尚德禮¹，林洋²，呂春風¹，康磊¹，廖相巍¹，李偉東²

（1. 鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009；2. 鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧鞍山114021）

摘要：采用低SiO₂含量的CaO-Al₂O₃-SiO₂系脫硫劑，在180 t RH 上進行了深脫硫試驗。結果表明，脫硫率可達到70%以上，且處理過程中未發生回硫現象；RH 脫硫過程爐渣中FeO和MnO 含量的升高有利于爐渣光學堿度的提高；脫硫劑的合適加入量為1.5 t。

關鍵詞： RH；深脫硫；脫硫劑；光學堿度

隨著工程技術的發展， 人們對鋼的使用性能要求越來越高，鋼中硫作為有害元素，如果在熔煉過程中不能有效去除，將嚴重制約鋼的使用性能。目前煉鋼過程主要采用LF 精煉工藝進行深脫硫處理，盡管該技術非常成熟，但是在生產超低碳、超低硫鋼時，還存在一定問題。因為生產此類鋼時必須采用RH 真空精煉工藝進行脫碳， 同時為了脫硫又必須采用LF 精煉工藝， 也就是必須采用RH+LF 聯合處理方式才能生產該類鋼種。此種方法不僅生產成本高，而且處理時間長，因此RH 脫硫技術的應用逐步被重視^［1-4］。目前RH 脫硫的方法主要有兩種：RH 噴吹脫硫粉劑法和RH 真空室投入脫硫劑法。前者脫硫徹底，脫硫率可達80%~90%，鋼液硫含量由0.003 0%降至0.000 5%（質量分數）以下，但其需要復雜而昂貴的噴吹設備；后者雖相對脫硫率低，但不需添加、改造任何設備，方法簡便易行，且脫硫率可達40%~60%^［5］。因此，RH 真空室投入脫硫劑法具有良好的應用前景。另外，在物料消耗、溫度損失和鋼液增氮控制方面，采用RH 工藝無疑具有明顯的優勢。

盡管RH 真空室投入脫硫劑的方式可行，但是對于爐渣光學堿度及脫硫劑加入量等方面還沒有相關深入研究的報道。為了認清RH 脫硫本質及提高脫硫效率， 本文結合鞍鋼生產設備和工藝特點， 針對無取向硅鋼采用RH 真空室投入脫硫劑法進行脫硫試驗研究。

1 脫硫劑的選擇

CaO-Al₂O₃-SiO₂相圖見圖1^［1］所示。由圖1 可以看出，1 300 ℃附近有三個低熔點區域， 分別在圖1 中標為I、II、III，I、III 具有較高的SiO₂含量，不能用于鋁脫氧鋼的精煉處理，而II 區SiO₂活度較低不會回硅， 該組成渣系適宜作鋁脫氧鋼的精煉渣，同時可保證一定的爐渣堿度，有利于脫硫。

因此本試驗采用脫硫渣的組分位于相圖中的II 區附近，該區域精煉渣的熔點略高于1 300 ℃，從熔化點來看，該渣系熔點低，有利于脫硫。

試驗共采用兩種類型的脫硫劑， 分別稱為A 型和B 型， 兩種脫硫劑的組分以相圖中II 區的組分為基礎，進行了成分微調。

2 RH 處理過程脫硫試驗

2.1 工藝路線

工藝路線為：鐵水預脫硫→轉爐吹煉(180 t)→擋渣出鋼→吹氬站→RH 脫硫（真空室投入法）→連鑄，試驗鋼種為無取向硅鋼。操作過程中，在RH脫氧合金化后，分3 批將脫硫劑加入真空室，攪拌8 min，提升氣體流量定為120 m³/h，RH 處理結束后上機澆鑄。采用A 型和B 型脫硫劑各進行2 爐，共4 爐試驗。

2.2 取樣要求及分析方法

試驗過程需取2 類試樣，包括鋼樣和渣樣。分別在RH 搬入、RH 加脫硫劑前、RH 搬出、中間包工位取鋼樣和渣樣， 鋼樣要求采用圓桶取樣器取樣。然后分別對所取鋼、渣樣進行化學成分分析。

3 試驗結果與分析

3.1 化學成分分析

RH 脫硫試驗結果見表1。由表1 看出，采用RH 處理的4 爐鋼的脫硫率平均達到59.6%，最高脫硫率達到67.5%， 整個處理過程中未發生回硫現象，說明該處理方法具有較好的脫硫效率。由表1 還看出， 前兩爐使用A 型脫硫劑的脫硫效率要高于后兩爐使用B 型脫硫劑的脫硫效率， 說明兩種脫硫劑的脫硫能力存在差別。

對鋼包渣樣進行分析， 研究脫硫過程中爐渣成分的變化特點，爐渣的化學成分見表2。

由表2 看出， 經RH 處理后的爐渣氧化性較高，渣中FeO 含量可高達7%左右，MnO 含量也高達5%以上，這種爐渣顯然不適用LF 深脫硫工藝。LF 精煉過程對鋼包渣脫氧進行白渣操作是造渣精煉的關鍵，而LF 爐深脫硫必須在低氧化性爐渣中才能順利進行，當鋼包渣中ω（FeO+MnO）下降至1％以下時，才能達到顯著的脫硫效果^［7］。顯然，常規LF 脫硫理論已經不能很好的解釋RH 的脫硫過程，需新的理論解釋RH 脫硫過程。

3.2 爐渣的光學堿度及硫容量分析

硫容量是能夠準確表達脫硫劑脫硫能力的一個參數， 它是在封閉體系中當氣渣間達到平衡時的實驗測定值，但是實驗測定不可能經常進行，需要一個簡便而可靠的預測手段。

光學堿度是替代傳統堿度的一種科學方法，它是以各種氧化物的化學鍵為基礎發展來的賦予渣中所有成分以獨立的堿度指標。由于脫硫劑或脫硫渣中具有多種氧化物， 原先評定堿度的方法無法評定多種氧化物， 因此光學堿度比傳統的堿度表達式更有預測性， 并具有一定程度的廣泛性和獨立性^［8］。

試驗渣光學堿度根據下式計算［9］：

式中，x_i為各氧化物陽離子的當量分數；Λ_i為氧化物的理論光學堿度。

式中，W_i為渣中氧化物i 的重量，%；M_i為氧化物i的克分子量；O_i為氧化物的氧原子數目。

試驗渣硫容量根據下式計算［8］：

計算所涉及爐渣中各組元的光學堿度見表3。

根據式（1）、（2）和表2、3 中的數據可計算出爐渣的光學堿度和爐渣的硫容量，結果見表4。

顯然，表4 中，前2 爐（1#、2#）的脫硫率高于后2 爐（3#、4#）的脫硫率，前2 爐的脫硫率達到60%以上， 而后2 爐的脫硫率分別為55.8%和52.4%，均未達到60%。在光學堿度方面，前2 爐的光學堿度高于后2 爐，大約高出0.03%，但是前2 爐的硫容量與后2 爐的相比卻提高了將近2.5 倍， 說明少量提高光學堿度就可以顯著增強爐渣脫硫能力。為了分析爐渣光學堿度與各組元的關系，分別統計前2 爐和后2 爐的爐渣中CaO 和FeO+MnO 含量的平均值，結果見表5。

由表3 中單個組元的光學堿度數據可知，CaO和FeO 的光學堿度同為1，而MnO 的光學堿度也接近1，為0.98，因此，爐渣中的CaO 和FeO+MnO含量的提高有利于爐渣光學堿度的提高。相應的，爐渣的硫容量（Cs）也有所提高，使得脫硫效率提高。這一理論并不有悖于常規的脫硫理論，常規理論認為， 渣中FeO+MnO 含量越低越有利于脫硫，這是由于在FeO+MnO 含量較低的高堿度爐渣中CaO 含量相應較高，CaO 含量的提高同樣提高了爐渣的光學堿度和Cs，也就有利于脫硫。因此根據爐渣光學堿度理論，RH 處理過程無需頂渣改質造低氧化性渣， 完全可以應用高氧化性爐渣進行深脫硫。從生產數據來看，RH 真空室投入脫硫劑的方式也確實達到了深脫硫的目的。

3.3 脫硫劑加入量分析

工業試驗已證明A 型脫硫劑的脫硫效果較好， 因此生產過程中采用A 型脫硫劑進行脫硫處理，統計不同加入量與脫硫效果的數據，見圖2。由圖2 可見，脫硫率隨脫硫劑加入量的增加而增加，加入量從0.5 t 增至1.5 t 時，脫硫率增加幅度較大，從38%很快增加至70%。但是加入量超過1.5 t 時，脫硫率增加幅度顯著降低，僅從70%增至72%， 也就是渣量繼續增加， 脫硫率幾乎沒有增加。但常規LF 脫硫理論認為，鋼水精煉結束的硫含量與鋼水初始硫含量及鋼包頂渣硫含量有下列關系：

式中，ω［S］為鋼中硫的質量數；Σω（S）為鋼渣中所有硫的質量數之和；ω（S）為渣中硫的質量數；b 為渣量。

由式（4）可見，增大渣量有利于脫硫。在脫硫試驗中，當脫硫劑加入量小于1.5 t 時，脫硫率隨脫硫劑加入量的增加而顯著增加， 這一關系與公式（4）基本一致。但脫硫劑加入量高于1.5 t 時，脫硫效率并沒有隨脫硫劑加入量的增加而顯著增加。這一結果顯然與通常的脫硫理論不一致，可進行如下解釋， 真空室內的鋼和渣在下降管上方會出現漩渦，熔渣通過漩渦卷入鋼水，并連同鋼水進入鋼包，即完成了脫硫的主要過程。當脫硫劑加入量增多時，由于渣層厚，熔渣更容易被下降管上方的漩渦卷入，很快進入鋼包，完成脫硫過程。因此增加脫硫劑加入量并不會對脫硫率的提升起到顯著作用。此外，過大的渣量會使爐渣熔化速度慢，爐渣的流動性差，也不利于脫硫。

脫硫劑加入量過多，還容易使鋼包凈空減少，造成鋼包溢渣事故，而且脫硫劑量加入過多，會使能耗增加，從而增加成本，因此從試驗結果看，脫硫劑加入量以1.5 t 為宜。

由于RH 處理的鋼種是硅鋼， 硅鋼的特點是硅含量比較高， 當真空室投入的脫硫劑由下降管連同鋼水進入鋼包的過程中，鋼液脫氧產物中SiO₂與脫硫劑結合， 由于SiO₂等酸性氧化物能使粘滯流動單元尺寸變大，結果使爐渣粘度增加^［11］。因此，脫硫后的爐渣上浮至鋼包液面上以后，流動性變差，使得爐渣中的硫不會再次返回至鋼液，也就不會發生鋼液回硫現象。

4 結論

（1） CaO-Al₂O₃-SiO₂系脫硫劑熔點低，且SiO₂含量低，適用于鋁脫氧鋼的精煉處理，脫硫效果非常顯著，脫硫率可達70%。

（2） 常規脫硫理論已不能很好的解釋高氧化性爐渣的脫硫過程， 但光學堿度理論適用于高氧化性爐渣， 即渣中FeO+MnO 含量的升高有利于RH 處理過程爐渣光學堿度的提高，光學堿度少量提高就可以大幅度的提高硫容量（Cs），相應的也提高了爐渣的脫硫效率。

（3） 在RH 處理過程中，脫硫劑的加入量并非越多越好，合適的脫硫劑加入量為1.5 t，過多的加入脫硫劑不僅造成能耗增加， 還可能引起鋼包溢渣事故。另外，還可能導致鋼液溫降過大，降低脫硫率。

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