郝志剛

（天津鋼鐵集團有限公司，天津 300301）

[摘 要] 通過研究影響脫硫工藝的動力學條件和熱力學條件，以爐渣脫硫原理為依據，系統分析了爐渣中各組分、鋼液溫度、CaF₂、鋼液氧化性及底吹氬氣控制等因素對脫硫的影響，確定了最佳的深脫硫的條件，開發并制定了一套工藝穩定、生產高效、成本可控的深脫硫工藝，實現了低 S 和超低 S 鋼液的穩定控制。

[關鍵詞] 脫硫；工藝；爐渣；白灰；氬氣底吹

0 引言

隨著市場競爭的日益激烈，產品結構的不斷深化，各行業對鋼材質量要求的不斷提高，這要求鋼廠高效、低耗生產出市場所需高品質、高附加值的鋼產品。LF 爐在整個煉鋼工序起到呈上起下的作用，對提高鋼材的高品質、高附加值和潔凈度起到至關重要的作用。

為了更好地應對當前嚴峻的市場形勢，滿足用戶和市場的需求，結合天鋼 LF 爐和 VD 裝備和技術特點，從持續改進我廠脫硫工藝和滿足公司開發高強度、高韌性的耐高壓鋼種和具有良好抗 H₂S 腐蝕性能等高級別圓管坯鋼種的要求，以實現產品結構的轉型升級，這就要求我們具有穩定、高效生產低硫、超低硫鋼的能力。

1 爐渣脫硫理論分析

從分子理論層面業內普遍認為脫硫應按以下步驟進行:

（1）在鋼液和爐渣界面上,鋼水中的[FeS]按分配定律進入爐渣。

[FeS]=（FeS）

（2）爐渣中（FeS）與爐渣中自由（CaO）結合為穩 定的（CaS）。

（FeS）+（CaO）=（FeO）+（CaS）

（3）將上述兩者總結歸化為新的反應：

[FeS]+（CaO）=（FeO）+（CaS）

爐渣脫硫過程是硫由鋼液內逐漸向鋼渣界面進行遷移，在界面發生化學反應，形成硫化物，再逐漸向熔渣層進行遷移。因此影響脫硫情況的主要受爐渣狀態和溫度的影響^[1]。

2 爐渣組分對脫硫的影響

煉鋼行業有句名言：煉鋼即煉渣，可見爐渣對煉鋼的重要性，以下具體分析爐渣組分對脫硫性能的影響。

2.1 爐渣堿度（CaO/SiO₂）對脫硫性能的影響

爐渣脫硫的首要條件就是渣中的 CaO，隨著堿度的不斷提高，渣中 CaO 含量逐漸增加，爐渣的脫硫能力得到提高。爐渣脫硫能力提高主要是堿性爐渣中含有大量的自由氧離子[O]，有利于爐渣進行脫硫反應。但過高的堿度也會引起爐渣粘稠，根據脫硫反應動力學原理分析，反而不利于爐渣進行脫硫 反應^[2]。實驗數據顯示，圖 1 顯示的是爐渣堿度與硫 分配系數 Ls（Ls=（S）/[S]）的粗略關系，Ls 波動范圍 在 25~500。

由圖 1 可知，爐渣的堿度 R=4.2 時，Ls 達到最大，堿度持續的升高，脫 S 效果沒有持續升高，反而有下降趨勢。說明實際生產過程中，精煉渣的堿度R=4.2 是生產深脫 S 鋼種的最佳堿度。

CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃ 四元渣系脫硫實驗結果表明，爐渣中的堿度 R 是影響渣鋼硫分配系數 Ls 的主要原因之一。當爐渣的堿度 R<4.2 時，堿度逐漸增加，Ls 隨之增加：而當爐渣的堿度 R>4.2 時， 堿度逐漸增加，Ls 隨之下降。隨著爐渣中 CaO 含量的不斷提高，[S]不斷降低，但當爐渣的堿度 R>4.2 時，隨著 CaO 含量不斷提高造成爐渣脫硫效果不斷降低。

2.2 ω（Al₂O₃）含量對爐渣脫硫性能的影響

參考各類文獻對爐外精煉渣中 Al₂O₃行為的研究，目前還沒有獲得一致的結論。但是業內普遍認為要取得較好的脫硫效果，Al₂O₃ 含量必須控制在 15%~40%范圍內。隨著 Al₂O₃含量的繼續增加，渣的粘度將增加，不利于脫硫^[3]。對目前生產中堿度 R=4~4.5 精煉渣中，配加不同百分比的 Al₂O₃含量， 脫硫率情況分布見圖 2。

由圖 2 可以看出，在現有生產實際過程中，精煉渣中含有 15%~20%的Al₂O₃時，爐渣的脫 S 能力 得到了極大提升。在生產實際過程中，生產深脫 S 的鋼種時，按照渣系中含有 15%~20%的 Al₂O₃來布料，極大地改善了爐渣的利用率。

2.3 ω（FeO+MnO）含量對于爐渣脫硫性能的影響

爐渣中氧化性的強弱主要用（FeO+MnO）含量 的多少來表示。大量的試驗結果證明，在 （FeO+ MnO） 含量小于 2.0%時，實際硫分配系數隨著 （FeO+MnO）含量的降低而快速提高，與線性增長相似^[4]。因此在生產過程中應控制渣中（FeO+MnO）含 量不超過 2.5%，控制的最佳條件應為小于 2.0%。

在生產實際中，以堿度在 4.0~4.5 之間渣樣做試驗，w（FeO+MnO）含量在不同區間的脫 S 率見圖 3。

爐渣脫硫效果的好壞主要取決于爐渣氧化性 的強弱。從圖 3 可知，（FeO+MnO）含量以 1%為分界點，當（FeO+MnO）小于 1%時，脫硫效率明顯提高。 反之則脫硫效率明顯降低。通過采取控制下渣量及鋼包渣改質等措施，有效地降低了鋼包頂渣氧化性。另外，在轉爐下渣情況下，精煉進站經行爐渣預 處理，加強還原強度，從而使渣中（FeO+MnO）含量小于 1%。試驗證明取得了較好的冶金效果。

在生產低 S、超低 S 的鋼種時，為了保證深脫 S 的穩定性，工藝要求（FeO+MnO）含量小于 0.5%的，平均脫硫率 85.12%，脫硫率最高的達到 90%，完全 能夠滿足現有低 S、超低 S 的鋼種對 S 含量的要求。 因此，在生產低 S、超低 S 鋼種時，工藝要求渣中 (FeO+MnO)含量必須控制在 0.5%以下。

3 ω（CaF₂）含量對爐渣脫硫性能的影響

CaF₂ 含量可以顯著降低精煉渣粘度，有效改善爐渣流動性，增加鋼液和爐渣界面的傳質，提高脫硫效率。但其加入量過大時，不但不利于脫氧，而且會加快爐渣對爐襯侵蝕的速度。對發泡效果而言，對其影響是雙面的。一方面，CaF₂ 含量的增加，降低了表面張力，非常有利于提高爐渣發泡效果；另一方面，CaF₂ 含量的增加，降低了爐渣的粘度的同時，不利于爐渣發泡，但在整個發泡過程中，起到主導作用的仍是表面張力。CaF₂ 含量的增加有利于爐渣發泡，但穩定性較差影響它的加入量，因此 CaF₂ 含量在與 CaO 含量相匹配的基礎上，控制其加入量為CaO 含量的 5%~15%。作業區目前控制 CaF₂ 的使用量在此區間內，LF 爐處理過程中精煉渣中高熔點組分的熔化溫度明顯降低，可以有效減少 LF 爐的化渣及升溫時間、增加冶煉強度和縮短精煉給電時間及周期，在實際生產過程中有效地減少了 LF 爐的負擔、提高了生產效率^[5]。

4 溫度對爐渣硫容量及鋼液和爐渣界面元素擴散速率的影響

LF 爐處理過程中，溫度升高，可以降低爐渣粘度，使脫硫條件得到有效改善。從熱力學角度考慮，溫度升高，脫硫反應平衡常數 Ks 能夠得到提高；從動力學角度考慮，溫度升高，可以加快鋼液和爐渣界面元素的擴散速度，因而在特定的范圍內提高溫度，可有利于脫硫。根據文獻資料顯示結果見圖 4。

當溫度到達特定值后繼續升高，反而使脫硫率略有降低，主要原因是：根據熱脹冷縮原理，溫度過高時，渣層偏薄，給電過程中鋼水極易裸露造成二次氧化，且還原劑在渣層中停留時間變短，造成渣層脫氧效果不理想，脫硫率降低。因此，在生產低 S、超低 S 鋼種過程中，在精煉操作過程規定中，首批料的配加量增大，爐渣完全溶化后再少量多次配加剩余輔料，力求爐渣溫度盡快升高，且過程中避免大的溫降。出站后覆蓋劑使用嚴格按照工藝要求實施，確保爐渣始終具備一定溫度。

5 鋼液中 ALs 對硫在鋼渣中的平衡分配的影響

鋼液中氧含量直接影響精煉渣脫硫效果。從爐渣脫硫反應可知，隨著鋼液中氧含量的提高，將抑制脫硫反應的進行，因此要保證精煉渣的脫硫效果就必須采取相應措施來降低鋼液中的氧含量。

鋼中氧含量也受渣中氧含量影響，因為鋼液和爐渣間存在著氧的平衡分配，當爐渣氧化性較高時，爐渣內氧會向鋼液中遷移，造成鋼液氧化性增強。另外，鋼包耐火材料也會向鋼水供氧導致鋼液氧化性增強^[6]。

鋁是強脫氧元素，用鋁脫氧可有效降低鋼液中的氧含量，當鋼液中酸溶鋁控制在 150×10^-6~300×10^-6， 鋼液中的氧化性可以得到有效控制, 鋁脫氧反應方程式為:

2A1+3[O] = A1₂O₃ 

酸溶鋁對脫硫率影響的關系圖見圖 5。

由圖5 可以看出，當鋼中酸溶鋁含量控制在200×10^-6 左右時，脫硫率明顯提高。因此降低鋼液 氧化性可以明顯提高脫硫率。在精煉生產實際中，生產低 S、超低 S 鋼種過程中，采取轉爐強脫氧模式，在精煉過程中全程保鋁，盡量將酸溶鋁控制在200×10^-6 左右，加強鋼液脫硫。

6 不同階段氬氣流量對深脫硫的影響

從動力學方面考慮，吹氬攪拌不僅提高了鋼液和爐渣界面之間的接觸面積，從而使擴散傳質的推動力加大，這對脫硫是十分有利的。但吹氬量太大，會造成渣層厚度太薄，甚至鋼液裸露，從而造成二次氧化，嚴重時將影響冶金效果^[7]。在精煉實際生產過程中，調節氬氣情況視爐渣攪動明顯，但不裸露鋼液為最佳給電制度。爐前工視爐渣攪動情況及時與主控聯系溝通，及時根據爐渣流動情況調節氬氣流量。根據現場實際情況制定一套符合現有工藝的底吹氬氣控制標準規范。

7 精煉低 S、超低 S 鋼工藝制定

（1）確定了低 S 和超低 S 鋼目標渣組分：CaO: 50%~55%，SiO₂:10%~15%，Al₂O₃:20%~25%，T（FeO+MnO）:<0.5%。

（2）鋼水氧化性：鋼液中 Als 控制在 200×10^-6 左右。

（3）鋼水溫度：一般控制在 1580~1590℃鋼水在溫度方面最為合理。

（4）制定一套符合現有工藝的底吹氬氣控制標準規范。

8 數據及效果對比

在大量的試驗分析后，精煉作業區根據研究成果，明確了工藝操作各關鍵點的具體參數，對四班操作進行統一培訓及試驗成果跟蹤后，完成了低 S、超低 S 鋼精煉工藝研究的任務，試驗前后成品 S 具體情況見表 1。

試驗前每爐白灰加入量為 1640.3kg，試驗后每爐白灰加入量為 1396.5kg，試驗后平均單爐相比試驗前節省石灰 243.8kg。

9 結論

通過技術創新實現了對低 S、超低 S 鋼中 S 含量的穩定控制，提高了產品質量的穩定性，有效提高了我公司產品的市場競爭力，為拓寬高利潤空間品種打下堅實基礎。通過技術創新，石灰的高效利用、低成本控制。僅石灰成本噸鋼可節約：244.8kg/ 爐×410 元/t÷1000÷105t/爐=0.96 元/t。

參考文獻

[1] 方煒,夏文勇,羅仁輝,等.LF 爐快速脫硫工藝探討[J].江西冶金, 2007（6）：4-6，24.

[2] 王金輝.LF 爐脫硫工藝制度的研究與優化[D].鞍山：遼寧科技大 學，2007.

[3] 李文獻.LF 爐預熔精煉渣的研究與應用[D].沈陽：東北大學，2003.

 [4] 高艷紅.LF 爐含鋇精煉渣的研制與應用[D].沈陽：東北大學，2005.

[5] 趙斌. LF 精煉渣脫硫能力的優化研究[D].西安：西安建筑科技大 學，2014.

[6] 劉金學.轉爐冶煉超低硫鋼工藝優化研究[D].鞍山：遼寧科技大 學，2008.

[7] 趙大同.超低硫鋼冶煉中的脫硫工藝[J].科技創新導報，2010（22）： 61.