影响200 t LF炉深脱硫因素分析

史彩霞

(中冶赛迪工程技术股份有限公司 炼钢事业部，重庆 401122)

除了含硫易切削钢以外，绝大多数钢种,硫是要去除的有害元素。硫在钢中常以硫化铁的形式存在，并呈网状分布在晶界，因而使钢的热加工性能显著降低。硫还使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在热加工时易发生开裂。钢中硫含量越高，热脆现象越严重。硫对钢的焊接性能也不利，造成钢焊接时产生高温龟裂。硫还会氧化生成SO2气体逸出，在焊缝中生成气孔[1]。

近年来，随着客户对钢中硫含量要求的提高，各钢厂对冶炼终点钢水的硫含量内控标准也逐步提高。普碳钢硫含量(质量分数，下同)一般控制在0.010%～0.012%，低合金钢硫含量控制在0.008%～0.010%，重要用途低合金钢中硫含量控制在0.005%以下，而对耐氢致裂纹管线钢、IF钢和电工钢等超低硫钢冶炼工艺过程中，钢液终点硫含量要求脱除至0.002%以下甚至0.001%以下[2]。

目前以高炉铁水为主要原料的冶炼工艺，采用铁水脱硫→转炉→LF炉的工艺流程可以获得终点硫含量较低的合格钢水。其中铁水脱硫主要用于脱除高炉铁水中的硫，但在转炉环节，废钢、合金和渣料的使用会导致钢液增硫，为使钢液获得较低的硫含量，转炉后续LF炉精炼环节的脱硫十分重要。

本文从理论分析出发，通过国内某厂200 t LF炉超低硫钢的生产实例分析了影响LF炉深脱硫的因素。

1 LF炉精炼脱硫原理

1.1 脱硫反应的热力学原理

硫在钢液中以FeS形式存在，在1 600 ℃下硫在钢中能无限溶解。LF炉精炼脱硫的本质是LF炉造渣脱硫，其脱硫反应式为：

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

(1)

从式(1)可以看出，炉渣的脱硫效果与炉渣中的不稳定氧化物(FeO)和(MnO)密切相关。不稳定氧化物含量越高，渣中[O]含量越高，越不利于脱硫反应的进行。

根据脱硫反应热力学，常见几种元素的脱硫能力强弱顺序为Ca>Ce>Zr>Ti>Mn。目前LF炉较常用的合成渣主要成分为CaO，其脱硫反应式为：

[FeS]+(CaO)=(CaS) + (FeO)

(2)

式(2)为吸热反应。从式(2)可以看出，高碱度、低氧化性炉渣和高的钢液温度有利于脱硫反应的进行。

1.2 脱硫反应的动力学原理

LF炉脱硫反应主要在渣钢界面进行。钢渣界面硫传输能力对脱硫反应的进行尤为重要。渣中硫的增加速度为：

(3)

式中：Ws为硫的传输质量分数，%；F为渣钢反应界面积，m2；t为传输时间，s；km为钢液中硫的传质系数，m2/s；ks为渣中硫的传质系数，m2/s。

从式(3)可以看出，钢液中硫的传质系数km和渣钢反应界面积F越大，越有利于钢液中硫的脱除。精炼渣碱度对km、ks有较大影响，渣碱度与km、ks之间关系如图1所示[3]。

图1 km、ks和渣碱度之间关系Fig.1 Relationship among km, ks and basicity of slag

脱硫反应刚开始时，渣中硫含量很低，km随渣碱度的增加而急剧增大，ks则随渣碱度的增加而减小。因此,快速造高碱度白渣有利于钢液脱硫反应的进行。同时提高钢液温度可使渣中硫的传质系数增大，对脱硫有利。

精炼渣脱硫的另一个重要指标为硫的分配系数Ls，计算公式为：

(4)

相关试验测得，Ls随炉渣碱度的增加而增大，因而高碱度精炼渣对脱硫有利。

综上，从钢液脱硫热力学和动力学角度出发，造高碱度精炼渣、控制炉渣氧化性、提高钢液温度、增加渣钢反应界面积等有利于LF炉钢液脱硫反应的进行。

2 影响200 t LF炉深脱硫的因素分析

某钢厂以高炉铁水为原料，采用复合喷吹脱硫→200 t转炉→200 t LF/200 t RH的工艺流程生产低硫和超低硫钢种。转炉出钢过程加铝粒对炉渣脱氧，并加二元合成渣对钢液初脱硫。LF炉入站钢水温度高于1 540 ℃，其酸溶铝含量高于0.015%，硫含量低于0.012%。经LF炉处理后钢液终点硫含量低于0.002%，其分布如图2所示。

图2 LF炉处理终点硫含量分布Fig.2 Distributions of sulfur content at the end of LF furnace treatment

从图2可以看出，该钢厂LF炉处理终点硫含量均低于0.002%，其中约20.0%炉次终点硫含量低于0.001%，约65.8%炉次终点硫含量在0.001%

2.1 初始硫含量对LF炉脱硫的影响

对该厂生产数据进行统计分析，图3为钢液初始硫含量与脱硫率之间关系，图4为钢液初始硫含量与终点硫含量之间关系。

图3 钢液初始硫含量与脱硫率之间关系Fig.3 Initial sulfur content versusdesulfurization rate for liquid steel

根据式(1)，钢液初始硫含量越高，越有利于脱硫反应的进行，LF炉精炼脱硫率随钢液初始硫含量的增加而增大。从图3可以看出， 即使钢液初始硫含量较低，这一趋势也十分明显。

但渣的硫容量有限，初始硫含量高，终点硫含量也会增高，如图4所示。因此为获得较低的终点硫含量，要确保LF炉入站钢液硫含量足够低。从图4可以看出，当LF炉入站硫含量低于0.012%时，LF终点硫含量可以控制在0.002%以下。

图4 钢液初始硫含量与终点硫含量之间关系Fig.4 Initial sulfur content versus final sulfur content for liquid steel

2.2 钢液温度对LF炉脱硫的影响

图5为钢水温度与脱硫率之间的关系。式(2)为吸热反应，高的钢液温度有利于脱硫反应的进行。同时高温有利于加快石灰的溶解，增加炉渣的流动性，快速提高炉渣碱度，为LF炉脱硫创造动力学条件。由图5可知，在钢液初始硫含量低于0.012%的前提下，当钢水温度在1 550～1 610 ℃时，钢液脱硫率大于70%。

图5 钢水温度与脱硫率之间关系Fig.5 Liquid steel temperature versus desulfurization rate

随着钢液温度的提高，钢液脱硫率明显上升。但钢水温度过高会导致钢中溶解氧的活度迅速升高，从而在一定程度上抵消了高温对脱硫反应的促进作用[4]。同时，高温还会增加钢水罐耐材、电极和能源的消耗。电极的消耗间接反映在钢水的增碳上，该厂钢液增碳与钢水温度之间的关系如图6所示。

图6 钢液温度与钢液增碳之间关系Fig.6 Liquid steel temperature versus liquid steel carburization

从图6可知，钢液温度为1 560～1 600 ℃时，钢液增碳量没有明显增高，说明钢液温度控制在1 560～1 600 ℃既可以确保脱硫效果，LF炉电极消耗也是经济合理的。

2.3 钢液酸溶铝含量对LF炉脱硫的影响

该厂钢液酸溶铝含量与脱硫率之间关系如图7所示。

钢液酸溶铝含量是钢水中溶解氧的表征。钢液酸溶铝含量越高，钢中溶解氧含量越低[5]。从式(1)可知，脱氧良好的钢水可以提高精炼渣的脱硫效果，是LF炉精炼深脱硫的必备条件。如图7所示，钢液脱硫率随酸溶铝含量的增加而提高。该厂LF炉进站钢液酸溶铝含量介于0.02%～0.05%之间，满足LF炉深脱硫要求。

图7 钢液酸溶铝含量与脱硫率之间关系Fig.7 Acid soluble aluminum content in liquid steel versus desulfurization rate

2.4 精炼时间对LF炉脱硫的影响

LF炉精炼时间与终点硫含量之间关系如图8所示。

图8 LF炉精炼时间与终点硫含量之间关系Fig.8 Refining time of LF furnace versus end sulfur content in liquid steel

钢水终点硫含量要求越低，所需精炼时间越长。从图8可以看出，在钢液初始硫低于0.012%的情况下，要使终点硫含量低于0.002%，LF炉精炼时间需长于40 min。

2.5 精炼渣对LF炉脱硫的影响

LF炉碱性白渣有很好的脱氧效果和还原性，还不污染钢水，造白渣是LF炉脱硫操作的核心。同时辅以强化LF炉脱硫反应的热力学和动力学条件，最终可获得较低的终点硫含量。

2.5.1 碱度

该厂精炼渣碱度与脱硫率之间关系如图9所示。

图9 渣碱度对钢水脱硫的影响Fig.9 Effect of slag basicity on desulfurization in liquid steel

精炼渣碱度R=w(CaO)/w(SiO2)。根据式(2)，碱度越大，渣中w(CaO)越高，越有利于脱硫反应的进行。反之精炼渣碱度越低，越不利于脱硫反应的进行，脱硫率越低。相关研究表明，当精炼渣碱度约为1.6时，基本达到脱硫的临界值[6]。但精炼渣碱度并不是越大越好。当渣中w(CaO)达到一定值后，渣的黏度增大，脱硫反应动力学条件变差，渣钢反应界面的传质速度成为脱硫反应的限制环节，进而造成脱硫率降低[7]。

从图9可知，该厂精炼渣碱度维持在2.0～5.5之间。脱硫率随着炉渣碱度的增大而增大。当精炼渣碱度为4.0左右时，脱硫率最高。

2.5.2 精炼渣氧化性

该厂精炼渣氧化性与脱硫率之间关系如图10所示。

图10 精炼渣氧化性对钢水脱硫的影响Fig.10 Effect of refining slag oxidizability on desulfurization in liquid steel

精炼渣氧化性的强弱以不稳定氧化物(FeO)和(MnO)的含量来判定。(FeO)+(MnO)的含量越高，渣中的游离[O]含量越高，钢渣间硫分配比降低[8]。根据式(1)，炉渣氧化性越强，其脱硫率越低。从图10可知，LF炉脱硫率随精炼渣氧化性的提高而明显降低。该厂大部分炉次精炼渣中(FeO)+(MnO)含量低于1%，满足LF炉精炼白渣的氧化性要求。对于超低硫钢的冶炼，要获得大于80%的脱硫率，渣中w[(FeO)+(MnO)]需尽量控制在0.8%以下。

2.5.3 渣量

该厂精炼渣量与脱硫率之间的关系如图11所示。

图11 精炼渣量对钢水脱硫效果的影响Fig.11 Effect of refining slag amount on desulfurization effect of liquid steel

精炼渣量增加会稀释渣中w(CaS)，根据式(2)，大渣量有利于脱硫反应的进行。从图10可知，该厂大部分炉次的渣量控制在10～20 kg/t之间，脱硫率随渣量的增加而增大。

但精炼渣量也不是越多越好，渣量过大会导致炉渣黏度增大，恶化脱硫反应的动力学条件。大渣量的条件下通过升温可以解决炉渣黏度过大的问题，但大渣量会导致炉渣对钢水罐耐材侵蚀速率加快，同时还会增加搅拌惰性气体的消耗。过高的钢水温度还会增加电耗以及电极的消耗。钢水罐耐材侵蚀进入钢水，会使钢水夹杂物增多。因此从冶炼成本和钢水质量的角度考虑，LF炉精炼渣量控制在15～20 kg/t为宜[9]。

2.6 搅拌对LF炉脱硫的影响

吨钢氩气消耗量的大小可以表征钢水罐底吹惰性气体的搅拌效果，吨钢氩气消耗量越大，钢水罐底吹惰性气体的搅拌效果越好。该厂钢水罐底吹搅拌效果与脱硫率之间关系如图12所示。

钢水罐底吹惰性气体搅拌可以增加渣钢反应界面积，改善LF炉精炼过程中渣钢界面反应的动力学条件。从图12可知，钢液的脱硫率随钢水罐底吹搅拌强度的增大而增大，这种增大的趋势在底吹流量增加到一定程度后趋于平缓。钢水罐底吹惰性气体量过大会导致钢液增氮，该厂LF炉底吹搅拌强度与钢液终点氮含量之间关系如图13所示。

图12 底吹搅拌对钢水脱硫的影响Fig.12 Effect of bottom blowing stirring on desulfurization of liquid steel

从图13可以看出，随着底吹氩气量的增加，钢液终点氮含量明显上升。因此底吹氩气搅拌量并不是越大越好，过强的氩气搅拌会使大量钢液裸露，增加钢液与空气接触的面积，导致钢液增氮和二次氧化，影响精炼的效果和钢水质量。从该厂的实际生产情况看，在保证钢水质量的前提下，底吹氩气量控制在0.10～0.18 Nm3/t可获得较好的脱硫效果。

图13 底吹搅拌强度与钢液终点氮含量之间关系Fig.13 Bottom blowing stirring intensity versus end- point nitrogen content of liquid steel

3 结论

(1) 对于超低硫钢的生产，LF炉精炼终点硫含量随钢液初始硫含量的升高而上升。钢液初始硫含量低于0.012%时，精炼终点硫含量可脱除至0.002%以下。

(2) LF炉精炼脱硫的效果随着钢液温度的升高而增强，1 550～1 600 ℃的钢液温度为LF炉精炼超低硫钢经济合理的冶炼温度。

(3) 钢液中酸溶铝含量越高，则钢水中溶解氧含量越低。LF炉进站钢液酸溶铝含量为0.02%～0.05%时满足LF炉深脱硫要求。

(4) 对于超低硫钢的冶炼，在钢液初始硫含量低于0.012%的情况下，要使终点硫含量低于0.002%，LF炉精炼时间应长于40 min。

(5) 脱硫率随炉渣碱度的增大而增大。当精炼渣碱度为4.0左右时，脱硫率最高。脱硫率随炉渣氧化性的提高而降低，对于超低硫钢的冶炼，要获得大于80%的脱硫率，渣中w[(FeO)+(MnO)]需控制在0.8%以下。大渣量有利于脱硫反应的进行，从冶炼成本和钢水质量的角度考虑，最经济合理的LF炉精炼渣量为15～20 kg/t。

(6) 钢水罐底吹氩气搅拌可改善LF炉精炼过程中渣钢界面反应的动力学条件。但随着底吹氩气量的增加，钢液终点氮含量明显上升。对于超低硫钢的冶炼，在保证钢水质量的前提下，底吹氩气量控制在0.10～0.18 Nm3/t可获得较好的脱硫效果。