轉(zhuǎn)爐渣洗脫硫工藝在SPA-H鋼種的應(yīng)用研究

李超，馬寧，尹宏軍，王富亮，趙自鑫，陳晨，黃巖

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營(yíng)口115007）

在大多數(shù)鋼產(chǎn)品中，S通常是有害元素。鋼中的S一般以FeS的形式存在，熔點(diǎn)為1 193℃，F(xiàn)e與FeS結(jié)合的共晶體熔點(diǎn)為985℃，熱加工時(shí)，鋼受壓力很容易造成“熱脆”［1］現(xiàn)象。此外，S還會(huì)明顯降低鋼的焊接性能，引起高溫龜裂，并在金屬焊縫中產(chǎn)生氣孔和疏松，降低焊縫的強(qiáng)度。堿性頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐由于本身脫S的能力有限，為保證S含量，目前都經(jīng)過鐵水預(yù)處理脫硫后兌入轉(zhuǎn)爐。鐵水預(yù)處理方式主要有兩種：噴吹脫硫和KR法脫硫。但這兩種方式投資較大且工藝復(fù)雜。所以，人們一直尋求轉(zhuǎn)爐及精煉工序高效低成本的脫硫工藝，如渣洗脫硫技術(shù)、高效改質(zhì)脫硫技術(shù)等［2-4］。

轉(zhuǎn)爐渣洗脫硫工藝即是在轉(zhuǎn)爐出鋼過程和出鋼后進(jìn)行兩次渣洗，這種操作能有效降低罐內(nèi)鋼水S含量。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司（以下簡(jiǎn)稱“鲅魚圈”）針對(duì)SPA-H鋼種的生產(chǎn)工藝和成分特點(diǎn)采用轉(zhuǎn)爐渣洗脫硫工藝，不影響生產(chǎn)組織，操作簡(jiǎn)單，工藝成本低，可適當(dāng)降低鐵水預(yù)處理脫硫的目標(biāo)，能有效降低生產(chǎn)成本，提高煉鋼生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

1 理論分析

轉(zhuǎn)爐渣洗是在出鋼過程和出鋼后向鋼水罐內(nèi)加入脫氧合金、活性白灰以及脫硫劑，同時(shí)輔以一定流量吹氬操作，鋼水罐的頂渣如果能較好滿足脫硫的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，就能有效脫硫。

1.1 渣洗脫硫的熱力學(xué)分析

渣洗時(shí)發(fā)生如下反應(yīng)：

從熱力學(xué)角度分析，由式（1）可以看出，增加CaO即加大渣洗白灰的加入量有利于反應(yīng)向右側(cè)進(jìn)行，有利于渣洗脫硫。另外，低氧化性有利于脫硫的進(jìn)行。目前，鲅魚圈生產(chǎn)的鋼種都采用鋁脫氧，在不超出鋁含量成分范圍的前提下，適當(dāng)多加鋁進(jìn)行脫氧合金化更有利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行，能有效提高渣洗效果。渣堿度與硫的分配系數(shù)的關(guān)系［5］見圖 1 所示。

圖1 渣堿度與硫的分配系數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship between Slag Basicity and Distribution Coefficient of Sulphur

由圖1看出，堿度為2.7左右時(shí)硫的分配系數(shù)最高。渣洗過程中，白灰加入到一定量時(shí)脫硫效果反而會(huì)變差。脫硫平衡常數(shù)的方程式如下：

從式（2）可以看出，當(dāng)溫度升高時(shí)，平衡常數(shù)KS增大，有利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。而且，適當(dāng)?shù)母邷爻鲣撚欣诎谆胰刍?。因此，想達(dá)到較好的渣洗效果，理論上認(rèn)為要在合理的范圍內(nèi)，適當(dāng)提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的出鋼溫度。

1.2 渣洗脫硫的動(dòng)力學(xué)分析

研究表明，渣洗脫硫反應(yīng)是鋼渣的界面反應(yīng)，反應(yīng)速度受制于兩個(gè)界面的擴(kuò)散速度。渣洗脫硫的速度表達(dá)方程式為：

式中，A/V為單位體積的反應(yīng)面積；k為傳質(zhì)系數(shù)。

鋼渣界面接觸面積大有利于渣洗脫硫的進(jìn)行，同時(shí)大渣量也有利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。增大攪拌可增大傳質(zhì)系數(shù)k，提高反應(yīng)的接觸面積，加快渣洗脫硫反應(yīng)進(jìn)行。另外，高溫能顯著提高傳質(zhì)系數(shù)，促進(jìn)脫硫反應(yīng)進(jìn)行。

1.3 SPA-H鋼種的特點(diǎn)

表1為SPA-H部分鋼種的主要成分要求。由表1看出，SPA-H鋼種對(duì)成品磷含量要求較高，一般為0.070%～0.120%，雖然提高終點(diǎn)溫度會(huì)造成回磷，轉(zhuǎn)爐供氧制度會(huì)形成較長(zhǎng)時(shí)間低槍位吹煉，致渣中的氧化鐵含量相對(duì)較低；轉(zhuǎn)爐爐渣的FeO含量低導(dǎo)致鋼水含氧量偏低。另外，轉(zhuǎn)爐出鋼帶入罐內(nèi)渣的氧化性也低。根據(jù)熱力學(xué)分析可知，適當(dāng)提高終點(diǎn)出鋼溫度非常有利于提高脫硫渣洗效果。

表1 SPA-H鋼種成分要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Requirements for Compositions（Mass Fraction） in SPA-H Steel Grade %

生產(chǎn)中，SPA-H鋼種普遍需要采用少渣冶煉，并且爐渣具有粘度大、氧化性低的特點(diǎn)，在出鋼正常卷渣甚至擋渣失敗下渣時(shí)，帶入鋼水罐的渣量相對(duì)較少。較少的帶渣量也能降低罐內(nèi)渣的總體氧化性，有利于脫硫渣洗。

2 渣洗工藝在SPA-H鋼的應(yīng)用研究

根據(jù)上述理論分析的結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際制定了試驗(yàn)方案，以確定轉(zhuǎn)爐渣洗脫硫工藝中的白灰加入量、Als含量和吹氬制度。試驗(yàn)中，ΔS=轉(zhuǎn)爐終點(diǎn) ω［S］-精煉進(jìn)站 ω［S］，鋼包平均稱裝260 t鋼，鋼包吹氬流量為80 m3/min。

2.1 渣洗白灰加入量的確定

試驗(yàn)條件：吹氬壓力1.0 MPa，出鋼過程吹氬3 min，出鋼后吹氬3 min，Als含量控制在0.030%以上。試驗(yàn)方案：渣洗白灰加入量分別為0、800、1 000和1 200 kg。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 渣洗白灰加入量的試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test Results for Amount of Adding Lime during Slag Washing

由表2看出，方案一未進(jìn)行渣洗罐次的ΔS明顯比進(jìn)行白灰渣洗的爐次低，說明轉(zhuǎn)爐渣洗能明顯改善脫硫效果；方案三渣洗效果最好；方案四表明，過多的白灰加入并未取得更好的脫硫效果。而且考慮到加入過多的白灰會(huì)造成鋼水溫降過大等其它不良影響，所以選擇方案三的白灰加入量。

2.2 渣洗Als含量的確定

試驗(yàn)條件為：吹氬壓力1.0 MPa，出鋼過程吹氬3 min，出鋼后吹氬3 min，加入1 000 kg白灰。兩個(gè)試驗(yàn)方案：Als含量分別為≥0.030%和＜0.030%。方案一統(tǒng)計(jì)了220罐，方案二統(tǒng)計(jì)了195罐，兩個(gè)方案Als含量的渣洗結(jié)果見圖2。經(jīng)計(jì)算，兩個(gè)方案的平均ΔS分別為0.002 4%和0.001 9%。由此得出，適當(dāng)提高Als含量有利于提高脫硫效果。

圖2 兩種Als含量的渣洗結(jié)果Fig.2 Slag Washing Results for Two Different Content of Als

2.3 渣洗吹氬制度的確定

設(shè)計(jì)了四種吹氬方案見表3。

表3 渣洗吹氬制度試驗(yàn)方案Table 3 Test Program for Argon Blowing System by Slag Washing

四種方案統(tǒng)計(jì)的渣洗結(jié)果見圖3所示。經(jīng)計(jì)算，圖3所示方案的平均ΔS分別為0.009%、0.016%、0.019%及0.022%，效果最好的是方案四。由圖3和表3看出，適當(dāng)增大氬氣流量有利于脫硫渣洗的進(jìn)行。

3 生產(chǎn)效果

圖3 四種吹氬方案的渣洗結(jié)果Fig.3 Slag Washing Results for Four Kinds of Programs on Argon Blowing

確定了SPA-H類鋼種轉(zhuǎn)爐渣洗脫硫工藝參數(shù)為：出鋼溫度保證上限（出鋼溫度=目標(biāo)溫度+20℃），渣洗白灰加入量為1 000 kg，合金化Als含量控制在0.030%以上，出鋼吹氬壓力為1.0 MPa、出鋼過程和出鋼后均最少保證吹氬3 min。

鐵水多脫除0.001%的S會(huì)增加脫硫噴吹粉劑成本0.21元/t鋼。采用上述工藝后，渣洗實(shí)現(xiàn)了0.022%的脫硫效果。經(jīng)過計(jì)算，除去轉(zhuǎn)爐工序渣洗需要的原料和介質(zhì)消耗成本，可節(jié)約0.41元/t鋼的生產(chǎn)成本。

4 結(jié)語

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司針對(duì)SPA-H鋼種磷含量要求高的特點(diǎn)，采取的轉(zhuǎn)爐渣洗脫硫工藝為：出鋼溫度保證上限（出鋼溫度=目標(biāo)溫度+20℃），渣洗白灰加入量為1 000 kg，合金化Als含量控制在0.030%以上，出鋼吹氬壓力為1.0 MPa、出鋼過程和出鋼后吹氬均最少保證3 min。采取上述工藝后，除去轉(zhuǎn)爐工序渣洗需要的原料和介質(zhì)消耗成本，節(jié)約生產(chǎn)成本為0.41元/t鋼。