尚德禮1，林洋2，呂春風1，康磊1，廖相巍1，李偉東2
（1. 鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009；2. 鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧鞍山114021）
摘要：采用低SiO2含量的CaO-Al2O3-SiO2系脫硫劑，在180 t RH 上進行了深脫硫試驗。結(jié)果表明，脫硫率可達到70%以上，且處理過程中未發(fā)生回硫現(xiàn)象；RH 脫硫過程爐渣中FeO和MnO 含量的升高有利于爐渣光學堿度的提高；脫硫劑的合適加入量為1.5 t。
關(guān)鍵詞： RH；深脫硫；脫硫劑；光學堿度
隨著工程技術(shù)的發(fā)展， 人們對鋼的使用性能要求越來越高，鋼中硫作為有害元素，如果在熔煉過程中不能有效去除，將嚴重制約鋼的使用性能。目前煉鋼過程主要采用LF 精煉工藝進行深脫硫處理，盡管該技術(shù)非常成熟，但是在生產(chǎn)超低碳、超低硫鋼時，還存在一定問題。因為生產(chǎn)此類鋼時必須采用RH 真空精煉工藝進行脫碳， 同時為了脫硫又必須采用LF 精煉工藝， 也就是必須采用RH+LF 聯(lián)合處理方式才能生產(chǎn)該類鋼種。此種方法不僅生產(chǎn)成本高，而且處理時間長，因此RH 脫硫技術(shù)的應(yīng)用逐步被重視［1-4］。目前RH 脫硫的方法主要有兩種：RH 噴吹脫硫粉劑法和RH 真空室投入脫硫劑法。前者脫硫徹底，脫硫率可達80%~90%，鋼液硫含量由0.003 0%降至0.000 5%（質(zhì)量分數(shù)）以下，但其需要復雜而昂貴的噴吹設(shè)備；后者雖相對脫硫率低，但不需添加、改造任何設(shè)備，方法簡便易行，且脫硫率可達40%~60%［5］。因此，RH 真空室投入脫硫劑法具有良好的應(yīng)用前景。另外，在物料消耗、溫度損失和鋼液增氮控制方面，采用RH 工藝無疑具有明顯的優(yōu)勢。
盡管RH 真空室投入脫硫劑的方式可行，但是對于爐渣光學堿度及脫硫劑加入量等方面還沒有相關(guān)深入研究的報道。為了認清RH 脫硫本質(zhì)及提高脫硫效率， 本文結(jié)合鞍鋼生產(chǎn)設(shè)備和工藝特點， 針對無取向硅鋼采用RH 真空室投入脫硫劑法進行脫硫試驗研究。
1 脫硫劑的選擇
CaO-Al2O3-SiO2相圖見圖1［1］所示。由圖1 可以看出，1 300 ℃附近有三個低熔點區(qū)域， 分別在圖1 中標為I、II、III，I、III 具有較高的SiO2含量，不能用于鋁脫氧鋼的精煉處理，而II 區(qū)SiO2活度較低不會回硅， 該組成渣系適宜作鋁脫氧鋼的精煉渣，同時可保證一定的爐渣堿度，有利于脫硫。
因此本試驗采用脫硫渣的組分位于相圖中的II 區(qū)附近，該區(qū)域精煉渣的熔點略高于1 300 ℃，從熔化點來看，該渣系熔點低，有利于脫硫。
試驗共采用兩種類型的脫硫劑， 分別稱為A 型和B 型， 兩種脫硫劑的組分以相圖中II 區(qū)的組分為基礎(chǔ)，進行了成分微調(diào)。
2 RH 處理過程脫硫試驗
2.1 工藝路線
工藝路線為：鐵水預(yù)脫硫→轉(zhuǎn)爐吹煉(180 t)→擋渣出鋼→吹氬站→RH 脫硫（真空室投入法）→連鑄，試驗鋼種為無取向硅鋼。操作過程中，在RH脫氧合金化后，分3 批將脫硫劑加入真空室，攪拌8 min，提升氣體流量定為120 m3/h，RH 處理結(jié)束后上機澆鑄。采用A 型和B 型脫硫劑各進行2 爐，共4 爐試驗。
2.2 取樣要求及分析方法
試驗過程需取2 類試樣，包括鋼樣和渣樣。分別在RH 搬入、RH 加脫硫劑前、RH 搬出、中間包工位取鋼樣和渣樣， 鋼樣要求采用圓桶取樣器取樣。然后分別對所取鋼、渣樣進行化學成分分析。
3 試驗結(jié)果與分析
3.1 化學成分分析
RH 脫硫試驗結(jié)果見表1。由表1 看出，采用RH 處理的4 爐鋼的脫硫率平均達到59.6%，最高脫硫率達到67.5%， 整個處理過程中未發(fā)生回硫現(xiàn)象，說明該處理方法具有較好的脫硫效率。由表1 還看出， 前兩爐使用A 型脫硫劑的脫硫效率要高于后兩爐使用B 型脫硫劑的脫硫效率， 說明兩種脫硫劑的脫硫能力存在差別。
對鋼包渣樣進行分析， 研究脫硫過程中爐渣成分的變化特點，爐渣的化學成分見表2。
由表2 看出， 經(jīng)RH 處理后的爐渣氧化性較高，渣中FeO 含量可高達7%左右，MnO 含量也高達5%以上，這種爐渣顯然不適用LF 深脫硫工藝。LF 精煉過程對鋼包渣脫氧進行白渣操作是造渣精煉的關(guān)鍵，而LF 爐深脫硫必須在低氧化性爐渣中才能順利進行，當鋼包渣中ω（FeO+MnO）下降至1％以下時，才能達到顯著的脫硫效果［7］。顯然，常規(guī)LF 脫硫理論已經(jīng)不能很好的解釋RH 的脫硫過程，需新的理論解釋RH 脫硫過程。
3.2 爐渣的光學堿度及硫容量分析
硫容量是能夠準確表達脫硫劑脫硫能力的一個參數(shù)， 它是在封閉體系中當氣渣間達到平衡時的實驗測定值，但是實驗測定不可能經(jīng)常進行，需要一個簡便而可靠的預(yù)測手段。
光學堿度是替代傳統(tǒng)堿度的一種科學方法，它是以各種氧化物的化學鍵為基礎(chǔ)發(fā)展來的賦予渣中所有成分以獨立的堿度指標。由于脫硫劑或脫硫渣中具有多種氧化物， 原先評定堿度的方法無法評定多種氧化物， 因此光學堿度比傳統(tǒng)的堿度表達式更有預(yù)測性， 并具有一定程度的廣泛性和獨立性［8］。
試驗渣光學堿度根據(jù)下式計算［9］：
式中，xi為各氧化物陽離子的當量分數(shù)；Λi為氧化物的理論光學堿度。
式中，Wi為渣中氧化物i 的重量，%；Mi為氧化物i的克分子量；Oi為氧化物的氧原子數(shù)目。
試驗渣硫容量根據(jù)下式計算［8］：
計算所涉及爐渣中各組元的光學堿度見表3。
根據(jù)式（1）、（2）和表2、3 中的數(shù)據(jù)可計算出爐渣的光學堿度和爐渣的硫容量，結(jié)果見表4。
顯然，表4 中，前2 爐（1#、2#）的脫硫率高于后2 爐（3#、4#）的脫硫率，前2 爐的脫硫率達到60%以上， 而后2 爐的脫硫率分別為55.8%和52.4%，均未達到60%。在光學堿度方面，前2 爐的光學堿度高于后2 爐，大約高出0.03%，但是前2 爐的硫容量與后2 爐的相比卻提高了將近2.5 倍， 說明少量提高光學堿度就可以顯著增強爐渣脫硫能力。為了分析爐渣光學堿度與各組元的關(guān)系，分別統(tǒng)計前2 爐和后2 爐的爐渣中CaO 和FeO+MnO 含量的平均值，結(jié)果見表5。
由表3 中單個組元的光學堿度數(shù)據(jù)可知，CaO和FeO 的光學堿度同為1，而MnO 的光學堿度也接近1，為0.98，因此，爐渣中的CaO 和FeO+MnO含量的提高有利于爐渣光學堿度的提高。相應(yīng)的，爐渣的硫容量（Cs）也有所提高，使得脫硫效率提高。這一理論并不有悖于常規(guī)的脫硫理論，常規(guī)理論認為， 渣中FeO+MnO 含量越低越有利于脫硫，這是由于在FeO+MnO 含量較低的高堿度爐渣中CaO 含量相應(yīng)較高，CaO 含量的提高同樣提高了爐渣的光學堿度和Cs，也就有利于脫硫。因此根據(jù)爐渣光學堿度理論，RH 處理過程無需頂渣改質(zhì)造低氧化性渣， 完全可以應(yīng)用高氧化性爐渣進行深脫硫。從生產(chǎn)數(shù)據(jù)來看，RH 真空室投入脫硫劑的方式也確實達到了深脫硫的目的。
3.3 脫硫劑加入量分析
工業(yè)試驗已證明A 型脫硫劑的脫硫效果較好， 因此生產(chǎn)過程中采用A 型脫硫劑進行脫硫處理，統(tǒng)計不同加入量與脫硫效果的數(shù)據(jù)，見圖2。由圖2 可見，脫硫率隨脫硫劑加入量的增加而增加，加入量從0.5 t 增至1.5 t 時，脫硫率增加幅度較大，從38%很快增加至70%。但是加入量超過1.5 t 時，脫硫率增加幅度顯著降低，僅從70%增至72%， 也就是渣量繼續(xù)增加， 脫硫率幾乎沒有增加。但常規(guī)LF 脫硫理論認為，鋼水精煉結(jié)束的硫含量與鋼水初始硫含量及鋼包頂渣硫含量有下列關(guān)系：
式中，ω［S］為鋼中硫的質(zhì)量數(shù)；Σω（S）為鋼渣中所有硫的質(zhì)量數(shù)之和；ω（S）為渣中硫的質(zhì)量數(shù)；b 為渣量。
由式（4）可見，增大渣量有利于脫硫。在脫硫試驗中，當脫硫劑加入量小于1.5 t 時，脫硫率隨脫硫劑加入量的增加而顯著增加， 這一關(guān)系與公式（4）基本一致。但脫硫劑加入量高于1.5 t 時，脫硫效率并沒有隨脫硫劑加入量的增加而顯著增加。這一結(jié)果顯然與通常的脫硫理論不一致，可進行如下解釋， 真空室內(nèi)的鋼和渣在下降管上方會出現(xiàn)漩渦，熔渣通過漩渦卷入鋼水，并連同鋼水進入鋼包，即完成了脫硫的主要過程。當脫硫劑加入量增多時，由于渣層厚，熔渣更容易被下降管上方的漩渦卷入，很快進入鋼包，完成脫硫過程。因此增加脫硫劑加入量并不會對脫硫率的提升起到顯著作用。此外，過大的渣量會使爐渣熔化速度慢，爐渣的流動性差，也不利于脫硫。
脫硫劑加入量過多，還容易使鋼包凈空減少，造成鋼包溢渣事故，而且脫硫劑量加入過多，會使能耗增加，從而增加成本，因此從試驗結(jié)果看，脫硫劑加入量以1.5 t 為宜。
由于RH 處理的鋼種是硅鋼， 硅鋼的特點是硅含量比較高， 當真空室投入的脫硫劑由下降管連同鋼水進入鋼包的過程中，鋼液脫氧產(chǎn)物中SiO2與脫硫劑結(jié)合， 由于SiO2等酸性氧化物能使粘滯流動單元尺寸變大，結(jié)果使爐渣粘度增加［11］。因此，脫硫后的爐渣上浮至鋼包液面上以后，流動性變差，使得爐渣中的硫不會再次返回至鋼液，也就不會發(fā)生鋼液回硫現(xiàn)象。
4 結(jié)論
（1） CaO-Al2O3-SiO2系脫硫劑熔點低，且SiO2含量低，適用于鋁脫氧鋼的精煉處理，脫硫效果非常顯著，脫硫率可達70%。
（2） 常規(guī)脫硫理論已不能很好的解釋高氧化性爐渣的脫硫過程， 但光學堿度理論適用于高氧化性爐渣， 即渣中FeO+MnO 含量的升高有利于RH 處理過程爐渣光學堿度的提高，光學堿度少量提高就可以大幅度的提高硫容量（Cs），相應(yīng)的也提高了爐渣的脫硫效率。
（3） 在RH 處理過程中，脫硫劑的加入量并非越多越好，合適的脫硫劑加入量為1.5 t，過多的加入脫硫劑不僅造成能耗增加， 還可能引起鋼包溢渣事故。另外，還可能導致鋼液溫降過大，降低脫硫率。
參考文獻
［1］ 殷瑞鈺. 合理選擇二次精煉技術(shù), 推進高效率低成本“潔凈鋼平臺”建設(shè)［J］. 煉鋼， 2010， 26（2）： 1-9.
［2］ 劉良田. RH 真空深脫硫［J］. 武鋼技術(shù)，1990， 28（1）： 16-19.
［3］ 朱衛(wèi)民. RH 真空脫硫的熱力學研究［J］. 上海金屬，1990，12（6）： 19-21.
［4］ 戰(zhàn)東平，姜周華，羅建江，等. RH-KTB 預(yù)熔渣深脫硫?qū)嵺`［J］.鋼鐵， 2005， 40（11）： 27-29.
［5］ 艾立群， 蔡開科. RH 處理過程鋼液脫硫［J］. 煉鋼， 2001，17（3）：53-57.
［6］ T. Hatakeyama. RH-PB—二次精煉新工藝［J］. 國外爐外精煉技術(shù)（一）， 1997（10）： 75-80.
［7］ 黃德勝. LF 精煉生產(chǎn)低硫鋼工藝實踐［J］. 煉鋼， 2013，29（5）： 11-17.
［8］ 翁宇， 王忠東. 利用光學堿度計算含CaF2脫硫劑脫硫能力的研究［J］. 煉鋼， 1999, 15（1）： 25-27.
［9］ 黃希祜. 鋼鐵冶金原理［M］. 北京：冶金工業(yè)出版社，1990.[10] 鄭沛然. 煉鋼學［M］. 北京：冶金工業(yè)出版社， 1994.
[11] 姚金甫. 國內(nèi)外鋼包的粘渣及其對策［J］. 鋼鐵， 2002，37（2）: 70-72.