VD处理过程脱硫问题

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1999.01.005 第21卷第1期 北京科技大学学报 Vol.21 No.1 1999年2月 Journal of University of Science and Technlogy Beijing Feb.1999 VD处理过程脱硫问题 王平)傅杰”屠宝洪》易继松2)周德光2) )北京科技大学冶金学院，北京1000832)大冶特殊钢有限责任公司，武汉 摘要通过现有热力学数据计算证明，一般的工作真空度67Pa对含碳量大于0.2%，铝含量大于 0.025%的钢种进行VD精炼时，钢中的溶解氧含量受碳含量的控制.由于钢中硫含量与溶解氧含 量存在确定关系，硫含量亦受碳含量和真空度的控制.计算也证明，提高真空度和搅拌速度可以降 低溶解氧含量，为脱硫提供了热力学和动力学条件，有利于真空处理过程的脱硫反应.计算结果得 到生产实际结果证实. 关键词脱硫；精炼；真空处理 分类号TF704.3 提高钢液的纯净度脱硫，降低钢中的总氧及 (CaO)+2/3[AI]+[S]=(CaS)+l/3(AlO,) (3) [S],[P],[N,[H等有害元素是现代炉外精炼的 表1钢液中的a与ao关系 重要任务之一.真空脱气法，即VD(Vacuum Q[AI] 0.01 0.02 0.03 0.04 Degassing)在炉外精炼流程的脱气操作中发挥着 a0,/106 7.5 4.8 3.6 3 重要作用，但是其脱硫功能往往被忽略.本文试 图从理论与实践两个方面探讨VD处理过程的脱 在真空处理过程中，钢中的溶解氧含量可能 硫问题、 不受铝含量的控制，转而受真空室内C0压强控 制.这种关系可以表示为： 1VD过程脱硫的热力学问题 (CaO)+[S]=(CaS)+[O] (4) 钢液炼钢过程脱硫的热力学条件取决于炉 [c]+[o]=Co (5) 渣的碱度和钢液中的氧含量.脱硫反应可以用下 (CaO)+[S]+[C]=(CaS)+CO (6) 式表示： 由此可以看出，降低钢渣反应处CO的压强 (CaO)+[S]=(CaS)+[O] (1) 可以提高炉渣的脱硫能力. 因此提高炉渣的碱度，降低钢液中的氧含量 在钢渣界面处CO的压强等于真空室压强 都可以提高脱硫效果. P,与炉渣产生的净压强Ps之和，即Po=Pv+ 据计算，常见四元渣系CaO-MgO-SiO,-Al,O, P、.取炉渣的密度为3kg/m3,炉渣的厚度为xm, 中CaO的作用浓度是随碱度的提高而提高的. 则炉渣厚度与Pc。的关系为： 从工艺流程来看，钢液经LF处理之后进入 Pc0=Pv+3.039×105x (7) VD处理，此时炉渣碱度一般较高，钢液已经处于 在VD处理过程中，真空室的压强变化范围 良好的脱氧状态，LF处理过程一般采用铝脱氧， 为1.013×10Pa至67Pa,钢中aaopPco的关 因而进人VD处理的钢液中的溶解氧含量由铝决 系为： 定，其关系式为： a1g·ao/Pco=1.974×10-5 (8) ai·ao=4.3×10-4 在一般情况下，VD处理过程精炼渣的厚度 (2) 由此关系，可以算得钢液中a与ao的关系 在0.05~0.15m之间变化.取渣层厚度0.10m,真 如表1. 空室压强为67Pa,此时C0气泡所承受的静压强 非真空处理过程中，渣中的CaO与[A],[S] 为0.0274×10Pa.由此根据上式计算得到的 之间的关系可以用下式表示为： a1c与ao的关系如表2. 1998-06-03收稿王平男，43岁，教授 将此计算结果与铝脱氧结果比较可以看出， *国家自然科学基金资助课题No.59374170) 在一般VD处理情况下，即精炼渣的厚度为

第 卷 年 第 期 月 北 京 科 技 大 学 学 报 川 处理过程脱硫问题 王 平 ’ 傅 杰 ‘ 屠 宝 洪 易继 松 周德光 北 京 科技大 学 冶金 学 院 ， 北京 大 冶 特 殊 钢有 限 责任 公 司 ， 武汉 摘 要 通 过现有 热力 学 数据计算证明 ， 一般 的工作真空度 对含碳 量 大于 仓 、 铝 含 量大 于 的钢种 进行 精炼 时 ， 钢 中的溶解 氧含量 受碳 含量 的控 制 由于 钢 中硫含量 与溶解 氧含 量存在确定 关系 ， 硫含 量亦 受碳 含量 和 真空 度 的控制 计算也证 明 ， 提 高真 空 度 和搅拌速度 可 以 降 低溶解 氧含量 ， 为脱硫提供 了热力学和 动力学条件 ， 有利 于 真空 处理 过程 的脱硫反 应 计算结果得 到 生产 实 际结果证实 关键词 脱硫 精炼 真空 处理 分类号 提 高钢液 的纯净度 脱硫 ， 降低钢 中的总 氧及 ， ， ， 』等 有 害元 素是 现 代 炉 外 精 炼 的 鱼 要 任 务 之 一 真 空 脱 气 法 ， 即 在 炉 外精炼流 程 的脱气操 作 中发挥 着 重 要 作 用 ， 但 是 其 脱 硫 功 能 往 往 被 忽 略 本 文 试 图从理论 与实践两个方 面探讨 处理过程 的脱 硫 问题 表 钢液中的 ， 与 一。 关 系 过程脱硫的热力学问题 钢 液 炼 钢 过 程 脱 硫 的 热 力 学 条 件 取 决 于 炉 渣 的碱 度 和 钢 液 中的 氧 含 量 脱 硫 反 应 可 以 用下 式表示 〔 因此 提 高 炉 渣 的碱 度 ， 降低 钢 液 中 的氧含 量 都可 以 提 高脱硫 效 果 据 计算 ， 常 见 四 元 渣 系 一 一 一 中 的作用 浓度 是 随碱 度 的提 高而 提 高的 从工 艺 流 程 来 看 ， 钢 液 经 处 理 之 后 进 人 处理 ， 此 时 炉 渣 碱度 一 般 较 高 ， 钢 液 已 经处 于 良好 的脱 氧 状 态 处理 过 程 一 般 采 用 铝 脱 氧 ， 因而进人 处理 的钢 液 中的溶 解 氧含 量 由铝 决 定 ， 其关系式 为 叙 」 · 击 一 一 ’‘ 由此 关系 ， 可 以 算得 钢 液 中 与 的 关 系 如表 非真 空处理 过 程 中 ， 渣 中的 与 〔 〕 ， 〔 之 间的关系可 以 用下 式表示 为 刁 一 收稿 王 平 男 ， 岁 ， 教授 国家 自然科学基金资助 课题 让 在 真 空 处理 过 程 中 ， 钢 中 的溶解 氧 含 量 可 能 不 受 铝 含 量 的 控 制 ， 转 而 受 真 空 室 内 压 强 控 制 这种 关 系 可 以 表示 为 、了、了、了 石曰气、户 由此 可以 看 出 ， 降低 钢 渣 反 应 处 的压 强 可 以 提 高炉渣 的脱硫能力 在 钢 渣 界 面 处 的 压 强 等 于 真 空 室 压 强 氏 与炉 渣 产 生 的净 压 强 尸、 之 和 ， 即 凡 。 二 氏 凡 ， 取 炉 渣 的 密 度 为 ，， 炉 渣 的厚度 为 ， 则炉渣 厚度 与 凡 。 的 关 系为 凡 。 氏 气 在 处理 过 程 中 ， 真 空 室 的压 强 变 化 范围 为 一 ， 。 至 ， 钢 中 〕 ， 。 〕 ， 。 的关 系 为 〕 · ， 。 一 · 一 ’ 在 一 般 情 况 下 ， 处理 过 程 精 炼 渣 的厚 度 在 一 之 间变 化 取渣 层 厚度 ， 真 空 室压强 为 ， 此 时 气 泡所 承受 的静压 强 为 由 此 根 据 上 式 计 算 得 到 的 与 。 的关 系如表 将 此 计算 结 果 与铝脱 氧 结 果 比较 可 以 看 出 ， 在 一 般 处 理 情 况 下 ， 即 精 炼 渣 的 厚 度 为 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1999．01．005

·18· 北京科技大学学报 1999年第1期 0.1m,真空室压强为67Pa的条件下，当钢液中的 6.18×10-3T1 P E= ac大于0.2时，钢液中ao受ac的控制. M (1-是+p0 (9) 在(9)式中，钢液质量()、氩气温度(T)、钢 表2计算出ac和as的关系 液温度(T)可以看成不变量，此时影响钢液吹氩 aic] 1.000.70 0.50 0.20 0.10 搅拌功率的因素除氩气流量之外就是(PP,) ao/x10-6 0.540.77 1.08 2.705.40 项其中P。为钢包底部钢液的压强，P为真空室 对于(4)式，反应平衡时，有： 的压强.ln(P。/P,)在钢液深度2.5m时，随真空度 [atoila 的变化见图2.其中P,为1.013×103Pa.可见 Kcolcs=[asc ln(P。/P)对搅拌功率的影响是很大的. 当aco和acs等于1时.[a】=3.3× 10-2.按照计算C-0平衡的条件，可以得到有渣 817.43 真空处理过程中C-S平衡的结果，如表3. 6 5.14 表3C-S平衡的结果 ac] 1.00 0.700.500.20 0.10 d)u 2.88 @s/×10-616.423.332.881.8163.6 2 以上讨论可以看出，真空处理过程中，当炉 0.898 渣已经完全脱氧，由于真空度的提高，在钢渣界 0.001 0.01 0.1 面处由C-0平衡决定的ao很低，因而此处的as P:/Pa 也很低，而钢渣界面处正是脱硫反应进行的位 图2真空度对搅拌功率的影响 置，因此真空处理有利于脱硫的进行， VD真空处理过程进行脱硫操作，即可以通 其次，由于在真空处理过程中避免了钢液与 过提高真空度来提高搅拌功率，也可以通过提高 空气接触，防止了钢液的氧化，也为降低ao提供 氩气流量来提高搅拌功率，这样可以避免在较大 了条件 搅拌功率下操作带来的钢液吸气及氧化问题.因 此VD过程的脱硫有比非真空处理更好的动力学 2真空脱硫的动力学问题 条件. 在一定的热力学条件下，加强搅拌是促进钢 3典型的工艺操作及精炼效果 渣脱硫反应的重要手段，但在非真空处理的条件 下，较强的搅拌能引起钢液吸气. 3.1低碱度渣精炼 为了研究钢液非真空处理时的吸气问题，以 轴承钢精炼过程为了降低钢中的点状夹杂 N2作底吹气体，NaOH作模拟钢液，油层模拟炉 物，一般采用低碱度还原渣精炼，因此在LF处理 渣，CO,模拟大气进行钢包底吹氩钢液吸气规律 过程中脱硫率较低.但经过真空处理可以得到较 研究时发现，底部吹人的N,在油面溢出后不能防 好脱硫效果.表4为低碱度渣真空条件下对轴承 止NaOH对CO,的吸收，而且随搅拌强度的加 钢的脱硫效果. 大，C0,的吸收也增强.分析其原因有两点：(1)随 表4低碱度渣真空条件下对轴承钢的脱硫效果 搅拌加快，搅拌产生的NaOH裸露区液体更换速 真空度/ VD处理 氩气消耗处理前硫处理后硫 度加快，从而增大了CO,向NaOH液体内部传质 MPa 时间/min量/m.tl含量/% 含量/% 系数；(2)随搅拌加快，搅拌产生的NaOH裸露区 0.100 62 0.078 0.025 0.014 的湍动，增加了与C0,接触面积.因此非真空处 0.400 63 0.075 0.024 0.010 理时不能进行大量吹气，进行强搅拌以提供好的 0.200 61 0.077 0.025 0.008 脱硫处理动力学条件为前提， 0.065 59 0.079 0.023 0.006 但在真空处理吹氩搅拌处理，即VD处理过

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 ， 真空 室 压强 为 的条件下 ， 当钢液 中的 ， 大于 · 时 ， 钢液 中 。 一受 的控 制 · 互些型卫立 。， 兀 尺 艺 叼 。 ， 表 计算出 。 和 的关系 一 · · · 鱼 旦 旦些旦 对于 式 ， 反 应平衡 时 ， 有 犬 。 。 。 。 在 式 中 ， 钢 液 质 量 间 、 氢 气 温 度 兀 、 钢 液温 度 可 以看成 不 变量 ， 此 时影 响钢液 吹氢 搅 拌 功 率 的 因 素除 氢 气 流 量 之 外 就 是 尸、 项 其 中 凡 为 钢 包底 部 钢 液 的压 强 ， 为 真 空 室 的压 强 在钢液深度 时 ， 随真空度 的 变 化 见 图 其 中 为 可 见 几 对搅拌功率的影 响是很大 的 当 和 等于 时 ， 。 一 ’ 按 照 计算 一 平 衡 的条 件 ， 可 以 得 到 有 渣 真 空 处理过程 中 一 平衡 的结果 ， 如表 月︵盯、 表 一 平衡的结果 一 ‘ · 型逻 丝卫生 以 上 讨 论 可 以 看 出 ， 真 空 处 理 过 程 中 ， 当炉 渣 已 经 完 全 脱 氧 ， 由于 真 空 度 的 提 高 ， 在 钢 渣 界 面处 由 一 。 平衡决定 的 很低 ， 因而 此处的 也 很 低 ， 而 钢 渣 界 面 处 正 是 脱 硫 反 应 进 行 的 位 置 ， 因此真 空处理 有利 于脱硫 的进 行 其 次 ， 由于 在 真 空 处理 过 程 中避 免 了钢液 与 空 气接 触 ， 防止 了 钢液 的氧 化 ， 也 为 降低 提供 了条件 ，山，‘ ‘︶咤︸ ，， 真空脱硫的动 力学 问题 在 一定 的 热力 学 条 件下 ， 加 强搅拌是 促 进 钢 渣 脱 硫 反 应 的重 要 手 段 但 在 非 真 空 处理 的条 件 下 ， 较强 的搅拌 能 引起 钢 液 吸气 为 了研 究 钢 液 非 真 空 处理 时 的 吸气 问题 ， 以 作 底 吹 气 体 ， 作 模 拟 钢 液 ， 油 层 模 拟 炉 渣 ， 模 拟 大 气 进 行 钢 包底 吹 氢钢 液 吸气规律 研究 时发现 ， 底 部 吹人 的 在 油 面溢 出后 不 能 防 止 对 的 吸 收 ， 而 且 随 搅 拌 强 度 的 加 大 ， 的 吸 收也 增 强 · 分 析其原 因有 两 点 随 搅 拌 加 快 ， 搅 拌 产 生 的 裸 露 区 液 体更 换 速 度加快 ， 从而 增大 了 向 液体 内部传质 系 数 随搅 拌加 快 ， 搅 拌 产 生 的 裸 露 区 的 湍 动 ， 增 加 了 与 接 触 面 积 · 因 此 非 真 空 处 理 时 不 能 进 行 大 量 吹气 ， 进 行 强 搅 拌 以 提 供 好 的 脱硫处理 动力 学条件 为前 提 但 在真 空 处理 吹 氢搅拌处理 ， 即 处理 过 程 中无 需 担 忧 吸 气 的 问题 根 据 盯 公 式 ， 在底 吹氢条件 下 二 · ‘ ‘ ， 只 图 真空度对搅拌功率的影响 真 空处理 过 程 进 行 脱硫操 作 ， 即 可 以 通 过提 高真 空 度 来提 高搅 拌 功 率 ， 也 可 以通 过提 高 氢气流 量来 提 高搅 拌功 率 ， 这样 可 以 避 免 在 较大 搅拌 功 率下 操作 带来 的钢 液 吸气 及 氧 化 问题 因 此 过程 的脱硫有 比非真 空 处理 更 好 的动力学 条件 典型 的工艺操作及精炼效果 低碱度渣精炼 轴承 钢 精炼 过 程 为 了 降低 钢 中 的 点 状 夹 杂 物 ， 一般采 用低碱 度 还 原 渣 精 炼 ， 因此 在 处理 过 程 中脱硫 率较低 但 经 过 真 空 处理 可 以 得 到 较 好脱硫 效果 表 为低 碱 度 渣 真 空 条 件 下 对轴承 钢 的脱硫效果 表 低碱度渣真空条件下对轴承钢的脱硫效果 真空 度 处理 氢气消耗 处理前硫 处理后硫 时间 量 耐 · 一 ， 含量 含量 ， 注 硫含量值为质量分数

VoL21 No.1 王平等：VD处理过程脱硫问题 ·19 3.2高碱度渣精炼 4结论 石油套管钢的质量，保证该钢低的硫含量是 精炼的关键.在钢中夹杂物不能去除时应尽可能 (1)理论计算说明，VD过程处理碳含量较高 使其为球状形态(12Ca0·7AL,O,).因此从脱硫和 的铝脱氧钢时，钢中的溶解氧含量受碳含量的控 保证夹杂物形态的角度出发，应使用高碱度渣进 制，同时平衡的硫含量也受碳含量控制； 行精炼.炉渣成分如表5， (2)VD处理过程通过降低钢中的溶解氧含 表5石油套管钢精炼用炉渣成分（质量分数）% 量为降低硫含量提供了有利的热力学条件； Cao Al2O3 SiOz Mgo CaF2 FeO+MnO (3)VD过程通过氩或提高真空度进行的搅 50≈6020-30

王 平等 处理过程脱硫 问题 高碱度渣精炼 石 油套管钢 的质量 ， 保证该钢低 的硫含童是 精炼 的 关 键 在 钢 中夹 杂物不 能去 除 时应尽 可 能 使其为球状形态 · 气仇 · 因此从脱硫和 保证夹杂物 形 态 的角度 出发 ， 应使用 高碱度渣 进 行精炼 炉渣成分如表 裹 石油套管铜精炼用 炉造成分 质一分数 伍 有精炼 的实践证 明 ， 过程 比 精炼过程 有更快 的脱硫速度 不 同时段 的脱硫结果见 表 表‘ 离碱度炉渣精炼过程脱硫效果 电炉 出钢 开始 结束 结束 结论 理 论计算说 明 ， 过程处理碳 含量 较高 的铝脱 氧钢 时 ， 钢 中的溶解 氧含 量 受 碳 含 量 的控 制 ， 同时平衡 的硫含量 也受碳含量控 制 处理 过 程 通 过 降低 钢 中 的 溶 解 氧 含 量 为降低硫含量提供 了有利 的热力学条件 过 程 通 过 氢 或 提 高真 空 度 进行 的搅 拌为脱硫提供动力学条件 真空处理 实践 时不 管采 用 低碱度 渣 还是 高碱度渣进行精炼都可 以 获得好 的精炼效果 参 考 文 献 王 平 · 一 一 一 胜 ， 渣 系 的作 用 浓 度 模 型 及 其 应用 钢铁 ， ， 一 一 一 一 ， 环 尹讼 凡 弄 ， 几 六 竹 ，， 肋 “ 扩 ， 哪 山 ， 访 界 ， ， 伽 盯 们几 ， 】】 比 沂