炼钢全流程硫含量的控制与优化

杨赵军，胡显堂，谢翠红，石树东，杨荣光

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063200）

0 引言

硫元素作为炼钢过程常规控制元素，对绝大部分钢种是非常有害的。它降低钢的延展性及韧性，损害钢的抗蚀性，对焊接也有不利影响。硫含量是钢水洁净度的重要指标之一，针对硫含量要求不同的品种，现代钢铁企业炼钢过程如何选择高效、经济的脱硫工艺技术来控制钢中硫含量来满足品种质量和市场需要，是炼钢企业面临的重要问题之一。

某公司炼钢厂设计钢产量为464 万t，配置有3座200 t 转 炉、3 套200 tLF 炉、2 套 双 工 位200 tVD炉、2 台单流中厚板坯连铸机，1 台单流多模式全连续铸轧薄板生产线。KR、BOF、LF 和VD 都具备脱硫功能，采用“KR—BOF—LF—VD—CC”工艺路线生产时，脱硫任务主要以KR 和LF 炉为主，VD 炉具备良好的脱硫功能但未充分发挥其应用价值。本文依据产品对硫含量要求的不同，对整个生产流程的脱硫操作进行最优化控制，以使脱硫成本降到最低。

1 脱硫理论分析

1.1 KR 脱硫

KR 脱硫法为机械搅拌脱硫，其工作原理：在铁水中加入脱硫剂，利用动力学条件，通过机械搅拌将脱硫剂与铁水在搅拌过程中充分结合反应，实现脱硫，将脱硫产物扒除，得到含硫量较低的铁水。目前KR脱硫工艺基本以石灰作为脱硫剂，再配入少许萤石、铝渣作为助熔剂。铁水中的碳和硅能大大提高硫在铁水中的活度系数，且能提供良好的脱硫条件。

当铁水中的w（Si）在0.05%以上时，脱硫过程主要反应为：

当铁水中的硅含量很低时，脱硫反应为：

脱硫处理前需将高炉渣扒除，以提高脱硫效率；扒除脱硫后渣是稳定脱硫效果、防止返硫的关键。KR脱硫工艺采用“前扒渣—搅拌脱硫—后扒渣”的操作流程，具有较好的脱硫动力条件，脱硫后铁水w（S）可以降至0.005%以下，甚至0.001%以下，脱硫率高（90%以上）[1-7]、重现性、稳定性好，但也存在铁水的温降较大、铁损较大、脱硫剂利用率偏低、处理周期较长等工艺弱点。

1.2 转炉脱硫

转炉炼钢过程脱硫以炉渣脱硫为主，属于钢-渣界面反应。根据离子理论，渣-钢脱硫反应[8]可表示为：

作为碱性转炉，影响钢-渣间脱硫反应的因素主要有熔池温度、炉渣成分和钢液成分。

金属液中的Si、C 等元素能提高硫在铁水中的活度系数，降低氧活度，有利于脱硫，使[S]易向渣-金属液面转移。复吹转炉脱硫主要在冶炼中后期，一般情况下转炉冶炼过程脱硫率最高达40%[9-11]。但是在铁水原始硫含量很低的情况下，由于入炉的石灰、废钢等炉料带入较高含量的硫，往往会在转炉冶炼过程出现回硫现象。

转炉出钢过程“渣洗”脱硫是比较有效的简易脱硫技术。利用转炉出钢过程高温钢水强大的搅拌动能，把脱硫剂与钢水快速混匀互溶，形成高碱度、低熔点脱硫渣，促进渣钢反应，从而获得良好的脱硫效果。根据钢种不同，转炉出钢渣洗平均脱硫率一般能控制在30%～50%的范围[12-15]。

采用铝脱氧的脱硫反应为：

从热力学角度分析，钢水脱硫效果与钢水中氧含量及渣碱度有关。钢水氧含量越低，炉渣碱度越高，钢水脱硫越容易实现。要想获得良好“渣洗”效果，选择硫容量较大的脱硫剂，减少下渣量，强化钢水与脱硫剂的混匀搅拌，加入脱氧剂降低渣中氧化性。

1.3 LF 钢包炉脱硫

目前各种含铝钢炉外精炼深度脱硫工艺方法，均首先要对钢液进行铝脱氧，w[A1]大多在0.02%～0.06%范围，另外对炉渣进行强扩散脱氧以降低炉渣的氧势，将炉渣中w（FeO+MnO）降低至1.0%以下，甚至更低。LF 炉具有良好的脱硫热力学和动力学条件[16-18]。

从热力学角度分析，钢液脱硫的原理为：

式中：T 为钢液温度；aCaS为渣中CaS 的活度；aAl2O3为渣中Al2O3的活度；aCaO 为渣中CaO 的活度；aAl为钢中Al 的活度；aS为钢中S 的活度；渣中CaS 和钢中S 的活度分别用活度系数和浓度来表示：

将（8）式代入（7）式，整理后可得渣钢间硫的分配比：

从动力学角度分析，LF 炉加强氩气搅拌可以增加硫向钢-渣反应界面传质的速度，有利于提高脱硫反应速率。LF 炉深脱硫时，钢水比搅拌功率计算公式如下：

经分析可得，LF 炉脱硫的最佳热力学和动力学条件为：提高钢液温度；提高炉渣碱度，降低炉渣氧化性；降低钢水氧化性，提高钢中硫的活度系数；提高熔池的搅拌强度。从工业生产实践情况来看，LF 炉脱硫率达到50%～70%及以上，虽然LF 炉可精炼0.002%以下极低硫钢[19-20]，但存在着精炼周期长、渣量大、成本高等问题。

1.4 VD 真空精炼炉脱硫

在VD 真空精炼中吹入钢液内部的Ar 流在对钢液进行强烈搅拌的同时，钢液上面的炉渣也经受强烈搅拌，加速了渣-钢界面反应和硫在钢、渣中的传质速度，大大加快了脱硫反应，使其更易达到平衡。以生产厚板为主的钢厂，却更宜采用能够更高效率脱硫并可以同时进行脱氧的方式。

根据文献11 提出的钢液吹氩搅拌功率的计算公式：

式中：M 为钢液质量；Tst为钢液温度；TAr为氩气温度；pb、pt分别为钢包底部、顶部压强。

在相同氩气流量条件下，67 Pa 下的单位搅拌功率约为101.325 kPa 下的5 倍。由此可见，真空条件下可大幅度提高钢渣的搅拌效果，缩短混匀时间；真空下良好的脱氧，为脱硫创造了良好条件。采用LF 炉-VD 炉工艺，可将钢中w（S）控制到0.001 0%以下，VD 炉脱硫率大于30%[21-23]。

2 原工艺流程存在问题

2.1 过度脱硫问题

在原工艺条件下，所有铁水均进KR 炉进行深脱硫，将KR 出站w（S）降至0.002%以下。高炉铁水w（S）平均为0.067%，KR 脱硫后铁水w（S）为0.001%。脱硫铁水入转炉，由于转炉炼钢使用的部分辅料含有硫元素，钢水增w（S）达到0.011%，转炉终点w（S）为0.012%。LF 炉进站w（S）为0.008%，转炉渣洗效率为33.3%。LF 炉出站时钢液中的w（S）仅为0.003%，经过VD 炉的充分搅拌后钢水中w（S）降至0.0012%左右，LF 炉脱硫率为62.5%，VD 炉脱硫率为60%。

目前，LF-VD 炉工艺路线中大多数钢种w（S）上限＞0.005%，原工艺各工序存在严重脱硫过剩。原工艺条件下各工序硫含量控制情况如图1 所示。

图1 原工艺条件下各工序硫含量控制情况

2.2 KR 温度损失大，消耗成本高

在原工艺条件下，KR 搅拌时间和铁水温降成正比，每炉次KR 平均搅拌时间为9 min 左右，KR 工序温降大约为32 ℃，脱硫剂加入量为1.4 t/炉。同时，KR 搅拌前后硅元素烧损可达到0.03%。这些因素都会导致转炉补热剂的成本升高。

3 工艺改进措施

3.1 KR 炉-转炉工序

为减少KR 的脱硫压力和铁水温降，节省KR 周期和渣料。准确控制KR 出站硫含量。综合分析搅拌时间、脱硫剂加入量和KR 进站硫对KR 出站硫的影响，摸索出KR 出站硫的拟合函数为：KR 出站w（S）=0.034 4+0.374×KR 进站w（S）-0.000 024×脱硫剂w（S）-0.0022×搅拌时间。

通过阅览相关文献和实际生产数据，入炉铁水w（S）达到0.040%以上时，转炉将发挥脱硫能力。因此综合考虑钢种硫含量要求和转炉脱硫能力，对铁水脱硫目标分3 类进行调整。对于w（S）上限为50×10-6～100×10-6的钢种，KR 出站w（S）目标为0.030%～0.040%。对于w（S）上限＞100×10-6的钢种，KR 出站w（S）目标为0.060%～0.070%。

通过实践，KR 出站w（S）能达到设定目标范围80%以上，提高了精准控制KR 脱硫能力，为发挥转炉脱硫奠定基础。具体的KR 分级脱硫数据如表1 所示。

表1 KR 分级脱硫

3.2 LF 炉-VD 炉工序

LF 炉维持现有小粒白灰加入量不变。LF 炉不进行钢包底吹强搅脱硫，减少LF 炉处理过程中的温降。降低LF 炉脱硫要求：LF 炉硫含量满足“LF 炉w（S）≤1.5×判定w（S）上限”冶炼条件后即结束冶炼，吊往VD 炉。

充分发挥VD 炉的脱硫能力，利用VD 炉高碱度、强度搅拌、低氧化性等特点实现脱硫。深真空时间采用“12+4 模式”，即深真空前12 min 采用氩气流量为150～200 L/min 进行脱硫脱气强搅拌，后4 min 采用氩气流量为30～50 L/min，以促进夹杂物上浮。

4 现场应用效果

4.1 硫含量优化

实施硫负荷工艺以后，各工序硫含量如图2 所示。KR 工序出站w（S）明显提高。KR 工序脱硫前铁水w（S）为0.061%，KR 脱硫后铁水w（S）为0.045%，大多数钢种为脱硫轻处理模式。钢水转炉终点w（S）为0.041%左右，转炉实现炉内脱w（S）在0.004%以上。LF 炉进站w（S）为0.025%，渣洗脱硫率达到39.66%。

图2 实施硫负荷分配工艺各工序硫含量变化

在LF 炉渣量加入量不变的前提下，LF 炉进站w（S）为0.025 1%，LF 炉出站w（S）为0.007 6%，经过VD炉的充分搅拌脱硫后，VD 出站w（S）降至0.001 4%左右，远低于成品硫含量要求。数据证明，实施硫负荷工艺后，LF 炉和VD 炉工序脱硫量明显提高。

4.2 脱硫效率提升

图3 为改善前后各工序的脱硫率情况。在KR 工序，改善前KR 脱硫率为98.50%，改善后KR 炉脱硫率为26.22%，KR 脱硫任务降低明显；在转炉工序，改善前转炉因加入各种辅料造成钢水增硫。改善后转炉吹炼前铁水w（S）较高，达到0.045%，辅料增w（S）0.011%左右，经过转炉渣洗后w（S）降至0.025%，在转炉工序的脱硫率达到68.90%；LF 炉工序，改善前LF 炉脱硫率为60.97%，改善后脱硫率上升至69.73%。在VD 炉工序，改善前VD 脱硫率为63.3%，改善后脱硫率为80.26%。VD 炉脱硫效率大幅提升。

图3 各工序脱硫率变化

经过工艺改进，实现降低KR 脱硫任务，发挥了转炉、LF 炉和VD 炉的脱硫能力。

4.3 经济指标改善

图4 为改善前后KR 工序的指标情况。KR 每炉处理周期缩短9 min，部分炉次仅需在KR 炉扒渣无需脱硫。

图4 新工艺对KR 炉经济指标影响

脱硫剂的消耗量降低784 kg/ 炉，脱硫剂价格为663 元/t，则节省519 元/ 炉；KR 工序减少温降12 ℃，按1 t 焦炭升温20 ℃计算，节省转炉升温焦炭量为600 kg/炉，升温焦炭价格为2 000 元/t，则节省1 200 元/炉；KR 工序因减少搅拌时间降低铁水硅烧损0.012%，铁水量按190 t/ 包计算，折合成节省转炉升温硅铁为38 kg/炉，升温硅铁6 800 元/t，则节省258 元/炉。共计每炉钢水节省成本1 977 元/炉。通过降低温降、减少转炉升温焦炭，保守估计每年可减少炼钢厂二氧化碳排放量达到4 万t。

5 结论

1）将硫负荷工艺前后中厚板铸机双联钢种成本进行对比，实施硫负荷试验炉次每炉钢降本1 977 元，按每炉钢水210 t 计算，折合吨钢降本9.41 元，降本1 800 万元/a。每年减少CO2排放量4 万t。

2）实施硫负荷工艺后，KR 工序脱硫前铁水w（S）为0.061%，KR 脱硫后铁水w（S）为0.045%。转炉终点w（S）为0.041%左右，LF 炉进站w（S）为0.025%，KR炉脱硫率下降至26.22%，转炉工序的脱硫率上升至68.90%

3）实施硫负荷工艺后，精炼工序钢水硫含量和脱硫效率明显提高。LF 炉进w（S）为0.025%，LF 炉出站w（S）为0.0076%，经过VD 炉的充分搅拌脱硫后，VD 出站w（S）降至0.001 4%左右。LF 炉脱硫率达到65.30%，VD 炉脱硫率达到79.71%。LF 炉脱硫率上升至69.73%，VD 炉脱硫率上升至80.26%。