何宏濤,朱李艷,宋 健

(馬鋼股份公司一鋼軋總廠 安徽馬鞍山 243002)

1 概述

鋼中的硫主要來自鐵水、廢鋼、鐵合金、造渣劑(如石灰、鐵礦石等)，鋼中[S]的主要存在形式為MnS和FeS，[S]高對(duì)鋼材的各項(xiàng)指標(biāo)和性能性能等有著重大影響，因此降低鋼液中硫含量至關(guān)重要[1]-[3]。

轉(zhuǎn)爐煉鋼過程是脫硫的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，學(xué)者對(duì)轉(zhuǎn)爐脫磷的研究較多，而對(duì)轉(zhuǎn)爐脫硫的能力研究較少[4]-[7]。周俐[8]等人通過工業(yè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)提高渣中(FeO)含量有利于硫分配比的提高, w(FeO)≥18%時(shí), 隨著(FeO)含量的提高硫分配比減小；鄧南陽[9]等通過控制入爐硫含量且對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉脫硫操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)硫的有效控制，終點(diǎn)平均回硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)由之前的0.007%下降至0.004%，終點(diǎn)硫合格率由之前的70%提高到96%以上，二者均沒有考慮到轉(zhuǎn)爐底吹對(duì)脫硫反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)影響因素；吳明[10]等發(fā)現(xiàn)冶煉硅鋼時(shí),終點(diǎn)鋼水溫度≥1680 ℃以及加大底吹攪拌強(qiáng)度能提高轉(zhuǎn)爐脫硫效果，但其考慮溫度影響時(shí)并沒有滿足爐渣堿度及氧化性一致的條件。

綜上，本文分別從理論和工業(yè)試驗(yàn)開展對(duì)轉(zhuǎn)爐的脫硫研究，為加強(qiáng)轉(zhuǎn)爐對(duì)硫的控制及低硫鋼水的冶煉等提供參考。

2 轉(zhuǎn)爐脫硫理論

爐渣脫硫和氣化脫硫是轉(zhuǎn)爐脫硫的主要方式，其中前者是降低鋼中硫含量使之達(dá)到規(guī)格的主要手段。

2.1 脫硫反應(yīng)熱力學(xué)

轉(zhuǎn)爐渣-鋼脫硫反應(yīng)為：

[S]+(O2-)=(S2-)+[O]

(1)

上式反應(yīng)的平衡常數(shù)可寫為：

(2)

f[O]、f[S]看作1，則硫的分配系數(shù)可表示為

(3)

因此，Ls的影響因素如下：

(1)爐渣堿度。渣中堿性氧化物越多，堿度越高，則n(O2-)越高，r(S2-)越小，有利于提高硫分配比。

(2)渣中FeO。(FeO)的濃度低時(shí)，Ls才有較高的值。

(3)熔池溫度。鋼渣間的脫硫反應(yīng)屬于吸熱反應(yīng)，溫度越高，反應(yīng)的平衡常數(shù)和硫的分配系數(shù)越大。

2.2 脫硫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

轉(zhuǎn)爐脫硫反應(yīng)主要是在渣-鋼界面進(jìn)行，鋼液的硫傳輸?shù)饺墼?，使渣中的硫增加。脫硫反?yīng)的速率方程可表示為：

式中，km和ks分別是硫在金屬和熔渣中的傳質(zhì)系數(shù)；ρm和ρs分別是金屬和熔渣的密度；A是反應(yīng)界面面積；Vm為鋼液體積；Ls為以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示的硫分配比。因此：反應(yīng)界面面積A越大,脫硫速率就越快；增大堿度可以在一定范圍內(nèi)提高脫硫的傳質(zhì)系數(shù)；提高溫度可提高硫在渣中的擴(kuò)散系數(shù)。

3 工業(yè)試驗(yàn)

馬鋼一鋼軋煉鋼分廠擁有三座120 t轉(zhuǎn)爐，冶煉過程中具體參數(shù)如下：供氧強(qiáng)度3.0 m3/t·min，工作壓力0.90 MPa；吹氬強(qiáng)度0.03 m3/ t·min，工作壓力1.20 MPa。冶煉鋼種主要為螺紋鋼HRB400EAY，CSP類鋼等。本試驗(yàn)對(duì)每爐各進(jìn)行了10爐次實(shí)驗(yàn)，共30組，主要針對(duì)HRB400EAY鋼種開展。收集統(tǒng)計(jì)冶煉終點(diǎn)鋼樣、渣樣及其成分和溫度，通過計(jì)算得到轉(zhuǎn)爐終渣R及Ls。

在考慮Ls與 轉(zhuǎn)爐終渣氧化性時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程中無法滿足各組實(shí)驗(yàn)保持相同的爐渣堿度及出鋼溫度，故采取控制終點(diǎn)溫度范圍：1670 ℃-1680 ℃、爐渣堿度范圍:3.5-3.6的方法。同樣，在研究終點(diǎn)溫度對(duì)硫分配比的影響時(shí)，控制ω(FeO)：16%-17%、爐渣堿度范圍:3.5-3.6；研究爐渣堿度對(duì)硫分配比的影響時(shí)，控制終點(diǎn)溫度范圍：1670 ℃-1680 ℃、ω(FeO)：16%-17%。

4 結(jié)果與分析

4.1 爐渣氧化性對(duì)硫分配比的影響

由工業(yè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算可得，爐渣氧化性與硫的分配系數(shù)的關(guān)系如圖1所示。根據(jù)圖1可得，當(dāng)冶煉終點(diǎn)溫度范圍控制在1670 ℃-1680 ℃、爐渣堿度范圍為3.5-3.6時(shí)，隨著爐渣中ω(FeO)的增加，硫在渣-鋼間的分配系數(shù)Ls逐漸減小。這是因?yàn)?，?dāng)其他條件一定的情況下，ω(FeO)增加，爐渣氧化性增強(qiáng)，不利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。

4.2 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度對(duì)硫分配比的影響

由工業(yè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算可得，終點(diǎn)溫度與硫的分配系數(shù)的關(guān)系如圖2所示。由圖可知，當(dāng)爐渣中ω(FeO)控制在16%-17%、爐渣堿度范圍為3.5-3.6時(shí)，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度增加，硫在渣-鋼間的分配系數(shù)逐漸增大，一方面由于脫硫反應(yīng)吸熱，提高溫度促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行；另一方面，升溫促進(jìn)石灰的熔解，高堿度、流動(dòng)性好的轉(zhuǎn)爐渣的形成速度加快，提高了脫硫效果。

圖1 渣中ω(FeO)對(duì)Ls的影響

圖2 終點(diǎn)溫度對(duì)Ls的影響

4.3 爐渣堿度對(duì)硫分配比的影響

由工業(yè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算可得，爐渣堿度與硫的分配系數(shù)的關(guān)系如圖3所示。由圖可知，當(dāng)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度為1670 ℃-1680 ℃、爐渣ω(FeO)為16%-17%時(shí)，隨著爐渣堿度的增加，硫在鋼-渣間的分配系數(shù)逐漸提高，當(dāng)堿度為3.9時(shí)，脫硫效果最佳，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定臨界值時(shí)，Ls趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)閴A度越大，爐渣熔點(diǎn)越高,爐渣粘度增大,從動(dòng)力學(xué)角度來看會(huì)降低爐渣的脫硫能力。

4.4 轉(zhuǎn)爐底吹攪拌對(duì)脫硫的影響

冶煉時(shí)轉(zhuǎn)爐底吹模式如表1所示，由表可知，吹氧前期和吹氧后期供氣流量和供氣強(qiáng)度都較大，補(bǔ)吹階段和出鋼時(shí)期也都是在較大的供氣強(qiáng)度和供氣流量下進(jìn)行。由于脫硫反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)是[S]向渣中擴(kuò)散,大流量的底吹氬氣能夠促進(jìn)脫硫反應(yīng)進(jìn)行,另外，吹煉后期提高底吹強(qiáng)度,還能降低w(FeO)和w [O],從而間接增大Ls。

圖3 爐渣堿度對(duì)Ls的影響

5 結(jié)論

當(dāng)終點(diǎn)溫度和爐渣堿度一定的條件下，隨著爐渣中ω(FeO)的增加，硫在渣-鋼間的分配系數(shù)Ls逐漸減??；當(dāng)爐渣堿度和爐渣中ω(FeO)一定的條件下，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度增加，硫在渣-鋼間的分配系數(shù)逐漸增大；當(dāng)爐渣中ω(FeO)和終點(diǎn)溫度一定的條件下，隨著爐渣堿度的增加，硫在鋼-渣間的分配系數(shù)逐漸提高，當(dāng)堿度為3.9時(shí)，脫硫效果最佳，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定臨界值時(shí)，Ls趨于穩(wěn)定。

吹氧后期加大底吹攪拌強(qiáng)度能促進(jìn)脫硫反應(yīng),間接起到脫硫作用。

工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果與轉(zhuǎn)爐渣-鋼脫硫反應(yīng)理論分析結(jié)果相一致，為加強(qiáng)轉(zhuǎn)爐對(duì)硫的控制及低硫鋼水的冶煉等提供了參考價(jià)值。