影響超低硫鋼終點(diǎn)硫含量的因素和對(duì)策

許旭東

(南京鋼鐵集團(tuán)第二煉鋼廠，江蘇 南京 210035)

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影響超低硫鋼終點(diǎn)硫含量的因素和對(duì)策

許旭東

(南京鋼鐵集團(tuán)第二煉鋼廠，江蘇 南京 210035)

分析了從轉(zhuǎn)爐到精煉爐的整個(gè)生產(chǎn)過程中影響超低硫鋼終點(diǎn)硫含量的因素，并提出相應(yīng)的對(duì)策，有效降低了終點(diǎn)硫含量，對(duì)現(xiàn)場操作有一定的借鑒意義。

硫含量；脫硫；堿度；溫度；氧化性

引 言

對(duì)于大多數(shù)鋼種而言，硫元素都是有害的，如何脫去鋼液中的硫一直是煉鋼的重點(diǎn)和難點(diǎn)。硫在鋼中以FeS存在，其熔點(diǎn)為1190 ℃，F(xiàn)e-FeS共晶體的熔點(diǎn)僅為985 ℃[]。硫在凝固結(jié)晶過程中隨著其溶解度的降低，與鐵在晶界上以連續(xù)或不連續(xù)低熔點(diǎn)的網(wǎng)狀FeS和Fe-FeS共晶體析出。熱加工過程中，由于晶界硫化物的熔化而造成鋼的“熱脆”，從而降低鋼的加工性能和使用性能；硫還惡化鋼的橫向機(jī)械性能，影響鋼的焊接性能，因此特別是生產(chǎn)超低硫鋼時(shí)要嚴(yán)格控制鋼液終點(diǎn)硫含量。

1 影響硫含量的因素分析

1.1 轉(zhuǎn)爐的影響因素

轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)硫含量越高，在LF爐的單位精煉時(shí)間內(nèi)需脫硫量越大。對(duì)歷年LF爐超低硫鋼終點(diǎn)硫含量超出鋼種內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)的爐次統(tǒng)計(jì)分析可知，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)硫含量超出其內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)的占到20%以上，可見嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)硫含量對(duì)LF爐超低硫鋼終點(diǎn)硫含量有著重要的意義。

1.1.1 轉(zhuǎn)爐煉鋼中硫的來源

鐵水和廢鋼中的硫是轉(zhuǎn)爐煉鋼中硫的來源，必須加以嚴(yán)格控制。采用優(yōu)質(zhì)低硫的廢鋼，減少硫帶入鋼液中；尤其是生產(chǎn)低硫鋼時(shí)，鐵水采用鎂粉或鎂粉和蘇打粉混合噴吹預(yù)處理后，要確保扒干凈渣，減少帶入轉(zhuǎn)爐的硫。

1.1.2 轉(zhuǎn)爐煉鋼爐渣堿度

轉(zhuǎn)爐煉鋼過程屬于氧化精煉，其脫硫任務(wù)就是靠堿性氧化渣來完成的，反應(yīng)方程式為：

S+CaO=CaS+O

(1)

S+MnO=MnS+O

(2)

由反應(yīng)式可見，轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中提高爐渣中w(CaO)或w(MnO)，有利于鋼液的脫硫。CaS在爐渣中最穩(wěn)定，基本不熔于鋼液，所以脫硫需要增加爐渣中的自由w(CaO)，即提高爐渣堿度。在實(shí)際生產(chǎn)中，堿度越高，爐渣越粘稠，流動(dòng)性變差，惡化脫硫動(dòng)力學(xué)條件而不利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。在中厚板轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)實(shí)踐中，超低硫鋼爐渣堿度為4.5左右時(shí)脫硫效果最好。

1.1.3 轉(zhuǎn)爐煉鋼的溫度

堿性氧化渣脫硫反應(yīng)的平衡常數(shù)為

lgKS=-6500/T+2.6225

(3)

由式(3)看出，轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，脫硫反應(yīng)平衡時(shí)，隨著溫度升高，脫硫平衡常數(shù)略有增大。從熱力學(xué)角度來看，溫度對(duì)脫硫影響不大，但實(shí)際生產(chǎn)中，溫度升高降低了爐渣的黏度，加速反應(yīng)物和生成物的擴(kuò)散轉(zhuǎn)移，加快脫硫反應(yīng)的速度。轉(zhuǎn)爐吹煉中期和后期，熔池溫度很高，脫硫效果好。

1.1.4 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼液及爐渣的氧化性

LF爐精煉過程是一個(gè)造堿性還原渣還原反應(yīng)過程，其實(shí)就是硫由鋼液向爐渣擴(kuò)散，然后轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定化合物的過程，其脫硫還原反應(yīng)式為

FeS+CaO=CaS+FeO

(4)

由式(1)，(2)，(4)可以看出，無論是轉(zhuǎn)爐氧化精煉還是LF爐還原精煉脫硫都必須降低鋼液中的氧含量。轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼液及爐渣的氧化性越高對(duì)LF爐還原精煉脫硫越不利。在轉(zhuǎn)爐出鋼至10 s時(shí)開始加入復(fù)合精煉渣和活性石灰，通過一定強(qiáng)度的惰性氣體攪拌渣洗脫氧以及出鋼后期加入鋁塊或含鋁脫氧劑及喂鋁線深脫氧。另外，采用擋渣塞和擋渣錐擋渣出鋼，遇到下渣量大的爐次進(jìn)行爐后倒渣，盡可能減少轉(zhuǎn)爐氧化渣進(jìn)入LF爐鋼包，降低爐渣的氧化性，為LF爐精煉脫硫提供便利。

1.2 LF爐的影響因素

1.2.1 LF爐冶煉的溫度

還原渣脫硫反應(yīng)的平衡常數(shù)KS與溫度的關(guān)系式為[]

lgKS=-6024/T+1.79

(5)

由上式可知，在煉鋼溫度范圍內(nèi)(1500～1650 ℃)，KS隨溫度的變化不大，也就是說和堿度氧化渣脫硫一樣，溫度對(duì)脫硫的平衡狀態(tài)影響不明顯。但在實(shí)際生產(chǎn)中，適當(dāng)提高熔池溫度對(duì)脫硫十分有利。其原因是，由于爐渣與鋼液之間脫硫反應(yīng)的限制環(huán)節(jié)是硫的擴(kuò)散，提高熔池溫度可以改善爐渣、鋼液的流動(dòng)性，提高硫的擴(kuò)散能力，從而加速脫硫過程。

通過對(duì)LF爐的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)得知，LF爐冶煉開始時(shí)鋼液溫度常常是液相線上10～50 ℃，如果是非正常周轉(zhuǎn)包，鋼水升溫慢，溫度會(huì)有一段時(shí)間較低，不利于脫硫。因此，優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)奏，縮短鋼水在LF爐處理前的等待時(shí)間；優(yōu)化鋼包周轉(zhuǎn)，提高鋼包保溫能力；適當(dāng)提高轉(zhuǎn)爐出鋼溫度；成渣后使用大功率升溫等就顯得比較重要。

1.2.2 LF爐爐渣堿度

由式(4)可知，爐渣中的CaO是脫硫反應(yīng)的反應(yīng)物，提高爐渣堿度，渣中w(CaO)增多，爐渣的脫硫能力增大。從理論上講，堿度越高，脫硫效果越好，但堿度過高會(huì)引起爐渣粘稠、流動(dòng)性變差，反而影響脫硫效果。實(shí)際生產(chǎn)中，爐渣的二元堿度控制在5～9較好。由于爐渣中w(Al2O3)比較高，所以實(shí)際堿度并沒有那么高，爐渣的流動(dòng)性也比較好。為保證爐渣具有足夠的堿度和良好的流動(dòng)性，在生產(chǎn)中將爐渣的主要成分控制在如下范圍：w(CaO)=50%～55%,w(Al2O3)>25%,w(SiO2)<10%,w(MgO)<10%。

1.2.3 LF爐爐渣量

鋼液最終含硫量(w(S)終)與初始鋼液含硫量(w(S)始)及鋼包頂渣含硫量(w(S)渣)和渣量b 有如下關(guān)系

(6)

從式(6)可見，增大爐渣量有利于脫硫。但是爐渣量過大，渣層過厚，卻使脫硫反應(yīng)不活躍，導(dǎo)致鋼水的脫硫量不隨爐渣量的增加而增加，反而按一定的比例降低[]。通過實(shí)踐得知，為了強(qiáng)化脫硫，總爐渣量控制在1%～2%之間為好。

1.2.4 LF爐爐渣氧化性

由式(4)可知：LF爐堿性還原渣冶煉時(shí)降低了爐渣的氧化性，有利于脫硫。LF爐精煉采用“LF爐8 min快速造白渣操作法”快速成渣：a)喂鋁線快速沉淀脫氧；b)通電狀態(tài)下分批次添加還原劑；c)將鋁粉或鋁絲分批次撒在渣面上，使?fàn)t渣中w(FeO)大幅降低，破壞了氧在爐渣、鋼液之間的濃度分配系數(shù)，鋼水中的氧向渣中擴(kuò)散脫氧；d)根據(jù)爐渣的稀稠狀況適當(dāng)添加渣料。采用上述方法快速造髙堿度還原性白渣，快速降低爐爐渣中w(FeO)，使脫硫反應(yīng)充分進(jìn)行。

1.2.5 LF爐精煉鋼包惰性氣體底吹狀況

脫硫的過程是鋼液中的硫向爐渣內(nèi)擴(kuò)散，然后與爐渣中的CaO反應(yīng)，生成穩(wěn)定化合物的過程。采用底部吹惰性氣體攪拌方式，促進(jìn)鋼液中硫向爐渣中擴(kuò)散，增大爐渣中硫與CaO的反應(yīng)速率，降低硫含量。

跟據(jù)LF爐以往的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，精煉鋼包底吹效果差占有一定的比例。采用措施提高精煉鋼包底吹透氣率顯得尤為重要：a)操作人員在鋼水到LF爐接好氬氣管后及時(shí)充入氬氣；b)在處理過程中發(fā)現(xiàn)底吹透氣性差時(shí)及時(shí)旁通和接通備用氬氣管；c)如果整個(gè)處理過程透氣性都不好，通知鋼包組在下次使用前及時(shí)處理；d)鋼包組準(zhǔn)備鋼包時(shí)對(duì)氬氣流量采用儀表檢測，確保達(dá)到規(guī)定要求。

1.2.6 LF爐精煉時(shí)間

精煉時(shí)間越長，鋼液與爐渣接觸機(jī)會(huì)就多，促進(jìn)脫硫反應(yīng)趨于平衡，提高脫硫效率。這就要求在連鑄澆注時(shí)間不變的情況下，優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)奏，給LF爐的生產(chǎn)提供足夠的精煉時(shí)間：a)轉(zhuǎn)爐每爐鋼的出鋼量盡可能一致，或者可以多點(diǎn)，盡量不要突然某爐鋼的鋼水量明顯減少；b)調(diào)度室掌握好節(jié)奏，適當(dāng)壓鋼水；c)轉(zhuǎn)爐吹煉及時(shí)，不要讓LF爐工序等待鋼水。

2 效果分析

2.1 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)硫含量

在轉(zhuǎn)爐工序采取適當(dāng)措施后，其終點(diǎn)硫含量得到明顯控制，表1為一組超低硫鋼的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

表1 一組X70-1鋼轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)硫含量

從表1可以看出，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)硫含量得到明顯控制，未有超內(nèi)控的現(xiàn)象。

2.2 LF爐精煉初始精煉溫度和精煉時(shí)間

調(diào)度室合理安排生產(chǎn)節(jié)奏，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度符合要求，精煉鋼包使用正常周轉(zhuǎn)鋼包，精煉初始溫度明顯提高，LF爐高溫脫硫時(shí)間增加，脫硫效果較好。調(diào)度室合理安排生產(chǎn)節(jié)奏，確保轉(zhuǎn)爐每爐鋼水量正常，LF爐精煉時(shí)間得到了保證，未有一起因精煉時(shí)間短導(dǎo)致終點(diǎn)硫含量超出內(nèi)控的事故發(fā)生。

2.3 鋼包底吹狀況

對(duì)2016年4月份鋼包底吹透氣率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得知，底吹透氣率達(dá)到98.85%，未有一起因底吹透氣差造成超低硫鋼終點(diǎn)硫含量超出內(nèi)控的事故。

2.4 LF爐爐渣成分

LF爐通過采取以上措施，爐渣堿度達(dá)到控制要求，爐渣氧化性得到有效控制，爐渣具有較強(qiáng)的脫硫能力。LF爐爐渣成分和脫硫率如表2所示。

表2 LF爐爐渣成分和脫硫率

3 結(jié)束語

為控制超低硫鋼的終點(diǎn)硫含量，需要在以下幾個(gè)方面采取措施：1)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)硫含量低；2)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼液及爐渣氧化性低；3)LF爐初始處理溫度合適；4)LF爐快速造高堿度還原性白渣；5)LF爐爐渣量合適；6)鋼包底部氬氣攪拌良好；7)合理的生產(chǎn)節(jié)奏。

通過以上措施的實(shí)施，超低硫鋼的終點(diǎn)硫含量得到了有效控制，脫硫率顯著增加，鋼材質(zhì)量得以提升。

[1] 劉根來.煉鋼原理與工藝[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

[2] 李晶.LF精煉技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

2016-07-20

TF704.3