影响超低硫钢终点硫含量的因素和对策

2016-12-02许旭东

现代冶金 2016年5期

关键词：钢包钢液碱度

许旭东

(南京钢铁集团第二炼钢厂，江苏南京 210035)

影响超低硫钢终点硫含量的因素和对策

许旭东

(南京钢铁集团第二炼钢厂，江苏南京 210035)

分析了从转炉到精炼炉的整个生产过程中影响超低硫钢终点硫含量的因素，并提出相应的对策，有效降低了终点硫含量，对现场操作有一定的借鉴意义。

硫含量；脱硫；碱度；温度；氧化性

引言

对于大多数钢种而言，硫元素都是有害的，如何脱去钢液中的硫一直是炼钢的重点和难点。硫在钢中以FeS存在，其熔点为1190 ℃，Fe-FeS共晶体的熔点仅为985 ℃[]。硫在凝固结晶过程中随着其溶解度的降低，与铁在晶界上以连续或不连续低熔点的网状FeS和Fe-FeS共晶体析出。热加工过程中，由于晶界硫化物的熔化而造成钢的“热脆”，从而降低钢的加工性能和使用性能；硫还恶化钢的横向机械性能，影响钢的焊接性能，因此特别是生产超低硫钢时要严格控制钢液终点硫含量。

1 影响硫含量的因素分析

1.1 转炉的影响因素

转炉终点硫含量越高，在LF炉的单位精炼时间内需脱硫量越大。对历年LF炉超低硫钢终点硫含量超出钢种内控标准的炉次统计分析可知，转炉终点硫含量超出其内控标准的占到20%以上，可见严格控制转炉终点硫含量对LF炉超低硫钢终点硫含量有着重要的意义。

1.1.1 转炉炼钢中硫的来源

铁水和废钢中的硫是转炉炼钢中硫的来源，必须加以严格控制。采用优质低硫的废钢，减少硫带入钢液中；尤其是生产低硫钢时，铁水采用镁粉或镁粉和苏打粉混合喷吹预处理后，要确保扒干净渣，减少带入转炉的硫。

1.1.2 转炉炼钢炉渣碱度

转炉炼钢过程属于氧化精炼，其脱硫任务就是靠碱性氧化渣来完成的，反应方程式为：

S+CaO=CaS+O

(1)

S+MnO=MnS+O

(2)

由反应式可见，转炉炼钢过程中提高炉渣中w(CaO)或w(MnO)，有利于钢液的脱硫。CaS在炉渣中最稳定，基本不熔于钢液，所以脱硫需要增加炉渣中的自由w(CaO)，即提高炉渣碱度。在实际生产中，碱度越高，炉渣越粘稠，流动性变差，恶化脱硫动力学条件而不利于脱硫反应的进行。在中厚板转炉炼钢生产实践中，超低硫钢炉渣碱度为4.5左右时脱硫效果最好。

1.1.3 转炉炼钢的温度

碱性氧化渣脱硫反应的平衡常数为

lgKS=-6500/T+2.6225

(3)

由式(3)看出，转炉炼钢过程中，脱硫反应平衡时，随着温度升高，脱硫平衡常数略有增大。从热力学角度来看，温度对脱硫影响不大，但实际生产中，温度升高降低了炉渣的黏度，加速反应物和生成物的扩散转移，加快脱硫反应的速度。转炉吹炼中期和后期，熔池温度很高，脱硫效果好。

1.1.4 转炉终点钢液及炉渣的氧化性

LF炉精炼过程是一个造碱性还原渣还原反应过程，其实就是硫由钢液向炉渣扩散，然后转变为稳定化合物的过程，其脱硫还原反应式为

FeS+CaO=CaS+FeO

(4)

由式(1)，(2)，(4)可以看出，无论是转炉氧化精炼还是LF炉还原精炼脱硫都必须降低钢液中的氧含量。转炉终点钢液及炉渣的氧化性越高对LF炉还原精炼脱硫越不利。在转炉出钢至10 s时开始加入复合精炼渣和活性石灰，通过一定强度的惰性气体搅拌渣洗脱氧以及出钢后期加入铝块或含铝脱氧剂及喂铝线深脱氧。另外，采用挡渣塞和挡渣锥挡渣出钢，遇到下渣量大的炉次进行炉后倒渣，尽可能减少转炉氧化渣进入LF炉钢包，降低炉渣的氧化性，为LF炉精炼脱硫提供便利。

1.2 LF炉的影响因素

1.2.1 LF炉冶炼的温度

还原渣脱硫反应的平衡常数KS与温度的关系式为[]

lgKS=-6024/T+1.79

(5)

由上式可知，在炼钢温度范围内(1500～1650 ℃)，KS随温度的变化不大，也就是说和碱度氧化渣脱硫一样，温度对脱硫的平衡状态影响不明显。但在实际生产中，适当提高熔池温度对脱硫十分有利。其原因是，由于炉渣与钢液之间脱硫反应的限制环节是硫的扩散，提高熔池温度可以改善炉渣、钢液的流动性，提高硫的扩散能力，从而加速脱硫过程。

通过对LF炉的生产统计得知，LF炉冶炼开始时钢液温度常常是液相线上10～50 ℃，如果是非正常周转包，钢水升温慢，温度会有一段时间较低，不利于脱硫。因此，优化生产节奏，缩短钢水在LF炉处理前的等待时间；优化钢包周转，提高钢包保温能力；适当提高转炉出钢温度；成渣后使用大功率升温等就显得比较重要。

1.2.2 LF炉炉渣碱度

由式(4)可知，炉渣中的CaO是脱硫反应的反应物，提高炉渣碱度，渣中w(CaO)增多，炉渣的脱硫能力增大。从理论上讲，碱度越高，脱硫效果越好，但碱度过高会引起炉渣粘稠、流动性变差，反而影响脱硫效果。实际生产中，炉渣的二元碱度控制在5～9较好。由于炉渣中w(Al2O3)比较高，所以实际碱度并没有那么高，炉渣的流动性也比较好。为保证炉渣具有足够的碱度和良好的流动性，在生产中将炉渣的主要成分控制在如下范围：w(CaO)=50%～55%,w(Al2O3)>25%,w(SiO2)<10%,w(MgO)<10%。

1.2.3 LF炉炉渣量

钢液最终含硫量(w(S)终)与初始钢液含硫量(w(S)始)及钢包顶渣含硫量(w(S)渣)和渣量b 有如下关系

(6)

从式(6)可见，增大炉渣量有利于脱硫。但是炉渣量过大，渣层过厚，却使脱硫反应不活跃，导致钢水的脱硫量不随炉渣量的增加而增加，反而按一定的比例降低[]。通过实践得知，为了强化脱硫，总炉渣量控制在1%～2%之间为好。

1.2.4 LF炉炉渣氧化性

由式(4)可知：LF炉碱性还原渣冶炼时降低了炉渣的氧化性，有利于脱硫。LF炉精炼采用“LF炉8 min快速造白渣操作法”快速成渣：a)喂铝线快速沉淀脱氧；b)通电状态下分批次添加还原剂；c)将铝粉或铝丝分批次撒在渣面上，使炉渣中w(FeO)大幅降低，破坏了氧在炉渣、钢液之间的浓度分配系数，钢水中的氧向渣中扩散脱氧；d)根据炉渣的稀稠状况适当添加渣料。采用上述方法快速造髙碱度还原性白渣，快速降低炉炉渣中w(FeO)，使脱硫反应充分进行。

1.2.5 LF炉精炼钢包惰性气体底吹状况

脱硫的过程是钢液中的硫向炉渣内扩散，然后与炉渣中的CaO反应，生成稳定化合物的过程。采用底部吹惰性气体搅拌方式，促进钢液中硫向炉渣中扩散，增大炉渣中硫与CaO的反应速率，降低硫含量。

跟据LF炉以往的生产统计数据，精炼钢包底吹效果差占有一定的比例。采用措施提高精炼钢包底吹透气率显得尤为重要：a)操作人员在钢水到LF炉接好氩气管后及时充入氩气；b)在处理过程中发现底吹透气性差时及时旁通和接通备用氩气管；c)如果整个处理过程透气性都不好，通知钢包组在下次使用前及时处理；d)钢包组准备钢包时对氩气流量采用仪表检测，确保达到规定要求。

1.2.6 LF炉精炼时间

精炼时间越长，钢液与炉渣接触机会就多，促进脱硫反应趋于平衡，提高脱硫效率。这就要求在连铸浇注时间不变的情况下，优化生产节奏，给LF炉的生产提供足够的精炼时间：a)转炉每炉钢的出钢量尽可能一致，或者可以多点，尽量不要突然某炉钢的钢水量明显减少；b)调度室掌握好节奏，适当压钢水；c)转炉吹炼及时，不要让LF炉工序等待钢水。