轉爐鋼水爐外脫硫劑成分優化及應用實踐

張 偉 王忠剛 劉忠建 李樹云

（1、型鋼煉鋼廠，山東 萊蕪 271126；2、萊鋼棒材廠，山東 萊蕪 271126）

1 前言

在鐵水和鋼水脫硫反應的熱力學、動力學分析的基礎上提出了適用于脫氧出鋼——LF精煉——RH冶煉超低硫鋼（[S]<50ppm）工藝。硫是鋼中的有害元素之一，是表面活性元素，常以MnS的形式在鋼材晶界上或異相界面上偏析聚集。硫對鋼材最大的危害是引起鋼的熱脆。碳鋼的S≤60ppm時，熱加工時可避免產生熱裂紋現象；鐵索體不銹鋼，控制S<20ppm，可保證鋼材良好的熱加工性能。此外，硫降低鋼材的韌性，惡化鋼的z向性能，并對氫致裂紋有較大影響。因此，要求管線鋼具有較高的抗氫致裂紋(HIC)和抗硫應力裂紋 (SSCC)的能力，要求控制鋼中S《10 ppm。萊鋼煉鋼廠在反復的深脫硫實驗中總結出高效的脫硫劑應用于生產中，極大的提高了脫硫率。

2 轉爐脫硫機理

在氧氣頂吹轉爐冶煉過程中，主要脫硫反應過程如下[1]：

[S]+2[O]＝SO2（1）

（S2-）+2/3 O2＝SO2+（O2-）（2）

（S2-）+6（Fe3+）+2（O2-）＝SO2+6（Fe2+）（3）

[FeS]+（CaO）=（CaS）+（FeO）（4）

以上 4 個反應式，（1）、（2）、（3）式均為氣化脫硫，（1）式中反應平衡的SO2分壓為0.02 Pa，反應很容易達到平衡，可以認為鋼液中硫的氧化去除作用不大。由（2）、（3）式可見，對于渣中硫向氣相轉移與爐渣中硫的活度與氧勢有關，硫在渣中的活度與爐渣堿度有關，堿度越高，硫的活度越低。因此，高堿度對氣化脫硫不利，但對爐渣脫硫有利。一般認為氧氣轉爐鐵水硫含量的10%左右是通過氣化脫硫去除的。而（4）式為爐渣脫硫，要實現脫硫必須化好渣，要有充分的熱力學條件。

綜合考慮，脫硫的基本條件為：高溫、高堿度、低氧化性（渣中FeO含量低）、大渣量、強動力學條件（強攪拌）。

3 生產條件

萊鋼煉鋼廠采用鐵水預處理，要求入爐鐵水硫《0.005%。其平均成分見表1。轉爐不采取二次造渣時，終點[S]成分：0.008%～0.015%，而特殊鋼種要求成品成分 [S]≤0.0010%。

4 工藝試驗

4.1 方案設計

萊鋼煉鋼廠根據生產條件現狀，為提高轉爐生產效率，減少后吹造成的鐵損，縮短冶煉周期，提高爐齡，摸索適用于脫氧出鋼——LF精煉——RH冶煉超低硫鋼（[S]<50ppm）工藝。為此，設計合適的脫硫劑，充分利用轉爐出鋼過程中高溫鋼水對脫氧、造渣材料強大的沖擊攪拌動能形成高堿度、低熔點脫硫熔渣，進而對鋼水產生“渣洗”效果，并提高精煉脫硫率，將終點硫含量控制在較低的水平。

4.1.1 轉爐出鋼條件的確定

轉爐出鋼要求達到雙命中，即溫度、成分（不含硫）的雙命中。因此，考慮出鋼過程中增加脫硫劑用量和增強攪拌帶來的溫降，出鋼溫度較正常情況提高10～20℃。

脫硫劑的配比

轉爐出鋼過程中，要創造良好的鋼渣混沖效果，形成具有較強脫硫能力的頂渣。參考鋼液溫度 1550℃，渣中（MgO）8%、（SiO2）7%，鋼液中[Al]0.03%、[C]0.2%時，爐渣中硫容量隨（%Al2O3）/（%CaO）變化的規律[2]，渣中（%Al2O3）／（%CaO）比值的增加使得硫容量降低，即隨著爐渣中（CaO）含量的降低，爐渣吸收硫的能力降低。基于電石、鋁屑、石灰對脫硫劑進行成分設計，見表2。

4.1.3 轉爐出鋼及爐后操作控制要點

1）保證一次拉碳合格率，減少轉爐終點鋼水的后吹，降低[O]含量。

2）轉爐出鋼時間一般為300 s左右，在轉爐出鋼時開啟鋼包底吹氬，且控制流量在100～120 L/min，吹氬時間不小于 5 min，在出鋼過程中加入脫硫劑、合金和增碳劑。

3）減小下渣量。

4.2 試驗情況

4.2.1 第1次試驗

2010年4月使用表2所示設計的脫硫劑進行了生產試驗，共試用5爐，應用情況見表3。

由表3可以看出，轉爐出鋼過程中加入脫硫劑基本能夠滿足脫硫任務的要求，但是存在以下問題：

1）鋼水及爐渣的氧化性較強時，特別是出鋼下渣比較嚴重、脫氧效果不好時，脫硫劑的使用效果并不理想。2）為得到較好的脫硫效果，使渣料快速熔化，完全彌散于鋼液中，宜選擇細小的渣料來增加反應面積。

4.2.2 脫硫劑成分優化

基于第1次試驗的情況，要提高脫硫劑的使用效果必須保證良好的脫氧，減小粒度，并且充分考慮鋼渣混沖后的鋼包頂渣對脫氧產物及脫硫產物的吸附能力，12CaO.7Al2O3具有較強的脫硫能力和吸附鋁脫氧產物的能力（參見 CaO－Al2O3－SiO2渣系相圖），對脫硫劑配比進行優化改進，見表4。

4.2.3 第2次試驗

2010年5月使用優化后的脫硫劑進行了生產試驗，共試用12爐，應用情況見表5。

由表5可知，在本次實驗中，成品硫控制到了0.002%，氣體含量在連鑄過程中有所增加。此次試驗我們在精煉時間不足、散裝料不好的情況下實驗結果基本達到要求。但對于高級別管線鋼來說還遠遠不夠，為此對脫硫劑進行了改進，如表6。

第3次試驗

2010年9月使用表6所示設計的脫硫劑進行了生產試驗，共試用7爐，應用情況見表7。

通過本次試驗數據來看，目前工藝條件下，可將鋼水硫含量控制在10 ppm以內，為下一冶煉低硫品種打下了良好的基礎。本次實驗使用脫硫劑，從轉爐放鋼過程看鋼包頂渣化的快、透，從精煉精煉初煉樣看，其脫硫速度和效率明顯較好。

4.3 脫硫劑試驗應用分析

脫硫劑使用前后冶煉指標對比見表8。

使用高效脫硫劑，為冶煉高級別管線鋼超低硫控制提供了有力保證。

結論

5.1 轉爐出鋼過程中加入脫硫劑脫硫工藝可行，并且為精煉深脫硫提供了條件，提高了精煉脫硫率，具有顯著的經濟效益。

5.2 要提高脫硫劑的使用效果必須保證良好的脫氧，保證一次拉碳合格率，減少轉爐終點鋼水的后吹，降低[O]含量，同時嚴防轉爐爐后下渣。

[1]肖來潮.煉鋼用石灰的質量要求及生產優質石灰的技術條件[J].鋼鐵，1989(10)：67～74.

[2]陳家祥.鋼鐵冶金學(煉鋼部分)[M].北京：冶金丁業出版社，1993：140—142.

[3]張榮生.鋼鐵生產中的脫硫[M].北京：冶金工業出版社，1986：68—69.

[4]張鑒.爐外精煉的理論與實踐[M].北京：冶金 r丁業出版社，1993：54.

[5]魯東.鋼鐵材料標準數據手冊[M].北京：科學技術文獻出版社，1994：1-59.

[6]殷瑞鈺.鋼的質量現代進展(上篇)[M].北京：冶金工業出版社，1995，2～3.

[7]楊世山，尹衛平，許偉迅等.鐵水預處理與純凈鋼冶煉[J].北京：中國冶金，2003(8)：13-17.