìn)行爐渣改質(zhì)，即在出鋼過程中加入一定量的石灰，利用出鋼過程鋼水的攪動(dòng)可促進(jìn)進(jìn)一步的脫硫，同時(shí)為L(zhǎng)F爐深脫硫工藝造渣打基礎(chǔ)。本次試驗(yàn)出鋼過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(yàn)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(dāng)熱力學(xué)條件具備后，迅速提高攪拌強(qiáng)度，強(qiáng)化動(dòng)力學(xué)條件，在最短時(shí)間內(nèi)把硫脫至目標(biāo)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(diào)整爐渣粘度等。
第一爐鋼8K03776在LF爐精煉過程控制。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。精煉開始6分鐘時(shí)，試驗(yàn)對(duì)本爐鋼喂入鋁線，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；觀察鋼渣液面，渣料已經(jīng)全部化盡，流動(dòng)性較好，此時(shí)開大氬氣流速至300標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘（如圖3），6分鐘后取樣，鋼液的硫[S]含量為20ppm，沒有進(jìn)入目標(biāo)要求。試驗(yàn)再次送電8分鐘，溫度顯示1698攝氏度，開大氬氣流速至850標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)升每分鐘攪拌4分鐘，再次取樣，鋼液的硫含量[S]為1ppm。試驗(yàn)將氬氣流速調(diào)至50標(biāo)準(zhǔn)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，避免后序精煉過程發(fā)生回硫現(xiàn)象。
從圖1~圖3及現(xiàn)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(yàn)為5.16，堿度較高，滿足深脫硫熱力學(xué)要求。氧化性分析：本爐鋼在冶煉過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(bǔ)加鋁線，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，通過攪拌，鋼水中硫含量降低不明顯。參考資料顯示，當(dāng)硫脫除至0.0015%以下時(shí)，硫在鋼液中傳遞成為反應(yīng)的限制環(huán)節(jié)。由此可知，前期脫硫由于氬氣流量控制較小，攪拌強(qiáng)度不夠，鋼渣界面更新相對(duì)較慢，這是前期脫硫困難的主要原因；后期調(diào)整氬氣流量，提高攪拌強(qiáng)度后，深脫硫任務(wù)順利完成。
8K03777、8K03778、8K03779在LF爐冶煉情況。根據(jù)第1爐的冶煉經(jīng)驗(yàn)，在以下3爐鋼冶煉過程中，對(duì)LF爐深脫硫工藝進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)熱力學(xué)達(dá)到要求，即滿足脫硫要求的高堿度、高溫度、大渣量、低氧化性時(shí)，開大底吹氬氣（850標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘），強(qiáng)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(biāo)要求。
工藝優(yōu)化后，LF爐操作趨于流程化，過程控制平穩(wěn)，集中熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)條件進(jìn)行強(qiáng)力脫硫過程中，鋼水中硫含量降低明顯，能夠滿足耐酸管線鋼的超低硫冶金控制工藝要求。
LF爐脫硫綜合分析。依據(jù)8K03776、8K03777、8K03778、8K03779四爐鋼現(xiàn)場(chǎng)冶煉情況及取樣結(jié)果，對(duì)安鋼二煉軋廠150噸LF爐深脫硫工藝分析如下。
溫度：四爐鋼脫硫開始時(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)過調(diào)整LF爐底吹氬氣流量，強(qiáng)化脫硫動(dòng)力學(xué)條件后，脫硫值進(jìn)入目標(biāo)，但此時(shí)溫度偏高（最高時(shí)達(dá)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(wěn)，特別是8K03778，溫度相對(duì)較低（脫硫開始時(shí)溫度1612攝氏度），這一溫度仍能滿足LF爐深脫硫的溫度條件，同時(shí)由于溫度相對(duì)較低，對(duì)鋼包、電極等材料侵蝕相對(duì)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(jì)算，從轉(zhuǎn)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%，說明鋁控制在0.030%~0.040%時(shí)，能夠滿足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，第一次脫硫沒有達(dá)到目標(biāo)要求，經(jīng)氬氣流量調(diào)整（由300標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘增加至850標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘）后，再次脫硫，鋼水中的硫下降明顯，效果顯著。由此分析可知，當(dāng)熱力學(xué)條件滿足后，增強(qiáng)鋼水?dāng)嚢鑿?qiáng)度，強(qiáng)化動(dòng)力學(xué)條件是LF爐達(dá)到深脫硫工藝的必要條件。
LF爐深脫硫工藝小結(jié)。在耐酸管線鋼冶金控制工藝中，LF爐實(shí)現(xiàn)深脫硫工藝的條件為：轉(zhuǎn)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(qiáng)度，推薦氬氣流量為850標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘。
試驗(yàn)結(jié)果
通過控制原材料的硫含量，優(yōu)化轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝，強(qiáng)化LF爐深脫硫能力，安鋼二煉軋廠順利完成了耐酸管線超低硫鋼冶煉試驗(yàn)。其通過鋼坯取樣，采用碳硫儀化驗(yàn)成品硫含量見表8。
從表8可以看出，本次試驗(yàn)硫含量控制較好，成品硫含量全部命中目標(biāo)要求，最低0.0002%，即2ppm，最高0.0005%，即5ppm，平均0.0004%，即4ppm。
結(jié)論
從試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來看耐酸管線鋼冶金控制工藝主要有以下幾點(diǎn)：
降低入轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐粗鋼硫[S]含量≤0.005%；強(qiáng)化LF爐熱力學(xué)條件，在鋼水脫硫開始時(shí)，溫度可控制在1610攝氏度~1650攝氏度；強(qiáng)化LF爐動(dòng)力學(xué)條件，鋼水脫硫時(shí)氬氣流量為850標(biāo)準(zhǔn)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(bào)》（2019年05月16日 06版六版）
