300 t转炉冶炼无取向硅钢硫含量控制实践

2023-08-15邱在军

冶金能源 2023年4期

邱在军

(马钢股份公司第四钢轧总厂)

某厂为提高硅钢尤其是高牌号硅钢的市场占有率，在稳定生产周期的基础上，进一步降低硅钢硫含量。目前铁水经KR预处理后平均硫含量可降至13×10-6，接近极限水平[1-2]。当进入RH的钢水硫含量高时，需要进行喷粉脱硫。喷粉不仅对冶炼周期、真空槽槽体和浸渍管寿命不利，而且喷入的脱硫剂易造成钢水增碳，影响产品质量，因此研究硅钢转炉工序脱硫具有重要的现实意义[3]。

在借鉴前人研究成果的基础上，结合理论和大数据分析，探索300 t大型转炉冶炼硅钢适宜的脱硫控制参数，研究转炉冶炼洗炉作业、连续生产、废钢加入量、石灰加入量、终点氧含量和终点温度等对脱硫的影响，以期在硅钢生产中为降低钢水硫含量提供技术支撑。

1 生产组织对脱硫的影响

1.1 洗炉对脱硫的影响

溅渣护炉工艺可延长转炉炉龄，溅渣后残留渣在下一炉冶炼过程中再熔化。由于残留渣的硫含量高于新生炉渣的硫含量，造成炉渣硫含量升高，炉渣脱硫能力降低，转炉冶炼回硫趋势增大。因此，冶炼低硫钢种时，应考虑停止溅渣并停止留渣1～2炉后再冶炼[4-5]。暂停留渣、溅渣在一定程度上有利于降低钢水硫含量，但不利于延长转炉炉龄，同时给下一炉冶炼脱磷带来不利影响。

该厂硅钢终点渣样平均硫含量为509×10-6，其他钢种终点渣样平均硫含量为730×10-6，其他钢种比硅钢终点渣样平均硫含量高43.4%。溅渣护炉后残留渣中硫含量高是转炉回硫的主要影响因素之一。

为降低溅渣护炉后残留渣中硫含量对硅钢生产的影响，生产硅钢前一炉需采用脱硫深处理铁水，对转炉进行洗炉作业，并严禁使用渣钢和含硫高的废钢，控制转炉出钢时终点硫含量≤100×10-6。对洗炉炉次铁水硫含量、转炉主吹副枪TSC测量时(简称主吹)的硫含量、转炉终点副枪TSO测量时(简称终点)的硫含量数据进行了统计分析，洗炉炉次铁水平均硫含量为20.8×10-6，转炉主吹平均硫含量为90.1×10-6，转炉终点平均硫含量为66.3×10-6，实际洗炉效果存在一定差异。为确保硅钢生产钢水硫含量合格，对洗炉炉次留渣、溅渣护炉作业进行了规范要求，如表1所示。

表1 洗炉炉次留渣作业规定

1.2 连续生产对脱硫的影响

吴维轩等[6]研究要求，在低硫钢冶炼前2～3炉采用低硫铁水和低硫废钢进行洗炉，确保洗炉终点硫含量﹤60×10-6。为验证其效果，并进一步探索同一浇次连续6炉变化规律，对661个浇次进行了统计，如表2所示。浇次前3炉主吹硫含量和终点硫含量均明显下降，浇次第3～6炉变化不明显。主要原因是低硫铁水连续生产，至浇次第3炉之后，炉渣中硫含量已趋于平衡。因此，选择同一转炉连续生产有利于降低硅钢硫含量。

表2 连续生产对转炉回硫的影响

2 转炉冶炼过程工艺参数对脱硫的影响

转炉冶炼过程中炉渣的硫含量一直上升，钢水的硫含量先上升再下降，在供氧10 min左右达到峰值[7]。转炉冶炼过程中脱硫与回硫现象同时存在，冶炼前期以回硫为主，冶炼后期才开始脱硫[8]。根据转炉硫的衡算结果可知，氧化渣脱硫占总脱硫量的90%，气化脱硫占10%左右。根据熔渣的离子理论，转炉脱硫反应可表示为式(1)，碱性渣系内脱硫速率的限制性环节是熔渣内硫离子的扩散，其脱硫反应速率计算式为式(2)[9]。结合式(1)、(2)可知，石灰加入量、终点氧含量和终点温度对脱硫有影响，对无副枪多次测量、无补吹、废钢加入量30～60 t、石灰加入量8～16 t、终点温度1 645～1 675 ℃、终点氧含量(300～700)×10-6的2 835炉生产数据进行了统计分析。

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

(1)

(2)

式中：vS为脱硫反应速率；w[S]为铁水中硫的质量分数；βS为渣中硫的传质系数；A/Vm为单位体积钢液—熔渣的界面面积；ρm、ρs分别为钢液及熔渣的密度；LS为硫的分配常数；m(m)、m(s)分别为钢液及熔渣的质量；w[S]0、w(S)0分别为铁水及熔渣的初始硫的质量分数。

2.1 废钢加入量对转炉终点硫含量的影响

硅钢生产对废钢要求严格，该厂采用硅钢自循环专用废钢，其硫含量和钛含量低，分类堆放，严禁配加其他废钢及渣钢。废钢起吊前，对废钢种类进行拍照确认并留存。硅钢自循环专用废钢的硫含量大于预处理后铁水的硫含量，为研究废钢加入量对终点硫含量的影响，对废钢加入量为30～40、40～50、50～60 t的三组终点硫含量进行了比较，得到废钢加入量与终点硫含量之间的关系，如表3所示。

表3 废钢加入量对转炉终点硫含量的影响

在废钢加入量为30～60 t时，随着废钢加入量的增加，终点硫含量升高。当废钢加入量由30～40 t增加到50～60 t时，终点硫含量从25.0×10-6升高到30.2×10-6，差值为5.2×10-6。

2.2 石灰加入量对转炉终点硫含量的影响

使用低硫造渣剂可显著降低转炉冶炼过程的回硫量[10]。该厂石灰硫含量为0.021%，其方差为0.012%，石灰硫含量有一定的波动。对料仓进行分级管理，质量好的石灰输送至4号石灰仓，质量次之的输送至6号石灰仓，冶炼硅钢时可以优先使用质量好的石灰。由式(1)可知，增加石灰加入量，提高炉渣碱度，增多游离CaO，有利于脱硫。但石灰加入过多，碱度过高，炉渣变粘，炉渣流动性恶化，会降低转炉脱硫效果。为研究石灰加入量对终点硫含量的影响，对石灰加入量为8～10、10～12、12～14、14～16 t的四组终点硫含量进行了比较，得到石灰加入量与终点硫含量之间的关系，如表4所示。在石灰加入量为8～16 t时，随着石灰加入量的增加，终点硫含量降低。当石灰加入量由8～10 t增加到14～16 t时，终点硫含量从32.1×10-6降至23.8×10-6，差值为8.3×10-6。

表4 石灰加入量对转炉终点硫含量的影响

2.3 终点温度对转炉终点硫含量的影响

高温促进石灰溶解，改善炉渣的流动性。钢渣的脱硫反应属吸热反应，高温有利于反应的进行，但其热效应值不大，故温度对脱硫反应本身影响不大[3，11]。对终点温度为1 645～1 655、1 655～1 665、1 665～1 675 ℃的三组终点硫含量进行了比较，得到终点温度与终点硫含量之间的关系，如表5所示。在终点温度为1 645～1 675 ℃时，随着终点温度的升高，终点硫含量升高，但增幅较小。当终点温度由1 645～1 655 ℃升高到1 665～1 675 ℃时，终点硫含量从26.7×10-6升高到28.1×10-6，差值为1.4×10-6。

表5 终点温度对转炉终点硫含量的影响

2.4 终点氧含量对转炉终点硫含量的影响

炉渣氧化性与钢液氧含量相互影响，渣中FeO在实际生产过程中很难在线监测。渣中FeO对脱硫有双重影响：一方面，随着转炉终点碳的降低，熔池中氧位升高，渣中FeO增加不利于脱硫；另一方面，随着转炉终点碳的降低，O2-浓度增加有利于脱硫，同时渣中FeO的增加促进了石灰的熔化，增强了炉渣流动性，也有利于脱硫。因此，需研究终点氧含量对终点硫含量的影响，对终点氧含量为(300～400)×10-6、(400～500)×10-6、(500～600)×10-6、(600～700)×10-6的四组终点硫含量进行了比较，得到终点氧含量与终点硫含量之间的关系，如表6所示。随着终点氧含量的增加，终点硫含量先降低再升高，当终点氧含量在(400～500)×10-6时，终点硫含量最低，因此，建议冶炼硅钢终点氧含量控制在(400～500)×10-6。终点氧含量由(400～500)×10-6增加到(600～700)×10-6时，终点硫含量从26.7×10-6升高到31.3×10-6，差值为4.6×10-6。

表6 终点氧含量对转炉终点硫含量的影响

转炉冶炼过程工艺参数对脱硫的影响顺序为石灰加入量>废钢加入量>终点氧含量>终点温度。实际生产时，首先减少废钢的加入量，然后增加石灰的加入量，最后通过控制终点氧含量来降低钢水终点硫含量。

3 出钢过程钢水硫含量的变化

为降低钢包渣的氧化性，出钢前使用挡渣帽挡渣；出钢后期投入挡渣锥挡渣；挡渣锥投入后效果不佳时，出钢末期采用气动挡渣或者带钢水抬炉，严格控制进入钢包中的渣量[12]。为研究出钢前后钢水硫含量的变化规律，收集同时有转炉终点硫含量和出钢后钢水硫含量成分的炉次，如表7所示。转炉终点硫含量、出钢后钢水硫含量分别为29.3×10-6、26.1×10-6，出钢过程钢水硫含量平均降低3.3×10-6。出钢过程硫含量降低值随着出钢时间的延长而增大，主要是由于副枪TSO测量取样时硫在钢渣间分配未达到平衡，取样后至出钢结束脱硫反应还在继续进行，从而出现出钢过程降硫的现象。现有出钢时间主要为4.5～6.5 min，可以满足多数硅钢要求，能够适应高效生产。但对于高牌号硅钢，尽可能选用出钢时间较长的转炉生产，以便获得更低的出钢后钢水硫含量。

表7 出钢过程钢水硫含量的变化

4 实践效果

该厂生产硅钢采用上述脱硫措施后，硅钢产量随着总产量的增加而增加。在增加硅钢产量的同时，硅钢质量也得到了稳步提升，其中高牌号硅钢生产炉数及其RH脱硫喷粉率变化如图1所示。2018年高牌号硅钢在RH精炼时必须经过喷粉脱硫才能保证硫含量合格，2021年脱硫喷粉率降低了19.4%，取得了良好的冶金效果，大大降低了脱硫剂增碳的风险，提高了企业硅钢质量和市场竞争力。