马钢120 t转炉炼钢脱硫理论与试验研究

何宏涛,朱李艳,宋 健

(马钢股份公司一钢轧总厂 安徽马鞍山 243002)

1 概述

钢中的硫主要来自铁水、废钢、铁合金、造渣剂(如石灰、铁矿石等)，钢中[S]的主要存在形式为MnS和FeS，[S]高对钢材的各项指标和性能性能等有着重大影响，因此降低钢液中硫含量至关重要[1]-[3]。

转炉炼钢过程是脱硫的关键环节之一，学者对转炉脱磷的研究较多，而对转炉脱硫的能力研究较少[4]-[7]。周俐[8]等人通过工业试验发现在一定范围内提高渣中(FeO)含量有利于硫分配比的提高, w(FeO)≥18%时, 随着(FeO)含量的提高硫分配比减小；邓南阳[9]等通过控制入炉硫含量且对转炉冶炼脱硫操作参数进行优化，实现终点硫的有效控制，终点平均回硫质量分数由之前的0.007%下降至0.004%，终点硫合格率由之前的70%提高到96%以上，二者均没有考虑到转炉底吹对脱硫反应的动力学影响因素；吴明[10]等发现冶炼硅钢时,终点钢水温度≥1680 ℃以及加大底吹搅拌强度能提高转炉脱硫效果，但其考虑温度影响时并没有满足炉渣碱度及氧化性一致的条件。

综上，本文分别从理论和工业试验开展对转炉的脱硫研究，为加强转炉对硫的控制及低硫钢水的冶炼等提供参考。

2 转炉脱硫理论

炉渣脱硫和气化脱硫是转炉脱硫的主要方式，其中前者是降低钢中硫含量使之达到规格的主要手段。

2.1 脱硫反应热力学

转炉渣-钢脱硫反应为：

[S]+(O2-)=(S2-)+[O]

(1)

上式反应的平衡常数可写为：

(2)

f[O]、f[S]看作1，则硫的分配系数可表示为

(3)

因此，Ls的影响因素如下：

(1)炉渣碱度。渣中碱性氧化物越多，碱度越高，则n(O2-)越高，r(S2-)越小，有利于提高硫分配比。

(2)渣中FeO。(FeO)的浓度低时，Ls才有较高的值。

(3)熔池温度。钢渣间的脱硫反应属于吸热反应，温度越高，反应的平衡常数和硫的分配系数越大。

2.2 脱硫反应动力学

转炉脱硫反应主要是在渣-钢界面进行，钢液的硫传输到熔渣中，使渣中的硫增加。脱硫反应的速率方程可表示为：

式中，km和ks分别是硫在金属和熔渣中的传质系数；ρm和ρs分别是金属和熔渣的密度；A是反应界面面积；Vm为钢液体积；Ls为以质量百分数表示的硫分配比。因此：反应界面面积A越大,脱硫速率就越快；增大碱度可以在一定范围内提高脱硫的传质系数；提高温度可提高硫在渣中的扩散系数。

3 工业试验

马钢一钢轧炼钢分厂拥有三座120 t转炉，冶炼过程中具体参数如下：供氧强度3.0 m3/t·min，工作压力0.90 MPa；吹氩强度0.03 m3/ t·min，工作压力1.20 MPa。冶炼钢种主要为螺纹钢HRB400EAY，CSP类钢等。本试验对每炉各进行了10炉次实验，共30组，主要针对HRB400EAY钢种开展。收集统计冶炼终点钢样、渣样及其成分和温度，通过计算得到转炉终渣R及Ls。

在考虑Ls与 转炉终渣氧化性时，由于现场生产过程中无法满足各组实验保持相同的炉渣碱度及出钢温度，故采取控制终点温度范围：1670 ℃-1680 ℃、炉渣碱度范围:3.5-3.6的方法。同样，在研究终点温度对硫分配比的影响时，控制ω(FeO)：16%-17%、炉渣碱度范围:3.5-3.6；研究炉渣碱度对硫分配比的影响时，控制终点温度范围：1670 ℃-1680 ℃、ω(FeO)：16%-17%。

4 结果与分析

4.1 炉渣氧化性对硫分配比的影响

由工业实验数据计算可得，炉渣氧化性与硫的分配系数的关系如图1所示。根据图1可得，当冶炼终点温度范围控制在1670 ℃-1680 ℃、炉渣碱度范围为3.5-3.6时，随着炉渣中ω(FeO)的增加，硫在渣-钢间的分配系数Ls逐渐减小。这是因为，当其他条件一定的情况下，ω(FeO)增加，炉渣氧化性增强，不利于脱硫反应的进行。

4.2 转炉终点温度对硫分配比的影响

由工业实验数据计算可得，终点温度与硫的分配系数的关系如图2所示。由图可知，当炉渣中ω(FeO)控制在16%-17%、炉渣碱度范围为3.5-3.6时，转炉终点温度增加，硫在渣-钢间的分配系数逐渐增大，一方面由于脱硫反应吸热，提高温度促进反应进行；另一方面，升温促进石灰的熔解，高碱度、流动性好的转炉渣的形成速度加快，提高了脱硫效果。

图1 渣中ω(FeO)对Ls的影响

图2 终点温度对Ls的影响

4.3 炉渣碱度对硫分配比的影响

由工业实验数据计算可得，炉渣碱度与硫的分配系数的关系如图3所示。由图可知，当转炉终点温度为1670 ℃-1680 ℃、炉渣ω(FeO)为16%-17%时，随着炉渣碱度的增加，硫在钢-渣间的分配系数逐渐提高，当碱度为3.9时，脱硫效果最佳，当到达一定临界值时，Ls趋于稳定。这是因为碱度越大，炉渣熔点越高,炉渣粘度增大,从动力学角度来看会降低炉渣的脱硫能力。

4.4 转炉底吹搅拌对脱硫的影响

冶炼时转炉底吹模式如表1所示，由表可知，吹氧前期和吹氧后期供气流量和供气强度都较大，补吹阶段和出钢时期也都是在较大的供气强度和供气流量下进行。由于脱硫反应的限制性环节是[S]向渣中扩散,大流量的底吹氩气能够促进脱硫反应进行,另外，吹炼后期提高底吹强度,还能降低w(FeO)和w [O],从而间接增大Ls。

图3 炉渣碱度对Ls的影响

5 结论

当终点温度和炉渣碱度一定的条件下，随着炉渣中ω(FeO)的增加，硫在渣-钢间的分配系数Ls逐渐减小；当炉渣碱度和炉渣中ω(FeO)一定的条件下，转炉终点温度增加，硫在渣-钢间的分配系数逐渐增大；当炉渣中ω(FeO)和终点温度一定的条件下，随着炉渣碱度的增加，硫在钢-渣间的分配系数逐渐提高，当碱度为3.9时，脱硫效果最佳，当到达一定临界值时，Ls趋于稳定。

吹氧后期加大底吹搅拌强度能促进脱硫反应,间接起到脱硫作用。

工业试验结果与转炉渣-钢脱硫反应理论分析结果相一致，为加强转炉对硫的控制及低硫钢水的冶炼等提供了参考价值。