超低硫钢精炼工艺生产实践探讨

发表时间：[2013-09-10]　　作者：杨荣光，王志刚　　编辑录入：admin　　点击数：831

超低硫钢精炼工艺生产实践探讨

杨荣光，王志刚

(首秦金属材料有限公司炼钢部，河北秦皇岛 066326)

摘要：采用“铁水脱硫-转炉-钢包喷粉脱硫-LF炉精炼-RH精炼-连铸”工艺路线，通过钢包喷粉脱硫环节，降低LF炉精炼的到站硫质量分数，实现LF炉精炼快速深脱硫，将钢水硫质量分数稳定地控制到0.0015%以下，满足生产超低硫优质板材钢种的需要。

关键词：脱硫；喷粉；钢包精炼

根据目前日本及欧洲国家的先进水平来看，极低硫钢的硫质量分数已经控制在0.0005%～0.0010%的范围。生产极低硫钢合理的工艺路线是[1-4]：①铁水脱硫预处理—顶底复吹转炉炼钢—LF炉(大流量强搅拌脱硫)-RH脱气(以日本神户製鋼、NKK、川崎公司水岛钢厂为代表)；②铁水脱硫预处理—顶底复吹转炉炼钢—VD真空大流量搅拌—喂线软吹(以德国迪林根钢厂为代表)；③铁水脱硫预处理—顶底复吹转炉炼钢—钢包喷粉脱硫-LF炉升温、调合金—RH真空脱气—喂线软吹(以奥地利林茨钢厂为代表)。采用如上工艺路线均可将钢水硫质量分数稳定地控制到0.0010%以下。

1 深脱硫精炼工艺

深脱硫技术是一项全工序脱硫和控制硫技术，包括铁水深脱硫、转炉控硫、防止回硫，其核心技术是钢水深脱硫。

鉴于高级别管线钢、低温容器用钢、海洋平台用钢等钢种使用条件的恶劣，它们对钢中硫质量分数有着非常苛刻的要求。根据首秦公司现有工装设备，采取“铁水脱硫-转炉-钢包喷粉脱硫-LF精炼-RH精炼-连铸”工艺路线，从降低原辅材料中的硫质量分数入手，从铁水脱硫开始加强各个工序的脱硫，整体控制。通过钢包喷粉脱硫环节，降低LF炉的到站硫质量分数，实现快速深脱硫，来满足生产超低硫优质板材钢种的需要。各工序控制点如下。

1)脱硫前要求铁水硫质量分数≤0.0400%，包底加固硫剂500kg；在喷吹完毕后进行扒渣操作时，添加酸性聚渣剂，具体方法为先扒3min，然后加聚渣剂0.5kg/t(铁)，停2min再扒3min，扒除渣量60%～80%时，第2次加入聚渣剂0.5kg/t(铁)，保证净扒渣时间7～9min，加强扒渣操作，保证扒渣后铁水亮面达95%以上，铁水预处理结束后铁水中的硫质量分数控制在≤0.005%；铁水脱硫扒渣过程和效果如图1和图2所示。

2)转炉控制、减少回硫；采用了自循环的优质板条废钢(w(S)≤0.0050%)和优质低硫活性白灰、适量轻烧白云石。采用强脱氧工艺，挡渣出钢，减少下渣量，如果钢包中带入过多的FeO含量高的炉渣，不仅会恶化操作条件，还会造成许多纯净度和成本问题[5]；出钢过程在线氩气底吹，并进行二元渣洗料(CaO-CaF2)5～8kg/t(渣)洗脱硫，渣洗剂要尽早加入，以保证出钢过程渣洗剂与钢水充分反应脱硫，通过统计发现在出钢1/5时加入渣洗剂脱硫效果最佳，通过采用以上转炉防回硫及渣洗工艺将精炼进站钢水硫质量分数控制在0.0070%以内。

3)钢包喷粉工艺按照喷粉结束目标硫质量分数小于0.0040%控制。喷吹完毕控制钢水硫质量分数小于0.004%，同时调整钢中w([Alt])≥0.050%，并加入30～50kg铝粒进行渣面脱氧，为LF炉快速深脱硫提供良好的条件。

4)为了确保LF炉精炼快速、有效深脱硫，采用低硫合成渣进行造渣，白渣形成后，进行合金微调，并采用大氩气流量进行强搅拌脱硫，保证过程强搅时间≥5min，LF炉处理结束将钢水硫质量分数控制在0.0010%以内。

5)为了抑制或减少RH精炼钢水回硫，保证LF炉结束成分满足目标要求，RH精炼不进行成分调整，防止合金增硫。冶炼超低硫钢前，RH精炼采用低硫钢水(w([S])≤0.0030%)进行涮真空室操作。

2 生产实践

2.1 钢包喷粉脱硫

首秦公司钢包喷粉关键喷吹设备和技术从德国VELCO引进，其余配套设施全部国产化。喷吹粉剂采用钝化CaO，粒度<63μm的占95%。喷粉工艺参数如表1所示。

影响脱硫效果的因素是多方面的。对喷粉脱硫工艺，主要影响因素为钢中溶解氧(脱氧)、顶渣、脱硫剂组成、喷吹参数、钢液温度、初始硫等。

图3为钢液氧质量分数对脱硫率的影响[6]。由图3可见，钢液溶解氧对脱硫的影响非常显著，脱硫率较高炉次的氧质量分数在5×10-6以下，当钢液氧质量分数大于5×10-6后，脱硫率明显降低。要将钢水硫脱除，必须用强脱氧剂把氧活度降下来。钢液的溶解氧对脱硫具有决定性的影响，深脱硫的前提条件是钢液的溶解氧质量分数应尽可能低[7]。

为此炼钢出钢过程采用铝铁进行强脱氧，保证进站w([Alt])≥0.060%。喷吹过程中，脱氧剂与脱硫剂同时作用，取得了很好的效果，用方程式表示为：3[S]+3CaO+2[Al]=3CaS+Al2O3。

喷粉脱硫包含2个反应，顶渣持续反应和粉剂瞬间反应。顶渣持续反应决定了整个体系的热力学，而瞬间反应则起了加快过程速率的作用，所以喷粉脱硫必须有一个前提，就是控制好顶渣。考虑到转炉出钢后，炉渣的FeO质量分数较高，为降低顶渣的氧化性，强化顶渣的持续脱硫反应，出钢过程采用专用二元渣洗料500～800kg、铝篦子50～60kg对炉渣进行脱氧、改质处理。增加喷粉量可以提高脱硫效果，但喷粉量的增加受钢液对粉剂的接纳能力、钢水温度等因素影响。

一般来说，增大粉剂喷吹量，势必会提高载气流量或延长喷吹时间，这样使得喷吹的搅拌能提高，钢液翻腾加剧，钢水温降增大。因此喷粉量存在一个最佳值，通过不断实践，粉剂消耗量为5～6kg/t，粉剂喷吹流量为40～50kg/min。

通过强化脱氧提高钢中酸溶铝的质量分数，降低到站钢水氧质量分数；降低顶渣氧化性并进行改质，冶炼X65HIC钢时，喷粉工艺参数控制如表2所示，可使喷粉工艺平均脱硫率达75%以上，喷粉脱硫的效果如图4所示。

从图4可以看出，原始含硫量高，则喷粉后的含硫量也高。因此喷粉工艺实现低硫钢连续生产，必须合理控制到站钢水初始硫质量分数。

2.2 LF炉快速、深脱硫

对于铝脱氧钢，LF精炼过程的脱硫反应为：

从以上反应可知，在LF炉内对钢液进行深脱硫，除需要高的炉渣碱度之外，钢液还必须含一定的[Al]，铝是强脱氧元素，用铝脱氧可有效降低钢中氧，当钢中酸溶铝控制在0.015%～0.030%，可以有效降低钢中氧质量分数[8]，这对于维持钢-渣间非常低的氧势有良好的效果，可以获得满意的脱硫效果。

由式(2)得出：

从式(8)可以看出，降低钢液和炉渣的氧势(提高[Al]质量分数)、提高温度、采用低炉渣因子(S.P.)的精炼渣系有利于获得好的脱硫效果。在冶炼超低硫高品质钢种时，通过现场生产实践表明吨钢渣料消耗量应保持为8～10kg/t；为保证顶渣的低氧化性，应保证过程钢水中Als质量分数稳定在0.050%左右，快速形成低氧化性、高碱度、良好流动性的白渣，实现LF精炼快速、有效深脱硫，并达到结束硫质量分数小于0.0010%的要求。

采用以上造渣、铝脱氧合金化操作，LF实现了低氧化性、高碱度、流动性好的白渣，钢渣成分如表3所示。终渣碱度控制在8～10，(MnO+FeO)质量分数小于1.0%，熔渣的曼内斯曼指数MI值为0.3～0.4时，LF平均渣钢硫分配系数LS大于800，能够快速将钢水S质量分数控制在0.0010%以下。

从动力学角度分析，如果钢液中的硫质量分数较低时，脱硫反应的限制性环节是钢液中的硫向钢-渣界面的传质过程。因此，加强底吹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。因此白渣形成后采用大流量氩气(800～1000L/min)搅拌脱硫8～10min，促使渣钢充分接触，从动力学上满足脱硫要求。

通过采取以上措施，使用由低硫小粒活性白灰、铝矾土、精品萤石等材料按照一定比例混合而成的合成渣，主要组成成分及加入量如表4所示，X65HIC钢LF炉深脱硫效果如图5所示。由此可见，对于到站硫质量分数低于0.0020%，通过LF炉深脱硫工艺，完全可以将钢水硫质量分数降到0.0010%以下。