LF 炉在炼钢工序中的重要作用及稳定高效生产低硫、超低硫钢的能力要求

0 引言

随着市场竞争的日益激烈，产品结构的不断深化，以及各行业对钢材质量要求的不断提高，要求钢厂以高效率和低消耗的方式生产出市场所需的高质量、高附加值的钢材产品。LF 炉在整个炼钢过程中发挥着重要作用，在提高钢材的高质量、高附加值和清洁度方面发挥着至关重要的作用。

为了更好地应对当前严峻的市场形势，满足用户和市场的需求，结合天钢LF炉和VD的设备及技术特点，我们将不断改进我厂的脱硫工艺，满足公司发展高强度、 高韧性、耐高压钢牌号和耐H2S腐蚀性能好的高牌号圆管坯钢牌号，从而实现产品结构的转型升级，这就要求我们具备稳定、高效生产低硫、超低硫钢的能力。

1 炉渣脱硫的理论分析

从分子理论层面来看，一般认为脱硫应按以下步骤进行：

（1）在钢水和炉渣的界面处，钢水中的[FeS]根据分布规律进入炉渣。

[硫化铁]=（硫化铁）

（2） 将炉渣 （FeS） 和无炉渣 （CaO） 结合成稳定的 （CaS）。

（硫化铁）+（CaO）=（氧化铁）+（CaS）

（3） 将以上两种归纳成一个新的反应：

[硫化铁]+（CaO）=（氧化铁）+（CaS）

渣脱硫过程是硫从钢水逐渐迁移到渣界面，发生化学反应形成硫化物，然后逐渐迁移到渣层。因此，脱硫情况主要受炉渣状态和温度的影响 [1]。

2 炉渣成分对脱硫的影响

炼钢行业有一句名言：炼钢就是造渣，这就说明了炉渣对炼钢的重要性，以下是炉渣组分对脱硫性能影响的具体分析。

2.1 炉渣碱度（CaO/SiO2）对脱硫性能的影响

渣脱硫的首要条件是渣中的CaO，随着碱度的不断提高，渣中的CaO含量逐渐增加，渣的脱硫能力得到提高。渣脱硫能力提高的主要原因是碱性渣中含有大量的游离氧离子[O]，有利于渣的脱硫反应。但碱度过高也会导致炉渣粘稠，根据脱硫反应的动力学原理，不利于脱硫反应[2]。实验数据表明，图 1 显示了炉渣碱度与硫分配系数 Ls（Ls=（S）/[S]） 之间的粗略关系，Ls 波动范围为 25~500。

从图 1 中可以看出，当渣的碱度 R=4.2 时，Ls 达到最大值，碱度继续增加，而 S-去除效果没有继续增加，而是呈下降趋势。结果表明，在实际生产过程中，精炼渣的碱度 R=4.2 是生产深 de-S 钢牌号的最佳碱度。

这

CaO-SiO2-MgO-Al2O3 四元渣脱硫实验结果表明，渣中碱度 R 是影响渣钢硫分配系数 Ls 的主要原因之一。当渣的碱度为 R4.2 时，碱度逐渐增加，Ls 降低。随着渣中CaO含量的不断增加，[S]降低，但当渣的碱度达到R>4.2时，渣的脱硫效果随着CaO含量的不断增加而降低。

2.2 ω （Al2O3） 含量对炉渣脱硫性能的影响

参考各种关于 Al2O3 在炉外精炼炉渣中的行为的文献，目前还没有一致的结论。但业界普遍认为，为了达到较好的脱硫效果，Al2O3的含量必须控制在15%~40%的范围内。随着 Al2O3 含量的不断增加，炉渣的粘度会增加，不利于脱硫 [3]。对于目前生产中碱度R=4~4.5的精炼渣，Al2O3含量百分比不同，脱硫速率分布如图2所示。

从图 2 中可以看出，在实际生产过程中，当精炼渣中含有 15%~20% 的 Al2O3 时，渣的脱 S 能力得到了很大的提高。在实际生产过程中，当生产深S钢种时，渣系中含有15%~20%的Al2O3来分布材料，大大提高了渣的利用率。

2.3 ω（FeO+MnO）含量对渣脱硫性能的影响

炉渣中氧化的强度主要用 （FeO+MnO） 含量的量来表示。大量实验结果表明，当 （FeO+MnO） 含量小于 2.0% 时，实际硫分配系数随着 （FeO+MnO） 含量的降低而迅速增加，这与线性增加相似 [4]。因此，在生产过程中，应控制炉渣（FeO + MnO）的含量不超过 2.5%，控制的最佳条件应小于 2.0%。

在实际生产中，对碱度在4.0~4.5之间的渣样进行了测试，不同区间w（FeO+MnO）含量的S去除率如图3所示。

这

渣的脱硫效果主要取决于渣氧化的强度。从图 3 中可以看出，当 （FeO+MnO） 含量为 1% 作为截止点时，当 （FeO+MnO） 小于 1% 时，脱硫效率显著提高。相反，脱硫效率显著降低。通过采取控制渣量、改性钢包渣等措施，有效减少了钢包顶部渣的氧化。此外，在转炉渣还原的情况下，精炼站经渣预处理，以加强还原强度，使渣中（FeO+MnO）的含量小于1%。试验证明已获得良好的冶金结果。

在低 S 和超低 S 钢牌号的生产中，为保证深度脱硫的稳定性，工艺要求（FeO+MnO）含量小于 0.5%，平均脱硫率为 85.12%，最高脱硫率达到 90%，完全可以满足现有低 S 和超低 S 钢牌号对 S 含量的要求。因此，在生产低 S 和超低 S 钢种时，该工艺要求渣含量 （FeO+MnO） 必须控制在 0.5% 以下。

3 ω （CaF2） 含量对炉渣脱硫性能的影响

CaF2 含量可显著降低精炼渣的粘度，有效提高炉渣的流动性，增加钢水与炉渣界面处的传质，提高脱硫效率。但是，当用量过大时，不仅不利于脱氧，还会加速炉渣对炉衬的侵蚀速度。就起泡效果而言，对它的影响是双面的。一方面，CaF2 含量的增加降低了表面张力，非常有利于提高渣的发泡效果。另一方面，CaF2 含量的增加降低了渣的粘度，不利于渣的发泡，但表面张力在整个发泡过程中仍然起主导作用。CaF2含量的增加有利于渣的起泡，但稳定性差影响其添加量，因此在匹配CaO含量的基础上，将CaF2含量控制在CaO含量的5%~15%。在此范围内，LF炉处理过程中精炼渣中高熔点组分的熔化温度显著降低，可有效减少LF炉的炉渣和加热时间，提高冶炼强度，缩短精炼供电时间和周期，有效减轻LF炉的负担，提高实际生产过程中的生产效率[5]。

4. 效果

温度对炉渣硫容量的影响以及钢水和炉渣界面处元素的扩散速率

在 LF 炉处理过程中，温度升高，可以降低炉渣粘度，有效改善脱硫条件。从热力学角度看，脱硫反应的平衡常数 Ks 可随温度的升高而增加。从动力学的角度来看，温度的升高可以加速界面元件在钢水和炉渣之间的扩散速度，因此在一定范围内提高温度有利于脱硫。根据文献，结果如图 4 所示。

当温度达到一定值时，继续上升，但脱硫速率略有下降，主要原因是：根据热胀冷缩原理，当温度过高时，渣层较薄，钢水在电过程中容易露出，导致二次氧化， 且还原剂在渣层中的停留时间变短，导致渣层脱氧效果不佳，脱硫速率降低。因此，在生产低S和超低S钢牌号的过程中，在精炼操作工艺规程中，增加第一批材料的用量，待渣完全溶解后，少量、多次添加剩余的辅料，以尽早提高渣的温度，避免过程中温度大幅下降。出站后使用覆盖剂严格按照工艺要求执行，确保渣始终具有一定的温度。

5 钢水中 ALs 对钢渣中硫平衡分布的影响

钢水中的氧含量直接影响精炼渣的脱硫效果。从渣脱硫反应中可以看出，随着钢水中氧含量的增加，脱硫反应会受到抑制，因此为了保证精炼渣的脱硫效果，必须采取相应的措施降低钢水中氧含量。

这

钢中的氧含量也受炉渣中氧含量的影响，因为钢水和炉渣之间的氧分布均衡，当炉渣的氧化程度高时，炉渣中的氧会迁移到钢水中，导致钢水的氧化增强。此外，钢包耐火材料还会向钢水提供氧气，导致钢水氧化加剧 [6]。

铝是一种强脱氧元素，用铝脱氧可以有效降低钢液中的氧含量，当钢液中的酸溶性铝控制在150×10-6~300×10-6时，可以有效控制钢液中的氧化，铝脱氧反应的方程式为：

2A1+3[O] = A12O3

酸溶性铝对脱硫速率的关系如图 5 所示。

从图 5 中可以看出，当钢中酸溶性铝的含量控制在 200×10-6 左右时，脱硫速率明显提高。因此，减少钢水的氧化可以显著提高脱硫速率。在实际精炼生产中，在生产低S和超低S钢牌号的过程中，采用转炉强脱氧方式，使铝在整个精炼过程中保持，酸溶性铝尽可能控制在200×10-6左右，以加强钢液的脱硫。

6 氩流速对不同阶段深度脱硫的影响

从动力学的角度来看，吹氩和搅拌不仅提高了钢水与炉渣界面的接触面积，而且增加了扩散和传质的驱动力，对脱硫非常有利。但是，如果吹氩量过大，渣层厚度会太薄，甚至会露出钢水，导致二次氧化，严重时会影响冶金效果[7]。在精炼的实际生产过程中，调整氩气条件取决于炉渣的明显搅动，但不露出钢水是最好的供电系统。炉前根据炉渣的搅动及时与主控通讯，并根据炉渣的流动及时调整氩流速。根据现场实际情况，制定一套符合现有工艺的底吹氩控制标准和规范。

7. 精炼低硫和超低硫钢工艺的制定

（1）测定低S和超低S钢的目标渣成分：CaO：50%~55%，SiO2：10%~15%，Al2O3：20%~25%，T（FeO+MnO）：

（2）钢水的氧化：钢水中的ALS控制在200×10-6左右。

（3）钢水温度：一般控制在1580~1590°C，钢水温度最合理。

（4） 制定一套符合现有工艺的底吹氩控制标准和规范。

8 数据与效果比较

经过大量的测试分析，精炼操作区根据研究结果明确了工艺运行各关键点的具体参数，在对四班倒作业的测试结果进行统一训练和跟踪后，完成了对低硫和超低硫钢精炼过程的研究任务， 成品S试验前后的具体情况见表1。

试验前每炉白灰添加量为1640.3kg，试验后每炉白灰添加量为1396.5kg，试验后单炉平均比试验前节省石灰243.8kg。

9 总结

通过技术创新，实现了对低硫和超低硫钢中S含量的稳定控制，提高了产品质量的稳定性，有效提高了我公司产品的市场竞争力，为拓宽高利润率的品种奠定了坚实的基础。通过技术创新、石灰的高效利用和低成本控制。只有每吨钢材的石灰成本才能节省：244.8kg/炉×410元/t÷1000÷105t/炉=0.96元/吨。

引用

[1] 方伟， 夏文勇， 罗仁辉， et al.LF炉快速脱硫工艺探讨[J].江西冶金， 2007（6）：4-6,24

[2] 王金辉.LF炉脱硫工艺系统研究与优化[D].鞍山：辽宁科技大学，2007

[3] 李文文.LF炉预熔精炼渣的研究与应用[D].沈阳：东北大学，2003

[4] 高艳红.LF炉含钡精炼渣的开发与应用[D].沈阳：东北大学，2005

[5] 赵斌.习安：习 建筑科技大学，2014

[6] 刘金雪.转炉冶炼超低硫钢工艺优化研究[D].鞍山：辽宁科技大学，2008

[7] 赵大同.超低硫钢冶炼中的脱硫工艺[J].科技创新导报，2010（22）：61

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