LF精炼过程砷脱除的工业试验

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering LF精炼过程砷脱除的工业试验 李文博赵海泉 Industrial experimental study on dearsenication in LF refining process LI Wen-bo,ZHAO Hai-quan 引用本文： 李文博，赵海泉.LF精炼过程砷脱除的工业试验.工程科学学报，2020,42(S):83-88.doi:10.13374j.iss2095- 9389.2020.03.20.s02 LI Wen-bo,ZHAO Hai-quan.Industrial experimental study on dearsenication in LF refining process[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42S:83-88.doi:10.13374.issn2095-9389.2020.03.20.s02 在线阅读View online::htps:ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2020.03.20.s02 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 响应曲面法优化Na,S-NaOH体系浸出硫酸烧渣中的砷 Arsenic removal from pyrite cinders in Na,S-NaOH solution with parameters optimized using the response surface methodology 工程科学学报.2018.409：1036htps:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.09.003 RH精炼过程中吹氧量对F钢洁净度的影响 Effect of oxygen blowing during RH treatment on the cleanliness of IF steel 工程科学学报.2020,42(7)：846 https:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.19.002 超低碳钢精炼过程中F-A-Ti-O类复合氧化物夹杂的演变与控制 Revolution and control of Fe-Al-Ti-O complex oxide inclusions in ultralow-carbon steel during refining process 工程科学学报.2019,41(6：757 https::/1oi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.06.007 202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 Formation mechanism of non-metallic inclusions in 202 stainless steel 工程科学学报.2019,41(12：1567htps:1doi.org10.13374/.issn2095-9389.2018.12.18.004 残余应力对金属材料局部腐蚀行为的影响 Effect of residual stress on localized corrosion behavior of metallic materials 工程科学学报.2019,41(7)：929 https:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.012 钢中液态夹杂物聚并行为的数学物理模拟 Physical and numerical simulation of the coalescence of liquid inclusion particles in molten steel 工程科学学报.2019.41(10：1280htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.11.02.001

LF精炼过程砷脱除的工业试验 李文博 赵海泉 Industrial experimental study on dearsenication in LF refining process LI Wen-bo, ZHAO Hai-quan 引用本文: 李文博, 赵海泉. LF精炼过程砷脱除的工业试验[J]. 工程科学学报, 2020, 42(S): 83-88. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2020.03.20.s02 LI Wen-bo, ZHAO Hai-quan. Industrial experimental study on dearsenication in LF refining process[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(S): 83-88. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.20.s02 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.20.s02 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 响应曲面法优化Na2 S-NaOH体系浸出硫酸烧渣中的砷 Arsenic removal from pyrite cinders in Na2 S-NaOH solution with parameters optimized using the response surface methodology 工程科学学报. 2018, 40(9): 1036 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.003 RH精炼过程中吹氧量对IF钢洁净度的影响 Effect of oxygen blowing during RH treatment on the cleanliness of IF steel 工程科学学报. 2020, 42(7): 846 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.19.002 超低碳钢精炼过程中Fe-Al-Ti-O类复合氧化物夹杂的演变与控制 Revolution and control of Fe-Al-Ti-O complex oxide inclusions in ultralow-carbon steel during refining process 工程科学学报. 2019, 41(6): 757 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.007 202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 Formation mechanism of non-metallic inclusions in 202 stainless steel 工程科学学报. 2019, 41(12): 1567 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.18.004 残余应力对金属材料局部腐蚀行为的影响 Effect of residual stress on localized corrosion behavior of metallic materials 工程科学学报. 2019, 41(7): 929 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.012 钢中液态夹杂物聚并行为的数学物理模拟 Physical and numerical simulation of the coalescence of liquid inclusion particles in molten steel 工程科学学报. 2019, 41(10): 1280 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.02.001

工程科学学报.第42卷，增刊1：83-88.2020年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,Suppl.1:83-88,December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.20.s02;http://cje.ustb.edu.cn LF精炼过程砷脱除的工业试验 李文博四，赵海泉 攀枝花学院钒钛学院.攀枝花617000 ☒通信作者，E-mail:liwenbo315@126.com 摘要基于炼钢生产过程中残余元素砷较难脱除的特点，并结合以往实验室热态脱研究结果.通过钢包精炼炉(Lde furnace refining furnace,,LF炉)钢液脱砷工业试验，研究了LF精炼炼钢过程中有关砷的脱除方法.采用Al-MgCa合金作为 脱砷剂，研究发现，LF炉可以实现钢液精炼脱砷，但钢液精炼过程中硫和钙的含量是实现工业条件下脱砷的限制环节，因此， 必须控制钢液中硫和钙的含量以保证钢液脱砷效果.LF炉精炼脱砷之前必须将钢液中的硫含量降至低于0.01%，加入 A1-Mg-Ca合金后钢液中钙含量需高于0.0055%. 关键词残余元素：脱砷：钢液：砷：精炼 分类号TF769.2 Industrial experimental study on dearsenication in LF refining process LI Wen-bo,ZHAO Hai-quan School of Vanadium and Titanium,Panzhihua University,Panzhihua 617000,China Corresponding author,E-mail:liwenbo315@126.com ABSTRACT With the gradual depletion of high-grade iron ore resources,the usage amount of low-grade iron ore is increasing year by year.Moreover,given the environmental protection requirements and the objective to reduce industrial cost,the usage of scrap is significantly increasing.The above occurrences have led to a large increase in the percentage of residual elemental arsenic in steel.Also, the requirement for lower arsenic content in finished steel is increasingly stricter.Presently,the iron and steel enterprises have not yet developed a mature technology for dearsenication in molten steel;moreover,the theoretical studies on the dearsenication in molten steel are relatively few,which lead to a lack of relevant theoretical data.Therefore,how to realize an effective method for dearsenication in molten steel is a technical problem in the iron and steel industry.Considering the problems of poor dearsenication in the steelmaking process and the previous experimental results of dearsenication in laboratory.The dearsenication in the process of steelmaking was investigated through an industrial trial of dearsenication in the molten steel in the ladle furnace (LF)refining furnace.The Al-Mg-Ca alloy was chosen as dearseicating agent,The industrial test about dearsenication in the molten steel show:the dearsenication in the molten steel can be realized in the LF furnace,the sulfur and calcium content in the molten steel is restrictive factor for dearsenication under industrial condition;the control level of sulfur and calcium in molten steel is put forward to ensure the effect of dearsenication. The sulfur content in molten steel must be reduced to less than 0.01%before dearsenicating in LF furnace,the calcium should be higher than 0.0055%after adding Al-Mg-Ca alloy. KEY WORDS residual element:dearsenication:molten steel:arsenic;refine 收稿日期：2020-03-30 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51874028)

LF 精炼过程砷脱除的工业试验 李文博苣，赵海泉 攀枝花学院钒钛学院，攀枝花 617000 苣通信作者，E-mail: liwenbo315@126.com 摘    要    基于炼钢生产过程中残余元素砷较难脱除的特点，并结合以往实验室热态脱砷研究结果. 通过钢包精炼炉（Ladle furnace refining furnace, LF 炉）钢液脱砷工业试验，研究了 LF 精炼炼钢过程中有关砷的脱除方法. 采用 Al–Mg–Ca 合金作为 脱砷剂，研究发现，LF 炉可以实现钢液精炼脱砷，但钢液精炼过程中硫和钙的含量是实现工业条件下脱砷的限制环节. 因此， 必须控制钢液中硫和钙的含量以保证钢液脱砷效果. LF 炉精炼脱砷之前必须将钢液中的硫含量降至低于 0.01%，加入 Al–Mg–Ca 合金后钢液中钙含量需高于 0.0055%. 关键词    残余元素；脱砷；钢液；砷；精炼 分类号    TF769.2 Industrial experimental study on dearsenication in LF refining process LI Wen-bo苣 ，ZHAO Hai-quan School of Vanadium and Titanium, Panzhihua University, Panzhihua 617000, China 苣 Corresponding author, E-mail: liwenbo315@126.com ABSTRACT    With the gradual depletion of high-grade iron ore resources, the usage amount of low-grade iron ore is increasing year by year. Moreover, given the environmental protection requirements and the objective to reduce industrial cost, the usage of scrap is significantly increasing. The above occurrences have led to a large increase in the percentage of residual elemental arsenic in steel. Also, the requirement for lower arsenic content in finished steel is increasingly stricter. Presently, the iron and steel enterprises have not yet developed a mature technology for dearsenication in molten steel; moreover, the theoretical studies on the dearsenication in molten steel are relatively few, which lead to a lack of relevant theoretical data. Therefore, how to realize an effective method for dearsenication in molten steel is a technical problem in the iron and steel industry. Considering the problems of poor dearsenication in the steelmaking process and the previous experimental results of dearsenication in laboratory. The dearsenication in the process of steelmaking was investigated through an industrial trial of dearsenication in the molten steel in the ladle furnace (LF) refining furnace. The Al–Mg–Ca alloy was chosen as dearseicating agent, The industrial test about dearsenication in the molten steel show: the dearsenication in the molten steel can be realized in the LF furnace, the sulfur and calcium content in the molten steel is restrictive factor for dearsenication under industrial condition; the control level of sulfur and calcium in molten steel is put forward to ensure the effect of dearsenication. The sulfur content in molten steel must be reduced to less than 0.01% before dearsenicating in LF furnace, the calcium should be higher than 0.0055% after adding Al–Mg–Ca alloy. KEY WORDS    residual element；dearsenication；molten steel；arsenic；refine 收稿日期: 2020−03−30 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51874028） 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1：83−88，2020 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, Suppl. 1: 83−88, December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.20.s02; http://cje.ustb.edu.cn

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

李文博等：LF精炼过程砷脱除的工业试验 85 表2工业脱砷试验结果 Table 2 Industrial trial result of dearsenication No.Initial ws/% Final ws/% Initial wAs% Final wAs% Alloy usage/kg Desulphurization rate/% Dearsenication rate/% 0.046 0.006 0.017 0.019 120 86.9 0.048 0.005 0.020 0.021 200 89.6 0.022 0.004 0.015 0.005 200 81.8 66.7 0.036 0.007 0.015 0.016 130 80.5 5 0.035 0.003 0.013 0.008 160 91.4 38.5 6 0.035 0.005 0.013 0.014 280 85.7 7 0.080 0.004 0.016 0.007 190 95.0 56.2 8 0.041 0.010 0.015 0.015 100 75.6 9 0.047 0.012 0.013 0.014 100 74.4 10 0.053 0.008 0.017 0.018 115 84.9 0.038 0.008 0.026 0.027 240 78.9 12 0.045 0.006 0.014 0.015 330 88.9 13 0.012 0.002 0.015 0.007 320 83.3 53.3 14 0.029 0.003 0.017 0.010 250 89.7 41.1 15 0.050 0.004 0.018 0.018 130 92.0 Note:ws is the mass fraction of sulphur,and ws is the mass fraction of arsenic in the molten steel. 0.09 0.016 Initial stage of LF refining 0.08 Intermeduate stage of LF refining 0.014 Final stage of LF refining 0.07 誉0012 0.06 0.05 0.008 0.04 0.03 是 0.02 0.002 0.01 483,: 00 12345678910111213141516 012345678910111213141516 Heat(times) Heat(times) 图1LF炉中硫含量变化 图3LF炉中钙含量变化 Fig.I Change of sulphur content in LF furnace Fig.3 Change of calcium content in LF furnace 液中砷含量共有3种变化规律，分别为： 0.030 stage of LF refining (1)LF精炼前期硫含量较高，经过LF精炼前 期阶段后，硫含量快速下降.在LF精炼中期阶段 硫的质量分数普遍高于0.01%，钙的质量分数低 ◆ 于0.001%的条件下，钢液中砷含量在LF精炼中、 后期无明显变化： 0.010 (2)LF精炼过程中硫含量不断下降，砷含量没 0.005 有明显降低.部分炉次砷含量反而出现上升趋势， 说明在前期精炼合金化过程中，所加入的相关合 0 12345678910111213141516 Heat(times) 金中含有一定量的砷.因此在炼钢脱砷过程中应 图2LF炉中砷含量变化 严格控制相关合金中的砷含量，以保证良好的脱 Fig.2 Change of arsenic content in LF furnace 砷效果；

液中砷含量共有 3 种变化规律，分别为： （1）LF 精炼前期硫含量较高，经过 LF 精炼前 期阶段后，硫含量快速下降. 在 LF 精炼中期阶段 硫的质量分数普遍高于 0.01%，钙的质量分数低 于 0.001% 的条件下，钢液中砷含量在 LF 精炼中、 后期无明显变化； （2）LF 精炼过程中硫含量不断下降，砷含量没 有明显降低. 部分炉次砷含量反而出现上升趋势， 说明在前期精炼合金化过程中，所加入的相关合 金中含有一定量的砷. 因此在炼钢脱砷过程中应 严格控制相关合金中的砷含量，以保证良好的脱 砷效果； 表 2 工业脱砷试验结果 Table 2 Industrial trial result of dearsenication No. Initial wS /% Final wS /% Initial wAs/% Final wAs/% Alloy usage/kg Desulphurization rate/% Dearsenication rate/% 1 0.046 0.006 0.017 0.019 120 86.9 2 0.048 0.005 0.020 0.021 200 89.6 3 0.022 0.004 0.015 0.005 200 81.8 66.7 4 0.036 0.007 0.015 0.016 130 80.5 5 0.035 0.003 0.013 0.008 160 91.4 38.5 6 0.035 0.005 0.013 0.014 280 85.7 7 0.080 0.004 0.016 0.007 190 95.0 56.2 8 0.041 0.010 0.015 0.015 100 75.6 9 0.047 0.012 0.013 0.014 100 74.4 10 0.053 0.008 0.017 0.018 115 84.9 11 0.038 0.008 0.026 0.027 240 78.9 12 0.045 0.006 0.014 0.015 330 88.9 13 0.012 0.002 0.015 0.007 320 83.3 53.3 14 0.029 0.003 0.017 0.010 250 89.7 41.1 15 0.050 0.004 0.018 0.018 130 92.0 Note: wS is the mass fraction of sulphur, and wAs is the mass fraction of arsenic in the molten steel. 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Heat (times) Mass fraction of sulphur/ % 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Initial stage of LF refining Intermediate stage of LF refining Final stage of LF refining 图 1 LF 炉中硫含量变化 Fig.1 Change of sulphur content in LF furnace 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Heat (times) Mass fration of arsenic/ % 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Initial stage of LF refining Intermediate stage of LF refining Final stage of LF refining 图 2 LF 炉中砷含量变化 Fig.2 Change of arsenic content in LF furnace 0.016 0.012 0.010 0.014 0.008 0.006 0.004 0.002 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Heat (times) Mass fration of calcium/ % 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Initial stage of LF refining Intermediate stage of LF refining Final stage of LF refining 图 3 LF 炉中钙含量变化 Fig.3 Change of calcium content in LF furnace 李文博等： LF 精炼过程砷脱除的工业试验 · 85 ·

86 工程科学学报.第42卷，增刊1 (3)LF精炼中期硫的质量分数控制在0.008%~ 初期通过降低氧和硫含量，促进强还原气氛和有 0.010%范围内，加入A1-Mg-Ca合金后钙的质量 利脱砷的热力学条件形成.因此LF精炼前期必须 分数高于0.0055%时，钢液中砷含量开始出现下 强化有关脱氧和脱硫的操作，精确控制氧和硫的 降趋势.说明在还原气氛下通过精确化控制钢液 含量范围.经过前期形成强还原性气氛及有利脱 中硫和钙含量能够实现钢液脱砷效果 砷热力学条件后，分批次加入钙系合金，才能够在LF 3结果分析与讨论 精炼中、后期阶段进行脱砷处理.因此LF精炼前期 的主要任务是促进有利脱砷热力学条件的形成. 3.1 钢液脱砷效率分析 对于成功脱砷试验炉次（炉次3、5、7、13和 工业脱砷试验分析结果表明硫含量对工业条件 14),由于LF前期精炼阶段已形成脱砷反应所需 下的脱砷效率有重要影响.结合理论分析62和 热力学条件，加入钙系合金脱砷剂后，在LF中、后 试验结果，经过前期脱氧、脱硫及合金化等处理 期砷含量出现下降趋势.对于未能成功脱砷的炉 后，精炼中期加入钙系合金进行脱砷处理，各炉次 次，由于LF精炼前期脱硫效果不理想，未能形成 脱砷效果也不尽相同.从表1和图1~图3中可以 促进脱砷反应的热力学条件，导致精炼过程中砷 看出，在吨钢脱砷剂用量相同的生产条件下，硫含 含量无明显变化.由此可以得出结论，LF精炼前 量越低越有利于钢液脱砷，即LF精炼前期钢液脱 期形成有利脱砷热力学条件后，LF精炼中、后期 硫越彻底，LF中、后期对应脱砷效果越好.主要原 是实现脱砷的关键阶段.若想合理解决钢液脱砷 因为钢液中砷脱除主要依靠钢液中的溶解钙与砷 问题，必须明确LF精炼各阶段的任务和目标 接触反应.从热力学角度，钙与硫反应的热力学驱 LF精炼前期阶段的主要任务是在钢液中形成强还 动力远高于砷与钙反应的驱动力，过高硫含量会 原气氛、精确控制氧和硫的含量范围.减轻LF精 大量消耗钢液中的溶解钙，使钙与砷无法进一步 炼中、后期钢液脱砷难度.只有达到要求的钢液 接触反应，影响脱砷效果 才能够进行下一阶段的脱砷处理，而在LF精炼 而从动力学角度，过高的硫含量会使形成 中、后期的主要任务则是充分利用脱砷热力学和 的Cas附着在钙气泡的气-液界面上，阻碍其在钢 动力学条件，降低钢液中的砷含量 液中溶解，降低其利用率，而从工业试验结果中也 3.3脱砷工艺控制条件 可以看出，LF中期对应硫含量较高（硫的质量分 从图1可以看出，精炼初期钢液中硫的质量分 数高于0.01%)，加入A1-Mg-Ca合金之后钙含量 数差别较大，主要集中在0.02%~0.55%之间，个 也较低的炉次（钙的质量分数低于0.0010%），其脱 别炉次高于0.055%，还有一小部分炉次低于 砷效果普遍不理想.主要原因是LF前期阶段脱硫 0.015%,说明之前冶炼操作波动较大.而从试验结 效果不佳，影响了Al-Mg-Ca合金的脱砷效果，导 果可以看出，初期硫含量过高容易使LF精炼中、 致钙合金脱砷利用率不高，无法实现工业条件下 后期硫含量相对过高，增大脱砷难度.因此有必要 的有效脱砷.另一方面，LF精炼前期控制硫的质 将精炼前期的硫含量控制在一定范围内.从图1~ 量分数低于0.008%~0.01%，在LF精炼中期分批 图3可以看出，精炼前期钢液中钙的质量分数较 次加入Al-Mg-Ca合金后，钢液中钙的质量分数 低，在0.0002%~0.0008%之间.加入A1-Mg-Ca 高于0.0055%能够对钢液脱砷起到良好作用.因 合金之后钙含量有所升高.对于未能成功脱砷的 此，为了提高工业条件下的钢液脱砷效率，LF精 炉次，经过LF精炼前期，硫的质量分数普遍高于 炼前期必须将硫含量精确控制在较低范围内，为 0.01%,加入Al-Mg-Ca合金后钙的质量分数明显 实现高效脱砷创造有利条件 低于0.0010%，脱砷热力学条件不足，无法进行脱 3.2合理脱砷工序环节判定 砷反应.而脱砷成功的炉次，LF精炼前期将硫的 热力学理论分析与有关实验室热态脱砷结果 质量分数控制在0.0080%~0.010%之间，加入 表明6,22训，在进行脱砷处理之前，钢液中的强还 Al-Mg-Ca合金之后钙的质量分数控制在0.0055% 原性是实现脱砷的首要条件.LF炉具备钢液还原 以上，个别炉次甚至高于0.01%.对比有效脱砷炉 精炼功能，满足脱砷所需首要条件，是实现钢液脱 次与未有效脱砷炉次试验结果发现，有效脱砷炉 砷较为理想的工业设备.而工业脱砷试验结果也 次硫含量明显偏低，且加入Al-Mg-Ca合金之后， 表明，满足条件的钢液在LF炉中能够实现脱砷 有效脱砷炉次钙含量也明显较高.从热力学角度 若想取得合理而有效的脱砷效果，必须在LF精炼 来讲，有效脱砷炉次钢液中还原气氛以及脱砷热

（3）LF 精炼中期硫的质量分数控制在 0.008%～ 0.010% 范围内，加入 Al–Mg–Ca 合金后钙的质量 分数高于 0.0055% 时，钢液中砷含量开始出现下 降趋势. 说明在还原气氛下通过精确化控制钢液 中硫和钙含量能够实现钢液脱砷效果. 3    结果分析与讨论 3.1    钢液脱砷效率分析 工业脱砷试验分析结果表明硫含量对工业条件 下的脱砷效率有重要影响. 结合理论分析[16−24] 和 试验结果，经过前期脱氧、脱硫及合金化等处理 后，精炼中期加入钙系合金进行脱砷处理，各炉次 脱砷效果也不尽相同. 从表 1 和图 1～图 3 中可以 看出，在吨钢脱砷剂用量相同的生产条件下，硫含 量越低越有利于钢液脱砷，即 LF 精炼前期钢液脱 硫越彻底，LF 中、后期对应脱砷效果越好. 主要原 因为钢液中砷脱除主要依靠钢液中的溶解钙与砷 接触反应. 从热力学角度，钙与硫反应的热力学驱 动力远高于砷与钙反应的驱动力，过高硫含量会 大量消耗钢液中的溶解钙，使钙与砷无法进一步 接触反应，影响脱砷效果. 而从动力学角度[16] ，过高的硫含量会使形成 的 CaS 附着在钙气泡的气–液界面上，阻碍其在钢 液中溶解，降低其利用率. 而从工业试验结果中也 可以看出，LF 中期对应硫含量较高（硫的质量分 数高于 0.01%），加入 Al–Mg–Ca 合金之后钙含量 也较低的炉次（钙的质量分数低于 0.0010%），其脱 砷效果普遍不理想. 主要原因是 LF 前期阶段脱硫 效果不佳，影响了 Al–Mg–Ca 合金的脱砷效果，导 致钙合金脱砷利用率不高，无法实现工业条件下 的有效脱砷. 另一方面，LF 精炼前期控制硫的质 量分数低于 0.008%～0.01%，在 LF 精炼中期分批 次加入 Al–Mg–Ca 合金后，钢液中钙的质量分数 高于 0.0055% 能够对钢液脱砷起到良好作用. 因 此，为了提高工业条件下的钢液脱砷效率，LF 精 炼前期必须将硫含量精确控制在较低范围内，为 实现高效脱砷创造有利条件. 3.2    合理脱砷工序环节判定 热力学理论分析与有关实验室热态脱砷结果 表明[16, 22, 24] ，在进行脱砷处理之前，钢液中的强还 原性是实现脱砷的首要条件. LF 炉具备钢液还原 精炼功能，满足脱砷所需首要条件，是实现钢液脱 砷较为理想的工业设备. 而工业脱砷试验结果也 表明，满足条件的钢液在 LF 炉中能够实现脱砷. 若想取得合理而有效的脱砷效果，必须在 LF 精炼 初期通过降低氧和硫含量，促进强还原气氛和有 利脱砷的热力学条件形成. 因此 LF 精炼前期必须 强化有关脱氧和脱硫的操作，精确控制氧和硫的 含量范围. 经过前期形成强还原性气氛及有利脱 砷热力学条件后，分批次加入钙系合金，才能够在 LF 精炼中、后期阶段进行脱砷处理. 因此 LF 精炼前期 的主要任务是促进有利脱砷热力学条件的形成. 对于成功脱砷试验炉次（炉次 3、5、7、13 和 14），由于 LF 前期精炼阶段已形成脱砷反应所需 热力学条件，加入钙系合金脱砷剂后，在 LF 中、后 期砷含量出现下降趋势. 对于未能成功脱砷的炉 次，由于 LF 精炼前期脱硫效果不理想，未能形成 促进脱砷反应的热力学条件，导致精炼过程中砷 含量无明显变化. 由此可以得出结论，LF 精炼前 期形成有利脱砷热力学条件后，LF 精炼中、后期 是实现脱砷的关键阶段. 若想合理解决钢液脱砷 问题 ，必须明 确 LF 精炼各阶段的任务和目标 . LF 精炼前期阶段的主要任务是在钢液中形成强还 原气氛、精确控制氧和硫的含量范围，减轻 LF 精 炼中、后期钢液脱砷难度. 只有达到要求的钢液 才能够进行下一阶段的脱砷处理，而在 LF 精炼 中、后期的主要任务则是充分利用脱砷热力学和 动力学条件，降低钢液中的砷含量. 3.3    脱砷工艺控制条件 从图 1 可以看出，精炼初期钢液中硫的质量分 数差别较大，主要集中在 0.02%～0.55% 之间，个 别 炉 次 高 于 0.055%， 还 有 一 小 部 分 炉 次 低 于 0.015%，说明之前冶炼操作波动较大. 而从试验结 果可以看出，初期硫含量过高容易使 LF 精炼中、 后期硫含量相对过高，增大脱砷难度. 因此有必要 将精炼前期的硫含量控制在一定范围内. 从图 1～ 图 3 可以看出，精炼前期钢液中钙的质量分数较 低 ，在 0.0002%～0.0008% 之间. 加入 Al–Mg–Ca 合金之后钙含量有所升高. 对于未能成功脱砷的 炉次，经过 LF 精炼前期，硫的质量分数普遍高于 0.01%，加入 Al–Mg–Ca 合金后钙的质量分数明显 低于 0.0010%，脱砷热力学条件不足，无法进行脱 砷反应. 而脱砷成功的炉次，LF 精炼前期将硫的 质 量 分 数 控 制 在 0.0080%～ 0.010% 之 间 ， 加 入 Al–Mg–Ca 合金之后钙的质量分数控制在 0.0055% 以上，个别炉次甚至高于 0.01%. 对比有效脱砷炉 次与未有效脱砷炉次试验结果发现，有效脱砷炉 次硫含量明显偏低，且加入 Al–Mg–Ca 合金之后， 有效脱砷炉次钙含量也明显较高. 从热力学角度 来讲，有效脱砷炉次钢液中还原气氛以及脱砷热 · 86 · 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1