84 工程科学学报.第42卷，增刊1 钢铁产品中的砷主要来源于铁矿石、再生生 氧作用，而且镁还可以进一步参与脱硫，客观上能 铁和废钢-).过高的砷含量会造成钢铁产品质量 够降低钙与氧和硫反应的损耗，有利于钙与砷接 下降的问题.近年来，纯净钢将砷元素列为需要脱 触反应脱砷进行.LF炉理论上符合脱砷所需热力 除的杂质元素，为保证钢铁产品质量、提高其洁净 学及动力学条件，因此选择LF精炼炉进行钢液脱 度，必须将砷含量降低至较低水平.目前，在钢液 砷工业试验.并从LF炉精炼前期进行取样分析， 中实现脱砷较为困难0，主要由于相关钢液脱砷 检测钢液中硫、砷和钙含量在LF精炼过程中的变 研究报道相对较少，其次有关砷的基础热力学数 化.分析工业条件下脱砷效率，判断钢液合理脱砷 据存在不全面问题，甚至一些热力学数据在一致 工序环节，并对工业条件下的脱砷控制条件和限 性方面较差.有关炼钢工艺中的脱砷控制方面的 制环节进行分析和讨论 研究报道基本处于空白状态 2.1试验条件确定 本文针对某钢厂LF精炼过程中脱砷生产方 该厂实际生产流程为：电炉冶炼→炉外精炼 面进行探索性研究.结合以往文献中脱砷热力学 (LF炉)→出钢.试验过程中LF精炼炉温度控制 计算结果和热态实验结果以及有关机理的研究报 在1600~1650℃，精炼时间控制在40~60min 道-，向钢液中加入钙系合金有实现工业上脱 LF精炼初期砷质量分数在0.010%~0.026%之间， 砷的可行性.并在此基础上研究了该厂工业试验， Al-Mg-Ca合金用量为2kgt.LF精炼前期加入 探索精炼过程中砷含量的变化规律，研究结果有 还原渣料、萤石、铝铁、硅锰合金等原料进行脱 利于解决钢液脱砷工艺存在的问题，改进相关生 氧、脱硫及合金化等操作，同时在LF精炼过程中 产工艺，为钢液脱砷生产工艺制度的制定和完善 进行吹氩搅拌，试验选择在LF精炼中期分批次加 提供依据 入Al-Mg-Ca合金，并伴随吹氩搅拌等操作进行 1 钢液脱砷机理及影响因素 钢液脱砷工业试验.随后在LF精炼后期加入石 灰、合金等原料保证最终炉渣和钢液成分控制在 以往研究结果表明，钢液脱砷的热力学条件 所要求范围内，在现有工业生产条件下，共进行 为较强的还原气氛、低硫含量，较高的熔渣碱度和 了15炉次钢液工业脱砷试验，所用Al-Mg-Ca合 温度7-四.近年研究结果表明2-2，在强还原气氛 金成分如表1所示 下，钢液中钙含量高于临界钙含量时能够实现脱 表1A-Mg-Ca合金化学成分 砷.在砷含量固定时，临界钙含量随钢液中氧、硫 Table 1 Chemical composition of Al-Ma-Ca alloy % 含量的升高而升高，其中氧含量对其影响最大.且 Al Mg Ca Fe 在氧、硫含量一定的情况下，临界钙含量随砷含量 45 39 的升高而降低.而在炼钢生产过程中由于 CaO-SiO2-Al,O,-10%Mg0熔渣中CaO的活度较 2.2试验结果 低，对于砷含量低于0.1%的钢液，熔渣无法进行 LF精炼初期，钢液中的硫含量与砷质量分数 渣-钢间反应脱砷，只有依靠加入钙合金脱砷剂降 分别在0.012%~0.08%和0.010%~0.026%之间， 低砷含量，熔渣只起到吸附脱砷产物的作用，且在 试验过程中分别对LF精炼前期、中期和后期进行 渣量一定的条件下，应尽量将渣成分控制在砷容 取样，分析相关成分变化过程，试验结果如表2所 量较高的区域内 示.LF精炼过程中相关成分的变化如图1~图3 因此，理论上实现钢液有效脱砷必须从精确 所示 控制钢液成分、选择优质钙系合金脱砷剂以及合 从图1可以看出，在LF精炼前期向钢液中加 理控制熔渣成分三方面着手 入还原渣料等原料后，硫含量迅速下降，在LF精 2钢液脱砷工业试验条件及结果 炼中期加人Al-Mg-Ca合金进行钢液脱砷，并在 精炼中、后期取样分析，结果表明硫含量继续下 结合该厂实际情况，采用Al-Mg-Ca合金作 降，但下降速率明显降低.从图1~图3可以看出， 为脱砷剂，进行钢液脱砷工业试验.由于镁与钙属 LF精炼前期经过脱氧与脱硫操作后，砷含量能否 于同一主族元素，在钢液中熔化分解能够相互降 降低取决于进行脱砷时钢液中的硫含量以及加入 低蒸气压，增大各自在钢液中的溶解度川.另一方 Al-Mg-Ca合金后钢液中的钙含量，即LF中期硫 面，加入钢液中的镁和铝元素能够起到良好的脱 含量和钙含量.根据15炉次的脱砷工业实验，钢钢铁产品中的砷主要来源于铁矿石、再生生 铁和废钢[1−5] . 过高的砷含量会造成钢铁产品质量 下降的问题. 近年来，纯净钢将砷元素列为需要脱 除的杂质元素，为保证钢铁产品质量、提高其洁净 度，必须将砷含量降低至较低水平. 目前，在钢液 中实现脱砷较为困难[6−20] ,主要由于相关钢液脱砷 研究报道相对较少，其次有关砷的基础热力学数 据存在不全面问题，甚至一些热力学数据在一致 性方面较差. 有关炼钢工艺中的脱砷控制方面的 研究报道基本处于空白状态. 本文针对某钢厂 LF 精炼过程中脱砷生产方 面进行探索性研究. 结合以往文献中脱砷热力学 计算结果和热态实验结果以及有关机理的研究报 道[13−16] ，向钢液中加入钙系合金有实现工业上脱 砷的可行性. 并在此基础上研究了该厂工业试验， 探索精炼过程中砷含量的变化规律，研究结果有 利于解决钢液脱砷工艺存在的问题，改进相关生 产工艺，为钢液脱砷生产工艺制度的制定和完善 提供依据. 1    钢液脱砷机理及影响因素 以往研究结果表明，钢液脱砷的热力学条件 为较强的还原气氛、低硫含量，较高的熔渣碱度和 温度[17−22] . 近年研究结果表明[22−25] ，在强还原气氛 下，钢液中钙含量高于临界钙含量时能够实现脱 砷. 在砷含量固定时，临界钙含量随钢液中氧、硫 含量的升高而升高，其中氧含量对其影响最大. 且 在氧、硫含量一定的情况下，临界钙含量随砷含量 的 升 高 而 降 低 . 而 在 炼 钢 生 产 过 程 中 由 于 CaO–SiO2–Al2O3–10%MgO 熔渣中 CaO 的活度较 低，对于砷含量低于 0.1% 的钢液，熔渣无法进行 渣–钢间反应脱砷，只有依靠加入钙合金脱砷剂降 低砷含量，熔渣只起到吸附脱砷产物的作用，且在 渣量一定的条件下，应尽量将渣成分控制在砷容 量较高的区域内. 因此，理论上实现钢液有效脱砷必须从精确 控制钢液成分、选择优质钙系合金脱砷剂以及合 理控制熔渣成分三方面着手. 2    钢液脱砷工业试验条件及结果 结合该厂实际情况，采用 Al–Mg–Ca 合金作 为脱砷剂，进行钢液脱砷工业试验. 由于镁与钙属 于同一主族元素，在钢液中熔化分解能够相互降 低蒸气压，增大各自在钢液中的溶解度[21] . 另一方 面，加入钢液中的镁和铝元素能够起到良好的脱 氧作用，而且镁还可以进一步参与脱硫，客观上能 够降低钙与氧和硫反应的损耗，有利于钙与砷接 触反应脱砷进行. LF 炉理论上符合脱砷所需热力 学及动力学条件，因此选择 LF 精炼炉进行钢液脱 砷工业试验. 并从 LF 炉精炼前期进行取样分析， 检测钢液中硫、砷和钙含量在 LF 精炼过程中的变 化. 分析工业条件下脱砷效率，判断钢液合理脱砷 工序环节，并对工业条件下的脱砷控制条件和限 制环节进行分析和讨论. 2.1    试验条件确定 该厂实际生产流程为：电炉冶炼→炉外精炼 （LF 炉）→出钢. 试验过程中 LF 精炼炉温度控制 在 1600～ 1650 ℃ ，精炼时间控制 在 40～ 60 min. LF 精炼初期砷质量分数在 0.010%～0.026% 之间， Al–Mg–Ca 合金用量为 2 kg·t−1 . LF 精炼前期加入 还原渣料、萤石、铝铁、硅锰合金等原料进行脱 氧、脱硫及合金化等操作，同时在 LF 精炼过程中 进行吹氩搅拌，试验选择在 LF 精炼中期分批次加 入 Al–Mg–Ca 合金，并伴随吹氩搅拌等操作进行 钢液脱砷工业试验. 随后在 LF 精炼后期加入石 灰、合金等原料保证最终炉渣和钢液成分控制在 所要求范围内. 在现有工业生产条件下，共进行 了 15 炉次钢液工业脱砷试验，所用 Al–Mg–Ca 合 金成分如表 1 所示. 表 1 Al–Mg–Ca 合金化学成分 Table 1 Chemical composition of Al–Ma–Ca alloy % Al Mg Ca Fe 45 2 14 39 2.2    试验结果 LF 精炼初期，钢液中的硫含量与砷质量分数 分别在 0.012%～0.08% 和 0.010%～0.026% 之间 ， 试验过程中分别对 LF 精炼前期、中期和后期进行 取样，分析相关成分变化过程，试验结果如表 2 所 示. LF 精炼过程中相关成分的变化如图 1～图 3 所示. 从图 1 可以看出，在 LF 精炼前期向钢液中加 入还原渣料等原料后，硫含量迅速下降，在 LF 精 炼中期加入 Al–Mg–Ca 合金进行钢液脱砷，并在 精炼中、后期取样分析，结果表明硫含量继续下 降，但下降速率明显降低. 从图 1～图 3 可以看出， LF 精炼前期经过脱氧与脱硫操作后，砷含量能否 降低取决于进行脱砷时钢液中的硫含量以及加入 Al–Mg–Ca 合金后钢液中的钙含量，即 LF 中期硫 含量和钙含量. 根据 15 炉次的脱砷工业实验，钢 · 84 · 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1