LF精炼渣系优化及试验研究
2023-10-10高建国薛月凯李鹏举王书桓
方 鸣 田 鹏 高建国 孔 超 薛月凯 李鹏举 王书桓
(1.承德钒钛新材料有限公司，2.唐山钢铁国际工程技术有限公司，3. 华北理工大学)
某企业板坯铸机拉速提高后，要求转炉炼钢及LF精炼环节同步提速。为了提高LF精炼炉的冶炼效率，对出钢渣洗、脱氧合金化及LF冶炼工序底吹工艺等进行了系统优化，冶炼周期满足了生产要求，但随之带来LF精炼终点钢液S含量超标炉数增多。
大量研究表明精炼渣成分及性能对LF炉冶炼脱S具有较大影响[1-4]。为进一步提高LF精炼炉脱S能力，文章研究该企业所用精炼渣成分对LF冶炼脱硫的影响，通过理论模拟和实验室实验对精炼渣成分进行了优化，为该企业 LF 炉精炼渣快速脱硫提供技术支撑。
1 精炼渣成分设计
该企业精炼渣为CaO-Al2O3-MgO -SiO2四元渣系，成分见表1。
表1 精炼渣成分 %
已有学者证实[5-6]LF精炼脱硫以传质为限制性环节。根据企业实际，设定渣中MgO含量为6%，并利用Factsage7.2软件对CaO-SiO2-Al2O3三元相图熔点进行设计，确定1 400 ℃的低熔点成分范围为45%～55%的CaO、5%左右的SiO2和35%～45%的Al2O3。因此，该企业精炼渣组分可进一步优化。
2 实验室实验及结论
2.1 实验设计
实验采用图1所示KJ-T1700高温管式炉，主要研究精炼渣碱度、Al2O3、 CaF2等因素对钢液脱硫影响。
图1 KJ-T1700高温管式炉
实验用渣采用精炼基础渣配加一定量化学纯试剂配制而成。所用钢锭成分见表2。
实验步骤为：
(1)将盛有200 g金属料的MgO坩埚放入内置石墨坩埚的管式炉内并通N2保护，炉体以6 ℃/min升温至1 600 ℃并恒温。
(2)按金属量5%加入精炼渣，每间隔5 min搅拌一次钢液，加入精炼渣45 min后结束实验。试样水冷至常温，利用XRF测试钢样成分。
利用不同的精炼渣重复上述实验。
2.2 实验结果分析
2.2.1 精炼渣碱度对脱硫的影响
所用精炼渣成分见表3。
表3 CaO含量为40%～60%时实验用精炼渣成分 %
实验后钢样成分见表4。
表4 CaO含量为40%～60%时实验后钢样成分 %
根据表4，钢液脱硫率随精炼渣碱度的提高先升高后降低，在碱度为6.2时脱磷率最高，达到70.83%。根据文献[7]，精炼渣热力学脱硫率ηs与渣碱度R的关系为：
ηs=-123.09+130.53R-20.76R2
(1)
当精炼渣碱度小于6.2时，精炼渣的脱硫率随着碱度的提高而提高，当碱度大于6.2时，精炼渣的脱硫率随着碱度的提高逐步降低。
精炼渣脱硫主要反应方程式：
(2)
硫容量：
(4)
式中：K为反应平衡常数；aO2-是渣中氧的活度；fS2-为渣中硫的活度系数；W(S)slag为渣中硫的质量分数；PO2、PS2分别为O2(g)和S2(g)的平衡分压。
硫容量是表征精炼渣脱硫特性的重要参数。精炼渣碱度的提高使渣中aO2-增大，提高了熔渣硫容量。但精炼渣碱度过高会导致2CaO·SiO2等高熔点相增加，且CaO含量的提高不利于CaO-Al2O3渣系发泡及精炼脱硫[8]。
精炼渣中自由态CaO直接参与脱硫反应，且实际工业生产具备较好动力学条件，根据实验结果，建议精炼渣中CaO含量为50%～55%，并适度提高精炼渣中SiO2含量。
2.2.2 Al2O3含量对精炼渣脱S影响
实验精炼渣Al2O3含量为15%～45%，成分见表5。实验后钢样成分见表6。
表5 Al2O3含量为15%～45%时实验精炼渣成分 %
表6 Al2O3含量为15%～45%时实验后钢样成分 %
根据表6，随精炼渣中Al2O3含量的提高钢液脱硫率先升高后降低，当精炼渣中Al2O3含量29.1%时，对应的钢液脱硫率最大，达到72.08%。
CaO-Al2O3-SiO2渣系中，Al2O3与CaO等高熔点物质结合形成低熔点化合物12CaO·7 Al2O3，降低精炼渣的熔点及黏度，改善精炼过程脱硫动力学条件。 Al2O3含量的持续增加，会导致CaO活度降低，反而会抑制脱硫反应进行。根据实验结果，当Al2O3含量为29.1%时，Al2O3促进精炼渣脱硫的作用更强，此时CaO/Al2O3指数在1.5～2.2，符合实际生产要求。
2.2.3 CaF2含量对精炼渣脱S影响
实验用精炼渣CaF2含量为4%～16%，成分见表7。实验后，钢样成分见表8。
表7 CaF2含量为4%～16%时实验精炼渣成分 %
表8 CaF2含量为4%～16%时实验后钢样成分 %
由表8可知，随着CaF2含量的提高钢液脱硫率先升高后降低。CaO-SiO2-Al2O3-MgO-CaF2渣系中，CaF2可与SiO2、Al2O3等形成低熔点的共晶化合物，F-能够部分代替O2-，缩小精炼渣中的络阴离子尺寸，有效降低精炼渣的黏度[9]。但CaF2含量过高时，CaO浓度降低，且CaF2对钢包耐材侵蚀较大，因此，精炼渣中不宜加入过多CaF2。
3 工业试验效果
根据实验结果，对该企业精炼渣成分进行调整，精炼渣中CaO含量为50%～55%；Al2O3含量约为30%；考虑对炉衬的影响，CaF2含量为8%控制；SiO2含量为5%；MgO含量为6%。
在该企业150 tLF炉开展冶炼DD11品种的工业试验。转炉出钢1 min时加入铝粒强脱氧，铝粒加入量为1.5～2.5 kg/t，出钢1.5 min加入小粒石灰，控制初期渣成分与上述渣系保持一致。渣洗后，冶炼结果见表9。
表9 工艺优化前后渣洗数据
工艺优化后，渣洗后钢中氧含量平均值由27.5× 10-6降至23.5× 10-6，渣洗后形成的初期渣中FeO含量平均值由10.8%降至8.4%。
精炼期间，采用优化后的渣系进行冶炼，渣中FeO+MnO含量小于2.0%，冶炼数据见表10。
表10 工艺改进前后LF一次脱硫率
采用优化后的渣系进行冶炼后，精炼脱硫率由68.87%提高至81.04%，优化后的冶炼终点成分满足钢种要求；精炼周期缩短2.5 min，满足了连铸提速后的精炼时间要求；精炼周期缩短后，冶炼终点氮含量维持在37× 10-6，终点氧维持在(2～3)× 10-6，终点氧、氮含量与优化前无明显差距。
4 结论
某企业连铸提速后，对其精炼渣系进行了调整，满足了LF炉冶炼周期要求。得出结论：
(1)确定适合该企业的精炼渣系配比为：CaO含量为50%～55%、SiO2含量为5%、Al2O3含量为30%、CaF2含量为8%、MgO含量为6%。
(2)采用上述精炼渣系进行冶炼，渣洗后精炼渣中FeO平均含量由10.8%降低至8.4%，精炼一次脱硫率由68.87%提高至81.04%，精炼周期缩短2.5 min。工艺优化后，精炼钢液成分合格。
