LF炉冶炼超低硫钢的工艺条件

收稿日期:2002203218基金项目:国家“九五”重点科技攻关项目(952524202202)・作者简介:姜周华(1963-),男,浙江萧山人,东北大学教授,博士;王文忠(1935-),男,辽宁复县人,东北大学教授,博士生导师・2002年10月第23卷第10期东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern University (Natural Science )Oct.　2002Vol 123,No.10文章编号:100523026(2002)1020952204LF 炉冶炼超低硫钢的工艺条件姜周华,张贺艳,战东平,王文忠(东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳　110004)摘 要:提出了采用热力学计算分析确定L F 炉冶炼超低硫钢工艺条件的方法・分析表明,可通过提高炉渣碱度、强化渣钢脱氧、控制渣钢原始硫质量分数和渣质量,来实现超低硫钢的冶炼・150t L F 炉生产实践表明,在原始钢水硫平均为010146%条件下,通过控制规定的工艺条件,经L F 处理后的钢水硫质量分数平均可达010044%・再经VD 处理后,可实现成品硫质量分数为010027%的超低硫钢生产・在上述条件基础上,将原始硫质量分数控制在010058%以下或保证渣金硫的分配比在250以上或采用双渣操作,L F 炉可精炼01002%以下极低硫钢・关　键　词:L F 炉;二次精炼;脱硫;超低硫钢中图分类号:TG 113.14 文献标识码:A目前像石油管线、IF 钢和电工钢等超低硫钢成品硫质量分数一般要求在510×10-3%以下,对高质量品种要达到210×10-3%以下・尽管就精炼渣的硫容量及渣钢间硫的分配比前人已做了许多基础研究[1～7],但就L F 炉精炼在超低硫钢实际工艺条件缺少理论分析・1　研究对象本文以某厂150t L F 炉精炼过程脱硫为计算对象・其中每炉造渣料的加入量平均为1300kg (817kg/t ),但由于电炉出钢时下渣,EB T 出钢口填充料,合金元素氧化和包衬耐材侵蚀等炉渣来源,因而实际L F 炉内渣质量约2250kg (即15kg/t 钢)・钢水和炉渣成分见表1・表1　冶炼钢种LF 终点钢水和炉渣成分(质量分数)典型值Table 1　The typical chemical compo sition of liquidsteel and slag after LF refining %　CSiMnPSCaO SiO 2Al 2O 3MgO01195012501550101010055510276钢水中全铝质量分数波动在0101%～0105%之间,对应的酸溶铝一般为01005%～0102%之间・而钢水中全氧一般波动在(115～215)×10-3%之间,而采用固体电解质定氧探头测定的钢水溶解氧一般为(5～10)×10-4范围・精炼终点炉渣中(FeO +MnO )通常小于1%・2　L F 炉精炼过程渣金脱硫反应热力学计算与分析211　精炼终点渣金硫的平衡分配比及钢水硫质量分数的计算公式若忽略气相脱硫的作用,根据硫的质量守恒可以导出:w [S ]=w (S )0m sm m +w [S ]01+m sm m LS(1)式中,w [S ]为精炼终点钢水的硫质量分数,%;w (S )0,w [S ]0分别为反应前渣中和钢中的原始硫质量分数,%;m s ,m m 分别为熔渣和钢水的质量,kg ;L S 为渣金间硫的分配比・由式(1)可知,要计算钢水中的硫质量分数关键是获得渣金间硫的平衡分配比L S ・研究表明[8,9],此值可由式(2)计算・lg L S =21920-54640ΛT+4316Λ+lg f S -lg a [O ]-2319(2)可见,影响渣金硫的平衡分配比的因素包括炉渣碱度(Λ)、钢水中的活度系数(f S )、钢水的平衡氧活度(a [O ])和温度(T/K )・其中炉渣光学碱度可根据炉渣成分计算得到,而活度系数(f S )可由钢水成分计算得到(在低硫质量分数下f S ≈1)・而钢水的平衡氧活度可由下面两种途径来计算・1)由与钢水氧活度平衡的炉渣中(FeO )质量分数来计算・根据渣金氧平衡可得[11]:lg a [O ]=lg γFeO +lg x FeO -6150T+2160(3)在1873K 下CaO 2SiO 22Al 2O 32MgO 四元精炼渣系中氧化铁的活度系数(γFeO )的实验回归方程为[12]lg γFeO =01676w (MgO )+01267w (Al 2O 3)-19107w (S iO 2)+010214w (CaO )-01047(4)2)对于铝镇静钢,钢液中氧活度主要由铝质量分数控制・由Al 2O 平衡反应可得:lg a [O ]=13lg a Al 2O 3-23lg a [Al ]-1364900T-20163(5)1873K 下CaO 2SiO 22Al 2O 32MgO 四元精炼渣系中Al 2O 3的活度由以下回归方程表示[10]:lg a Al 2O 3=-01275w (CaO )+01167w (MgO )w (SiO 2)+01033w (Al 2O 3)-11560(6)212　计算结果与分析(1)炉渣氧化性对脱硫效果的影响图1的计算结果表明,随着渣中FeO 质量分数的降低,L S迅速增大・因此,从热力学角度,强化炉渣脱氧对提高脱硫效果至关重要・由图还可知,实际硫分配比也随着渣中(FeO )质量分数的降低而显著提高・但实际值要明显高于理论计算值,其原因是渣金间氧并没有达到平衡・这是因为实际L F 炉中精炼终点(FeO )质量分数通常在015%～110%之间,如果达到平衡,可以算出其对应的氧活度为(2128～4156)×10-3・而根据现场用定氧探头测定钢水溶解氧质量分数通常在(5～10)×10-4,此值大大低于与渣中FeO 平衡的氧・图1　渣中(FeO )质量分数对渣金间硫的平衡分配比的影响Fig.1　E ffect of FeO content inslag on sulfurpartial ratio between slag and steel(2)钢水氧化性对脱硫效果的影响通常精炼终点实际溶解铝质量分数在01005%～0102%之间,计算得到的与铝平衡的氧活度在(2188～7126)×10-4,其范围与定氧探头的实测值相一致・这说明钢水中的氧确实受Al 的控制・由图2可知,随着钢中溶解铝质量分数的增加,渣金平衡分配比也相应增加・因此,加强对钢水的脱氧也有利于脱硫反应的进行・从图中还不难发现,实际L F 炉终点渣金硫的分配比也随着钢中铝质量分数的增加而增加,但实测值要低于计算值,这说明渣本体中的硫质量分数要低于渣金界面的值,即在界面渣相侧存在硫的浓度梯度・图2　钢中溶解铝质量分数对钢水平衡氧活度及渣金硫的平衡分配比的影响Fig.2　E ffect of soluble aluminum content in steelon oxygen activity and sulfur partial ratio(3)光学碱度和温度对脱硫效果的影响当w (Al 2O 3)=27%,w (MgO)=8%,w (CaO )+w (SiO 2)=65%,T =1873K 时,不同CaO 或SiO 2质量分数下光学碱度和硫分配比的计算值见图3・可见,随着渣中CaO 质量分数的提高,SiO 2质量分数降低,硫的分配比显著提高・例如,在现有条件下若渣中SiO 2的质量分数从10%下降至5%,则硫的分配比可从8115提高到图3　炉渣成分对光学碱度和硫的平衡分配比的影响Fig.3　E ffect of slag compo sition on its optical basicityand sulfur partial ratio359第10期 姜周华等:L F 炉冶炼超低硫钢的工艺条件22813・设a [O ]=10-3,f S =1,当Λ=01769,精炼温度从1600℃提高到1650℃时,硫的分配比从8115提高到16813・(4)渣质量及渣钢中原始硫质量分数对精炼终点硫质量分数的影响由图4可知,随着渣质量的增加,钢中硫质量分数显著降低・从图5和6可知,随着钢中和渣中原始硫质量分数降低,精炼终点钢水硫质量分数图4　渣质量对LF 精炼终点钢水硫质量分数的影响Fig.4　Relation between sulfur content insteel and slagquantity图5　钢水原始硫质量分数对精炼终点钢水硫质量分数影响Fig.5　Relation between sulfur content in steelafter refining and initial sulfur content insteel图6　渣中原始硫质量分数对钢中精炼终点硫质量分数的影响Fig.6　Relation between sulfur content in steel afterrefining and initial sulfur content in slag也相应降低・相对而言,钢水原始硫质量分数对钢中终点硫影响更大・因此,控制炉料中的硫质量分数对生产低硫钢也非常重要・3　L F 炉冶炼超低硫钢的工艺条件及实践从以上分析计算可知,降低钢水中硫质量分数实现超低硫钢冶炼工艺条件有以下几个方面・(1)控制炉渣成分,提高光学碱度・为此,炉渣中SiO 2的质量分数要控制在10%以下,最好达到5%的水平・对于特殊场合,可以添加BaO ,Na 2O ,Li 2O 等碱度更高的组元・(2)强化对炉渣和钢水的脱氧・向炉渣中加入扩散脱氧剂,使渣中(FeO )质量分数达到1%甚至015%以下・控制钢中酸溶铝质量分数,使钢水中氧活度控制在110×10-3以下・(3)较高的精炼温度和良好的底氩搅拌工艺也是重要脱硫工艺条件・根据式(2)并结合现场实测数据,表2列出了为达到一定的硫的分配比必须达到的实际工艺条件・表2　渣金间硫的分配比与精炼工艺的关系Table 2　Relation between sulfur partial ratio and refining proce ss炉渣成分(质量分数)/%CaO SiO 2Al 2O 3MgO 光学碱度Λ渣、钢氧化性w (FeO )/%w [Al ]/%温度t /℃渣金硫的分配比L S50～55≤1020～306～10≥0175≤110≥010081550～1600100≥55≤820～306～10≥0177≤018≥010101550～1600150≥58≤725～306～9≥0178≤015≥010201550～1600200≥58≤525～306～9≥0179≤013≥010251550～1600250(4)为了保证LF 炉精炼终点的硫质量分数小于某一目标值,在保证上述精炼工艺的条件下,必须对炉渣和钢水的原始硫质量分数进行限制,同时也保证相应的渣质量,必要时可进行换渣操作・表3列出两种硫质量分数目标值下需要控制的工艺条件・根据表3中的工艺条件在某厂150t LF 炉批量生产低硫钢的实绩如下:初炼炉出钢时钢水硫的平均值为010146%,由于在出钢过程加入高碱度的精炼渣,LF 到位时钢水硫降至010108%,在LF 精炼过程中再加入一部分渣料,并加入CaC 2或Al 屑对炉渣扩散脱氧,使渣中(FeO )控制在110%以下,这样L S 可达100以上,至LF 结束时硫质量分数平均459东北大学学报(自然科学版) 第23卷可降至010044%,后步经过VD 处理后可进一步脱硫,最终产品的硫质量分数的平均值为010027%,达到了超低硫的水平・如果要使L F 炉精炼终点硫质量分数达到01002%极低硫水平,如表3所示,有以下几种实现途径・(1)在保证分配比约150,渣质量基本不增加的条件下,重点控制渣钢中的原始硫质量分数,特别是要保证初炼炉出钢时硫小于010058%・但这对于初炼炉难度很大,如果进一步提高碱度强化脱硫,使分配比达到200水平,钢水初始硫质量分数可适当放宽至010065%・表3　不同目标硫质量分数下的精炼工艺条件控制值Table 3　The controlled proce ss conditions forrefining of low sulfur steel 终点硫目标值w [S]a /%分配比L S 渣中初始硫w (S )0/%钢水初始硫w [S]0/%渣金比m s /m m≤01005100～150≤0110≤01015001015≤01002150≤0105≤01005801015200≤0110≤01006501015200≤0110≤01010001025250≤0110≤010********(2)采用双渣操作,使总渣钢质量比达到01025,并保证渣金硫的分配比达到200左右,钢水初始硫质量分数可放宽至0101%・(3)进一步采取措施提高碱度并强化扩散脱氧,加强搅拌,适当延长精炼时间可以使得渣金间硫的分配比达到250以上,这样即使采用单渣操作,也可以使精炼终点钢水达到极低硫水平・4　结 论(1)影响L F 炉精炼终点的主要因素包括炉渣的光学碱度、炉渣和钢水的氧化性、精炼温度、渣钢的原始硫质量分数和渣质量・(2)随着炉渣碱度的提高,渣金间硫的分配比显著提高・提高炉渣碱度的关键不仅在于保证CaO 的质量分数,而且在于尽量降低渣中SiO 2质量分数・(3)某厂150t L F 炉的生产实践证明,采用本文提出的确定L F 炉冶炼超低硫钢的工艺条件的方法是可行的・L F 炉终点的硫质量分数平均可达到010044%,再经VD 处理,铸坯硫质量分数平均为010027%超低硫水平・(4)通过进一步提高炉渣碱度,强化渣金脱氧,控制渣钢中原始硫质量分数以及采取换渣操作等技术措施,LF 炉可冶炼01002%以下极低硫钢・参考文献:[1]Cameron J ,G ibbons J B ,Taylor J.Calcium sulphide solubilities and lime activities in 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process parameters of ladle furnace for the refining of ultra 2low sulfur steels.The ultra 2low sulfur content in liquid steel can be reached by using high basicity slag ,deeply deoxidizing both slag and liquid steel ,reducing initial sulfur contents in slag and steel ,and properly controlling slag amount in the furnace.The production practice by a 150t ladle furnace showed that the sulfur content in steel is 010044%after L F refining and 010027%after VD treatment ,under the conditions determined b y the processing parameters proposed by this study.Moreover ,the extremely low sulfur steels with less than 01002%of sulphur content can be produced in a ladle furnace by means of controling the initial sulfur content to less than 01058%,or increasing the sulfure partial ratio between slag and metal to more than 250,or applying double slag operation.K ey w ords :L F ;secondary refining ;desulfurization ;ultra 2low sulfur steel(Received M arch 18,2002)559第10期 姜周华等:L F 炉冶炼超低硫钢的工艺条件。