潘貴明，曲　欣，張奇毅（興澄特種鋼鐵有限公司特板煉鋼分廠，江蘇江陰214400）

冶金與材料

用渣洗替代鋼包精煉爐脫硫的工藝優(yōu)化試驗研究

潘貴明，曲欣，張奇毅
（興澄特種鋼鐵有限公司特板煉鋼分廠，江蘇江陰214400）

為簡化船板鋼生產(chǎn)工序，減少鋼水精煉時間以控制生產(chǎn)節(jié)奏，進行渣洗脫硫替代鋼包精煉爐（LF）脫硫的工藝改進試驗。分析轉(zhuǎn)爐終渣氧化性、終點碳含量及鋼包底吹氬流量等參數(shù)對渣洗過程中脫硫率的影響。結(jié)果表明：終渣FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于25%時，脫硫率在20%以下；終點碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.06%時，由于鋼水氧化性強，鋼水脫硫率低于20%，需將轉(zhuǎn)爐終點碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.1%以上；增大氬氣流量能提高脫硫率，但當(dāng)流量超過0.5 m3/min，效果不再明顯。該研究為用渣洗脫硫取代LF爐脫硫工序提供了依據(jù)。

鋼包精煉爐；渣洗；脫硫

對于鋼水脫硫，國內(nèi)多家鋼廠不使用鋼包精煉爐（LF）脫硫，而使用渣洗法脫硫來滿足鋼種質(zhì)量要求。如南京鋼鐵有限公司使用渣洗脫硫滿足低硫鋼的生產(chǎn)要求［1］；天津天鐵冶金集團有限公司采用渣洗脫硫，平均脫硫率高達43.59%［2］。朱立光等［3］通過原理分析并結(jié)合鋼廠實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)評測渣洗工藝的冶金效果；趙圣功等［4］及張占省等［5］分別在萊鋼和邯鋼試驗渣洗工藝，發(fā)現(xiàn)采用渣洗工藝可提高脫硫效率，縮短精煉時間；黃志勇等［6］認(rèn)為該工藝簡便快速、經(jīng)濟有效，可用于實際生產(chǎn)；王春瓊等［7］探討了使用渣洗工藝及后續(xù)鋼包吹氬和喂線等手段生產(chǎn)硬線鋼的可能；Gladman等［8］認(rèn)為，渣中A12O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15%～40%范圍內(nèi)，采用渣洗法能夠取得較好的脫硫效果；薛正良等［9］、馬春生等［10］針對合成渣研究了合成渣洗及弱脫氧鋼水中的脫硫。上述研究成果表明，工廠實踐中渣洗脫硫能夠提高脫硫效率，縮短精煉時間，但是該工藝能否在船板鋼生產(chǎn)流程中替代LF爐進行脫硫處理，較少文獻報道。

某鋼廠主要產(chǎn)品為船板鋼，目前存在工藝流程長、鋼水精煉時間緊湊、生產(chǎn)彈性小等問題。該鋼廠轉(zhuǎn)爐終點硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在0.006%以上，而板坯要求硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.005%，故需在出鋼過程中將鋼水中S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至0.004 5%左右。但是目前工藝RH處理過程中脫硫能力弱，難以滿足要求。為此，筆者借鑒渣洗脫硫的成功經(jīng)驗，進行用渣洗法替代LF脫硫的試驗研究，分析渣洗過程中脫硫效果的影響因素。

1　渣洗脫硫原理及其試驗

1.1渣洗脫硫原理

鋼水精煉過程中脫硫劑與鋼水間的脫硫反應(yīng)為

如果此時同時采用鋁脫氧，脫硫反應(yīng)為

鋁脫氧的鋼水脫硫反應(yīng)過程中，脫硫產(chǎn)物（包括脫氧產(chǎn)物）與鋼水之間硫的分配系數(shù)LS=w（S渣洗后）/w（S轉(zhuǎn)爐終渣）可用式（3）［8］計算

式中：CS為硫容量；fS為硫的活度系數(shù)；aAl2O3為氧化鋁的活度系數(shù)；w（Al）為Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；T為溫度。由式（1）～（3）可知，獲得較高的硫分配比需大的硫容量，且鋼水中硫活度系數(shù)較高，渣中氧化鋁活度較低及酸溶鋁活度較高。渣洗是在出鋼過程中把脫硫劑事先投放在包底或隨出鋼過程加入脫硫劑，利用出鋼時高溫鋼水強大的攪拌動能，把脫硫劑與鋼水快速混勻、熔化，促進渣鋼反應(yīng)，從而獲得良好的脫硫效果。故要保證渣洗的脫硫效果，可采取的措施為：選擇硫容量較大的脫硫劑；減少下渣量；強化鋼水與脫硫劑的混勻攪拌；加入脫氧劑降低渣中氧化性。

1.2渣洗脫硫工藝試驗

將原工藝的LF脫硫工序更替為渣洗工序，渣洗脫硫工藝流程為：高爐鐵水→KR攪拌脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→渣洗→爐渣改質(zhì)→RH真空處理→連鑄。

采用的脫硫劑主要由預(yù)熔合成渣、電石、活性石灰3種物料構(gòu)成，其理化指標(biāo)分別見表1～3，脫硫劑加入量為8～10 kg/t。為控制脫硫渣的氧化性，需在出鋼時加入還原性的改渣劑，改渣劑為鋁渣，用量1.0～1.5 kg/t，其主要成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為CaO 15%～25%，MgO 3%～8%，Al 38%～42%，Al2O35%～15%。取樣分析脫硫爐渣的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為CaO 52%～65%，SiO210%～18%，Al2O312%～18%，MgO 3%～5%，MnO 0.05%～1.00%，F(xiàn)eO 1%～3%。

表1　合成渣的理化指標(biāo)Tab.1 Physical and chemistry properties of synthetic slag

表2　電石的理化指標(biāo)Tab.2 Physicalandchemistrypropertiesofcalciumcarbide

表3　活性石灰的理化指標(biāo)Tab.3 Physical and chemistry properties of activated lime

2　試驗結(jié)果與分析

2.1轉(zhuǎn)爐終渣氧化性對渣洗脫硫率的影響

試驗中取10爐次的轉(zhuǎn)爐終渣，測量渣中FeO及硫含量，結(jié)果如表4，圖1為脫硫率與終點渣中FeO含量的關(guān)系。由表4可以看出：終渣FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15%時，脫硫率在40%以上；終渣FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于25%時，脫硫率在20%以下；終渣FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過30%時，脫硫率不超過10%。圖1表明，終渣FeO含量與脫硫率大致呈線性關(guān)系，相關(guān)度在90%以上。由此可見，終渣中FeO含量嚴(yán)重影響脫硫率，特別是FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過20%。實際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)爐下渣不可避免，一般轉(zhuǎn)爐下渣量每噸鋼在10 kg以上。而轉(zhuǎn)爐終渣的氧勢很高（終渣w（TFe）=15%～22%），這部分高氧化性爐渣與脫硫劑和脫氧產(chǎn)物融合后成為大包頂渣，并與脫硫后的鋼水持續(xù)接觸，對鋼水入連鑄前的脫硫率有直接關(guān)系。因此，在渣洗前要保證能夠有效脫氧，需將FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在20%以下。

表4　終渣FeO對脫硫率的影響Tab.4 Effect of FeO in LD slag on desulfurization rate

圖1　脫硫率與終點渣中FeO含量的關(guān)系Fig.1 Relation between desulfurization rate and amount of FeO in LD slag

2.2終點碳含量對渣洗脫硫效果的影響

表5為10爐次的鋼水終點碳含量與渣洗脫硫率的試驗數(shù)據(jù)，圖2為終點碳含量與脫硫率之間的關(guān)系。由表5可以看出：終點碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.06%時，由于鋼水氧化性強，導(dǎo)致脫硫率基本低于20%；而終點碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.12%以上，脫硫率能達40%以上。由圖2可看出，終點碳含量與脫硫率之間大致呈線性關(guān)系，相關(guān)性在90%以上。船板鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.18%左右［11］，如果能較為精準(zhǔn)控制轉(zhuǎn)爐終點碳含量，則可降低鋼水氧化性；反之終點碳含量控制過低需加大合成渣脫氧能力，以提高脫硫率。鋼水中碳氧積基本為常數(shù)，故終點碳含量與轉(zhuǎn)爐鋼水的氧化性成反比關(guān)系，終點碳越低，鋼水氧化性越強。為了脫氧，必須加入更多脫氧劑，脫氧產(chǎn)物SiO2與Al2O3上浮到爐渣中會降低爐渣的整體堿度，改變了頂渣成分，從而影響鋼水的脫硫。因此控制好終點碳含量就是控制了鋼水氧化性，這對減少脫氧劑消耗和增加脫硫率均有利。

表5　鋼水終點碳含量對脫硫率的影響Tab.5 Effect of carbon content of molten steel in the end LD process on desulfurization rate

圖2　脫硫率和鋼水終點碳含量的關(guān)系Fig.2 Relation between desulfurization rate and carbon content of molten steel in the end LD process

2.3底吹氬氣流量對脫硫效果的影響

表6為10爐次底吹氬氣流量對脫硫率影響的試驗結(jié)果。表6顯示，如果氬氣流量太小，脫硫率會較低，氬氣流量小于200 L/min，則脫硫率小于20%。圖3為脫硫率與底吹氬氣流量之間的關(guān)系。圖3顯示，底吹氬氣流量與脫硫率近呈指數(shù)關(guān)系，一定范圍內(nèi)，增大底吹氬氣流量能顯著提高脫硫率，但當(dāng)?shù)状禋鍤饬髁砍^500 L/min其效果不再顯著，表明脫硫率在底吹氬氣流量較小時，攪拌是限制環(huán)節(jié)，當(dāng)流量超過500 L/min，脫硫率則由脫硫劑和頂渣的性質(zhì)決定。

渣洗除通過鋼流沖擊帶來的動能攪拌鋼液與爐渣外，底吹氬氣的攪拌能也非常關(guān)鍵，這些攪拌能使?fàn)t渣在鋼流高溫鋼水下迅速熔化，且使熔化的爐渣與鋼液發(fā)生脫硫反應(yīng)。底吹氬氣是鋼渣混合的動力，增加底吹氬氣量能夠增加鋼渣之間反應(yīng)接近平衡的度，但當(dāng)鋼渣反應(yīng)接近平衡時，增加底吹氬氣會減少對脫硫反應(yīng)的影響。

表6　底吹氬氣流量對脫硫率的影響Tab.6 Effect of argon flow rate on desulfurization rate

圖3　脫硫率與底吹氬氣流量之間的關(guān)系Fig.3 Relation between desulfurization rate and argon flow rate

3　結(jié)　論

為解決船板鋼生產(chǎn)存在工藝流程長、鋼水精煉時間緊湊等問題，使用出鋼時渣洗脫硫替代LF工序，試驗研究終點渣FeO含量、底吹氬氣流量、終點碳含量等因素對渣洗過程中脫硫的影響，得到以下結(jié)論。

1）在其他條件不變時，轉(zhuǎn)爐終渣FeO含量升高會降低脫硫率，兩者大致呈線性關(guān)系。當(dāng)終渣FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于25%時，脫硫率在20%以下。因此，需將轉(zhuǎn)爐終渣FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在20%以下。

2）終點碳含量越低，脫硫率越低，兩者大致呈線性關(guān)系。終點碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.06%時，由于鋼水氧化性強，鋼水脫硫率低于20%。而船板鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.18%左右，因此應(yīng)精準(zhǔn)控制終點碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.1%以上。

3）底吹氬氣能夠有效攪拌鋼渣，在底吹氬氣流量較小時，增大氬氣流量能夠顯著提高脫硫率；但當(dāng)流量超過500 L/min，效果不再明顯；底吹氬氣流量與脫硫率大致呈指數(shù)關(guān)系。

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責(zé)任編輯：何莉

An Experimental Study of Process Optimization for Desulfurization with Slag-washingAlternative LF Refining

PAN Guiming，QU Xin，ZHANG Qiyi
（Special Steel-making Plan，Xingcheng Special Steel Co.Ltd.，Jiangyin 214400，China）

In order to simplify the production process of ship plate steel，and reduce molten steel refining time to control the production pace，process improvement test，which used steel slag washing desulfurization substitution to ladle furnace（LF）desulfurization，was carried on.The influence of the oxidation of slag，the end point carbon content and the flow rate of argon gas flow on desulfurization rate in the slag washing process were analyzed.The results show that the desulfurization rate is below 20%when the final slag FeO mass fraction is greater than 25%；When the mass fraction of the end point carbon is less than 0.06%，due to the strong oxidation of the steel and the desulfurization rate of the steel is less than 20%，the mass fraction in the end point carbon can be controlled more than 0.1%；Increasing the flow rate of argon can increase the desulfurization rate，but the effect is not obvious when the flow rate is over 0.5 m3/min.This result provides the basis for steel slag-washing desulfurization process replaced by LF furnace desulfurization process.

ladle furnace；slag-washing；desulphurization

TF769

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.01.001

1671-7872（2016）-01-0001-04

2015-12-30

國家自然科學(xué)基金項目（51304002）

潘貴明（1974-），男，江蘇江陰人，工程師，主要研究方向煉鋼與爐外精煉。