钢包炉冶炼超低硫钢研究

金杨马腾霄(二重集团(德阳)重型装备股份有限公司，四川618013)



钢包炉冶炼超低硫钢研究

金杨马腾霄
(二重集团(德阳)重型装备股份有限公司，四川618013)

摘要:通过对多炉精炼过程熔渣的取样分析并进行热力学计算，寻找有效脱硫的途径。计算结果和生产实践表明，在当前熔渣碱度R =2．9～4．0时，加强扩散脱氧操作，可以有效的去除钢中的硫，保证钢水中［S］≤0．002%，满足冶炼超低硫钢的要求。

关键词:钢包炉;冶炼工艺;脱硫模型;热力学计算

近年来，由于公司产品结构的升级以及对产品质量要求的不断提升，对钢水纯净度的要求越来越高，对P、S的要求也极其严格，增加了冶炼的难度。二重冶炼生产工艺为EAF-LF-VD-VC。LF精炼时，尽量使用P、S含量低的渣料和合金以减少其在钢水中的含量，从源头上控制P、S含量的同时，在合金化前加强调渣、造白渣并保持炉内还原性气氛以加强脱氧脱硫，通过熔渣反应控制其在钢水中的含量，达到冶炼超低硫钢的要求。本文以热力学计算的方法研究LF过程中的熔渣反应，找出了钢水有效脱硫的途径，并与生产实践进行对比验证。

1　数学模型的建立

二重LF精炼过程造渣以活性石灰和萤石为主，以碳粉辅以硅钙粉、铝粉扩散脱氧。因此，精炼渣系以CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FeO-MnO-CaF2为主，其中CaF2中的F－主要用于调整熔渣粘度，Ca2 +可用于脱硫。为简化计算，将CaF2中的Ca2 +并入CaO中计算。根据熔渣结构共存理论，建立CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FeO-MnO六元渣系热力学计算模型。

根据文献［1］以及相图分析可知，熔渣体系结构为:

简单离子: Ca2 +、Mg2 +、Fe2 +、O2－、Mn2 +;

可能的分子化合物:

为建立数学模型，将结构单元浓度表示如下:

以生成CaO·SiO2为例，说明熔渣内部结构单元的化学平衡。Ca2 ++ O2－+ SiO2= CaO·SiO2，K1= N7/

( N1N6)，则N7= K1N1N6，根据熔渣内部结构单元

的化学平衡可得:

质量守恒得

所需热力学数据［2］如表1所示。联立方程组求解，即可求得各组元的作用浓度(即活度)，据此可以分析LF精炼过程中脱硫反应的过程，找出有效脱去钢水中［S］的途径。

钢水脱硫的主要反应为:

统计了二重炼钢车间2010～2012年所冶炼成品成分发现，钢水中［O］含量基本控制在( 10～

表1　化合物的热力学数据Table 1　Thermodynamic data of chemical compound

表2　炉外精炼过程熔渣取样分析结果Table 2　Analysis results of slag sampled during external refining process

20)×10－6之间，重点产品［O］含量基本在( 10～15)×10－6之间。为简化计算，在回归分析时将［O］含量视为定值，取13×10－6。

将上述已知值利用回归分析，可得出脱硫反应计算模型如下:

图1即为模型计算结果与实际结果之间的比较。从图1可以看出，计算值与实际值是符合的，证明回归模型可以反映本渣系LF精炼渣钢间硫的实际分配情况。

2　讨论和分析

从回归模型中可以看出，CaO、MgO均对脱硫起作用，但由于MgO含量大部分来源于钢包耐材因物理冲刷和侵蚀的损耗，其在熔渣中的饱和溶解度约在8%左右，对脱硫所起的作用基本上是不变的，故要提高Ls就必须增加熔渣中的CaO的活度和渣系总摩尔量并加强脱氧。图2为模型计算所得熔渣碱度R对CaO活度及渣系总摩尔量的影响。图3为部分炉次熔渣碱度对出钢［S］的影响。从图2可以看出，在当前生产条件下( R = 1．5～4)，CaO活度及渣系总摩尔量随熔渣碱度的增加而线性增加。若要提高Ls加强脱［S］，应尽可能的提高熔渣的碱度并加强脱氧。从图3可以看出，当R由1．5增加至2．5时，脱硫效果显著提高;当R＞2．90时，钢水中［S］保持在极低的水平，仅为0．002%。这与理论计算的结果相一致。

综上所述，熔渣碱度应保持在2．9～4．0之间，并保持持续不断的扩散脱氧，可以保证熔渣具有较高的脱硫能力，出钢［S］会保持在很低的水平。

精炼造渣过程采用大渣量，保证熔渣中CaO的活度，以保证脱硫的效果。表3为VCD冶炼2．25Cr-1Mo时出钢时钢水中的［S］含量。从表3可以看出，钢水中的［S］含量均处于较低水平，满

图1　脱硫模型计算值与实际值的对比Figure 1　Comparison between calculated values andactual values of desulfurization model

图2　熔渣碱度对CaO活度和渣系总摩尔量En的影响Figure 2　 Effect of slag basicity on CaO activity and integral molar quantity of slag system En

图3　熔渣碱度对出钢［S］含量的影响Figure 3　 Effect of slag basicity onS content of molten steel

表3　LF冶炼出钢前［S］含量(质量分数，%)Table 3　Sulfur content of molten steel before tapping of LF smelting( mass fraction，%)

足冶炼超纯净钢的要求。

3　结论

由热力学计算和生产实践总结可得出如下结论:

( 1)通过热力学计算和回归分析，得出了当前工艺条件下脱硫模型为: Ls=Σn［O］×( 3．56× 104×NCaO+170．32×NMgO)，R2=0．988 4。

( 2)对模型进行分析得出，提高熔渣碱度，可以提高CaO的活度和渣中摩尔总量，利于脱硫反应的进行。当熔渣碱度由1．5增加至2．5时，钢中［S］含量显著降低，当熔渣碱度保持在2．9～4．0时，钢中［S］含量处于极低的水平。

参考文献

［1］张鉴等．冶金熔体和溶液的计算热力学．北京:冶金工业出版社，2007．

［2］李文超．冶金与材料物理化学．北京:冶金工业出版社，2001．

编辑杜青泉

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

文献标志码:B

中图分类号:TF704．3