转炉钢水炉外脱硫剂成分优化及应用实践
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作者: 张伟 王忠刚 刘忠建 李树云
摘要：为提高脱硫率，利用转炉出钢过程中钢渣混冲的良好动力学条件，通过伴随钢流添加脱硫剂，达到降低钢中硫含量的目的。经多次工艺试验，优化的脱硫剂成分为 CaO 60％ Al2O3 32％ SiO2 8％。粒度10--20 mm，加入量7 kg/t，放钢过程脱硫率达32.4%，精炼脱硫率达96%。为生产超低硫钢提供了基础条件。
关键词：转炉；炉外脱硫；脱硫剂；成分优化
中图分类号:TF71 文献标识码：A
1 前 言
在铁水和钢水脱硫反应的热力学、动力学分析的基础上提出了适用于脱氧出钢――LF精炼――RH冶炼超低硫钢（[S]<50 ppm）工艺。硫是钢中的有害元素之一，是表面活性元素， 常以MnS的形式在钢材晶界上或异相界面上偏析聚集。硫对钢材最大的危害是引起钢的热脆。碳钢的S≤60 ppm时，热加工时可避免产生热裂纹现象；铁索体不锈钢，控制 S < 20 ppm，可保证钢材良好的热加工性能。此外，硫降低钢材的韧性，恶化钢的 z向性能，并对氢致裂纹有较大影响。 因此，要求管线钢具有较高的抗氢致裂纹(HIC) 和抗硫应力裂纹(SSCC)的能力 ，要求控制钢中 S《10 ppm。 莱钢炼钢厂在反复的深脱硫实验中总结出高效的脱硫剂应用于生产中，极大的提高了脱硫率。
2 转炉脱硫机理
在氧气顶吹转炉冶炼过程中，主要脱硫反应过程如下[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个反应式，（1）、（2）、（3）式均为气化脱硫，（1）式中反应平衡的SO2分压为0.02 Pa，反应很容易达到平衡，可以认为钢液中硫的氧化去除作用不大。由（2）、（3）式可见，对于渣中硫向气相转移与炉渣中硫的活度与氧势有关，硫在渣中的活度与炉渣碱度有关，碱度越高，硫的活度越低。因此，高碱度对气化脱硫不利，但对炉渣脱硫有利。一般认为氧气转炉铁水硫含量的10％左右是通过气化脱硫去除的。而（4）式为炉渣脱硫，要实现脱硫必须化好渣，要有充分的热力学条件。
综合考虑，脱硫的基本条件为：高温、高碱度、低氧化性（渣中FeO含量低）、大渣量、强动力学条件（强搅拌）。
3 生产条件
莱钢炼钢厂采用铁水预处理，要求入炉铁水硫《0.005%。其平均成分见表1。
转炉不采取二次造渣时，终点[S]成分：0.008%～0.015％，而特殊钢种要求成品成分[S]≤0.0010％。
4 工艺试验
4.1 方案设计
莱钢炼钢厂根据生产条件现状，为提高转炉生产效率，减少后吹造成的铁损，缩短冶炼周期，提高炉龄，摸索适用于脱氧出钢――LF精炼――RH 冶炼超低硫钢（[S]<50ppm）工艺。为此，设计合适的脱硫剂，充分利用转炉出钢过程中高温钢水对脱氧、造渣材料强大的冲击搅拌动能形成高碱度、低熔点脱硫熔渣，进而对钢水产生“渣洗”效果，并提高精炼脱硫率，将终点硫含量控制在较低的水平。
4.1.1 转炉出钢条件的确定
转炉出钢要求达到双命中，即温度、成分（不含硫）的双命中。因此，考虑出钢过程中增加脱硫剂用量和增强搅拌带来的温降，出钢温度较正常情况提高10～20 ℃。
4.1.2 脱硫剂的配比
转炉出钢过程中，要创造良好的钢渣混冲效果，形成具有较强脱硫能力的顶渣。参考钢液温度1550 ℃，渣中（MgO）8％、（SiO2）7％，钢液中[Al] 0.03％、[C] 0.2％时，炉渣中硫容量随（％Al2O3）／（％CaO）变化的规律[2]，渣中（％Al2O3）／（％CaO）比值的增加使得硫容量降低，即随着炉渣中（CaO）含量的降低，炉渣吸收硫的能力降低。基于电石、铝屑、石灰对脱硫剂进行成分设计，见表2。
表2.脱硫剂成分设计
1.3转炉出钢及炉后操作控制要点
1）保证一次拉碳合格率，减少转炉终点钢水的后吹，降低[O]含量。
2）转炉出钢时间一般为300 s左右，在转炉出钢时开启钢包底吹氩，且控制流量在100～120 L/min，吹氩时间不小于5 min，在出钢过程中加入脱硫剂、合金和增碳剂。
3）减小下渣量。
4.2 试验情况
4.2.1第1次试验
2010年4月使用表2所示设计的脱硫剂进行了生产试验，共试用5炉，应用情况见表3。
3可以看出，转炉出钢过程中加入脱硫剂基本能够满足脱硫任务的要求，但是存在以下问题：
1）钢水及炉渣的氧化性较强时，特别是出钢下渣比较严重、脱氧效果不好时，脱硫剂的使用效果并不理想。2）为得到较好的脱硫效果，使渣料快速熔化，完全弥散于钢液中，宜选择细小的渣料来增加反应面积。
4.2.2脱硫剂成分优化
基于第1次试验的情况，要提高脱硫剂的使用效果必须保证良好的脱氧，减小粒度，并且充分考虑钢渣混冲后的钢包顶渣对脱氧产物及脱硫产物的吸附能力，12CaO.7Al2O3具有较强的脱硫能力和吸附铝脱氧产物的能力（参见CaO－Al2O3－SiO2渣系相图），对脱硫剂配比进行优化改进，见表4。
4.2.3 第2次试验
2010年5月使用优化后的脱硫剂进行了生产试验，共试用12炉，应用情况见表5。
由表5可知，在本次实验中，成品硫控制到了0.002 %，气体含量在连铸过程中有所增加。此次试验我们在精炼时间不足、散装料不好的情况下实验结果基本达到要求。但对于高级别管线钢来说还远远不够，为此对脱硫剂进行了改进，如表6。
4.2.3 第3次试验
2010年9月使用表6所示设计的脱硫剂进行了生产试验，共试用7炉，应用情况见表7。
通过本次试验数据来看，目前工艺条件下，可将钢水硫含量控制在10 ppm以内，为下一冶炼低硫品种打下了良好的基础。本次实验使用脱硫剂，从转炉放钢过程看钢包顶渣化的快、透，从精炼精炼初炼样看，其脱硫速度和效率明显较好。
4.3 脱硫剂试验应用分析
脱硫剂使用前后冶炼指标对比见表8。
使用高效脱硫剂，为冶炼高级别管线钢超低硫控制提供了有力保证。
5 结 论
5.1 转炉出钢过程中加入脱硫剂脱硫工艺可行，并且为精炼深脱硫提供了条件，提高了精炼脱硫率，具有显著的经济效益。
5.2 要提高脱硫剂的使用效果必须保证良好的脱氧，保证一次拉碳合格率，减少转炉终点钢水的后吹，降低[O]含量，同时严防转炉炉后下渣。
参考文献：
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[7].杨世山，尹卫平，许伟迅等．铁水预处理与纯净钢冶炼[J]．北京：中国冶金，2003(8)：13-17.
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