汽車用鋼生產平臺鐵水攪拌法脫硫的研究

孫建立

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司， 河北 唐山 063210）

某鋼廠努力打造高級別汽車用鋼生產平臺，鐵水脫硫是該平臺的首要工序。生產高級別汽車用鋼，對硫的要求較高，需要對鐵水進行深脫硫處理，KR脫硫攪拌法的脫硫效果好，可以滿足上述工藝條件的需求。KR攪拌脫硫法具有良好的脫硫動力學條件，適用于大批量穩定生產超低硫鐵水。其脫硫劑為m（CaO）和 m（CaF2）采用 9∶1 的比例配置，廉價易得，而且易于儲存，脫硫效果好。因此，該汽車用鋼的鐵水預脫硫設備可以持續、低成本地得到低硫甚至超低硫鐵水。

1 脫硫熱力學與動力學分析

CaO系脫硫劑與鐵水中的硫發生如下反應：

由于CaO的脫硫產物中含有O2-離子，所以當鐵水中含有Si等強脫氧元素時，將與游離O2-離子發生反應。其中a代表式（2）中各物質的活度。

由于CaO與CaS相互間的溶解度很小，故可以認為 aCaO≈aCaS≈1。取 a2CaO·SiO2=1，且 aSi≈[Si]，則 K1可表示為：

該反應平衡常數為式中：活度系數fs可表示為：

式中為相互作用系數，該鋼廠脫硫入站溫度為1280~1450℃，平均為1390℃，在該溫度下[C]、[Si]、[Mn]、[P]分別為鐵液中 S、C、Si、Mn、P 的質量分數。根據式（4）和該鋼廠鐵水條件，可計算出活度系數。由式（3）可計算出，使用CaO脫硫劑，在1380℃條件下平衡時，鐵水硫可降至0.0001%以下。

脫硫動力學條件為：高溫、高堿度、低（FeO）含量和爐渣良好的流動性[3]。而該鋼廠大型高爐和“一罐到底”技術使得鐵水溫度更高[4]，平均到站鐵水溫度可以達到1390℃，更有利于KR攪拌法脫硫。

2 脫硫工藝設備及流程

KR攪拌脫硫是汽車用鋼生產平臺的首要工序，該鋼廠現有四座300 t KR脫硫裝置，鐵水100%脫硫，可將鐵水中硫降至0.0020%以內。

2.1 工作原理

KR攪拌法的工作原理是通過控制攪拌頭在鐵包中的攪拌時間、攪拌速度和攪拌深度，使脫硫劑與鐵水充分均勻混合，以快速發生反應脫去鐵水中的硫。

2.2 KR脫硫裝置工藝設備布置

脫硫劑備料系統包括脫硫劑運輸槽車、上引式BCD倉式氣力輸送泵、脫硫劑料倉、鋁渣料倉；加料系統包括脫硫劑稱量斗、稱量斗卸料閥、受料溜槽、加料溜槽、脫硫劑加料用伸縮溜槽；攪拌系統包括攪拌頭、攪拌頭升降及旋轉設備、攪拌頭更換小車、攪拌頭存放架；扒渣系統包括扒渣機、撈渣機、吹渣機、渣罐；行走系統包括天車、鐵包傾翻臺車、渣罐運輸車；除塵系統包括料倉脈沖清潔式布袋除塵器、KR罩、KR活動煙罩、扒渣罩、KR除塵翻板、扒渣翻板等。

2.3 脫硫劑

該鋼廠采用的脫硫劑為 m（CaO）∶m（CaF2）為 9∶1的混合料。脫硫劑的主要活性物質為CaO，在脫硫過程中，脫硫劑中所含的SiO2易與CaO表面形成致密的2CaO·SiO2，該物質既阻礙了CaO發揮脫硫效果，又阻礙了脫硫產物向外擴散，因此，為了避免致密性2CaO·SiO2的生成，脫硫劑需要SiO2越低越好，降低脫硫劑粒度以增大反應界面積，并且在脫硫劑中加入CaF2也可以防止致密2CaO·SiO2的生成。

2.4 脫硫工藝流程

該鋼廠脫硫工序流程見圖1所示。該流程按照工序服從原則設計，從鐵水進脫硫工位到出脫硫工序，各個操作崗位都在主操作員的控制下，有專人負責，以確保各工序的質量達標。

圖1 脫硫工序流程圖

3 脫硫技術指標分析

3.1 脫硫效果

以高級別汽車板為例，統計了20包生產實績數據，由表1可見該設備脫硫效果較好，可將鐵水硫降至0.0020%以下，并且在該鐵水條件下，脫硫劑的消耗也控制在比較合理的范圍內。作為汽車用鋼冶煉的首要工序，KR攪拌脫硫可以使鐵水硫含量達到要求。

表1 KR鐵水脫硫實績及回硫統計數據表

3.2 攪拌頭壽命

該鋼廠所使用的攪拌頭為帶澆注耐火材料的四葉攪拌頭，中心通空氣冷卻，重6.5 t。新攪拌頭正常轉速100~120 r，舊攪拌頭最大轉速150 r。攪拌頭耐材高度為1000 mm，下底直徑1268 mm，上底直徑1440 mm，金屬件與耐材總高度4440 mm?，F用攪拌頭壽命一般在200余次。

攪拌頭的作業方式為間歇式作業，間歇式作業帶來的急冷急熱極易損壞攪拌頭。攪拌頭工作條件惡劣，既要承受高溫鐵水和黏渣帶來的急劇沖刷與浸透侵蝕，又要承受間歇式工作帶來的急冷急熱對攪拌頭的熱應力損傷。通過對攪拌頭使用過程的觀察與分析，攪拌頭的損壞主要集中在葉片端部，攪拌軸只有輕微的攪拌磨損和黏渣侵蝕。如圖2所示，攪拌頭的主要損壞方式有頂部黏渣、侵蝕、葉片剝落、熔損孔眼、剝落凹坑、裂紋溝槽、棱邊磨損、龜裂等。圖3所示為現場正在使用的攪拌頭。通過對使用后攪拌頭拆除過程的觀察發現，在未完全破損的攪拌葉棱角部位裂紋比較集中，鐵水通過裂紋向深處滲透，并在金屬芯與耐火材料工作層之間沿結合面擴展，向攪拌葉的迎鐵面、背鐵面和側端面擴展，尤其是在攪拌葉側端面，攪拌葉金屬芯已基本被鐵水覆蓋，從而降低了攪拌頭復合結構體的整體性，加劇了工作襯的結構剝落。由此可見，龜裂與滲透是導致攪拌頭最終破損的主要原因。

圖2 攪拌頭破損形式示意圖

圖3 現場生產攪拌頭圖片

攪拌頭的損壞機理一般認為是：應力毀壞、鐵水磨損和化學侵蝕[5]。應力包括熱應力、機械應力和結構應力，攪拌頭在不同鐵水溫度下的冷熱不均，以及攪拌扭矩帶來的力學沖擊等都會對攪拌頭造成不同程度的損壞；鐵水磨損主要是攪拌器插入鐵水中旋轉攪拌時，因克服鐵水阻力與旋轉狀況下鐵水的沖刷造成的磨損；化學侵蝕是在高溫條件下，鐵水、熔渣對攪拌器澆注層的化學侵蝕。

根據攪拌頭損壞原因分析，設計合理的攪拌頭結構，合理配比耐火材料種類和數量，采取提高抗熱震性、抗沖刷性和整體致密性的有關技術措施的改進，延長烘烤時間，可將攪拌頭在使用前插入鐵水中進行熱浸透，會使攪拌頭壽命得到大幅度提高，滿足了100%脫硫生產的要求。

3.3 回硫的防止

該KR攪拌脫硫設備可以將鐵液中的平均S含量（質量分數）穩定地控制在0.0020%以下，而全流程終點硫的控制主要取決于后續工序的回硫量。由大量統計數據可得，轉爐出鋼后平均回硫量為0.0048%。對于KR脫硫裝置回硫量的計算，以某包鐵水為研究對象，該包鐵水為300 t，硫的脫除量為0.04627%，總回流量為0.0032%，假設渣的扒除率為95%，轉爐條件下計算出硫的分配，可以算出殘渣的回硫量。

減少KR殘渣和廢鋼、渣料等輔助材料帶入的硫，以及適當提高脫磷爐渣堿度以增大硫的分配比，是減少鋼液回硫的關鍵。在脫硫位，脫硫后扒渣是防止回硫的必要措施，嚴格扒渣操作，將后渣的扒除率大于95%是防止回硫的關鍵措施。

4 結論

4.1 脫硫熱力學與動力學

通過脫硫熱力學與動力學分析，可得脫硫的條件為：高溫、高堿度、低氧化性和適當的渣量。

4.2 脫硫效果

該裝置可將鐵水中硫降至0.0020%以內，鐵水平均處理時間為35 min，平均溫降為26℃，完全可以滿足高級別汽車用鋼生產對于鐵水硫的要求。

4.3 攪拌頭壽命

設計合理的攪拌頭結構，合理配比耐火材料種類和數量，采取提高抗熱震性、抗沖刷性和整體致密性的有關技術措施的改進，延長烘烤時間，可將攪拌頭在使用前插入鐵水中進行熱浸透，會使攪拌頭壽命得到大幅度提高。

4.4 回硫的控制

全流程終點硫的控制主要取決于后續工序的回硫量，增大KR脫硫后的扒渣量，減少廢鋼、渣料等輔助材料帶入的硫，適當增大脫磷爐渣堿度，增大硫的分配比，是減少半鋼回硫的關鍵。