田曉霞 裴鳳娟 黃重 王新志(安陽鋼鐵集團有限責(zé)任公司)

安鋼LF－VD鋼水脫硫工藝研究*

田曉霞 裴鳳娟 黃重 王新志(安陽鋼鐵集團有限責(zé)任公司)

通過研究安鋼150 t LF－VD工藝流程下不同鋼種的脫硫工藝及其脫硫效果，為采用該工藝流程生產(chǎn)不同成品硫含量要求的鋼種提供了操作依據(jù)。研究結(jié)果表明，通過控制LF爐的精煉渣堿度、LF精煉目標硫含量，以及VD處理抽真空模式、極限真空度和真空處理時底吹氬氣流量，可以獲得良好的脫氣和脫硫效果。對產(chǎn)品標準要求成品硫含量分別不超過0.005%、0.010%和0.015%的鋼種，采用不同的鋼水脫硫工藝控制后，其鋼中硫含量可分別達到0.001%左右、0.006%以下和0.009%以下，LF－VD 工藝總平均脫硫率為 92.31%、86.22%和80.39%;VD后試驗鋼中氫含量可達0.0001%以下，氮含量平均為0.0040%，均能滿足鋼種要求。

LF VD 脫硫工藝 精煉渣

0 前言

眾所周知，硫在絕大數(shù)鋼中都是有害元素，它不僅對板坯內(nèi)部裂紋有十分直接的影響，還能使鋼材的機械性能產(chǎn)生各向差異和惡化，如沖擊韌性、塑性和斷面收縮率等。因此，鋼材的最終用途不同，對硫含量的要求也不盡相同，如管線鋼、高強鋼和厚船板等要求硫含量低于0.005%，具有良好厚度方向性能的鋼要求硫含量低于0.010%，而中常溫鍋爐和壓力容器鋼則要求硫含量低于0.015%。隨著真空技術(shù)的發(fā)展，真空脫氣法即VD(Vacuum Degassing)在鋼水精煉中的應(yīng)用也愈來愈廣，在以轉(zhuǎn)爐－LFVD為主的工藝流程下，針對不同硫含量要求的鋼種，如何有效利用其熱力學(xué)和動力學(xué)條件來降低生產(chǎn)成本成為LF－VD脫硫工藝研究的主要內(nèi)容之一。本文主要研究了安鋼150 t LF－VD工藝流程下不同鋼種的脫硫工藝及其脫硫效果，為利用該工藝流程生產(chǎn)不同成品硫含量要求的鋼種提供操作依據(jù)。

1 工藝流程與設(shè)備參數(shù)

安鋼150 t LF－VD鋼水脫硫工藝的生產(chǎn)工藝流程為:(鐵水預(yù)處理)→150 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→吹氬站→150 t LF→150 t VD→寬板坯連鑄機，主要設(shè)備工藝參數(shù)見表1。

表1 安鋼LF和VD精煉主要設(shè)備工藝參數(shù)

2 試驗鋼種及其工藝控制

2.1 試驗鋼種

針對產(chǎn)品標準要求成品硫含量分別不超過0.005%、0.010%、0.015%的三個鋼種進行試驗，其成品化學(xué)成分標準(該標準系安鋼內(nèi)部產(chǎn)品檢驗標 準)要求見表2。

表2 試驗鋼種的化學(xué)成分標準wt%

2.2 試驗鋼種精煉工藝控制

在現(xiàn)有原材料條件下，各試驗鋼種的轉(zhuǎn)爐脫硫工藝控制基本相同，轉(zhuǎn)爐終點硫含量為0.010%～0.030%，其轉(zhuǎn)爐出鋼工藝及主要精煉工藝參數(shù)見表3和表4。

表3 試驗鋼種轉(zhuǎn)爐出鋼時鋼包加料情況

表4 試驗鋼種精煉主要工藝參數(shù)控制

由表2、表3和表4可以看出，1#鋼種為低碳鋼，硫含量要求不大于0.005%，生產(chǎn)中實際控制目標為成品硫含量在0.001%及以下，脫硫任務(wù)最重。由于鋼液煉鋼過程脫硫的熱力學(xué)條件取決于爐渣的堿度和鋼液中的氧含量。提高爐渣的堿度，降低鋼液中的氧含量都可以提高脫硫效果［1］。因此，在轉(zhuǎn)爐出鋼和LF精煉過程中加入較多的脫氧劑鋼芯鋁及渣料，LF精煉時全程控鋁(w［Al］≥0.02%)，VD 處理時采用高速抽真空模式，極限真空度控制在10～50Pa，真空處理時采用較大的底吹氬氣流量，一般控制范圍在200～800 Nl/min，真空保持時間為20 min。

2#鋼種硫含量要求不大于0.010%，生產(chǎn)中實際控制目標為成品硫含量在0.005%及以下，其真空工藝控制與1#鋼種基本相同。除LF精煉需全程控鋁(w［Al］≥0.02%)外，轉(zhuǎn)爐出鋼和 LF 其他工藝參數(shù)與3#鋼種基本相同。

與1#鋼種和2#鋼種相比，3#鋼種脫硫任務(wù)最輕，其鋼中硫含量要求不大于0.015%，生產(chǎn)中實際控制目標為成品硫含量在0.010%及以下。因此，僅在LF精煉結(jié)束時喂鋁線以調(diào)整鋼中鋁含量≥0.02%，VD處理時采用低速抽真空模式以減少蒸汽消耗量，極限真空度控制在30～60 Pa，真空處理時底吹氬氣流量控制范圍在100～500 Nl/min，真空保持時間仍為20 min。

3 試驗結(jié)果及分析

VD處理后三個試驗鋼種的氫含量可達0.0001%以下，氮含量平均為0.0040%，脫氣效果較好。在VD結(jié)束時，對三個試驗鋼種的鋼包精煉渣進行取樣分析，試驗鋼種的精煉渣成分組成見表5，精煉脫硫效果見表6。

表5 試驗鋼種的精煉渣成分wt%

表6 試驗鋼種的精煉脫硫效果

由表5和表6可以看出:

1)LF結(jié)束與VD處理前鋼中硫含量基本不變，VD處理后，鋼中平均硫含量可達 0.001%～0.004%，均能滿足鋼種要求。

2)1#試驗鋼種的精煉渣主要成分是CaO和Al2O3，其爐渣堿度最高，都在7以上，平均為8.42;VD處理極限真空度較高(10 Pa～50 Pa)，真空處理底吹氬氣流量也較大(200～800 Nl/min);該工藝條件下，LF精煉結(jié)束鋼中平均硫含量為0.0052%，LF平均脫硫率為60%;VD處理后鋼中硫含量在0.0005%～0.002%，平均硫含量為 0.0010%，VD 平均脫硫率達78.72%，VD占精煉總脫硫量的比例平均為30.83%，脫硫效果較好。

3)2#試驗鋼種的精煉渣系為 CaO－Al2O3－SiO2－MgO，其爐渣堿度相對較低，在 3.69～5.26之間，平均為4.60;VD處理極限真空度較高(10 Pa～50 Pa)，真空處理底吹氬氣流量略低(150～700 Nl/min);該工藝條件下，LF精煉結(jié)束鋼中平均硫含量為0.0075%，LF平均脫硫率為61.73%;VD處理后鋼中硫含量在0.001%～0.006%，平均硫含量為0.0027%，平均VD脫硫率為61.42%，VD占精煉總脫硫量的平均比例為25.44%，脫硫效果也較好。

4)3#試驗鋼種的精煉渣系為 CaO－Al2O3－SiO2－MgO，其成分組成與2#試驗鋼種類似，爐渣堿度在3.92～4.74之間，平均為 4.34;VD 處理極限真空度相對較低(30 Pa～60 Pa)，真空處理底吹氬氣流量較小(100～500 Nl/min);該工藝條件下，LF精煉結(jié)束鋼中平均硫含量為0.0069%，LF平均脫硫率為66.18%;VD處理后鋼中硫含量在0.001%～0.009%，平均硫含量為0.0040%，平均VD脫硫率為42.85%，VD占精煉總脫硫量的平均比例為18.29%，脫硫效果良好。

4 討論

堿性、中性及CaO－SiO2－Al2O3－MgO渣系內(nèi)，脫硫速度的限制環(huán)節(jié)是熔渣內(nèi)硫離子的擴散，且一般來說，迅速造好流動性的高堿度渣及熔池強烈攪拌，可提高渣鋼間硫分配比、熔渣中硫的傳質(zhì)系數(shù)和渣鋼間接觸面積［2］。因此，VD處理過程進行脫硫操作，可通過進VD前提前造好流動性好的高堿度渣與增強熔池攪拌功率來達到良好的脫硫效果。VD處理過程中增強熔池攪拌功率有兩種途徑，一種是提高真空度、促進脫氣和脫碳反應(yīng)，生成的氣泡越多，精煉鋼包內(nèi)的鋼水越活躍，渣鋼間接觸面積大大增加，硫的傳質(zhì)系數(shù)也得到了改善;另外一種就是增強底吹氬氣流量來提高攪拌功率，但要注意防止精煉鋼包內(nèi)鋼渣溢出。

1#鋼種對硫含量要求很嚴格，生產(chǎn)中采用鐵水預(yù)脫硫工藝，降低初始硫含量水平;考慮到碳氧平衡，轉(zhuǎn)爐出鋼后加入鋼芯鋁進行強脫氧，并加入部分石灰縮短LF造渣時間;LF鋼包到站后根據(jù)鋼中鋁含量確定是否需要向鋼液中補鋁，以進一步降低鋼中氧含量，并向渣中加入鋼包渣改質(zhì)劑，降低爐渣氧化性，促進脫硫反應(yīng)進行;LF精煉分批加入石灰，迅速造好流動性良好的高堿度還原渣，延長還原渣保持時間，白渣保持時間一般在25 min左右。VD真空處理時采用高速抽真空模式，以盡快達到工作真空度，并進一步提高真空度，同時增大底吹氬氣流量，為鋼水脫硫提供了良好的熱力學(xué)條件和動力學(xué)條件。

圖1 不同鋼種的LF－VD脫硫工藝及其脫硫效果

對比三個試驗鋼種的脫硫工藝及其脫硫效果(如圖1所示)，不難發(fā)現(xiàn)，1#鋼種的VD鋼水脫硫率最高，VD處理后鋼中硫含量可達 0.001%～0.002%，完全滿足鋼種的硫含量要求。同等爐渣堿度條件下，2#鋼種比3#鋼種的極限真空度高、真空處理時底吹氬氣流量大，鋼包內(nèi)熔池攪拌功率大，動力學(xué)條件較好。另外，VD處理前2#鋼種的初始硫含量比3#鋼種略高，根據(jù)文獻［3］，真空前的鋼液硫含量越高，真空脫硫率也越高。因此，2#鋼種的VD平均脫硫率比3#鋼種高9.81%，VD處理后鋼中平均硫含量比3#鋼種約低0.0013%。對3#鋼種采用相對較低的極限真空度和底吹氬氣流量也能獲得良好的脫硫效果，與其精煉渣堿度高、真空條件下脫硫動力學(xué)條件好有很大關(guān)系。

綜合來看，針對不同鋼種對硫含量要求的不同，在保證脫氣效果的同時，可以采用不同的LF－VD脫硫工藝控制，且均可獲得良好的脫硫效果。

5 結(jié)論

通過對安鋼產(chǎn)品標準要求成品硫含量分別不超過0.005%、0.010%、0.015%的三個鋼種的 LF － VD鋼水脫硫工藝及其脫硫效果研究，得出以下結(jié)論:

1)針對產(chǎn)品標準要求成品硫含量不超過0.005%的低碳鋼種，LF精煉渣堿度應(yīng)控制在7以上，LF精煉結(jié)束鋼中硫含量應(yīng)控制在0.005%以下，VD處理采用高極限真空度(約10 Pa～50 Pa)和大底吹氬氣流量(200～800 Nl/min)，VD處理后鋼中硫含量可達0.001%左右，脫硫效果良好，為采用LF－VD工藝流程生產(chǎn) 極低硫鋼提供了生產(chǎn)依據(jù)。

2)針對產(chǎn)品標準要求成品硫含量低于0.010%、碳含量在0.16%～0.18%的鋼種，LF 精煉渣堿度應(yīng)控制在4～5.5，LF精煉結(jié)束鋼中硫含量應(yīng)控制在0.007%以下，VD處理采用高極限真空度(約10 Pa～50 Pa)和中等底吹氬氣流量(150～700 Nl/min)，VD處理后鋼中硫含量在0.006%以下，脫硫效果也較好，為采用LF－VD工藝流程生產(chǎn)厚度方向性能鋼板提供了生產(chǎn)依據(jù)。

3)針對產(chǎn)品標準要求成品硫含量低于0.015%、碳含量在0.16%～0.18%的鋼種，LF 精煉渣堿度應(yīng)控制在4～5，LF精煉結(jié)束鋼中硫含量應(yīng)控制在0.010%以下，VD處理采用低極限真空度(約30 Pa～60 Pa)和較小的底吹氬氣流量(100～500 Nl/min)即可滿足鋼種要求，VD處理后鋼中硫含量在0.009%以下，為采用LF－VD工藝流程生產(chǎn)普通硫含量要求的鋼板提供了生產(chǎn)依據(jù)。

4)三種LF－VD工藝下，試驗鋼中氫含量可達0.0001%以下，氮含量平均為0.0040%，均能滿足鋼種要求，表明其脫氣效果良好。

［1］王平，傅杰，屠寶洪，等.VD處理過程脫硫問題［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，1999，21(1):17 －19.

［2］黃希祜.鋼鐵冶金原理［M］.修訂版.北京:冶金工業(yè)出版社，1981:300.

［3］虞明全.100 t LF－VD 精煉爐工藝實踐［J］.鋼鐵，2001，36(3):11，18 －20.

STUDY ON DESULPHURIZATION PROCESS OF MOLTEN STEEL BY LF－VD

Tian Xiaoxia Pei Fengjuan Huang Zhong Wang Xinzhi
(Anyang Iron and Steel Stock Co.，Ltd)

Through studying the desulphurization processes and their effects of different steels by 150t LF－VD in Anyang Steel，the theoretical base for producing steels with different sulfur content under the same process was provided.The results showed good degassing and desulphurization effects could be achieved by controlling the refining slag basicity in LF，the target sulfur content of molten steel in LF，VD vacuum mode，maximum vacuum degree and bottom blowing argon flow in VD.For those steels with sulfur content less than 0.005%，0.010%and 0.015%，the sulfur content could reach about 0.001%，less than 0.006%and 0.009%respectively under the different desulphurization processes，the total average desulphurization rates by LF － VD were 92.31%，86.22%and 80.39%.The hydrogen content of test steels after VD was less than 0.0001%and the average nitrogen content was 0.0040%which could meet requirements.

LF VD desulphurization process refining slag

2012—6—21