浅析LF炉脱硫精炼渣

【摘要】随着现代科学技术和工业的发展，对钢材质量（如纯净度）要求越来越高，用普通炼钢炉冶炼出来的钢水已经难以满足其质量的要求。另外，连铸技术的发展，对钢水的成分、温度和气体的含量等也提出了更严格的要求。于是就产生了各种将初炼钢水进行炉外精炼的方法。lf精炼法是其中最常用的一种。本文对LF法中常用的几种脱硫渣系（如CaO- CaF2、CaO-Al2O3、CaO-Al2O3-CaF2、BaO-MgO-Al2O3-SiO2）的组成及其冶金功能等进行研究与探讨，对精炼渣的发展前景和方向作出展望，为以后精炼渣的开发研究提供了依据和参考。

【关键词】LF精炼渣；脱硫；碱度

LF法就是在非氧化性气氛下，通过电弧加热、造高碱度还原渣，进行钢液的脱氧、脱硫、合金化等冶金反应，以精炼钢液。钢包底部的吹氩搅拌，使钢液与所造的精炼渣充分接触，强化精炼反应，有效去除杂质，促进钢液温度和合金成分的均匀化，为连铸提供温度、成分准确均匀的钢水，协调炼钢与连铸的节奏。LF合成渣精炼可以更好完成脱硫、脱氧、去除夹杂的任务，从而得到纯净钢水。

1、LF法的精炼原理

LF法的工作原理：钢包到站后，将钢包移到精炼工位，加入合成渣料，降下石墨电极插入熔渣中对钢水进行埋弧加热，补偿精炼过程中的温降，同时进行底吹氩搅拌。

LF精炼法通过强化热力学和动力学条件，使钢液在短时间内得到高度净化和均匀。造白渣进行钢水精炼，可生产超低硫钢和低氧钢。因此，白渣精炼是LF炉工艺操作的核心，也是提高钢水纯净度的重要保证。白渣精炼的工艺要点是：①挡渣出钢，控制下渣量小于5kg·t-1钢；②钢包渣改质（一般采用Al2O3-CaO-SiO2系炉渣），控制钢包渣碱度大于2.5～3，渣中W（FeO+MnO）含量小于1.0～3.0%；③保持熔渣良好的流动性和较高的渣温，确保脱硫、脱氧效果；④控制LF炉内为还原性气氛，避免炉渣再次氧化；⑤适当搅拌，避免钢液面，并保证熔池内具有较高的传质速度。

2、LF脱硫精炼渣的分析

2.1 硫在钢中的危害

硫对钢的性能具有很大的不利影响。硫在钢中以硫化物（如Fe2S、MnS等）的形式存在，会使钢的热加工性能变差，使钢形成“热脆”（当钢水过氧化时，钢的热脆性更加严重）；硫使钢的塑性变差（特别是钢材的横向塑性变差）；硫还影响钢材的焊接性能，在焊接时会出现高温龟裂，同时硫会氧化成SO2逸出，导致在焊缝中造成气孔；硫还是影响管线钢等钢材的抗氢致裂纹（HIC）和抗硫应力裂纹（SSC）能力的主要元素。LF精炼法是脱硫的最有效工艺，在铁水预处理转炉LF炉工艺过程中可以达到深脱硫的目的，钢水硫的含量可以控制到10～20×10-6。因此，研究LF脱硫精炼渣对炼钢工艺的发展具有重要意义。

2.2 合成精炼渣的冶金功能

合成精炼渣具有如下冶金功能：①脱硫；②脱氧：③吸收钢中夹杂物，净化钢液：④隔绝空气，防止钢液吸收气体：⑤对夹杂物进行变性处理。其中脱硫是LF合成精炼渣的核心功能之一。

脱硫反应方程式如下：（CaO）+[FeS]=（CaS）+（FeO）

热力学方面影响渣钢脱硫的主要因素有温度、碱度、氧化性等。高温、高碱度、低氧化性气氛均有利于脱硫。

2.3 合成精炼渣的基本渣系组成

（1）CaO- CaF2和CaO-Al2O3渣系

CaO-CaF2渣系具有很强的脱硫、脱氧能力，其硫容量是二元渣系中最高的（在1500℃下的硫容量高达0.030%）。在此渣系中，CaF2本身并不具备脱硫作用，它的作用是降低脱硫渣比例，比值过高，对脱硫不利。但由于CaF2对钢包耐火材料寿命影响较大，而且氟化物对空气污染比较严重。因此，可选用Al2O3代替或部分代替CaF2以减少对环境的污染。针对CaO-Al2O3无氟精炼渣的开发较多，Al2O3同样能对石灰起助熔作用，且活性低。

（2）CaO-Al2O3-CaF2渣系

由于原料中不可避免的带入SiO2，因而CaO-Al2O3-CaF2渣系实际为CaO-Al2O3-CaF2-SiO2渣系。通过测定表明，CaF2含量对渣中的硫含量影响很小，而脱硫效果主要取决于CaO/Al2O3的大小。当CaO/Al2O3 值一定时，随CaF2含量增加，Ks变化不大；而当CaO/Al2O3值增加时，lgKs显著增加，当渣系CaO/Al2O3大于0.15后，脱硫效果更理想。在该渣系的组成范围内，增大炉渣碱度，硫的分配系数显著提高。

（3）BaO-MgO-Al2O3-SiO2渣系

BaO对钢液同样有脱硫作用，而且BaO基脱硫渣系往往较CaO基脱硫渣系具有更高的硫容量，BaO的光学碱度是CaO的1.15倍。但是BaO资源远不如CaO那么丰富，因此BaO脱硫渣系的成本要高于CaO脱硫渣系，从而使其在实际应用中受到限制。

（4）含铝灰的脱硫渣系

铝灰是由铝电解时铝液面上的熔渣或铝铸造时铝液面上浮的粉渣，经加工碾成粉状，其含铝量为15%～20%，其余成分是Al2O3和 SiO2。曾用含铝灰脱硫渣系进行了多炉脱硫试验，结果表明该脱硫渣系大大提高了脱硫的效果，缩短了平均处理时间。研究发现，铝灰中所含的铝及Al2O3与普通化学试剂所含晶格结构不同，具有更高的活性。铝灰是非常有开发潜力的脱硫原料。

3、各渣系组元对合成精炼渣脱硫效果的影响

3.1 碱度

随着炉渣碱度的提高，硫的分配比增大，有利于脱硫的进行。当碱度大于2.3时，硫的分配比可以超过100。但当碱度过大（大于4.0）时，造渣比较困难反而不利于脱硫。实际合成精炼渣系的适宜碱度为2.3～3.5。

CaO-SiO2-MgO-Al2O3渣系脱硫实验表明，碱度对渣钢硫分配比Ls具有较大影响。当碱度小于3.0时，随碱度升高，Ls增加；当碱度大于3.0时，提高碱度，Ls下降。随着CaO含量提高，[s]降低，但当（CaO）>60%后，CaO含量提高，脱硫效果反而降低。原因是CaO含量过高后，渣中会有固相质点析出，使熔渣出现非均相，炉渣粘度上升，流动性变差，使脱硫效果变差。

3.2 Al2O3

合成精炼渣系的脱硫率随Al2O3含量增加呈下降趋势。由于渣中Al2O3是两性氧化物，在碱性还原渣中Al2O3呈酸性，随着Al2O3含量的增加炉渣碱度降低，使炉渣的脱硫能力降低。

但是Al2O3具有降低熔渣熔点的作用，在Al2O3小于15%时，增加Al2O3含量，可以提高渣的流动性，促进脱硫反应进行；但过高时会过多降低渣碱度，也不利于Al2O3夹杂的排除。一般渣中Al2O3的用量控制在10%～18%。

3.3 CaF2

CaF2的主要作用是降低脱硫渣的熔点，改善精炼渣的流动性。随着脱硫反应的进行，渣-钢界面将有CaS固体形成，会阻碍脱硫反应的进行。渣中加入CaF2，有利于CaS固体的破坏，改善了脱硫条件。但当渣中CaF2含量过量时，会使渣中有效CaO的浓度降低，从而又不利于脱硫。

3.4 MgO

MgO能够提供O2-离子，同样具有脱硫能力，其脱硫能力略低于CaO。MgO会降低渣中SiO2的活度，从而提高Ls。但大量MgO的存在会显著提高炉渣的熔点和粘度，恶化脱硫的动力学条件。实验结果表明渣中MgO含量为8%～10%时脱硫效果最好。

3.5 精炼渣的氧化性

炉渣氧化性是影响炉渣脱硫效果的主要因素。∑（FeO）的含量标志着合成精炼渣的氧化性。当渣中∑（FeO）含量大于1%时，脱硫效率将明显下降。

4、炉渣物理性质对LF脱硫的影响

炉渣的物理性质主要有密度、粘度、熔化温度、表面张力和电导率等，影响脱硫的主要因素是粘度和熔化温度。

4.1 炉渣粘度的影响

炉渣粘度是影响渣-钢界面脱硫反应的主要因素，在精炼脱硫过程中，若炉渣粘度过大，会恶化脱硫的动力学条件，造成脱硫困难。提高炉渣的流动性，可以减小乳化渣滴的平均直径，从而增大渣钢接触面积，促进脱硫。若粘度过小，炉渣向耐火材料的渗透能力强，会造成耐火材料损耗增加，同时在精炼炉中也不利于实现埋弧操作。因此，要求炉渣粘度适中，具有一定的流动性。

4.2 炉渣熔化温度的影响

在一定的炉温下，炉渣的熔化温度越低，过热度越高，流动性越好，渣-钢间脱硫反应就越快。但是，实际中不能单纯追求熔化温度低，还要考虑炉渣的其他性质，来选择最适宜的脱硫条件。

5、LF精炼渣系的应用效果

科学研究表明，以CaO-SiO2-Al2O3-CaF2系的基渣，配合含碳酸盐及碳化物的发泡剂及相应的工艺，可实现LF全程埋弧操作，满足LF 的精炼要求。钢渣混冲的一次脱硫率平均为26.4%，LF 工位的平均脱硫率达到61.1%，成品钢的硫含量可在0.001%以下。

通过对新型精炼合成渣12CaO·7Al2O3的烧成工艺、物性和脱硫能力进行试验，研究结果表明，该渣系以12CaO·7Al2O3为低熔点相，具有较低的熔化温度，在精炼温度下具有较好的流动性，高的碱度和Al2O3含量，使其具有较强的脱硫能力和吸附铝脱氧产物的能力，并且在精炼过程中还可配加大量石灰，进一步提高其脱硫能力。

在100tLF精炼炉中采用加入活性Al2O3及部分金属铝的粉剂，综合脱硫率比常规脱硫提高约15%，渣耗下降2kg·t-1钢～4kg·t-1钢。

分析可知，CaO-CaF2渣系被广泛应用于深脱硫实践当中，该渣系具有较强的深脱硫能力，但较高的CaF2含量对钢包耐火材料寿命影响较大，对空气的污染也比较严重。因此常选用Al2O3代替或部分代替CaF2，减缓负面影响。

近年来针对CaO-Al2O3基无氟或少氟精炼渣的开发较多，这种渣由于组分比重的差异易产生成分偏析、性能不稳定，且放置时间长时易水化，会影响精炼效果，并且其成渣和脱硫速度均低于CaO-CaF2，如果不加以改进，在实际生产中仍受到一定限制。

我国大型钢铁企业在开发深脱硫技术方面进行了很多努力，但与日本、韩国及西欧国家相比还存在一定的差距。就国内而言，对于开发高效环保型的深脱硫精炼渣系的研究也还远远不够。因此，在我国进一步开发钢液深脱硫技术具有非常重要的现实意义。

6、结论

以上介绍了目前几种常用的合成精炼渣系，分析了精炼渣的碱度、渣中Al2O3含量、CaF2含量、MgO含量及渣氧化性对脱硫效果的影响。随着各行各业对钢材质量要求的不断提高，对钢的成分控制和洁净度要求越来越严格，原有的脱硫技术已不能完全满足企业的需求，应加大力度进行对LF深脱硫技术的研究，尤其是对高效、环保型的深脱硫渣系的开发，铝灰作为一种新的精炼脱硫原料将有很大的空间。

参考文献

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