洁净钢的生产贯穿于整个炼钢生产过程，包括铁水预处理、转炉终点控制、脱氧合金化、二次精炼、保护浇注等。为满足洁净生产需求，各企业开展了大量的技术研究，相继开发出了铁水深脱硫、转炉双联脱磷、夹杂物去除及形态控制等技术，这些技术在生产中的应用已使T[O]≤0.0015%、[S]≤0.005%、[P]≤0.010%的洁净钢的生产成为可能，由此确保满足钢材对加工性能、使用性能或其他性能的要求。　　

　　攀钢高炉使用钒钛磁铁矿冶炼，高炉炉温控制较低，脱硫能力差，生产的钒钛铁水含硫高，其质量分数在0.06%～0.10%之间。同时，为了保证钒资源的有效利用，在炼钢之前进行了提钒处理。含钒铁水经脱硫提钒后获得的半钢碳的质量分数为3.2%～3.8%，温度1320～1380℃，硅、锰等发热成渣元素含量均为痕迹，与普通铁水相比，半钢呈现出“三低一高”的特点：碳低、温低、发热元素低、硫高，给炼钢的品种开发带来了极大困难。　　

　　近年来，攀钢通过装备水平的提升和工艺技术的开发研究，加强铁水预处理、转炉冶炼、钢水精炼过程中硫的控制，并逐渐形成了提高钢的纯净度和控制钢中非金属夹杂物的数量和形态的洁净钢生产工艺技术，实现了以350km·h-1高速铁路用钢为代表的洁净钢生产。　　

　　2、攀钢炼钢生产流程及主要装备　　

　　攀钢炼钢厂生产工艺流程为：铁水预处理-转炉炼钢-LF（ladle furnace）-RH真空处理-连铸。炼钢系统主要设备参数见表1。　　

　　表1：炼钢系统主要设备及参数

　　工序
 

　　工艺装备
 

　　主要参数和功能特点

　　铁水预处理
 

　　铁水脱硫装置5套
 

　　Ca基和Mg基脱硫工艺；混合喷吹和复合喷吹

　　120t提钒转炉2座
 

　　基础自动化

　　炼钢
 

　　120t炼钢转炉5座
 

　　基础自动化；顶底复吹；2座具有副枪及炉气分析

　　钢水吹氩站5座
 

　　吹氩强度可调；喂Al线和复合包芯线

　　精炼
 

　　130tLF炉5座
 

　　加热；成分微调；造渣精炼

　　130tRH真空3套
 

　　脱气；去除夹杂；成分微调

　　连铸
 

　　1#板坯连铸机
 

　　全弧形2机2流，断面200mm×（750～1350）mm

　　2#板坯连铸机
 

　　直弧形单流主机，断面200mm×（900～1350）mm，液压振动，漏钢预报，动态二冷

　　1#大方坯连铸机
 

　　全弧形6机6流，断面280mm×380（325）mm，结晶器电磁搅拌，液压振动，动态二冷，凝固末端轻压下。

　　2#大方坯连铸机
 

　　全弧形4机4流，断面360mm×450mm，结晶器电磁搅拌、液压振动，动态二冷，凝固末端轻压下

　　1#方圆坯连铸机
 

　　全弧形6机6流，断面200mm×200mm，结晶器电磁搅拌、液压振动，动态二冷

　　3、攀钢高速轨生产中硫的控制技术　　

　　除易切削钢外，硫是钢中有害元素，对产品使用性能产生不良影响，因此高速轨洁净钢对钢中硫有较为严格的要求，一般要求[S]小于0.010%。攀钢通过对铁水预处理脱硫、转炉控制回硫和钢水深脱硫技术的研究，有效降低了钢中硫含量。

　　3.1、铁水预处理脱硫　　

　　铁水预处理脱硫是生产低硫钢的重要环节，因铁水碳含量高、氧低，硫的活度系数大，是钢铁生产流程中脱硫效果最好、最经济的环节。　　

　　（1）含钒钛铁水及其主要特点　　

　　攀钢含钒钛铁水成分见表2。　　

　　表2：含钒钛铁水成分及温度

　　成分（质量分数）/%
 

　　温度/℃

　　C
 

　　Si
 

　　Mn
 

　　P
 

　　S
 

　　V
 

　　Ti

　　4.30~4.50
 

　　0.12~0.20
 

　　0.10~0.25
 

　　0.06~0.08
 

　　0.06~0.10
 

　　0.28~0.32
 

　　0.12~0.20
 

　　1250~1340

　　攀钢含钒钛铁水的特点是含有一定量的V、Ti，但Si、Mn含量较低，而硫含量却较高，其物理性质的最大特点是熔化性温度偏高，粘度也较大。铁水中[Ti]、[V]对粘度、熔化性温度及凝固点温度的影响见图1～3。

　　

　　图1：不同钛含量时铁水粘度与温度的关系

　　

　　图2：铁水熔化性温度、凝固点与钛含量的关系

　　

　　图3：铁水熔化性温度、凝固点与钒含量的关系

　　从图1～3看，含钒钛铁水粘度、熔化性温度及凝固点随铁水中[V]、[Ti]的增加而增加。含钒钛铁水的这些性质，在一定程度上恶化了脱硫反应动力学条件。V、Ti对脱硫热力学的影响主要表现在它们能降低[S]的活度。　　

　　（2）含钒钛铁水脱硫　　

　　攀钢采用喷吹脱硫工艺，喷吹工艺参数见表3。　　

　　表3：复合喷吹工艺参数

　　铁水量/t
 

　　粉剂比例（质量比）CaO/Mg
 

　　喷吹罐压力/MPa
 

　　助吹压力/MPa
 

　　粉喷吹速率/（kg·min-1）
 

　　喷吹时间/min

　　镁脱硫剂
 

　　纯化石灰
 

　　纯化石灰
 

　　镁脱硫剂

　　140~146
 

　　3~5
 

　　0.5~0.7
 

　　0.6~0.8
 

　　0.3~0.4
 

　　30~60
 

　　6~15
 

　　16~20

　　由于从高炉送来的铁水包盛铁量波动大、带渣量也较多（2%～3%），加之铁水温度偏低（1250～1340℃），因此脱硫效果波动也就很大。攀钢对于低硫洁净钢的冶炼，铁水预处理采取铁水提钒-半钢脱硫工艺，当铁水初始硫为0.06%～0.08%时，经过预处理后[S]≤0.005%、脱硫率95%以上。

　　3.2、转炉冶炼　　

　　由转炉炼钢特点所决定，转炉的脱硫能力是相当有限的。特别在铁水初始硫含量很低的情况下，由于入炉的石灰、造渣剂等炉料带入较多的硫，往往出现转炉冶炼过程回硫现象。在不考虑硫支出情况下，攀钢炉内回硫典型炉次终点硫的构成见图4。

　　

　　图4：典型炉次中各成分对回硫的影响　　

　　由图4可见，铁水脱硫残渣和复合造渣剂带入的硫是造成回硫的主要因素。因此，尽量扒净脱硫渣和使用低硫造渣剂，可显著减少转炉冶炼过程的回硫量。　　

　　为减少转炉回硫现象，攀钢主要采取了以下措施。　　

　　（1）优化脱硫工艺路线　　

　　攀钢一般品种钢生产的铁水脱硫工艺路线为铁水组罐-混合喷吹脱硫-扒渣-提钒-转炉冶炼，采用此工艺路线生产的半钢量一般为130～136t，转炉冶炼时还需加废钢6～8t，转炉回硫量在0.003%～0.004%。而在生产低硫品种钢时采用优化的铁水脱硫工艺路线为铁水组罐-提钒-复合喷吹脱硫-扒渣-转炉冶炼，采用此工艺路线，不仅可以确保半钢量达到138～142t，减少废钢加入量，还可以采用复合喷吹深脱硫，有利于脱硫渣扒除干净，确保转炉的回硫量控制在0.002%以内。　　

　　（2）优化半钢炼钢造渣工艺　　

　　攀钢炼钢主要采用提钒之后的半钢，半钢中[Si]、[Mn]等成渣、发热元素含量很低甚至微量，因此必须通过外加含SiO2的酸性材料来保证形成具有相应功能的炉渣，而外加材料的熔化需要一定的时间和热量。攀钢针对半钢炼钢的特点，通过采取活性石灰、多组元复合造渣工艺、降低炉渣碱度等措施，使半钢炼钢成渣困难的问题得以解决，初期渣的形成时间控制在4.5min以内，冶炼过程顺行，有效抑制了终点钢、渣的氧化性，提高了冶炼过程的脱磷效果。　　

　　随着低硫品种钢的进一步开发，转炉冶炼用辅料硫偏高的问题越来越突出，攀钢炼钢常用辅料中硫含量分析结果见表4。　　

　　表4：炼钢常用辅料硫含量分析结果（质量分数）　　%　　　　

　　活性石灰
 

　　轻烧白云石
 

　　复合造渣剂
 

　　提温剂

　　范围
 

　　平均
 

　　范围
 

　　平均
 

　　范围
 

　　平均
 

　　范围
 

　　平均

　　0.01~0.04
 

　　0.028
 

　　0.01~0.06
 

　　0.031
 

　　0.02~0.10
 

　　0.056
 

　　0.12~0.29
 

　　0.21

　　为进一步开发低硫品种钢，采用了石英砂代替复合造渣剂进行造渣。从石英砂的分析结果看，石英砂硫的质量分数小于0.001%，远低于复合造渣剂的0.056%。从整个冶炼过程看，造渣较为顺行，未出现返干和大喷的现象，转炉冶炼过程硫含量变化情况见表5。　　

　　表5：转炉冶炼过程硫的变化情况（质量分数）　　%　　　　

　　铁水脱硫后
 

　　转炉入炉硫
 

　　转炉终点硫

　　0.002~0.003
 

　　0.0013~0.0035
 

　　0.0032~0.0057

　　由表5可见，在入炉半钢硫≤0.003%以及带渣量小的情况下可以将终点钢水硫控制在0.005%以内。终渣碱度对渣中硫容量影响较大，在保证有效化好炉渣的情况下，提高炉渣中的硫容量，减少回硫，将碱度控制在4～6之间较为合适。　　

　　3.3、钢水深脱硫

　　钢水炉外精炼深脱硫是生产低硫品种钢的必要手段。攀钢通过开展炉外精炼工艺技术研究，形成了以转炉出钢预精炼、LF炉精炼渣系控制等为核心的低硫钢精炼工艺技术，显著提高了炉外精炼过程脱硫率。　　

　　（1）转炉出钢过程钢水预精炼技术　　

　　严格控制钢包下渣量是降低钢包渣氧化性的最有效办法。攀钢采用挡渣镖挡渣，钢包渣厚度控制在80mm以内，同时，出钢过程加入高碱度精炼渣，加入量为4～6kg/t，并采用硅钙钡或铝等还原剂对钢包渣进行脱氧改性，初步控制钢包渣组份和降低钢包渣氧化性，达到脱硫、脱氧及去除钢水中非金属夹杂物的“预精炼”目的，并能缩短LF炉化渣时间，延长白渣精炼时间，提高精炼效果。所用高碱度精炼渣的主要化学成份要求见表6。　　

　　表6：高碱度精炼渣组成（质量分数）　%　　　　

　　CaO
 

　　Al2O3
 

　　SiO2
 

　　CaF2
 

　　MgO

　　≥70
 

　　≤4
 

　　≤5
 

　　6~14
 

　　≤8

　　（2）LF炉精炼渣系控制　　

　　为控制钢水洁净度，精炼渣系的选择是最重要的研究内容之一。钢包渣的碱度及组成对精炼过程的脱氧有较大影响，当CaO含量过高后，渣中会有固相质点析出，使炉渣粘度上升，流动性变差，从而影响了脱氧的动力学条件。研究表明，随着炉渣碱度提高和渣中SiO2含量的降低，脱氧能力提高，钢水中溶解氧含量降低。　　

　　钢包渣氧化性对精炼过程的脱氧影响较为显著。日本钢管在生产低氧钢时，将RH处理前的渣中（FeO+MnO）质量分数降至1.0%以下，处理后T[O]基本都≤0.0010%；爱知钢厂在生产轴承钢时同样得到了相同的结论，甚至要求将渣中（FeO+MnO）降低至0.5%以下。　　

　　攀钢在高速轨的冶炼过程中，为了提高钢水精炼脱硫效果，控制钢中夹杂物数量及形态，在LF工序采用专用精炼渣，配合还原剂对钢水进行精炼。LF精炼前后钢包渣、钢水的情况见表7。　　

　　表7：LF精炼情况　　　　

　　钢包渣性质
 

　　T[O]/%
 

　　脱硫率/%

　　w（FeO+MnO）/%
 

　　CaO/SiO2

　　处理前
 

　　处理后
 

　　处理前
 

　　处理后
 

　　处理前
 

　　处理后
 

　　20~40

　　3~4
 

　　≤2
 

　　2~3
 

　　3~4
 

　　0.011
 

　　0.0052

　　从表7可以看出，LF精炼结束后，钢包渣（FeO+MnO）从精炼前3%～4%降低到了2%以下，精炼结束后钢中T[O]明显降低，脱硫率达到20%以上，表明钢水通过LF精炼，有效去除了钢中的夹杂物。　　

　　4、攀钢高速轨生产中硫的控制效果　　

　　攀钢通过开展铁水深脱硫处理、控制转炉冶炼过程回硫、钢水精炼硫的控制技术等研究，形成了提高钢的纯净度和控制钢中非金属夹杂物的洁净钢生产工艺技术，实现了以350km·h-1高速铁路用钢为代表的洁净钢批量生产。　　

　　（1）钢中硫含量控制　　

　　通过控制钢包渣碱度（CaO/SiO2）在3～4，氧化性（FeO+MnO）≤2%，确保了精炼脱硫率达到20%～40%，在转炉钢水S含量较高的情况下。成品≤0.008%的合格率达到95%以上，转炉冶炼Ar后至LF出站钢水S含量的变化情况见图5。　　

　　

　　图5：各工序S含量变化　　

　　（2）钢中T[O]及夹杂物控制　　

　　通过采取在出钢过程“预精炼”、精炼过程加入专用精炼渣等措施，将钢包渣组成控制在适宜的范围内，精炼后的T[O]去除率提高到48%左右，使得钢轨T[O]降至0.0015%以下，夹杂物的分布形态也得到了有效控制，见表8及图6。　　

　　表8：非金属夹杂和T[O]、[H]检验结果　　　　

　　项目
 

　　非金属夹杂评级/级
 

　　T[O]/%
 

　　[H]/%

　　A
 

　　B
 

　　C
 

　　D

　　范围
 

　　1.0~2.0
 

　　0.5~1.5
 

　　0.5~1.0
 

　　0.5~1.0
 

　　0.00071~0.000177
 

　　0.00070~0.00015

　　平均值
 

　　1.42
 

　　0.81
 

　　0.90
 

　　0.69
 

　　0.001017
 

　　0.000115

　　

　　图6：硫化物夹杂在铸坯（a）和钢轨（b）中的典型分布　　

　　由表8及图6可见，高速轨钢非金属夹杂和T[O]均控制较好。铸坯中硫化物夹杂呈点、球状弥散分布，铸坯轧制后，钢轨金相面上夹杂的分布较为弥散，夹杂条数少和总长度短。　

　　5、结论　　

　　（1）攀钢通过开展铁水深脱硫处理、控制转炉冶炼过程回硫、钢水精炼硫的控制技术等研究，实现了以350km·h-1高速铁路用钢为代表的洁净钢生产。　　

　　（2）攀钢在高速轨冶炼方面，通过采取铁水深脱硫、出钢过程“预精炼”、精炼过程加入专用精炼渣等措施，使成品S≤0.008%的合格率达到95%以上，钢轨T[O]降至0.0015%以下，夹杂物的分布形态也得到了有效控制。