转炉炼钢脱硫试验与脱硫反应理论分析

JournalofWuhanUniversityofScienceandTechnologyVol.32,No.5

Oct.2009

转炉炼钢脱硫试验与脱硫反应理论分析

余其红,刘文华,王庆祥

(武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室,湖北武汉,430081)

摘要:在90t顶底复吹转炉上进行了12炉次炼钢过程的脱硫试验,并分别在每炉开吹后的5、10、15min(出钢前)测量其炉温,且取钢和渣样,测量其钢、渣的组成。结果表明,随着冶炼的开展,钢中硫的含量先升高后降低,渣中硫的含量则逐渐升高;炉渣的脱硫能力随炉渣氧化性的增大而减小,随着炉温的升高逐渐增大,随着炉渣碱度的升高,则先增加后减小。生产现场工业试验结果与转炉渣2钢脱硫反应理论分析结果相一致。关键词:转炉;炼钢;脱硫

中图分类号:TF704.3　　文献标志码:A　　文章编号:167423644(2009)0520476204

　　硫对钢而言是有害元素。硫在钢中所形成的硫化物可降低钢的韧性,硫化锰夹杂是钢基体腐蚀的发源地,钢的“氢脆”与钢中硫化物夹杂也有密切关系。现在很多重要用途的钢中硫含量要求越来越严格。炼钢是钢铁生产的主要工序之一,它对降低生产成本、提高产品质量、扩大产品范围具有决定性的影响。转炉是目前国内最主要的炼钢方法,其产量已超过全国钢产量的80%。长期来,去硫一直是转炉炼钢的主要任务之一。然而,采用铁水预处理工艺后,由于转炉原料铁水硫含量大大下降,从而忽略了转炉脱硫的功能,甚至不少转炉变成了增硫[1]。例如,某转炉预脱硫原料铁水w[S]=0.005%,但转炉出钢时,w[S]超过0.01%,甚至达到w[S]=0.02%,回硫非常严重。因此,研究预脱硫原料铁水条件下转炉吹炼过程钢中硫的变化规律和影响因素,开发有效的脱硫和控制回硫技术是目前转炉炼钢的重要课题之一。为此,本文主要分析转炉冶炼过程渣2钢脱硫反应的平衡,在90t顶底复吹转炉上进行炼钢过程的脱硫试验,测量了冶炼过程钢、渣中硫含量和炉渣碱度、氧化性等主要参数的变化及其对炼钢脱硫的影响规律,以期为开发有效的脱硫和控制回硫技术、改善转炉冶炼过程提供理论依据。

Ks=

a(S2-)a[O]=

a[S]a(O2-)

(2)

2-r(S2-)n(S)f[O]w[O]2-f[S]w([S])r(O2-)n(O)

炉渣的脱硫能力常用硫在渣和钢中的分配系数Ls=wS/wS来表示。

钢中氧、硫浓度很低,其活度系数f[o]、f[S]可看作1[3];设K′s=Ksm,m为具体炉渣中硫的2-n(S)变换为w(S)所产生的常数。结合式(2),那么硫在渣2钢之间的分配系数Ls为

Ls

2-n(O)r(O2-)w(S)==K′s

w[S]w[O]r(S2-)

(3)

　　基于式(3),各种因素对硫在渣2钢之间分配系数Ls的影响如下:

(1)炉渣碱度对Ls的影响。渣中碱性氧化物越多,碱度越高,则n(O2-)越高,r(S2-)越小[425]。由式(3)可知,Ls越大,即炉渣的脱硫能力越强。

(2)渣中FeO对Ls的影响。当渣中FeO浓度增大时,由反应式(FeO)=[Fe]+[O]增大w[O]。由式(3)可知,w[O]越大,Ls越小,即炉渣氧化性高不利于去硫。

(3)温度对Ls的影响。式(1)为吸热反应,吸热量为108～128kJ/mol[4]。温度升高,式(1)的平衡常数Ks增大,从而K′s增大,进而Ls也增大,高温有利于反应的正向进行,有利于脱硫。提高温度还可以提高炉渣的流动性,促进石灰熔解,加速流动性好的高碱度渣的形成,从而收到更好的脱硫效果。

1　转炉冶炼脱硫条件

根据离子理论,渣2钢脱硫反应可表示为[2]

(1)[S]+(O2-)=[O]+(S2-)

式(1)的平衡常数Ks为

　　收稿日期:2009204229

　　作者简介:余其红(19772),男,武汉科技大学博士生.E2mail:yu13871330007@126.com

　　通讯作者:王庆祥(19452),男,武汉科技大学教授,博士生导师.E2mail:wqx4546@yahoo.com.cn

2009年第5期余其红,等:转炉炼钢脱硫试验与脱硫反应理论分析

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(4)渣量对Ls的影响。增大渣量可以降低(CaS)或(S2-)的浓度,有利于脱硫反应的进行,

由图1可看出,随着冶炼的开展,钢中硫的含量先升高后降低。产生这一变化的原因是,由于加入造渣剂、废钢等原材料中含有一定的硫,在转炉吹炼的前、中期,随着温度的逐步升高,造渣剂、废钢等原材料逐渐熔化,导致钢中硫含量相应地有所增加。在转炉吹炼的后期,随着冶炼的开展,温度继续升高,石灰熔化逐步完全,炉渣的碱度也逐渐升高,渣的流动性变好,有利于脱硫反应的进行,从而使钢中硫含量降低。3.2　渣中硫含量随冶炼时间的变化

图2为12炉次生产的现场脱硫工业试验所得各时间点渣中硫含量随冶炼时间的变化。由图2可看出,随着冶炼的进行,渣中硫的含量持续升高,在冶炼前、中期升高的速度比后期快。这是因为冶炼前、中期随着温度的升高,加入的造渣剂等原材料中含有的硫,随着造渣剂等原材料的逐渐熔化而逐步进入渣中。在后期则主要是因为渣2钢脱硫反应的进行,钢中的硫转入炉渣之中,使得渣中的硫继续升高。

对脱硫也是有利的。

2　试验与操作

现场试验在容量为90t的顶底复吹转炉上进行。该转炉顶部供氧强度为3.0～3.5m3/t・min,工作压力为0.8～0.85MPa;底部吹氩强度为0.03～0.04m3/t・min,工作压力为0.8～0.85MPa。冶炼钢种有炭素钢、低合金钢、镇静钢等。本研究共试验了12炉次,主要针对SPHC钢开展。试验所用原料铁水和终点钢水的主要元素含量分别如表1和表2所示。

表1　原料铁水的主要元素平均含量

Table1Averagecontentsofthemainelementsinthehotmetal

元素

wB/%

Si0.42

Mn0.59

P0.101

S0.030

表2　终点钢水的主要元素平均含量

Table2Averagecontentsofthemainelementsinthemoltensteel元素

wB/%

C0.045

Si0.01Mn0.07P0.014

S0.009

　　每炉次分别在吹炼后的5、10、15min(出钢

前)取钢和渣样,每次取样后同时测定炉温。钢样用于测定钢水成分,渣样用于测定炉渣组成。由冶炼过程各时间点钢样、渣样测得的钢水成分和炉渣成分结果,经R=w(CaO)/w(SiO2),Ls=w(S)/w[S],计算得到冶炼过程各时间点炉渣碱度R和硫在渣2钢之间的分配比Ls。

图2　渣中硫平均含量随冶炼时间的变化

Fig.2Variationofaverage(S)intheslagwithsmeltingtime

3.3　碱度R对Ls的影响

3　结果与分析

3.1　钢中硫含量随冶炼时间的变化

图1为12炉次生产的现场脱硫工业试验所得各时间点钢中硫平均含量随冶炼时间的变化。

图3为12炉次生产的现场脱硫工业试验有关数据计算所得炉渣碱度R对硫在渣2钢之间的分配比Ls的影响。由图3可知,随炉渣碱度的升高,炉渣的脱硫能力先逐渐增加,在碱度为5左右时获得最好的脱硫效果;当碱度大于5后随碱度

图1　钢中[S]平均含量随冶炼时间的变化

Fig.1Variationofaverage[S]inthesteelwithsmeltingtime

图3　炉渣碱度对Ls的影响

Fig.3EffectofalkalinityofslagonLs

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武汉科技大学学报2009年第5期

升高,炉渣的脱硫能力Ls趋于稳定,甚至有所下降。其原因是因为脱硫需要碱度,所以在一定的范围内增大炉渣碱度,炉渣的脱硫能力增强,Ls上升,至碱度为5附近时获得最好的脱硫效果;而在碱度大于5后,熔渣碱性氧化物趋于饱和,Ls趋于稳定;然而过高的碱度会使熔渣的熔点升高,流动性降低,恶化脱硫的动力学条件,反而会降低脱硫效果,从而导致炉渣的脱硫能力有所下降。由此可知,由于转炉炼钢去硫是在钢2渣界面进行的反应,故在提高炉渣碱度时,还应同时考虑脱硫的动力学条件,以保证熔渣具有适宜的流动性。3.4　炉渣氧化性对Ls的影响

图5　温度对Ls的影响

Fig.5EffectofsmeltingtemperatureonLs

从而得到更好的脱硫效果。

4　结论

(1)90t顶底复合转炉12炉次炼钢脱硫工业

图4为12炉次生产的现场脱硫工业试验有关数据计算所得炉渣氧化性(以w(FeO+MnO)表示)对Ls的影响。由图4可看出,硫在渣2钢之间的分配比Ls随着炉渣氧化性的增大而减小。这是因为随着炉渣w(FeO+MnO)增大,炉渣氧化性增强,还原性减弱。高氧化性不利于脱硫反应的进行,所以Ls逐渐下降。

试验结果表明:随着冶炼的开展,钢中硫的含量先升高后降低;随着冶炼的进行,渣中硫的含量持续升高;随炉渣碱度的升高,炉渣的脱硫能力先逐渐增加,在碱度为5左右时获得最好的脱硫效果,之后脱硫趋于稳定,甚至有所下降。

(2)硫在渣2钢之间的分配比随着炉渣氧化性的增大而减小,随着温度的升高,炉渣的脱硫能力逐渐增大。

(3)生产现场工业试验结果与转炉渣2钢脱硫反应理论分析结果相一致。

参考

文

献

[1]　刘浏.转炉炼钢生产技术的发展[J].中国冶金,

图4　炉渣氧化性对Ls的影响

Fig.4EffectofoxidizabilityofslagonLs

2004(2):8211.

[2]　黄希祜.钢铁冶金原理[M].北京:冶金工业出版社,

2004:380.

[3]　梁连科.冶金热力学与动力学[M].沈阳:东北工学

3.5　炉温对Ls的影响

图5为12炉次生产的现场脱硫工业试验有关数据计算所得Ls随冶炼温度的变化。由图5

可看出,随着温度的升高,炉渣的脱硫能力逐渐增大。由此可知,较高的温度有利于渣2钢脱硫反应的正向进行,有利于脱硫。同时,升高温度还可以促进石灰熔解,加速高碱度、流动性好的渣形成,

院出版社,1990:216.

[4]　陈家祥.钢铁冶金学[M].北京:冶金工业出版社,

1990:115.

[5]　NzottaMM,SichenD,SeetharamanS.Astudyof

thesulfidecapacitiesofiron2oxidecontainingslags[J].MetallurgicalTransactionB,1999,30B:909.

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Desulfurizationofsteelmakinginconverter

anddesulfurizationreactiontheory

YuQihong,LiuWenhua,WangQingxiang

(KeyLaboratoryforFerrousMetallurgyandResourcesUtilizationofMinistryofEducation,WuhanUniversityof

ScienceandTechnology,Wuhan430081,China)

Abstract:12testsofdesulfurizationofsteelmakingwerecarriedoutina90ttop2bottomblowingcon2verter.Ineachtest,temperaturewasmeasured,andsteelandslagsamplesweretakenat5min,10minand15min(beforetapping)separatelyafterblowing.Steelandslagcomponentsweredeter2mined.Theresultsshowthat,withthesmelting,thesulfurcontentinthesteelfirstincreasesandthendecreaseswhilethesulfurcontentintheslagincreasesgradually.Thedesulfurizabilityoftheslagdecreaseswiththeincreaseoftheoxidizabilityoftheslagbutincreaseswiththatofthetempera2ture,andfirstincreasesandthenstabilizesorevendecreaseswiththeincreaseoftheslagalkalinity.Thetestresultsareinagreementwiththoseoftheoreticalanalysisoftheslag2steeldesulfurizationre2action.

Keywords:converter;steelmaking;desulfurization

[责任编辑　徐前进]