邱在軍

(馬鋼股份公司第四鋼軋總廠)

某廠為提高硅鋼尤其是高牌號(hào)硅鋼的市場占有率，在穩(wěn)定生產(chǎn)周期的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低硅鋼硫含量。目前鐵水經(jīng)KR預(yù)處理后平均硫含量可降至13×10-6，接近極限水平[1-2]。當(dāng)進(jìn)入RH的鋼水硫含量高時(shí)，需要進(jìn)行噴粉脫硫。噴粉不僅對(duì)冶煉周期、真空槽槽體和浸漬管壽命不利，而且噴入的脫硫劑易造成鋼水增碳，影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此研究硅鋼轉(zhuǎn)爐工序脫硫具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論和大數(shù)據(jù)分析，探索300 t大型轉(zhuǎn)爐冶煉硅鋼適宜的脫硫控制參數(shù)，研究轉(zhuǎn)爐冶煉洗爐作業(yè)、連續(xù)生產(chǎn)、廢鋼加入量、石灰加入量、終點(diǎn)氧含量和終點(diǎn)溫度等對(duì)脫硫的影響，以期在硅鋼生產(chǎn)中為降低鋼水硫含量提供技術(shù)支撐。

1 生產(chǎn)組織對(duì)脫硫的影響

1.1 洗爐對(duì)脫硫的影響

濺渣護(hù)爐工藝可延長轉(zhuǎn)爐爐齡，濺渣后殘留渣在下一爐冶煉過程中再熔化。由于殘留渣的硫含量高于新生爐渣的硫含量，造成爐渣硫含量升高，爐渣脫硫能力降低，轉(zhuǎn)爐冶煉回硫趨勢(shì)增大。因此，冶煉低硫鋼種時(shí)，應(yīng)考慮停止濺渣并停止留渣1～2爐后再冶煉[4-5]。暫停留渣、濺渣在一定程度上有利于降低鋼水硫含量，但不利于延長轉(zhuǎn)爐爐齡，同時(shí)給下一爐冶煉脫磷帶來不利影響。

該廠硅鋼終點(diǎn)渣樣平均硫含量為509×10-6，其他鋼種終點(diǎn)渣樣平均硫含量為730×10-6，其他鋼種比硅鋼終點(diǎn)渣樣平均硫含量高43.4%。濺渣護(hù)爐后殘留渣中硫含量高是轉(zhuǎn)爐回硫的主要影響因素之一。

為降低濺渣護(hù)爐后殘留渣中硫含量對(duì)硅鋼生產(chǎn)的影響，生產(chǎn)硅鋼前一爐需采用脫硫深處理鐵水，對(duì)轉(zhuǎn)爐進(jìn)行洗爐作業(yè)，并嚴(yán)禁使用渣鋼和含硫高的廢鋼，控制轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)終點(diǎn)硫含量≤100×10-6。對(duì)洗爐爐次鐵水硫含量、轉(zhuǎn)爐主吹副槍TSC測量時(shí)(簡稱主吹)的硫含量、轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)副槍TSO測量時(shí)(簡稱終點(diǎn))的硫含量數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，洗爐爐次鐵水平均硫含量為20.8×10-6，轉(zhuǎn)爐主吹平均硫含量為90.1×10-6，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)平均硫含量為66.3×10-6，實(shí)際洗爐效果存在一定差異。為確保硅鋼生產(chǎn)鋼水硫含量合格，對(duì)洗爐爐次留渣、濺渣護(hù)爐作業(yè)進(jìn)行了規(guī)范要求，如表1所示。

表1 洗爐爐次留渣作業(yè)規(guī)定

1.2 連續(xù)生產(chǎn)對(duì)脫硫的影響

吳維軒等[6]研究要求，在低硫鋼冶煉前2～3爐采用低硫鐵水和低硫廢鋼進(jìn)行洗爐，確保洗爐終點(diǎn)硫含量﹤60×10-6。為驗(yàn)證其效果，并進(jìn)一步探索同一澆次連續(xù)6爐變化規(guī)律，對(duì)661個(gè)澆次進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表2所示。澆次前3爐主吹硫含量和終點(diǎn)硫含量均明顯下降，澆次第3～6爐變化不明顯。主要原因是低硫鐵水連續(xù)生產(chǎn)，至澆次第3爐之后，爐渣中硫含量已趨于平衡。因此，選擇同一轉(zhuǎn)爐連續(xù)生產(chǎn)有利于降低硅鋼硫含量。

表2 連續(xù)生產(chǎn)對(duì)轉(zhuǎn)爐回硫的影響

2 轉(zhuǎn)爐冶煉過程工藝參數(shù)對(duì)脫硫的影響

轉(zhuǎn)爐冶煉過程中爐渣的硫含量一直上升，鋼水的硫含量先上升再下降，在供氧10 min左右達(dá)到峰值[7]。轉(zhuǎn)爐冶煉過程中脫硫與回硫現(xiàn)象同時(shí)存在，冶煉前期以回硫?yàn)橹?，冶煉后期才開始脫硫[8]。根據(jù)轉(zhuǎn)爐硫的衡算結(jié)果可知，氧化渣脫硫占總脫硫量的90%，氣化脫硫占10%左右。根據(jù)熔渣的離子理論，轉(zhuǎn)爐脫硫反應(yīng)可表示為式(1)，堿性渣系內(nèi)脫硫速率的限制性環(huán)節(jié)是熔渣內(nèi)硫離子的擴(kuò)散，其脫硫反應(yīng)速率計(jì)算式為式(2)[9]。結(jié)合式(1)、(2)可知，石灰加入量、終點(diǎn)氧含量和終點(diǎn)溫度對(duì)脫硫有影響，對(duì)無副槍多次測量、無補(bǔ)吹、廢鋼加入量30～60 t、石灰加入量8～16 t、終點(diǎn)溫度1 645～1 675 ℃、終點(diǎn)氧含量(300～700)×10-6的2 835爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

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

(1)

(2)

式中：vS為脫硫反應(yīng)速率；w[S]為鐵水中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；βS為渣中硫的傳質(zhì)系數(shù)；A/Vm為單位體積鋼液—熔渣的界面面積；ρm、ρs分別為鋼液及熔渣的密度；LS為硫的分配常數(shù)；m(m)、m(s)分別為鋼液及熔渣的質(zhì)量；w[S]0、w(S)0分別為鐵水及熔渣的初始硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.1 廢鋼加入量對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)硫含量的影響

硅鋼生產(chǎn)對(duì)廢鋼要求嚴(yán)格，該廠采用硅鋼自循環(huán)專用廢鋼，其硫含量和鈦含量低，分類堆放，嚴(yán)禁配加其他廢鋼及渣鋼。廢鋼起吊前，對(duì)廢鋼種類進(jìn)行拍照確認(rèn)并留存。硅鋼自循環(huán)專用廢鋼的硫含量大于預(yù)處理后鐵水的硫含量，為研究廢鋼加入量對(duì)終點(diǎn)硫含量的影響，對(duì)廢鋼加入量為30～40、40～50、50～60 t的三組終點(diǎn)硫含量進(jìn)行了比較，得到廢鋼加入量與終點(diǎn)硫含量之間的關(guān)系，如表3所示。

表3 廢鋼加入量對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)硫含量的影響

在廢鋼加入量為30～60 t時(shí)，隨著廢鋼加入量的增加，終點(diǎn)硫含量升高。當(dāng)廢鋼加入量由30～40 t增加到50～60 t時(shí)，終點(diǎn)硫含量從25.0×10-6升高到30.2×10-6，差值為5.2×10-6。

2.2 石灰加入量對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)硫含量的影響

使用低硫造渣劑可顯著降低轉(zhuǎn)爐冶煉過程的回硫量[10]。該廠石灰硫含量為0.021%，其方差為0.012%，石灰硫含量有一定的波動(dòng)。對(duì)料倉進(jìn)行分級(jí)管理，質(zhì)量好的石灰輸送至4號(hào)石灰倉，質(zhì)量次之的輸送至6號(hào)石灰倉，冶煉硅鋼時(shí)可以優(yōu)先使用質(zhì)量好的石灰。由式(1)可知，增加石灰加入量，提高爐渣堿度，增多游離CaO，有利于脫硫。但石灰加入過多，堿度過高，爐渣變粘，爐渣流動(dòng)性惡化，會(huì)降低轉(zhuǎn)爐脫硫效果。為研究石灰加入量對(duì)終點(diǎn)硫含量的影響，對(duì)石灰加入量為8～10、10～12、12～14、14～16 t的四組終點(diǎn)硫含量進(jìn)行了比較，得到石灰加入量與終點(diǎn)硫含量之間的關(guān)系，如表4所示。在石灰加入量為8～16 t時(shí)，隨著石灰加入量的增加，終點(diǎn)硫含量降低。當(dāng)石灰加入量由8～10 t增加到14～16 t時(shí)，終點(diǎn)硫含量從32.1×10-6降至23.8×10-6，差值為8.3×10-6。

表4 石灰加入量對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)硫含量的影響

2.3 終點(diǎn)溫度對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)硫含量的影響

高溫促進(jìn)石灰溶解，改善爐渣的流動(dòng)性。鋼渣的脫硫反應(yīng)屬吸熱反應(yīng)，高溫有利于反應(yīng)的進(jìn)行，但其熱效應(yīng)值不大，故溫度對(duì)脫硫反應(yīng)本身影響不大[3，11]。對(duì)終點(diǎn)溫度為1 645～1 655、1 655～1 665、1 665～1 675 ℃的三組終點(diǎn)硫含量進(jìn)行了比較，得到終點(diǎn)溫度與終點(diǎn)硫含量之間的關(guān)系，如表5所示。在終點(diǎn)溫度為1 645～1 675 ℃時(shí)，隨著終點(diǎn)溫度的升高，終點(diǎn)硫含量升高，但增幅較小。當(dāng)終點(diǎn)溫度由1 645～1 655 ℃升高到1 665～1 675 ℃時(shí)，終點(diǎn)硫含量從26.7×10-6升高到28.1×10-6，差值為1.4×10-6。

表5 終點(diǎn)溫度對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)硫含量的影響

2.4 終點(diǎn)氧含量對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)硫含量的影響

爐渣氧化性與鋼液氧含量相互影響，渣中FeO在實(shí)際生產(chǎn)過程中很難在線監(jiān)測。渣中FeO對(duì)脫硫有雙重影響：一方面，隨著轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳的降低，熔池中氧位升高，渣中FeO增加不利于脫硫；另一方面，隨著轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳的降低，O2-濃度增加有利于脫硫，同時(shí)渣中FeO的增加促進(jìn)了石灰的熔化，增強(qiáng)了爐渣流動(dòng)性，也有利于脫硫。因此，需研究終點(diǎn)氧含量對(duì)終點(diǎn)硫含量的影響，對(duì)終點(diǎn)氧含量為(300～400)×10-6、(400～500)×10-6、(500～600)×10-6、(600～700)×10-6的四組終點(diǎn)硫含量進(jìn)行了比較，得到終點(diǎn)氧含量與終點(diǎn)硫含量之間的關(guān)系，如表6所示。隨著終點(diǎn)氧含量的增加，終點(diǎn)硫含量先降低再升高，當(dāng)終點(diǎn)氧含量在(400～500)×10-6時(shí)，終點(diǎn)硫含量最低，因此，建議冶煉硅鋼終點(diǎn)氧含量控制在(400～500)×10-6。終點(diǎn)氧含量由(400～500)×10-6增加到(600～700)×10-6時(shí)，終點(diǎn)硫含量從26.7×10-6升高到31.3×10-6，差值為4.6×10-6。

表6 終點(diǎn)氧含量對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)硫含量的影響

轉(zhuǎn)爐冶煉過程工藝參數(shù)對(duì)脫硫的影響順序?yàn)槭壹尤肓?廢鋼加入量>終點(diǎn)氧含量>終點(diǎn)溫度。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，首先減少廢鋼的加入量，然后增加石灰的加入量，最后通過控制終點(diǎn)氧含量來降低鋼水終點(diǎn)硫含量。

3 出鋼過程鋼水硫含量的變化

為降低鋼包渣的氧化性，出鋼前使用擋渣帽擋渣；出鋼后期投入擋渣錐擋渣；擋渣錐投入后效果不佳時(shí)，出鋼末期采用氣動(dòng)擋渣或者帶鋼水抬爐，嚴(yán)格控制進(jìn)入鋼包中的渣量[12]。為研究出鋼前后鋼水硫含量的變化規(guī)律，收集同時(shí)有轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)硫含量和出鋼后鋼水硫含量成分的爐次，如表7所示。轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)硫含量、出鋼后鋼水硫含量分別為29.3×10-6、26.1×10-6，出鋼過程鋼水硫含量平均降低3.3×10-6。出鋼過程硫含量降低值隨著出鋼時(shí)間的延長而增大，主要是由于副槍TSO測量取樣時(shí)硫在鋼渣間分配未達(dá)到平衡，取樣后至出鋼結(jié)束脫硫反應(yīng)還在繼續(xù)進(jìn)行，從而出現(xiàn)出鋼過程降硫的現(xiàn)象?，F(xiàn)有出鋼時(shí)間主要為4.5～6.5 min，可以滿足多數(shù)硅鋼要求，能夠適應(yīng)高效生產(chǎn)。但對(duì)于高牌號(hào)硅鋼，盡可能選用出鋼時(shí)間較長的轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)，以便獲得更低的出鋼后鋼水硫含量。

表7 出鋼過程鋼水硫含量的變化

4 實(shí)踐效果

該廠生產(chǎn)硅鋼采用上述脫硫措施后，硅鋼產(chǎn)量隨著總產(chǎn)量的增加而增加。在增加硅鋼產(chǎn)量的同時(shí)，硅鋼質(zhì)量也得到了穩(wěn)步提升，其中高牌號(hào)硅鋼生產(chǎn)爐數(shù)及其RH脫硫噴粉率變化如圖1所示。2018年高牌號(hào)硅鋼在RH精煉時(shí)必須經(jīng)過噴粉脫硫才能保證硫含量合格，2021年脫硫噴粉率降低了19.4%，取得了良好的冶金效果，大大降低了脫硫劑增碳的風(fēng)險(xiǎn)，提高了企業(yè)硅鋼質(zhì)量和市場競爭力。

圖1 高牌號(hào)硅鋼產(chǎn)量及其RH脫硫噴粉率

5 結(jié)論

對(duì)硅鋼轉(zhuǎn)爐工序脫硫進(jìn)行了研究，通過采用各脫硫措施，硅鋼硫含量得到有效控制，滿足后工序要求，并能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高產(chǎn)，提高了企業(yè)硅鋼質(zhì)量和市場競爭力，通過研究得到以下結(jié)論：

(1)濺渣護(hù)爐后殘留渣中硫含量高是轉(zhuǎn)爐回硫的主要影響因素之一。硅鋼生產(chǎn)前必須進(jìn)行洗爐作業(yè)，降低爐內(nèi)硫含量。選擇同一轉(zhuǎn)爐連續(xù)生產(chǎn)，有利于降低硅鋼硫含量；

(2)轉(zhuǎn)爐冶煉過程工藝參數(shù)對(duì)脫硫的影響順序?yàn)槭壹尤肓?廢鋼加入量>終點(diǎn)氧含量>終點(diǎn)溫度。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，首先減少廢鋼的加入量，然后增加石灰的加入量，最后通過控制終點(diǎn)氧含量來降低鋼水終點(diǎn)硫含量，適宜的工藝參數(shù)為廢鋼加入量30～40 t、石灰加入量14～16 t、終點(diǎn)氧含量(400～500)×10-6；

(3)出鋼過程硫含量降低值隨著出鋼時(shí)間的延長而增大，出鋼過程鋼水硫含量平均降低3.3×10-6。冶煉高牌號(hào)硅鋼需選用合適的出鋼口、控制好出鋼時(shí)間，以便獲得更低的出鋼后鋼水硫含量。