LF精煉渣系優(yōu)化及試驗(yàn)研究

方 鳴 田 鵬 高建國(guó) 孔 超 薛月凱 李鵬舉 王書(shū)桓

(1.承德釩鈦新材料有限公司，2.唐山鋼鐵國(guó)際工程技術(shù)有限公司，3. 華北理工大學(xué))

某企業(yè)板坯鑄機(jī)拉速提高后，要求轉(zhuǎn)爐煉鋼及LF精煉環(huán)節(jié)同步提速。為了提高LF精煉爐的冶煉效率，對(duì)出鋼渣洗、脫氧合金化及LF冶煉工序底吹工藝等進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化，冶煉周期滿(mǎn)足了生產(chǎn)要求，但隨之帶來(lái)LF精煉終點(diǎn)鋼液S含量超標(biāo)爐數(shù)增多。

大量研究表明精煉渣成分及性能對(duì)LF爐冶煉脫S具有較大影響[1-4]。為進(jìn)一步提高LF精煉爐脫S能力，文章研究該企業(yè)所用精煉渣成分對(duì)LF冶煉脫硫的影響，通過(guò)理論模擬和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)對(duì)精煉渣成分進(jìn)行了優(yōu)化，為該企業(yè) LF 爐精煉渣快速脫硫提供技術(shù)支撐。

1 精煉渣成分設(shè)計(jì)

該企業(yè)精煉渣為CaO-Al2O3-MgO -SiO2四元渣系，成分見(jiàn)表1。

表1 精煉渣成分 %

已有學(xué)者證實(shí)[5-6]LF精煉脫硫以傳質(zhì)為限制性環(huán)節(jié)。根據(jù)企業(yè)實(shí)際，設(shè)定渣中MgO含量為6%，并利用Factsage7.2軟件對(duì)CaO-SiO2-Al2O3三元相圖熔點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定1 400 ℃的低熔點(diǎn)成分范圍為45%～55%的CaO、5%左右的SiO2和35%～45%的Al2O3。因此，該企業(yè)精煉渣組分可進(jìn)一步優(yōu)化。

2 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用圖1所示KJ-T1700高溫管式爐，主要研究精煉渣堿度、Al2O3、 CaF2等因素對(duì)鋼液脫硫影響。

圖1 KJ-T1700高溫管式爐

實(shí)驗(yàn)用渣采用精煉基礎(chǔ)渣配加一定量化學(xué)純?cè)噭┡渲贫?。所用鋼錠成分見(jiàn)表2。

實(shí)驗(yàn)步驟為：

(1)將盛有200 g金屬料的MgO坩堝放入內(nèi)置石墨坩堝的管式爐內(nèi)并通N2保護(hù)，爐體以6 ℃/min升溫至1 600 ℃并恒溫。

(2)按金屬量5%加入精煉渣，每間隔5 min攪拌一次鋼液，加入精煉渣45 min后結(jié)束實(shí)驗(yàn)。試樣水冷至常溫，利用XRF測(cè)試鋼樣成分。

利用不同的精煉渣重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 精煉渣堿度對(duì)脫硫的影響

所用精煉渣成分見(jiàn)表3。

表3 CaO含量為40%～60%時(shí)實(shí)驗(yàn)用精煉渣成分 %

實(shí)驗(yàn)后鋼樣成分見(jiàn)表4。

表4 CaO含量為40%～60%時(shí)實(shí)驗(yàn)后鋼樣成分 %

根據(jù)表4，鋼液脫硫率隨精煉渣堿度的提高先升高后降低，在堿度為6.2時(shí)脫磷率最高，達(dá)到70.83%。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，精煉渣熱力學(xué)脫硫率ηs與渣堿度R的關(guān)系為：

ηs=-123.09+130.53R-20.76R2

(1)

當(dāng)精煉渣堿度小于6.2時(shí)，精煉渣的脫硫率隨著堿度的提高而提高，當(dāng)堿度大于6.2時(shí)，精煉渣的脫硫率隨著堿度的提高逐步降低。

精煉渣脫硫主要反應(yīng)方程式：

(2)

硫容量：

(4)

式中：K為反應(yīng)平衡常數(shù)；aO2-是渣中氧的活度；fS2-為渣中硫的活度系數(shù)；W(S)slag為渣中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；PO2、PS2分別為O2(g)和S2(g)的平衡分壓。

硫容量是表征精煉渣脫硫特性的重要參數(shù)。精煉渣堿度的提高使渣中aO2-增大，提高了熔渣硫容量。但精煉渣堿度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致2CaO·SiO2等高熔點(diǎn)相增加，且CaO含量的提高不利于CaO-Al2O3渣系發(fā)泡及精煉脫硫[8]。

精煉渣中自由態(tài)CaO直接參與脫硫反應(yīng)，且實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)具備較好動(dòng)力學(xué)條件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建議精煉渣中CaO含量為50%～55%，并適度提高精煉渣中SiO2含量。

2.2.2 Al2O3含量對(duì)精煉渣脫S影響

實(shí)驗(yàn)精煉渣Al2O3含量為15%～45%，成分見(jiàn)表5。實(shí)驗(yàn)后鋼樣成分見(jiàn)表6。

表5 Al2O3含量為15%～45%時(shí)實(shí)驗(yàn)精煉渣成分 %

表6 Al2O3含量為15%～45%時(shí)實(shí)驗(yàn)后鋼樣成分 %

根據(jù)表6，隨精煉渣中Al2O3含量的提高鋼液脫硫率先升高后降低，當(dāng)精煉渣中Al2O3含量29.1%時(shí)，對(duì)應(yīng)的鋼液脫硫率最大，達(dá)到72.08%。

CaO-Al2O3-SiO2渣系中，Al2O3與CaO等高熔點(diǎn)物質(zhì)結(jié)合形成低熔點(diǎn)化合物12CaO·7 Al2O3，降低精煉渣的熔點(diǎn)及黏度，改善精煉過(guò)程脫硫動(dòng)力學(xué)條件。 Al2O3含量的持續(xù)增加，會(huì)導(dǎo)致CaO活度降低，反而會(huì)抑制脫硫反應(yīng)進(jìn)行。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)Al2O3含量為29.1%時(shí)，Al2O3促進(jìn)精煉渣脫硫的作用更強(qiáng)，此時(shí)CaO/Al2O3指數(shù)在1.5～2.2，符合實(shí)際生產(chǎn)要求。

2.2.3 CaF2含量對(duì)精煉渣脫S影響

實(shí)驗(yàn)用精煉渣CaF2含量為4%～16%，成分見(jiàn)表7。實(shí)驗(yàn)后，鋼樣成分見(jiàn)表8。

表7 CaF2含量為4%～16%時(shí)實(shí)驗(yàn)精煉渣成分 %

表8 CaF2含量為4%～16%時(shí)實(shí)驗(yàn)后鋼樣成分 %

由表8可知，隨著CaF2含量的提高鋼液脫硫率先升高后降低。CaO-SiO2-Al2O3-MgO-CaF2渣系中，CaF2可與SiO2、Al2O3等形成低熔點(diǎn)的共晶化合物，F(xiàn)-能夠部分代替O2-，縮小精煉渣中的絡(luò)陰離子尺寸，有效降低精煉渣的黏度[9]。但CaF2含量過(guò)高時(shí)，CaO濃度降低，且CaF2對(duì)鋼包耐材侵蝕較大，因此，精煉渣中不宜加入過(guò)多CaF2。

3 工業(yè)試驗(yàn)效果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)該企業(yè)精煉渣成分進(jìn)行調(diào)整，精煉渣中CaO含量為50%～55%；Al2O3含量約為30%；考慮對(duì)爐襯的影響，CaF2含量為8%控制；SiO2含量為5%；MgO含量為6%。

在該企業(yè)150 tLF爐開(kāi)展冶煉DD11品種的工業(yè)試驗(yàn)。轉(zhuǎn)爐出鋼1 min時(shí)加入鋁粒強(qiáng)脫氧，鋁粒加入量為1.5～2.5 kg/t，出鋼1.5 min加入小粒石灰，控制初期渣成分與上述渣系保持一致。渣洗后，冶煉結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 工藝優(yōu)化前后渣洗數(shù)據(jù)

工藝優(yōu)化后，渣洗后鋼中氧含量平均值由27.5× 10-6降至23.5× 10-6，渣洗后形成的初期渣中FeO含量平均值由10.8%降至8.4%。

精煉期間，采用優(yōu)化后的渣系進(jìn)行冶煉，渣中FeO+MnO含量小于2.0%，冶煉數(shù)據(jù)見(jiàn)表10。

表10 工藝改進(jìn)前后LF一次脫硫率

采用優(yōu)化后的渣系進(jìn)行冶煉后，精煉脫硫率由68.87%提高至81.04%，優(yōu)化后的冶煉終點(diǎn)成分滿(mǎn)足鋼種要求；精煉周期縮短2.5 min，滿(mǎn)足了連鑄提速后的精煉時(shí)間要求；精煉周期縮短后，冶煉終點(diǎn)氮含量維持在37× 10-6，終點(diǎn)氧維持在(2～3)× 10-6，終點(diǎn)氧、氮含量與優(yōu)化前無(wú)明顯差距。

4 結(jié)論

某企業(yè)連鑄提速后，對(duì)其精煉渣系進(jìn)行了調(diào)整，滿(mǎn)足了LF爐冶煉周期要求。得出結(jié)論：

(1)確定適合該企業(yè)的精煉渣系配比為：CaO含量為50%～55%、SiO2含量為5%、Al2O3含量為30%、CaF2含量為8%、MgO含量為6%。

(2)采用上述精煉渣系進(jìn)行冶煉，渣洗后精煉渣中FeO平均含量由10.8%降低至8.4%，精煉一次脫硫率由68.87%提高至81.04%，精煉周期縮短2.5 min。工藝優(yōu)化后，精煉鋼液成分合格。