煉鋼全流程硫含量的控制與優化

楊趙軍，胡顯堂，謝翠紅，石樹東，楊榮光

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200）

0 引言

硫元素作為煉鋼過程常規控制元素，對絕大部分鋼種是非常有害的。它降低鋼的延展性及韌性，損害鋼的抗蝕性，對焊接也有不利影響。硫含量是鋼水潔凈度的重要指標之一，針對硫含量要求不同的品種，現代鋼鐵企業煉鋼過程如何選擇高效、經濟的脫硫工藝技術來控制鋼中硫含量來滿足品種質量和市場需要，是煉鋼企業面臨的重要問題之一。

某公司煉鋼廠設計鋼產量為464 萬t，配置有3座200 t 轉 爐、3 套200 tLF 爐、2 套 雙 工 位200 tVD爐、2 臺單流中厚板坯連鑄機，1 臺單流多模式全連續鑄軋薄板生產線。KR、BOF、LF 和VD 都具備脫硫功能，采用“KR—BOF—LF—VD—CC”工藝路線生產時，脫硫任務主要以KR 和LF 爐為主，VD 爐具備良好的脫硫功能但未充分發揮其應用價值。本文依據產品對硫含量要求的不同，對整個生產流程的脫硫操作進行最優化控制，以使脫硫成本降到最低。

1 脫硫理論分析

1.1 KR 脫硫

KR 脫硫法為機械攪拌脫硫，其工作原理：在鐵水中加入脫硫劑，利用動力學條件，通過機械攪拌將脫硫劑與鐵水在攪拌過程中充分結合反應，實現脫硫，將脫硫產物扒除，得到含硫量較低的鐵水。目前KR脫硫工藝基本以石灰作為脫硫劑，再配入少許螢石、鋁渣作為助熔劑。鐵水中的碳和硅能大大提高硫在鐵水中的活度系數，且能提供良好的脫硫條件。

當鐵水中的w（Si）在0.05%以上時，脫硫過程主要反應為：

當鐵水中的硅含量很低時，脫硫反應為：

脫硫處理前需將高爐渣扒除，以提高脫硫效率；扒除脫硫后渣是穩定脫硫效果、防止返硫的關鍵。KR脫硫工藝采用“前扒渣—攪拌脫硫—后扒渣”的操作流程，具有較好的脫硫動力條件，脫硫后鐵水w（S）可以降至0.005%以下，甚至0.001%以下，脫硫率高（90%以上）[1-7]、重現性、穩定性好，但也存在鐵水的溫降較大、鐵損較大、脫硫劑利用率偏低、處理周期較長等工藝弱點。

1.2 轉爐脫硫

轉爐煉鋼過程脫硫以爐渣脫硫為主，屬于鋼-渣界面反應。根據離子理論，渣-鋼脫硫反應[8]可表示為：

作為堿性轉爐，影響鋼-渣間脫硫反應的因素主要有熔池溫度、爐渣成分和鋼液成分。

金屬液中的Si、C 等元素能提高硫在鐵水中的活度系數，降低氧活度，有利于脫硫，使[S]易向渣-金屬液面轉移。復吹轉爐脫硫主要在冶煉中后期，一般情況下轉爐冶煉過程脫硫率最高達40%[9-11]。但是在鐵水原始硫含量很低的情況下，由于入爐的石灰、廢鋼等爐料帶入較高含量的硫，往往會在轉爐冶煉過程出現回硫現象。

轉爐出鋼過程“渣洗”脫硫是比較有效的簡易脫硫技術。利用轉爐出鋼過程高溫鋼水強大的攪拌動能，把脫硫劑與鋼水快速混勻互溶，形成高堿度、低熔點脫硫渣，促進渣鋼反應，從而獲得良好的脫硫效果。根據鋼種不同，轉爐出鋼渣洗平均脫硫率一般能控制在30%～50%的范圍[12-15]。

采用鋁脫氧的脫硫反應為：

從熱力學角度分析，鋼水脫硫效果與鋼水中氧含量及渣堿度有關。鋼水氧含量越低，爐渣堿度越高，鋼水脫硫越容易實現。要想獲得良好“渣洗”效果，選擇硫容量較大的脫硫劑，減少下渣量，強化鋼水與脫硫劑的混勻攪拌，加入脫氧劑降低渣中氧化性。

1.3 LF 鋼包爐脫硫

目前各種含鋁鋼爐外精煉深度脫硫工藝方法，均首先要對鋼液進行鋁脫氧，w[A1]大多在0.02%～0.06%范圍，另外對爐渣進行強擴散脫氧以降低爐渣的氧勢，將爐渣中w（FeO+MnO）降低至1.0%以下，甚至更低。LF 爐具有良好的脫硫熱力學和動力學條件[16-18]。

從熱力學角度分析，鋼液脫硫的原理為：

式中：T 為鋼液溫度；aCaS為渣中CaS 的活度；aAl2O3為渣中Al2O3的活度；aCaO 為渣中CaO 的活度；aAl為鋼中Al 的活度；aS為鋼中S 的活度；渣中CaS 和鋼中S 的活度分別用活度系數和濃度來表示：

將（8）式代入（7）式，整理后可得渣鋼間硫的分配比：

從動力學角度分析，LF 爐加強氬氣攪拌可以增加硫向鋼-渣反應界面傳質的速度，有利于提高脫硫反應速率。LF 爐深脫硫時，鋼水比攪拌功率計算公式如下：

經分析可得，LF 爐脫硫的最佳熱力學和動力學條件為：提高鋼液溫度；提高爐渣堿度，降低爐渣氧化性；降低鋼水氧化性，提高鋼中硫的活度系數；提高熔池的攪拌強度。從工業生產實踐情況來看，LF 爐脫硫率達到50%～70%及以上，雖然LF 爐可精煉0.002%以下極低硫鋼[19-20]，但存在著精煉周期長、渣量大、成本高等問題。

1.4 VD 真空精煉爐脫硫

在VD 真空精煉中吹入鋼液內部的Ar 流在對鋼液進行強烈攪拌的同時，鋼液上面的爐渣也經受強烈攪拌，加速了渣-鋼界面反應和硫在鋼、渣中的傳質速度，大大加快了脫硫反應，使其更易達到平衡。以生產厚板為主的鋼廠，卻更宜采用能夠更高效率脫硫并可以同時進行脫氧的方式。

根據文獻11 提出的鋼液吹氬攪拌功率的計算公式：

式中：M 為鋼液質量；Tst為鋼液溫度；TAr為氬氣溫度；pb、pt分別為鋼包底部、頂部壓強。

在相同氬氣流量條件下，67 Pa 下的單位攪拌功率約為101.325 kPa 下的5 倍。由此可見，真空條件下可大幅度提高鋼渣的攪拌效果，縮短混勻時間；真空下良好的脫氧，為脫硫創造了良好條件。采用LF 爐-VD 爐工藝，可將鋼中w（S）控制到0.001 0%以下，VD 爐脫硫率大于30%[21-23]。

2 原工藝流程存在問題

2.1 過度脫硫問題

在原工藝條件下，所有鐵水均進KR 爐進行深脫硫，將KR 出站w（S）降至0.002%以下。高爐鐵水w（S）平均為0.067%，KR 脫硫后鐵水w（S）為0.001%。脫硫鐵水入轉爐，由于轉爐煉鋼使用的部分輔料含有硫元素，鋼水增w（S）達到0.011%，轉爐終點w（S）為0.012%。LF 爐進站w（S）為0.008%，轉爐渣洗效率為33.3%。LF 爐出站時鋼液中的w（S）僅為0.003%，經過VD 爐的充分攪拌后鋼水中w（S）降至0.0012%左右，LF 爐脫硫率為62.5%，VD 爐脫硫率為60%。

目前，LF-VD 爐工藝路線中大多數鋼種w（S）上限＞0.005%，原工藝各工序存在嚴重脫硫過剩。原工藝條件下各工序硫含量控制情況如圖1 所示。

圖1 原工藝條件下各工序硫含量控制情況

2.2 KR 溫度損失大，消耗成本高

在原工藝條件下，KR 攪拌時間和鐵水溫降成正比，每爐次KR 平均攪拌時間為9 min 左右，KR 工序溫降大約為32 ℃，脫硫劑加入量為1.4 t/爐。同時，KR 攪拌前后硅元素燒損可達到0.03%。這些因素都會導致轉爐補熱劑的成本升高。

3 工藝改進措施

3.1 KR 爐-轉爐工序

為減少KR 的脫硫壓力和鐵水溫降，節省KR 周期和渣料。準確控制KR 出站硫含量。綜合分析攪拌時間、脫硫劑加入量和KR 進站硫對KR 出站硫的影響，摸索出KR 出站硫的擬合函數為：KR 出站w（S）=0.034 4+0.374×KR 進站w（S）-0.000 024×脫硫劑w（S）-0.0022×攪拌時間。

通過閱覽相關文獻和實際生產數據，入爐鐵水w（S）達到0.040%以上時，轉爐將發揮脫硫能力。因此綜合考慮鋼種硫含量要求和轉爐脫硫能力，對鐵水脫硫目標分3 類進行調整。對于w（S）上限為50×10-6～100×10-6的鋼種，KR 出站w（S）目標為0.030%～0.040%。對于w（S）上限＞100×10-6的鋼種，KR 出站w（S）目標為0.060%～0.070%。

通過實踐，KR 出站w（S）能達到設定目標范圍80%以上，提高了精準控制KR 脫硫能力，為發揮轉爐脫硫奠定基礎。具體的KR 分級脫硫數據如表1 所示。

表1 KR 分級脫硫

3.2 LF 爐-VD 爐工序

LF 爐維持現有小粒白灰加入量不變。LF 爐不進行鋼包底吹強攪脫硫，減少LF 爐處理過程中的溫降。降低LF 爐脫硫要求：LF 爐硫含量滿足“LF 爐w（S）≤1.5×判定w（S）上限”冶煉條件后即結束冶煉，吊往VD 爐。

充分發揮VD 爐的脫硫能力，利用VD 爐高堿度、強度攪拌、低氧化性等特點實現脫硫。深真空時間采用“12+4 模式”，即深真空前12 min 采用氬氣流量為150～200 L/min 進行脫硫脫氣強攪拌，后4 min 采用氬氣流量為30～50 L/min，以促進夾雜物上浮。

4 現場應用效果

4.1 硫含量優化

實施硫負荷工藝以后，各工序硫含量如圖2 所示。KR 工序出站w（S）明顯提高。KR 工序脫硫前鐵水w（S）為0.061%，KR 脫硫后鐵水w（S）為0.045%，大多數鋼種為脫硫輕處理模式。鋼水轉爐終點w（S）為0.041%左右，轉爐實現爐內脫w（S）在0.004%以上。LF 爐進站w（S）為0.025%，渣洗脫硫率達到39.66%。

圖2 實施硫負荷分配工藝各工序硫含量變化

在LF 爐渣量加入量不變的前提下，LF 爐進站w（S）為0.025 1%，LF 爐出站w（S）為0.007 6%，經過VD爐的充分攪拌脫硫后，VD 出站w（S）降至0.001 4%左右，遠低于成品硫含量要求。數據證明，實施硫負荷工藝后，LF 爐和VD 爐工序脫硫量明顯提高。

4.2 脫硫效率提升

圖3 為改善前后各工序的脫硫率情況。在KR 工序，改善前KR 脫硫率為98.50%，改善后KR 爐脫硫率為26.22%，KR 脫硫任務降低明顯；在轉爐工序，改善前轉爐因加入各種輔料造成鋼水增硫。改善后轉爐吹煉前鐵水w（S）較高，達到0.045%，輔料增w（S）0.011%左右，經過轉爐渣洗后w（S）降至0.025%，在轉爐工序的脫硫率達到68.90%；LF 爐工序，改善前LF 爐脫硫率為60.97%，改善后脫硫率上升至69.73%。在VD 爐工序，改善前VD 脫硫率為63.3%，改善后脫硫率為80.26%。VD 爐脫硫效率大幅提升。

圖3 各工序脫硫率變化

經過工藝改進，實現降低KR 脫硫任務，發揮了轉爐、LF 爐和VD 爐的脫硫能力。

4.3 經濟指標改善

圖4 為改善前后KR 工序的指標情況。KR 每爐處理周期縮短9 min，部分爐次僅需在KR 爐扒渣無需脫硫。

圖4 新工藝對KR 爐經濟指標影響

脫硫劑的消耗量降低784 kg/ 爐，脫硫劑價格為663 元/t，則節省519 元/ 爐；KR 工序減少溫降12 ℃，按1 t 焦炭升溫20 ℃計算，節省轉爐升溫焦炭量為600 kg/爐，升溫焦炭價格為2 000 元/t，則節省1 200 元/爐；KR 工序因減少攪拌時間降低鐵水硅燒損0.012%，鐵水量按190 t/ 包計算，折合成節省轉爐升溫硅鐵為38 kg/爐，升溫硅鐵6 800 元/t，則節省258 元/爐。共計每爐鋼水節省成本1 977 元/爐。通過降低溫降、減少轉爐升溫焦炭，保守估計每年可減少煉鋼廠二氧化碳排放量達到4 萬t。

5 結論

1）將硫負荷工藝前后中厚板鑄機雙聯鋼種成本進行對比，實施硫負荷試驗爐次每爐鋼降本1 977 元，按每爐鋼水210 t 計算，折合噸鋼降本9.41 元，降本1 800 萬元/a。每年減少CO2排放量4 萬t。

2）實施硫負荷工藝后，KR 工序脫硫前鐵水w（S）為0.061%，KR 脫硫后鐵水w（S）為0.045%。轉爐終點w（S）為0.041%左右，LF 爐進站w（S）為0.025%，KR爐脫硫率下降至26.22%，轉爐工序的脫硫率上升至68.90%

3）實施硫負荷工藝后，精煉工序鋼水硫含量和脫硫效率明顯提高。LF 爐進w（S）為0.025%，LF 爐出站w（S）為0.0076%，經過VD 爐的充分攪拌脫硫后，VD 出站w（S）降至0.001 4%左右。LF 爐脫硫率達到65.30%，VD 爐脫硫率達到79.71%。LF 爐脫硫率上升至69.73%，VD 爐脫硫率上升至80.26%。