低成本低硫低硼管線鋼冶煉工藝實踐

楊 勇，楊 俊，巨銀軍，安 強，左建林

（湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411101）

許多高級別鋼要求鋼中硫含量越低越好[1]?？顾峁芫€鋼要求具有良好的抗HIC 性能。硫是影響管線鋼抗HIC 性能的最主要元素，以硫含量20×10-6為分界線。近幾年來，管線等幾大系列鋼種標準將B元素列為有害元素，要求w[B]≤5×10-6，因此低硼含量控制工藝，成為近年來的研究方向。

低成本是工業化大生產的重要目標，為降低成本，本試驗工藝方案取消了鐵水預處理工藝，鐵水直接入轉爐冶煉，且轉爐冶煉采用單渣法。在LF 爐進行深脫硫，造白渣精煉鈣處理，在VD 進行脫氣和進一步脫硫，最終將成品w[S]控制在15×10-6以下，w[B]控制在5×10-6以下。經過反復的試驗摸索，成功開發低硫低硼鋼快速冶煉工藝，通過鋼廠一年多的大規模生產實踐，鋼水中硫和硼含量控制穩定，完全滿足生產需要。

1 試驗鋼種及工藝

1.1 鐵水條件

煉鋼采用低成本工藝策略，鐵水預處理工序對入爐鐵水不進行預處理脫硫操作，也不進行扒渣操作去除硫含量。僅對鐵水進行折罐，測溫、取樣等簡單操作。

1.2 試驗鋼種

本試驗大批量在X65MO 抗酸管線鋼上進行。

1.3 試驗裝備及工藝

試驗工廠基本裝備：2 座鐵水預處理站，4 座轉爐BOF（150 t），10 臺精煉設備（6 臺LF、2 臺VD），4臺板坯連鑄機。

試驗采用“鐵水—BOF—LF—喂線—VD—CC”簡化工藝，試驗生產低硫低硼要求的管線鋼。試驗工藝為降低成本，取消鐵水預處理脫硫工藝，采用鐵水直接兌入轉爐冶煉。原料要求采用自產優質廢鋼以及B 含量低的合金。轉爐在吹煉時適當加大渣量，采用頂底復吹模式，利用氬氣底吹，攪動熔池，終點氧控制在400×10-6以上，充分去除鋼中的B，出鋼過程加入所選合金。轉爐出鋼嚴格控制下渣量，過程中加入石灰，合成渣等頂渣料，同時加入鋁鐵脫氧，為LF 深脫硫做準備。LF 冶煉快速升溫化渣造渣，同時控制合適的渣量，避免B 從渣中進入鋼液。LF 精煉后，進行VD 真空處理，利用真空狀態下鋼渣界面的充分反應，進一步脫硫。連鑄采用長水口加密封墊以及氬氣氛圍保護澆注，中包采用低碳覆蓋劑隔絕空氣，控制鋼水的二次氧化，防止連鑄增氧回硫。

整個工藝中LF 爐處理作為中心環節，要求在該環節將鋼水w[S]脫到15×10-6的超低水平，且要w[B]不大于5×10-6，處理周期控制40～60 min。

2 試驗結果

2.1 硫含量控制情況

試驗結果表明，通過該工藝轉爐出鋼的硫含量較入爐鐵水平均可以降低達到接近40%的水平，吹煉終點的w[S]可以達到0.020%左右，LF 在此基礎上進行深脫硫，冶煉超低硫鋼。鋼水進VD 鋼水中的硫被進一步脫除。連鑄w[S]為10×10-6～15×10-6，平均13×10-6。

2.2 硼含量控制情況

根據試驗要求，轉爐通過主吹與副吹后，鋼中w[O]在430×10-6以上，鋼水中殘余w[B]均在1×10-6以下。

3 分析與討論

3.1 過程硫含量變化及脫硫機理分析

3.1.1 過程硫含量變化

按照本工藝試驗，選擇硫控制在0.040%以下的鐵水鐵水生產，入爐鐵水w[S]平均值0.029%，轉爐出鋼w[S]平均值為0.018%，最高值0.026%；LF 精煉后w[S]平均值為0.001 6%，最高值0.001 8%；VD 真空后w[S]平均值為0.001 2%，最高值0.001 4%；連鑄w[S]平均值為0.001 3%，統計生產的所有試驗爐次，w[S]在15×10-6以下成分命中率為99.5%（見圖1）。

圖1 轉爐—連鑄鋼水硫含量

按照本試驗方案試驗，結果表明轉爐的脫硫率平均在37%，LF 精煉的脫硫率平均達到91%，VD 脫硫率平均25%。

3.1.2 本試驗脫硫機理分析

對于極低硫鋼的生產，本試驗設計LF+VD 的聯合工藝，充分運用煉鋼脫硫的機理，達到了深脫硫的效果。根據熔渣的分子理論,堿性氧化渣與金屬間的脫硫反應為[2]：

在煉鋼脫硫生產實踐中高溫、渣的高堿度、低（FeO）、良好的流動性作為必備條件。

一般LF 爐經過深脫氧后，將氧脫到了很低水平w[TO]≤5×10-6以下。同時進真空需要比直接澆注的鋼水溫度要高至少50 ℃以上，高溫、真空下良好的低氧，為脫硫創造了非常好的條件。

真空下的強攪拌，加速了渣－鋼界面反應，提高了脫硫反應的速度。同時，真空下隔絕了空氣，可以完全避免二次氧化等問題。

3.2 過程B 含量變化及脫B 機理分析

本試驗對硼的控制利用了轉爐的氧化去除以及精煉過程的回硼控制原理，對與B 元素轉爐中會發生如下的氧化反應[3]：

式中：ΔGθ為自由能變化，kJ/mol；T 為鋼水溫度，K。

根據各反應的ΔGθ硼元素在轉爐中的熱力學性質與Si 相近。因此，硼元素在轉爐過程中一定會被充分氧化以氧化產物進入渣中。鋼水中的殘余w[B]接近0.000 1%的水平。

按照本工藝試驗，入爐鐵水硼含量為0.000 1%～0.000 8%，轉爐通過主吹和補吹后將吹煉終點氧含量控制在400×10-6以上，出鋼硼含量w（B）均為0.000 1%的痕跡量，表明轉爐脫硼的能力很強，不受鐵水初始B 含量波動的影響；LF 精煉后硼含量w（B）平均值為0.000 25%，最高值0.000 3%；VD 真空后硼含量w（B）平均值為0.000 31%，最高值0.000 4%；連鑄硼含量w（B）平均值為0.000 37%。精煉過程的總回w（B）平均控制在0.6×10-6以內。統計生產的所有試驗爐次，w（B）在5×10-6以下成分命中率為100%。

4 結論

1）通過轉爐頂底復吹，控制吹煉終點氧含量，強化轉爐脫硼效果，可以將鋼水中的硼含量w（B）穩定控制到0.000 1%的痕跡量水平；通過控制好轉爐出鋼下渣量和并掌握鋁粒加入時機和加入量，可以LF 工序的回硼量w（B）控制在0.000 1%以內。通過選用低硼系列合金進行合金化，盡量減少合金帶入增硼，最終可以將鋼水硼含量w（B）穩定控制在0.000 5%以內。

2）轉爐通過采用優質廢鋼，大渣量，頂底復吹等手段脫硫率可以達到40%的水平。通過LF 爐快速造渣發揮脫硫效果，并在渣中加入鋁粒，配合鈣處理促進脫硫效果，脫硫率可以達到90%以上；再利用VD 爐真空脫硫作用，將硫的進一步脫除，可以實現質量分數0.001 5%以下極低硫的控制水平。

3）利用本工藝，批量生產的極低硫低硼要求管線鋼，其硫含量w（S）要求控制在0.001 5%以下，同時硼含量w（B）要求控制在0.000 5%以下，鋼種綜合成分命中率可達99.5%以上，成分命中率高。在本工藝方案中相比傳統工藝，取消了鐵水預處理工藝，節省了一道生產工藝的成本投入，不僅降低了生產成本，還提高了生產效率。