薄板坯连铸由于是在高拉速条件下(3.0~6.0m/min)进行，铸坯厚度薄，浇钢空间狭小，唐山钢铁集团公司(以下简称唐钢)FTSC薄板坯连铸机又采用复杂横截面的长漏斗型结晶器，为保证连续浇铸和薄板坯表面质量，对硫含量提出了更高的要求，一般要控制w(S)＜0.008 %。同时，薄板坯连铸的生产还需要时间节奏、温度的协调匹配。因此，开发LF快速脱硫工艺是薄板坯连铸短流程生产线的一个重要研究课题。唐钢在2003年3月开始对LF快速脱硫工艺进行了有针对性的研究，并取得了较好的工艺效果。
1 LF设备技术参数
唐钢150tLF主要技术参数如下。
容量 150t
最小钢水处理量 100t
最大钢水处理量 160t
钢包净空高度 ≥500mm
电极直径 457mm
极心圆直径 750mm
电极升降行程 2500mm
电极升降速度 150 mm/ s
炉盖提升行程 700mm
钢包透气砖数量 2个
变压器容量 25 MVA
2 薄板坯连铸钢水精炼工艺流程
钢水进站→接底吹氩管→钢包到LF精炼位→测温取样→给电、加渣料→造还原渣→调整钢水成分及酸溶铝→测温取样→成分温度合格→弱吹→喂线→弱吹→钢水到LF起吊位→加保温剂→吊包→薄板坯连铸机。
3 脱硫的热力学动力学研究
3.1 脱硫反应
在钢一渣界面上的脱硫反应是伴有电子转移的置换反应其基本式为：
[S]＋2e＝(S2－)
为保持电中性，必有一些能释放电子的元素同时经过界面进入渣中，对于铝镇静钢来说，脱硫基本反应为：
3(O2－)+3[S]+2[Al]=3(S2－)＋(Al2O3)
3.2 炉渣的脱硫能力
适当增加渣量，可以稀释渣中CaS浓度，加快脱硫速率。但渣量过大会使炉渣过厚，影响钢渣界面反应。在实际生产过程中，由于转炉渣中FeO含量高，出钢下渣过多，会影响造白渣过程，从而恶化脱硫过程降低脱硫效率。因此，在生产实践中转炉出钢下渣量要求小于450kg。
从热力学角度考虑，脱硫反应是在还原性气氛中进行，渣中FeO含量高不利于脱硫反应。根据生产数据，在脱硫反应中渣中FeO含量与硫分配系数的关系如图1所示。此外，在生产实践中还发现，渣中w(FeO＋MnO)＜1%时，脱硫反应速率显著提高。
3.3 钢水温度
提高钢水温度将有利于脱硫反应的进行，同时可以加快渣料熔化，提高钢水流动性，加快反应速度，从而加速脱硫。生产实践表明，钢水温度低于1560℃时，脱硫速率明显降低；钢水温度高于1560℃时，渣料熔化快，炉渣流动性好，脱硫反应快。因此，要求转炉钢水进站温度要大于1560℃。
3.4 钢中酸溶铝含量
实测钢中w(Al)＜70×10-6时，钢水w(O)＞20×10-6，不利于脱硫反应。钢水的脱氧与脱硫是相互联系的，脱氧良好的钢水可提高渣的脱硫能力，是深脱硫的必需条件，并符合以下规律：
w[s]=30a[o]
式中，a[o]指钢水中氧的活度。
通过对生产数据的统计，得到钢中酸溶铝含量与脱硫率的关系，如图2所示。
从图2可以看出，钢中w(Als)＞ 200×10-6时脱硫率显著提高，若再提高钢中酸溶铝含量脱硫率提高则不明显。因此，要求转炉到LF钢中w(Als)要大于200×10-6。
3.5 CaF2含量
CaF2本身没有脱硫能力，但加入炉渣中可使脱硫速率显著提高，这说明CaF2在脱硫过程中可以起到类似于催化剂的作用，其作用机理主要是：①CaF2可以与网状硅酸盐发生反应，提供少量的O2-使渣中自由O2-增多；② CaF2能显著降低渣的熔点，改善动力学条件，使硫容易向CaO等破网组元固相扩散，③氟离子可以破坏硅酸盐赖以结合的化学键，形成空隙，使硫更容易扩散到CaO等金属氧化物内部。最终的结果是随着CaF2的增加脱硫速率和脱硫率都大大提高。
3.6 吹氩搅拌
氩气搅拌可以增加钢—渣反应界面，加快反应速度。从动力学角度分析，钢包精炼炉中脱硫反应的限制环节是钢液本体向钢—渣界面的传质过程。因此，加强氩气搅拌有利于提高脱硫反应速度。文献指出，脱硫时钢水搅拌能ω一般大于7000W/t，钢水搅拌能。由下式给出：
式中，QAr为吹氩量，m3/ min；T1、Tn分别为钢水和氩气的温度，K；Ho为吹氩深度，m；P2为氩气压力，Pa；Wg为钢水重量，t。
在唐钢LF精炼条件下，吹氩脱硫时的氩气搅拌能约为9000W/t。
3.7 钙处理
唐钢LF喂线处理主要用于对Al2O3夹杂进行改性处理.使之形成球形12CaO·7Al2O3夹杂，防止中间包浸入式水口堵塞，一般要求钢水中m(Ca)/m(Al)＞0.1。但对喂CaSi线前后钢水取样分析表明喂，CaSi线后钢水将进一步深脱硫，平均脱硫率为13.7%。
4 快速脱硫工艺的开发与实践
根据理论分析及生产实际情况，唐钢认识到合理的渣系组成、温度控制、钢中酸溶铝含量、吹氩搅拌及喂线技术是实现LF快速脱硫的关键技术。因此，制订了如下工艺路线。
(1)造渣制度：根据唐钢实际情况(石灰中Si02含量较高)以及考虑到成本因素，唐钢150tLF精炼渣料实际消耗为石灰12~14kg/t；萤石4~5kg/t；预熔精炼渣4~5kg/t；造白渣用铝粉0.5~1kg/t。表1为合理的渣系成分以及唐钢实际的渣系成分控制。唐钢实际的渣系其硫容比可达到200。在实际生产中还发现，越旱造白渣，脱硫效率越高，因此要求钢水进站后立即加铝粉脱氧，一次给电后要求造好白渣。
表1 渣系成分控制情况（%）
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CaO |
Al2O3 |
FeO+MnO |
SiO2 |
MgO |
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合理的渣系成分 |
50～60 |
20～30 |
＜1 |
6～8 |
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唐钢实际渣系成分 |
50～55 |
15～20 |
＜1 |
8～10 |
6～8 |
(2)温度制度：根据生产实际情况，唐钢要求进LF精炼站钢水温度大于1560℃，过程温度控制在1570~1590℃。从图3可看出温度低少1560℃时，脱硫率将会明显降低。
(3)酸溶铝成分控制：根据生产实际情况，要求进LF精炼站钢水w(Al)＞200×10-6，过程w(Als)控制在250×10-6左右，喂线前w(Als)控制在200×10-6左右。结果表明，脱硫率良好。
(4)氩气搅拌制度：为保证脱硫及去除夹杂物，要求冶炼前期脱硫时氩气搅拌强度为600L/min；强搅有利于脱硫；均匀成分、温度时搅拌强度为400~500L/min；喂线前后静吹时氩气搅拌强度为200L/min，避免钢水液面裸露，引起一次氧化。
(5)钙处理制度：唐钢一般要求喂线前钢中w(S)＜0.009 %，静吹时间大于5min，喂线后钢中m(Ca)/m(Als)＞0.1，静吹时间不低于5min。在特殊情况下，钢中w(S)＜0.012%时可以喂线脱硫，但要适当增加喂线量，喂线时氩气流量为300~400L/min，畏线后要保证静吹时间大于8min以利于CaS夹杂上浮
5 工艺效果
采用快速脱硫工艺后，唐钢LF脱硫生产周期明显缩短，能满足薄板坯连铸生产节奏的要求，对稳定薄板坯连铸生产提供了保障。图4是采用快速脱硫工艺前后LF脱硫情况的对比。
6 结 语
唐钢通过对LF脱硫热力学的分析研究，采用合理的渣系组成、温度控制、钢中酸溶铝含量、吹氩搅拌及喂线技术，实现了LF快速脱硫，满足了薄板坯连铸的生产要求。
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