郝志剛

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津 300301）

[摘 要] 通過(guò)研究影響脫硫工藝的動(dòng)力學(xué)條件和熱力學(xué)條件，以爐渣脫硫原理為依據(jù)，系統(tǒng)分析了爐渣中各組分、鋼液溫度、CaF₂、鋼液氧化性及底吹氬氣控制等因素對(duì)脫硫的影響，確定了最佳的深脫硫的條件，開(kāi)發(fā)并制定了一套工藝穩(wěn)定、生產(chǎn)高效、成本可控的深脫硫工藝，實(shí)現(xiàn)了低 S 和超低 S 鋼液的穩(wěn)定控制。

[關(guān)鍵詞] 脫硫；工藝；爐渣；白灰；氬氣底吹

0 引言

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不斷深化，各行業(yè)對(duì)鋼材質(zhì)量要求的不斷提高，這要求鋼廠高效、低耗生產(chǎn)出市場(chǎng)所需高品質(zhì)、高附加值的鋼產(chǎn)品。LF 爐在整個(gè)煉鋼工序起到呈上起下的作用，對(duì)提高鋼材的高品質(zhì)、高附加值和潔凈度起到至關(guān)重要的作用。

為了更好地應(yīng)對(duì)當(dāng)前嚴(yán)峻的市場(chǎng)形勢(shì)，滿足用戶和市場(chǎng)的需求，結(jié)合天鋼 LF 爐和 VD 裝備和技術(shù)特點(diǎn)，從持續(xù)改進(jìn)我廠脫硫工藝和滿足公司開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度、高韌性的耐高壓鋼種和具有良好抗 H₂S 腐蝕性能等高級(jí)別圓管坯鋼種的要求，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，這就要求我們具有穩(wěn)定、高效生產(chǎn)低硫、超低硫鋼的能力。

1 爐渣脫硫理論分析

從分子理論層面業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為脫硫應(yīng)按以下步驟進(jìn)行:

（1）在鋼液和爐渣界面上,鋼水中的[FeS]按分配定律進(jìn)入爐渣。

[FeS]=（FeS）

（2）爐渣中（FeS）與爐渣中自由（CaO）結(jié)合為穩(wěn) 定的（CaS）。

（FeS）+（CaO）=（FeO）+（CaS）

（3）將上述兩者總結(jié)歸化為新的反應(yīng)：

[FeS]+（CaO）=（FeO）+（CaS）

爐渣脫硫過(guò)程是硫由鋼液內(nèi)逐漸向鋼渣界面進(jìn)行遷移，在界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成硫化物，再逐漸向熔渣層進(jìn)行遷移。因此影響脫硫情況的主要受爐渣狀態(tài)和溫度的影響^[1]。

2 爐渣組分對(duì)脫硫的影響

煉鋼行業(yè)有句名言：煉鋼即煉渣，可見(jiàn)爐渣對(duì)煉鋼的重要性，以下具體分析爐渣組分對(duì)脫硫性能的影響。

2.1 爐渣堿度（CaO/SiO₂）對(duì)脫硫性能的影響

爐渣脫硫的首要條件就是渣中的 CaO，隨著堿度的不斷提高，渣中 CaO 含量逐漸增加，爐渣的脫硫能力得到提高。爐渣脫硫能力提高主要是堿性爐渣中含有大量的自由氧離子[O]，有利于爐渣進(jìn)行脫硫反應(yīng)。但過(guò)高的堿度也會(huì)引起爐渣粘稠，根據(jù)脫硫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理分析，反而不利于爐渣進(jìn)行脫硫 反應(yīng)^[2]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，圖 1 顯示的是爐渣堿度與硫 分配系數(shù) Ls（Ls=（S）/[S]）的粗略關(guān)系，Ls 波動(dòng)范圍 在 25~500。

由圖 1 可知，爐渣的堿度 R=4.2 時(shí)，Ls 達(dá)到最大，堿度持續(xù)的升高，脫 S 效果沒(méi)有持續(xù)升高，反而有下降趨勢(shì)。說(shuō)明實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，精煉渣的堿度R=4.2 是生產(chǎn)深脫 S 鋼種的最佳堿度。

CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃ 四元渣系脫硫?qū)嶒?yàn)結(jié)果表明，爐渣中的堿度 R 是影響渣鋼硫分配系數(shù) Ls 的主要原因之一。當(dāng)爐渣的堿度 R<4.2 時(shí)，堿度逐漸增加，Ls 隨之增加：而當(dāng)爐渣的堿度 R>4.2 時(shí)， 堿度逐漸增加，Ls 隨之下降。隨著爐渣中 CaO 含量的不斷提高，[S]不斷降低，但當(dāng)爐渣的堿度 R>4.2 時(shí)，隨著 CaO 含量不斷提高造成爐渣脫硫效果不斷降低。

2.2 ω（Al₂O₃）含量對(duì)爐渣脫硫性能的影響

參考各類文獻(xiàn)對(duì)爐外精煉渣中 Al₂O₃行為的研究，目前還沒(méi)有獲得一致的結(jié)論。但是業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為要取得較好的脫硫效果，Al₂O₃ 含量必須控制在 15%~40%范圍內(nèi)。隨著 Al₂O₃含量的繼續(xù)增加，渣的粘度將增加，不利于脫硫^[3]。對(duì)目前生產(chǎn)中堿度 R=4~4.5 精煉渣中，配加不同百分比的 Al₂O₃含量， 脫硫率情況分布見(jiàn)圖 2。

由圖 2 可以看出，在現(xiàn)有生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中，精煉渣中含有 15%~20%的Al₂O₃時(shí)，爐渣的脫 S 能力 得到了極大提升。在生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中，生產(chǎn)深脫 S 的鋼種時(shí)，按照渣系中含有 15%~20%的 Al₂O₃來(lái)布料，極大地改善了爐渣的利用率。

2.3 ω（FeO+MnO）含量對(duì)于爐渣脫硫性能的影響

爐渣中氧化性的強(qiáng)弱主要用（FeO+MnO）含量 的多少來(lái)表示。大量的試驗(yàn)結(jié)果證明，在 （FeO+ MnO） 含量小于 2.0%時(shí)，實(shí)際硫分配系數(shù)隨著 （FeO+MnO）含量的降低而快速提高，與線性增長(zhǎng)相似^[4]。因此在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)控制渣中（FeO+MnO）含 量不超過(guò) 2.5%，控制的最佳條件應(yīng)為小于 2.0%。

在生產(chǎn)實(shí)際中，以堿度在 4.0~4.5 之間渣樣做試驗(yàn)，w（FeO+MnO）含量在不同區(qū)間的脫 S 率見(jiàn)圖 3。

爐渣脫硫效果的好壞主要取決于爐渣氧化性 的強(qiáng)弱。從圖 3 可知，（FeO+MnO）含量以 1%為分界點(diǎn)，當(dāng)（FeO+MnO）小于 1%時(shí)，脫硫效率明顯提高。 反之則脫硫效率明顯降低。通過(guò)采取控制下渣量及鋼包渣改質(zhì)等措施，有效地降低了鋼包頂渣氧化性。另外，在轉(zhuǎn)爐下渣情況下，精煉進(jìn)站經(jīng)行爐渣預(yù) 處理，加強(qiáng)還原強(qiáng)度，從而使渣中（FeO+MnO）含量小于 1%。試驗(yàn)證明取得了較好的冶金效果。

在生產(chǎn)低 S、超低 S 的鋼種時(shí)，為了保證深脫 S 的穩(wěn)定性，工藝要求（FeO+MnO）含量小于 0.5%的，平均脫硫率 85.12%，脫硫率最高的達(dá)到 90%，完全 能夠滿足現(xiàn)有低 S、超低 S 的鋼種對(duì) S 含量的要求。 因此，在生產(chǎn)低 S、超低 S 鋼種時(shí)，工藝要求渣中 (FeO+MnO)含量必須控制在 0.5%以下。

3 ω（CaF₂）含量對(duì)爐渣脫硫性能的影響

CaF₂ 含量可以顯著降低精煉渣粘度，有效改善爐渣流動(dòng)性，增加鋼液和爐渣界面的傳質(zhì)，提高脫硫效率。但其加入量過(guò)大時(shí)，不但不利于脫氧，而且會(huì)加快爐渣對(duì)爐襯侵蝕的速度。對(duì)發(fā)泡效果而言，對(duì)其影響是雙面的。一方面，CaF₂ 含量的增加，降低了表面張力，非常有利于提高爐渣發(fā)泡效果；另一方面，CaF₂ 含量的增加，降低了爐渣的粘度的同時(shí)，不利于爐渣發(fā)泡，但在整個(gè)發(fā)泡過(guò)程中，起到主導(dǎo)作用的仍是表面張力。CaF₂ 含量的增加有利于爐渣發(fā)泡，但穩(wěn)定性較差影響它的加入量，因此 CaF₂ 含量在與 CaO 含量相匹配的基礎(chǔ)上，控制其加入量為CaO 含量的 5%~15%。作業(yè)區(qū)目前控制 CaF₂ 的使用量在此區(qū)間內(nèi)，LF 爐處理過(guò)程中精煉渣中高熔點(diǎn)組分的熔化溫度明顯降低，可以有效減少 LF 爐的化渣及升溫時(shí)間、增加冶煉強(qiáng)度和縮短精煉給電時(shí)間及周期，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中有效地減少了 LF 爐的負(fù)擔(dān)、提高了生產(chǎn)效率^[5]。

4 溫度對(duì)爐渣硫容量及鋼液和爐渣界面元素?cái)U(kuò)散速率的影響

LF 爐處理過(guò)程中，溫度升高，可以降低爐渣粘度，使脫硫條件得到有效改善。從熱力學(xué)角度考慮，溫度升高，脫硫反應(yīng)平衡常數(shù) Ks 能夠得到提高；從動(dòng)力學(xué)角度考慮，溫度升高，可以加快鋼液和爐渣界面元素的擴(kuò)散速度，因而在特定的范圍內(nèi)提高溫度，可有利于脫硫。根據(jù)文獻(xiàn)資料顯示結(jié)果見(jiàn)圖 4。

當(dāng)溫度到達(dá)特定值后繼續(xù)升高，反而使脫硫率略有降低，主要原因是：根據(jù)熱脹冷縮原理，溫度過(guò)高時(shí)，渣層偏薄，給電過(guò)程中鋼水極易裸露造成二次氧化，且還原劑在渣層中停留時(shí)間變短，造成渣層脫氧效果不理想，脫硫率降低。因此，在生產(chǎn)低 S、超低 S 鋼種過(guò)程中，在精煉操作過(guò)程規(guī)定中，首批料的配加量增大，爐渣完全溶化后再少量多次配加剩余輔料，力求爐渣溫度盡快升高，且過(guò)程中避免大的溫降。出站后覆蓋劑使用嚴(yán)格按照工藝要求實(shí)施，確保爐渣始終具備一定溫度。

5 鋼液中 ALs 對(duì)硫在鋼渣中的平衡分配的影響

鋼液中氧含量直接影響精煉渣脫硫效果。從爐渣脫硫反應(yīng)可知，隨著鋼液中氧含量的提高，將抑制脫硫反應(yīng)的進(jìn)行，因此要保證精煉渣的脫硫效果就必須采取相應(yīng)措施來(lái)降低鋼液中的氧含量。

鋼中氧含量也受渣中氧含量影響，因?yàn)殇撘汉蜖t渣間存在著氧的平衡分配，當(dāng)爐渣氧化性較高時(shí)，爐渣內(nèi)氧會(huì)向鋼液中遷移，造成鋼液氧化性增強(qiáng)。另外，鋼包耐火材料也會(huì)向鋼水供氧導(dǎo)致鋼液氧化性增強(qiáng)^[6]。

鋁是強(qiáng)脫氧元素，用鋁脫氧可有效降低鋼液中的氧含量，當(dāng)鋼液中酸溶鋁控制在 150×10^-6~300×10^-6， 鋼液中的氧化性可以得到有效控制, 鋁脫氧反應(yīng)方程式為:

2A1+3[O] = A1₂O₃ 

酸溶鋁對(duì)脫硫率影響的關(guān)系圖見(jiàn)圖 5。

由圖5 可以看出，當(dāng)鋼中酸溶鋁含量控制在200×10^-6 左右時(shí)，脫硫率明顯提高。因此降低鋼液 氧化性可以明顯提高脫硫率。在精煉生產(chǎn)實(shí)際中，生產(chǎn)低 S、超低 S 鋼種過(guò)程中，采取轉(zhuǎn)爐強(qiáng)脫氧模式，在精煉過(guò)程中全程保鋁，盡量將酸溶鋁控制在200×10^-6 左右，加強(qiáng)鋼液脫硫。

6 不同階段氬氣流量對(duì)深脫硫的影響

從動(dòng)力學(xué)方面考慮，吹氬攪拌不僅提高了鋼液和爐渣界面之間的接觸面積，從而使擴(kuò)散傳質(zhì)的推動(dòng)力加大，這對(duì)脫硫是十分有利的。但吹氬量太大，會(huì)造成渣層厚度太薄，甚至鋼液裸露，從而造成二次氧化，嚴(yán)重時(shí)將影響冶金效果^[7]。在精煉實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，調(diào)節(jié)氬氣情況視爐渣攪動(dòng)明顯，但不裸露鋼液為最佳給電制度。爐前工視爐渣攪動(dòng)情況及時(shí)與主控聯(lián)系溝通，及時(shí)根據(jù)爐渣流動(dòng)情況調(diào)節(jié)氬氣流量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制定一套符合現(xiàn)有工藝的底吹氬氣控制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

7 精煉低 S、超低 S 鋼工藝制定

（1）確定了低 S 和超低 S 鋼目標(biāo)渣組分：CaO: 50%~55%，SiO₂:10%~15%，Al₂O₃:20%~25%，T（FeO+MnO）:<0.5%。

（2）鋼水氧化性：鋼液中 Als 控制在 200×10^-6 左右。

（3）鋼水溫度：一般控制在 1580~1590℃鋼水在溫度方面最為合理。

（4）制定一套符合現(xiàn)有工藝的底吹氬氣控制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

8 數(shù)據(jù)及效果對(duì)比

在大量的試驗(yàn)分析后，精煉作業(yè)區(qū)根據(jù)研究成果，明確了工藝操作各關(guān)鍵點(diǎn)的具體參數(shù)，對(duì)四班操作進(jìn)行統(tǒng)一培訓(xùn)及試驗(yàn)成果跟蹤后，完成了低 S、超低 S 鋼精煉工藝研究的任務(wù)，試驗(yàn)前后成品 S 具體情況見(jiàn)表 1。

試驗(yàn)前每爐白灰加入量為 1640.3kg，試驗(yàn)后每爐白灰加入量為 1396.5kg，試驗(yàn)后平均單爐相比試驗(yàn)前節(jié)省石灰 243.8kg。

9 結(jié)論

通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了對(duì)低 S、超低 S 鋼中 S 含量的穩(wěn)定控制，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，有效提高了我公司產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，為拓寬高利潤(rùn)空間品種打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，石灰的高效利用、低成本控制。僅石灰成本噸鋼可節(jié)約：244.8kg/ 爐×410 元/t÷1000÷105t/爐=0.96 元/t。

參考文獻(xiàn)

[1] 方煒,夏文勇,羅仁輝,等.LF 爐快速脫硫工藝探討[J].江西冶金, 2007（6）：4-6，24.

[2] 王金輝.LF 爐脫硫工藝制度的研究與優(yōu)化[D].鞍山：遼寧科技大 學(xué)，2007.

[3] 李文獻(xiàn).LF 爐預(yù)熔精煉渣的研究與應(yīng)用[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2003.

 [4] 高艷紅.LF 爐含鋇精煉渣的研制與應(yīng)用[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2005.

[5] 趙斌. LF 精煉渣脫硫能力的優(yōu)化研究[D].西安：西安建筑科技大 學(xué)，2014.

[6] 劉金學(xué).轉(zhuǎn)爐冶煉超低硫鋼工藝優(yōu)化研究[D].鞍山：遼寧科技大 學(xué)，2008.

[7] 趙大同.超低硫鋼冶煉中的脫硫工藝[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（22）： 61.