铁水喂镁包芯线脱硫实验研究

彭海红，周 瑞

（济南钢铁集团总公司，山东 济南 250101）

摘　要：在实验室进行喂入镁包芯线脱硫实验，结果表明：粉剂中镁含量增大，脱硫率显著增加，同时喷溅也更加剧烈。要达到较好的脱硫效果，又要使脱硫剂达到较高的利用率，镁最好控制在14%～16％；降低铁水中的含氧量能提高镁利用率。
关键词：镁系脱硫剂；镁包芯线；脱硫率
中图分类号：TF704.3　　 文献标识码：A　　 文章编号：1004-4620（2005）02-0033-02

Experiment on Hot Metal Desulphurization by Feeding Magnesium Packed Wire
PENG Hai-hong, ZHOU Rui
(Jinan Iron and Steel Group Corporation, Jinan 250101, China)

Abstract：The experiment on pretreatment process of hot metal desulfurization by feeding magnesium packed wire is carried out in the laboratory. Results show that with the content of Mg mount up, the value of ηS increase quickly, at the same time, the degree of dash increase, too. As a result, the content of Mg ranges from 14% to 16% is best for desulfurization effect and the agent high utilization rate. In addition, it is conclude that low oxygen content in hot metal play a key role in improving the utilization of magnesium.
Key words：magnesium based desulphurizer; packed wire of magnesium; degree of desulphurization

1 镁脱硫理论探讨

        对于强度和韧性要求都很高的高附加值钢种（如IF钢、高级管线钢等）的生产，必须保证送入转炉铁水的硫含量尽可能低，有的甚至要求在（5～10）×10^-6以下。镁系脱硫剂在脱硫效率、耗量、渣量、处理时间、温降、铁损等方面均优于其它种类的脱硫剂，尤其是对铁水温度要求不严格，且喂线技术具有操作简便，设备投资费用低，工作适应性强，合金收得率高，粉尘发生率低，成分控制准确等优点。为此，济钢在实验室采用了喂镁包芯线方法，对铁水进行脱硫处理，为其工业性应用提供依据。
1.1 镁脱硫热力学分析
　　镁的熔点为924K，沸点为1380K，在铁水预处理温度下以蒸汽状态存在，故若将镁粒直接加入铁水内，不仅可使镁瞬间大量汽化，而且部分镁粒抛向铁水表面不参与反应，这将导致材料浪费并使环境恶化，从而使镁的脱硫效率降低。因此，提高镁在铁水中的溶解量是提高镁脱硫效率的关键之一。
1.2 镁脱硫动力学分析
　　金属镁粉被喷吹到铁水内后，由于溶解和汽化存在以下反应 ：
　　（1）Mg+[O]=MgO（s）        ΔG₀=-612300+208.08T
　　（2）Mg（g）+S=MgS（s） ΔG₀=-435138+184.2T
　　（3）[Mg]+[S]=MgS（s）       ΔG₀ =-308700+91.75T
　　镁进入铁水后首先汽化，然后镁气泡逐渐溶解到铁水中去。由于铁水中含氧量较低，所以反应（1）将很快结束。反应（2）和（3）同时进行。镁脱硫剂机理为：一方面在镁气泡与铁水界面进行多相脱硫反应；另一方面镁溶解于铁水并与铁水中的硫发生均相脱硫反应。因此，镁脱硫需要考虑镁气泡和溶解态镁两种形式的脱硫，整个脱硫过程中的脱硫速度应是两脱硫速度之和。一般认为用于这两种脱硫途径的镁的比例为1:9。
　　由于脱硫反应是以式（3）为主，所以加快镁气泡向铁水中溶解的速度，提高铁水中镁的溶解度关系到脱硫效果。为了提高镁的利用率，缩小镁气泡的直径，减缓气泡的上浮速度，可在金属镁粉（镁粒或镁屑）中配加一定量的石灰粉。加入的石灰粉可以起到分散剂的作用，避免大量的镁瞬间汽化，造成喷溅，还可以成为大量气泡的形成核心。

2 脱硫实验

2.1 实验条件
　　实验在25kg的KGPS可控硅中频真空感应炉中进行。铁水重10kg，包芯线厚0.3mm，直径12mm。填充剂：钝化镁（Mg92%，盐类8%）、镁粉、镁屑、石灰、铝和硅钙粉。Ar保护。
2.2 实验方案
　　为考察脱硫率的影响因素，制定以下方案：
　　方案Ⅰ保证Mg的质量不变，通过调整CaO量来改变Mg含量，考察Mg含量与脱硫率的关系。包芯线填充剂理化指标见表1。

表1 方案Ⅰ中镁与氧化钙的理化指标

　　方案Ⅱ为考察铁水中氧对脱硫率的影响，向熔池中加铝预脱氧进行对比实验。在保证方案Ⅰ中镁和氧化钙的配比及质量不变的前提下，加入一定量的铝（铝含量分别为6%、8%、10%、12%），观察其对脱硫效果的影响。
　　方案Ⅲ在方案Ⅱ的基础上再配入一定量的CaSi粉（CaSi含量分别为6%、8%、10%、12%），观察其对脱硫率的影响。
　　方案Ⅳ改变镁的粒度（分别为镁粒、镁粉、镁屑）和镁与氧化钙的比例，观察其脱硫现象，分析其喷溅情况，从而找出其喷溅极限时镁的含量。
　　包芯线填充剂为Mg（镁屑、镁粉和钝化镁）和CaO，Mg的含量如下：
        镁屑：10%，12%，14%，16%，18%，20%；
        镁粉：10%，12%，14%，15%，16%，18%，20%，22%，24%，26%；28%，30%；
        钝化镁：10%，12%，14%，15%，16%，18%，20%。
2.3 实验结果与讨论
2.3.1 实验结果 实验数据见表2。根据表2数据，作Mg含量与脱硫率的对应关系图，见图1。

表2  实验数据 %

图1  镁含量与脱硫率的关系曲线
1 Mg+CaO  2 Mg+CaO+Al  3 Mg+CaO+Al+CaSi

2.3.2 镁配比对脱硫率的影响 由方案Ⅰ和方案Ⅳ数据可见：镁的比例越大，脱硫效果就越好，但镁的比例过大会造成喷溅，影响脱硫剂的利用率，从而影响脱硫率，而且在现场具有不可操作性。
　　根据实验现象可以得出以下结论：
　　（1）镁屑：在喂入镁含量为10%、12%镁屑包芯线时铁液并不喷溅；当镁含量为14%时开始有喷溅现象出现；但当镁含量为16%时火星四溅，出现了大喷现象。随着镁含量的增大，喷溅程度呈上升趋势。
　　（2）镁粉：在喂入镁含量为10%、12%镁粉包芯线时铁液不出现喷溅现象；当镁含量为14% 时铁水涌动，可对铁液起到搅拌作用；但当镁含量为15%时火星四溅，出现了大喷现象。镁含量越大，喷溅就越剧烈。
　　（3）钝化镁：在插入镁含量为10%、12%包芯线时铁液不出现喷溅现象；当镁含量为14% 时铁液基本不喷溅；但当镁含量为16%时火星四溅，出现了大喷现象。与镁屑和镁粉类似，随着镁含量的增大，喷溅程度也增大。
　　实验发现镁的粒度对喷溅程度有一定影响，在镁含量相同的情况下，镁的粒度越小，镁越活泼，喷溅越剧烈。因此，可以通过向其中加入钝化剂或者改善镁的粒度来减弱铁液的喷溅程度。对于上述三种不同粒度的镁，当镁的含量为14%时铁液基本上是不喷溅的，因此要使脱硫剂达到高的利用率，镁的含量最好控制在14%～16％范围内。
2.3.3 氧对脱硫率的影响 对比图1中曲线1、2可以看出：对于相同的镁含量，加铝后的脱硫率比不加铝的要高。由于镁与氧的亲和力大于镁与硫的亲和力，所以镁进入铁液后先与氧反应，消耗了部分镁，从而使镁的脱硫利用率下降，若在喂线前加入铝，可降低铁水中的氧位，提高镁的脱硫利用率。
2.3.4 硅钙粉对脱硫的影响 由图1中的曲线3看出，加入硅钙粉有利于脱硫。因为硅钙粉有去除夹杂物的作用，机理是富集小体积的脱硫生成物和氧化物，形成易于上浮的大体积产物，净化铁液。

3 结 论

3.1 镁的比例越大，脱硫效果就越好，但会造成喷溅。要达到较好的脱硫效果，又要使脱硫剂达到较高的利用率，镁含量应控制在14%～16％。
3.2 铁液的喷溅程度与镁的粒度有关。相同的镁含量，镁的粒度越小，镁越活泼，喷溅越剧烈。可改善镁的粒度或加入钝化剂来改善铁液的喷溅情况。
3.3 向铁水中加入一定量的铝，降低铁水中的氧量，是提高镁利用率的措施之一。加入一定量的硅钙粉，去除部分夹杂物，净化铁液，有利于脱硫。

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