鋼包爐冶煉超低硫鋼研究

金楊馬騰霄(二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司，四川618013)

?

鋼包爐冶煉超低硫鋼研究

金楊馬騰霄
(二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司，四川618013)

摘要:通過對多爐精煉過程熔渣的取樣分析并進行熱力學(xué)計算，尋找有效脫硫的途徑。計算結(jié)果和生產(chǎn)實踐表明，在當(dāng)前熔渣堿度R =2．9～4．0時，加強擴散脫氧操作，可以有效的去除鋼中的硫，保證鋼水中［S］≤0．002%，滿足冶煉超低硫鋼的要求。

關(guān)鍵詞:鋼包爐;冶煉工藝;脫硫模型;熱力學(xué)計算

近年來，由于公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的升級以及對產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提升，對鋼水純凈度的要求越來越高，對P、S的要求也極其嚴格，增加了冶煉的難度。二重冶煉生產(chǎn)工藝為EAF-LF-VD-VC。LF精煉時，盡量使用P、S含量低的渣料和合金以減少其在鋼水中的含量，從源頭上控制P、S含量的同時，在合金化前加強調(diào)渣、造白渣并保持爐內(nèi)還原性氣氛以加強脫氧脫硫，通過熔渣反應(yīng)控制其在鋼水中的含量，達到冶煉超低硫鋼的要求。本文以熱力學(xué)計算的方法研究LF過程中的熔渣反應(yīng)，找出了鋼水有效脫硫的途徑，并與生產(chǎn)實踐進行對比驗證。

1　數(shù)學(xué)模型的建立

二重LF精煉過程造渣以活性石灰和螢石為主，以碳粉輔以硅鈣粉、鋁粉擴散脫氧。因此，精煉渣系以CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FeO-MnO-CaF2為主，其中CaF2中的F－主要用于調(diào)整熔渣粘度，Ca2 +可用于脫硫。為簡化計算，將CaF2中的Ca2 +并入CaO中計算。根據(jù)熔渣結(jié)構(gòu)共存理論，建立CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FeO-MnO六元渣系熱力學(xué)計算模型。

根據(jù)文獻［1］以及相圖分析可知，熔渣體系結(jié)構(gòu)為:

簡單離子: Ca2 +、Mg2 +、Fe2 +、O2－、Mn2 +;

可能的分子化合物:

為建立數(shù)學(xué)模型，將結(jié)構(gòu)單元濃度表示如下:

以生成CaO·SiO2為例，說明熔渣內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)平衡。Ca2 ++ O2－+ SiO2= CaO·SiO2，K1= N7/

( N1N6)，則N7= K1N1N6，根據(jù)熔渣內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元

的化學(xué)平衡可得:

質(zhì)量守恒得

所需熱力學(xué)數(shù)據(jù)［2］如表1所示。聯(lián)立方程組求解，即可求得各組元的作用濃度(即活度)，據(jù)此可以分析LF精煉過程中脫硫反應(yīng)的過程，找出有效脫去鋼水中［S］的途徑。

鋼水脫硫的主要反應(yīng)為:

統(tǒng)計了二重?zé)掍撥囬g2010～2012年所冶煉成品成分發(fā)現(xiàn)，鋼水中［O］含量基本控制在( 10～

表1　化合物的熱力學(xué)數(shù)據(jù)Table 1　Thermodynamic data of chemical compound

表2　爐外精煉過程熔渣取樣分析結(jié)果Table 2　Analysis results of slag sampled during external refining process

20)×10－6之間，重點產(chǎn)品［O］含量基本在( 10～15)×10－6之間。為簡化計算，在回歸分析時將［O］含量視為定值，取13×10－6。

將上述已知值利用回歸分析，可得出脫硫反應(yīng)計算模型如下:

圖1即為模型計算結(jié)果與實際結(jié)果之間的比較。從圖1可以看出，計算值與實際值是符合的，證明回歸模型可以反映本渣系LF精煉渣鋼間硫的實際分配情況。

2　討論和分析

從回歸模型中可以看出，CaO、MgO均對脫硫起作用，但由于MgO含量大部分來源于鋼包耐材因物理沖刷和侵蝕的損耗，其在熔渣中的飽和溶解度約在8%左右，對脫硫所起的作用基本上是不變的，故要提高Ls就必須增加熔渣中的CaO的活度和渣系總摩爾量并加強脫氧。圖2為模型計算所得熔渣堿度R對CaO活度及渣系總摩爾量的影響。圖3為部分爐次熔渣堿度對出鋼［S］的影響。從圖2可以看出，在當(dāng)前生產(chǎn)條件下( R = 1．5～4)，CaO活度及渣系總摩爾量隨熔渣堿度的增加而線性增加。若要提高Ls加強脫［S］，應(yīng)盡可能的提高熔渣的堿度并加強脫氧。從圖3可以看出，當(dāng)R由1．5增加至2．5時，脫硫效果顯著提高;當(dāng)R＞2．90時，鋼水中［S］保持在極低的水平，僅為0．002%。這與理論計算的結(jié)果相一致。

綜上所述，熔渣堿度應(yīng)保持在2．9～4．0之間，并保持持續(xù)不斷的擴散脫氧，可以保證熔渣具有較高的脫硫能力，出鋼［S］會保持在很低的水平。

精煉造渣過程采用大渣量，保證熔渣中CaO的活度，以保證脫硫的效果。表3為VCD冶煉2．25Cr-1Mo時出鋼時鋼水中的［S］含量。從表3可以看出，鋼水中的［S］含量均處于較低水平，滿

圖1　脫硫模型計算值與實際值的對比Figure 1　Comparison between calculated values andactual values of desulfurization model

圖2　熔渣堿度對CaO活度和渣系總摩爾量En的影響Figure 2　 Effect of slag basicity on CaO activity and integral molar quantity of slag system En

圖3　熔渣堿度對出鋼［S］含量的影響Figure 3　 Effect of slag basicity onS content of molten steel

表3　LF冶煉出鋼前［S］含量(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 3　Sulfur content of molten steel before tapping of LF smelting( mass fraction，%)

足冶煉超純凈鋼的要求。

3　結(jié)論

由熱力學(xué)計算和生產(chǎn)實踐總結(jié)可得出如下結(jié)論:

( 1)通過熱力學(xué)計算和回歸分析，得出了當(dāng)前工藝條件下脫硫模型為: Ls=Σn［O］×( 3．56× 104×NCaO+170．32×NMgO)，R2=0．988 4。

( 2)對模型進行分析得出，提高熔渣堿度，可以提高CaO的活度和渣中摩爾總量，利于脫硫反應(yīng)的進行。當(dāng)熔渣堿度由1．5增加至2．5時，鋼中［S］含量顯著降低，當(dāng)熔渣堿度保持在2．9～4．0時，鋼中［S］含量處于極低的水平。

參考文獻

［1］張鑒等．冶金熔體和溶液的計算熱力學(xué)．北京:冶金工業(yè)出版社，2007．

［2］李文超．冶金與材料物理化學(xué)．北京:冶金工業(yè)出版社，2001．

編輯杜青泉

Research on Smelting Ultra Low Sulfur Steel in Ladle Furnace

Jin Yang，Ma Tengxiao

Abstract:The slag sampled during the multiple furnaces refining process has been analyzed，and then the thermodynamic calculation has been carried out，so as to find the effective method of desulfurization．The calculated results and the production practice indicated that when the current slag basicity R was in the range of 2．9～4．0，by strengthening the diffusive deoxidation，the sulfur in the steel could be removed effectively，as so to make sure that the sulfur content in the molten steel was equal to or less than 0．002%．Therefore，the requirements for smelting ultra low sulfur steel can be satisfied．

Key words:ladle furnace; smelting process; desulfurization model; thermodynamic calculation

收稿日期:2014—10—31

文獻標志碼:B

中圖分類號:TF704．3