冶金工業(yè)廢渣所配制LF爐精煉渣的脫硫試驗(yàn)研究

呂澤安,唐利民,方　慶，金　明,倪紅衛(wèi)

(1.武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢，430081;2.湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司科技開發(fā)中心，湖南 湘潭，411101)

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冶金工業(yè)廢渣所配制LF爐精煉渣的脫硫試驗(yàn)研究

呂澤安1,唐利民2,方慶1，金明1,倪紅衛(wèi)1

(1.武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢，430081;2.湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司科技開發(fā)中心，湖南 湘潭，411101)

摘要：以3種冶金工業(yè)廢渣為主要原料配制LF爐精煉渣，并在某鋼鐵廠LF爐精煉生產(chǎn)中進(jìn)行脫硫試驗(yàn)，分析新配制的LF爐精煉渣在冶煉過程中的脫硫效果及其影響因素。結(jié)果表明，與原用渣相比，新配制的精煉渣在出鋼過程中的平均脫硫率明顯提高，其中配加鋁渣后的精煉渣脫硫效果最優(yōu)，出鋼過程的平均脫硫率可達(dá)57.6%，平均冶煉時(shí)間縮短20.7 min；鋁渣中的鋁能還原渣中的FeO，降低渣的氧化性；當(dāng)精煉渣的堿度(R)為2.3、渣指數(shù)(MI)值在0.28～0.5范圍內(nèi)以及渣中w(FeO)<0.65%時(shí)，可使渣鋼間硫的分配系數(shù)LS>100，從而取得良好的脫硫效果。

關(guān)鍵詞：LF爐精煉；精煉渣；工業(yè)廢渣；脫硫率；渣堿度；渣指數(shù)；硫分配系數(shù)

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對鋼質(zhì)量要求的提高，對鋼中硫含量的控制也日益嚴(yán)格[1-3]。LF爐精煉是生產(chǎn)低硫鋼的有效手段，而精煉渣的選取更是實(shí)現(xiàn)低硫精煉的關(guān)鍵[4]。冶金工業(yè)廢渣中含有大量的CaO、SiO2、Al2O3和MgO 等物質(zhì)，這些組分與LF爐精煉渣的成分非常相近，如果對這些有效組分加以利用，不但能夠提高冶金工業(yè)廢渣的循環(huán)利用率，還可以節(jié)約資源、縮短冶煉時(shí)間。國內(nèi)外都有利用冶金工業(yè)渣配制精煉渣的應(yīng)用實(shí)踐[5-7]，其中，印度Tata鋼廠僅在1999年的兩個(gè)季度里就返回利用LF精煉廢渣215萬t，降低成本效果顯著[7]。丁廣友等[8]對LF爐熱態(tài)精煉廢渣的再利用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)熱態(tài)精煉渣的循環(huán)利用不僅減少了造渣原料(如石灰、螢石)的消耗，同時(shí)提高了LF爐供電初期電弧的穩(wěn)定性和熱效率，減少了50%以上的廢渣排放。為此，本研究以3種冶金工業(yè)廢渣為原料配制新的LF爐精煉渣，并在某廠36Mn2V鋼LF爐精煉生產(chǎn)中進(jìn)行脫硫試驗(yàn)，分析新配制的LF爐精煉渣在冶煉過程中的脫硫效果及其影響因素，以期為冶金工業(yè)渣的循環(huán)利用和LF精煉脫硫提供參考。

1試驗(yàn)

1.1原料

試驗(yàn)鋼種為36Mn2V。試驗(yàn)用3種工業(yè)廢渣取自某金屬冶煉廠，其主要化學(xué)成分如表1所示。其中1#工業(yè)渣是金屬冶煉廠生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品，主要成份為CaO、CaCO3和Al2O3， 同時(shí)還含有少量的Na2O、K2O等高堿度氧化物；2#工業(yè)渣是LF爐精煉后的廢渣，由于其實(shí)際為預(yù)熔后的爐渣，因而能加快精煉渣的成渣速度，但2#工業(yè)渣中存在一定的硫含量，因此應(yīng)選擇其合適的配比；鋁渣的主要成份為Al2O3和金屬鋁。

表1　3種工業(yè)渣的主要化學(xué)成分(wB/%)

1.2試驗(yàn)及檢測方法

某廠36Mn2V鋼的冶煉生產(chǎn)工藝流程為：40 t電爐偏心底出鋼→LF爐精煉→喂絲→連鑄，在出鋼過程中加入精煉渣。本試驗(yàn)采用3組精煉渣進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，每組試驗(yàn)6爐次。其中，第一組試驗(yàn)精煉渣為該廠的原用渣，即40 t電爐偏心底出鋼之后在LF爐工位加入石灰300～400 kg，加入螢石20 kg左右，LF爐送電后加入一定的炭粉和硅鐵粉還原；第二組試驗(yàn)精煉渣是由80%的1#工業(yè)渣+20%的2#工業(yè)渣配制而成的精煉基渣；第三組試驗(yàn)精煉渣由90%的精煉基渣+10%的鋁渣配制而成，在出鋼過程中按5.5 kg/t的加入量分別向鋼中加入第二組、第三組試驗(yàn)精煉渣。并對出鋼過程中的渣鋼取樣，采用CS-901B高頻紅外碳硫分析儀測定渣鋼中的硫含量，計(jì)算3組試驗(yàn)精煉渣的脫硫率；采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定在精煉過程中加入第三組試驗(yàn)精煉渣后的鋼渣成分，并計(jì)算渣堿度(R)、渣指數(shù)(MI)和渣鋼間硫的分配系數(shù)(LS)。

2結(jié)果與分析

2.1LF爐精煉渣脫硫效果比較

36Mn2V鋼出鋼過程平均脫硫率和總脫硫率如表2所示。從表2中可以看出，與加入原用渣相比，加入精煉基渣后出鋼過程的平均脫硫率提高了37%，平均冶煉時(shí)間縮短了17.7 min；加入精煉基渣+鋁渣后出鋼過程平均脫硫率明顯提高，達(dá)到57.6%，平均冶煉時(shí)間較加入原用渣時(shí)縮短20.7 min。由此表明，采用精煉基渣+鋁渣作為LF爐精煉渣不僅提高了出鋼過程的脫硫效率，而且可以縮短冶煉時(shí)間和降低電耗。

表2　36Mn2V鋼出鋼過程平均脫硫率和總脫硫率

2.2鋁渣對出鋼過程脫硫效果的影響

不同精煉渣對出鋼過程鋼中w[S]的影響如圖1所示。從圖1中可以看出，在LF爐整個(gè)精煉過程中，3組試驗(yàn)精煉渣的脫硫能力明顯不同，其中精煉基渣+鋁渣對鋼的脫硫速度更快，脫硫率更高，原用渣的脫硫速度最慢。

圖1　不同精煉渣對出鋼過程鋼中w(S)的影響

Fig.1 Effect of different refining slags onw(S) in steel during tapping

精煉基渣+鋁渣之所以脫硫速度更快、脫硫率更高，主要有兩方面的原因。一方面，鋁渣中的鋁在出鋼過程中存在如下反應(yīng)[9]：

(1)

ΔG0=-401 750+130.1TJ/mol

(2)

Al除了能固定CaO脫硫產(chǎn)物中的氧、促進(jìn)脫硫反應(yīng)的進(jìn)行外，反應(yīng)(2)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)過程中大量放熱利于化渣；另一方面，鋁渣中的鋁能還原渣中的FeO，降低渣的氧化性，提高脫硫效率。

2.3精煉渣中w(FeO)對渣鋼間硫分配的影響

精煉渣中w(FeO)對渣鋼間硫分配系數(shù)(LS)的影響如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著渣中w(FeO)降低，LS明顯增大，當(dāng)渣中w(FeO)<0.65% 時(shí)，LS>100。這是因?yàn)?，w(FeO)直接影響LF精煉渣的氧化性。從熱力學(xué)原理講，爐渣是否具有氧化性,關(guān)鍵在于是否存在爐渣向鋼液傳氧的現(xiàn)象,而FeO是一種非穩(wěn)定氧化物,在爐渣中存在一定量時(shí)會導(dǎo)致爐渣氧位升高,使鋼渣間氧位不平衡，從而導(dǎo)致鋼中氧含量增加，不利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。由此表明，精煉渣中w(FeO)是制約LF精煉渣脫硫效果的主要因素之一。

圖2精煉渣中w(FeO)對渣鋼間硫分配系數(shù)(LS)的影響

Fig.2 Effect ofw(FeO) in refining slag on the distribution ratio of the sulfur(LS) between slag and steel

2.4精煉渣的堿度對渣鋼間硫分配的影響

配加鋁渣后精煉渣的堿度(R)對渣鋼間硫分配系數(shù)(LS)的影響如圖3所示。從圖3中可以看出，渣鋼間硫的分配系數(shù)(LS)隨著渣堿度(R)的提高而增大；但當(dāng)R>2.3時(shí)，LS的增幅趨于平緩，這是因?yàn)?，?dāng)R>2.5時(shí)，精煉渣中會有高熔點(diǎn)2CaO·SiO2物質(zhì)析出，精煉渣進(jìn)入2CaO·SiO2-3CaO·SiO2固液兩相區(qū)，使渣的黏度增大、流動性降低，使脫硫反應(yīng)的動力學(xué)條件變差，不利于鋼渣間脫硫反應(yīng)的進(jìn)行[10]，因此合適的渣堿度(R)應(yīng)控制在2.3左右。

圖3　渣堿度(R)對渣鋼間硫分配系數(shù)(LS)的影響

Fig.3 Effect of slag basicity(R) on the distribution ratio of the sulfur(LS)between slag and steel

2.5精煉渣渣指數(shù)對渣鋼間硫分配的影響

精煉渣渣指數(shù)(MI)對渣鋼間硫分配系數(shù)(LS)的影響如圖4所示。從圖4中可以看出，當(dāng)MI<0.28時(shí)，隨MI增大，LS快速增加，當(dāng)MI值在0.28～0.5范圍內(nèi)時(shí)，LS的值較大并趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)椋琈I值在0.28～0.5范圍內(nèi)時(shí)，預(yù)熔渣具有較低的熔點(diǎn)、流動性好，可以減小乳化渣滴的平均直徑，增大渣鋼的接觸界面，有利于加速脫硫反應(yīng)進(jìn)行并吸附鋼中雜質(zhì)，從而獲得較大的渣鋼間硫的分配系數(shù)(LS)。由此表明，LF爐精煉脫硫適宜的渣指數(shù)(MI)值在0.28～0.5范圍內(nèi)，這稍大于有關(guān)文獻(xiàn)研究的最佳值[11]。

圖4　渣指數(shù)(MI)對渣鋼間硫分配系數(shù)(LS)的影響

Fig.4 Effect of slag index(MI)on the distribution ratio of the sulfur(LS)between slag and steel

3結(jié)論

(1)使用1#和2#工業(yè)渣配制的精煉基渣，出鋼過程平均脫硫率比原用渣提高37%，平均冶煉時(shí)間縮短17.7 min。使用1#和2#工業(yè)渣配加鋁渣后，可進(jìn)一步優(yōu)化精煉渣的性能，出鋼過程平均脫硫率可達(dá)57.6%，平均冶煉時(shí)間較加入原用渣時(shí)縮短20.7 min。

(2)鋁渣中的鋁能還原精煉渣中的FeO，降低渣的氧化性。

(3)當(dāng)精煉渣的堿度(R)為2.3、渣指數(shù)(MI)值為0.28～0.5以及渣中w(FeO)<0.65%時(shí)，可使渣鋼間硫的分配系數(shù)LS>100，從而取得良好的脫硫效果。

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[責(zé)任編輯張惠芳]

Experimental research on desulfurization of the LF refining slagprepared by industrial wastes

LvZean1,TangLimin2,FangQing1,JinMing1,NiHongwei1

(1. College of Materials Science and Metallurgical Engineering, Wuhan University ofScience and Technology, Wuhan 430081, China;2.Research and Development Center,Xiangtan Iron and Steel Co., Ltd., Hunan Valin Group, Xiangtan 411101, China)

Abstract:LF refining slags were prepared by using three metallurgical wastes as the main raw materials. The desulfurization experiment during the LF refining process in a steel plant was conducted. Desulfurization efficiency of the newly prepared LF refining slag during the smelting process and its influence factors were investigated. The results show that the average desulfurization rate of the newly prepared refining slag during tapping is obviously improved when compared with the original one. Among them, the refining slag with proportioning of aluminum slag exhibits the optimal desulfurization efficiency, i.e., its average desulfurization rate during tapping can reach 57.6% and the average refining time is shortened by 20.7 min. Al element in the aluminum slag can deoxidize FeO in the refining slag and reduce its oxidizability consequently. When the basicity (R) of the refining slag is 2.3, the slag index (MI) is in the range of 0.28～0.5 and the FeO content is less than 0.65%, the distribution ratio of sulfur (LS) between slag and steel can be greater than 100 and good desulfurization effect can be obtained.

Key words：LF refining；refining slag; industrial waste；desulfurization rate; slag basicity; slag index; distribution ratio of sulfur

收稿日期：2015-12-29

基金項(xiàng)目：教育部新世紀(jì)人才計(jì)劃項(xiàng)目(NECT-07-0650).

作者簡介：呂澤安(1986-)，男，武漢科技大學(xué)博士生.E-mail：lvzean@163.com通訊作者：倪紅衛(wèi)(1967-)，男，武漢科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.E-mail：nihongwei320@sohu.com

中圖分類號：TF769.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-3644(2016)03-0166-04