CN102399937A

CN102399937A - 钢液电化学脱硫方法及装置

Info

Publication number: CN102399937A
Application number: CN2010102764280A
Authority: CN
Inventors: 贾吉祥; 李德刚; 廖相巍; 赵刚; 曹东; 郭庆涛; 李广帮; 万雪峰; 修国涛
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2012-04-04

Abstract

本发明提供一种钢液电化学脱硫方法及装置，该方法包括：将钢液装入炉体内，并加入厚度为30～150mm的渣料；然后插入阳极，使其与熔渣接触；最后由外加直流电源通过阳极和阴极施加一直流电压为0.1～20V，电流为0.1～50A的电场。该装置由带底吹透气砖的炉体、阳极、外部直流电源和阴极所组成，阳极和阴极通过导线与直流电源相连，阳极被固定在阳极升降架上，可与熔渣相接触，阴极安装在炉体底部，与钢液相接触。用本发明对钢液进行脱硫，无需脱硫剂，不会生成脱氧夹杂，也不会产生回硫，而且设备简单，操作方便，脱硫效率高，成本低，特别适于30～350吨钢包的精炼设施上推广应用。

Description

钢液电化学脱硫方法及装置

技术领域

本发明属于炼钢精炼技术领域，尤其涉及一种适合钢液熔渣间外加电场脱硫的方法及装置。

背景技术

硫是钢中有害元素之一，其主要危害是：导致钢的热脆，以及轧制后钢材的各向异性，因此必须严格限制钢中的硫含量。特别是对于如电工硅钢这一类的高附加值钢种，其对硫含量的要求更为苛刻。因此钢液中硫的脱除是精炼过程的主要目标之一。传统的脱硫精炼过程是通过渣金反应进行的，利用熔渣对硫有一定吸纳容量的特点，经过渣金的接触和反应，使金属中的硫部分地进入到炉渣相进而达到去除的目的。这些研究思路体现在公开号为CN101660021和CN101550513的中国发明专利中。但是，由于硫在渣金二相间存在着某种热力学平衡，不可能将硫脱至极低的水平，最终的精炼效果取决于炉渣的成分、渣量等工艺因素。同时，由于精炼过程使用的原材料中一般都含有硫，因此钢液在冶炼过程中会出现回硫现象。另外这些脱硫方法都依赖加入大量的脱硫剂来进行脱硫，这就相应的增加了冶炼成本，已不能适应国家对钢铁生产企业低碳、环保、可持续发展的要求。随着科学技术的发展，对金属产品的品种和质量要求越来越高，只靠传统的冶炼工艺不能满足对钢液的纯净化要求。所以，对那些要求硫含量极低的品种，就有必要寻找新的方法对钢液进行深脱硫。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种高效无污染的适合钢液熔渣间外加电场脱硫的方法及装置。

本发明是这样实现的：该钢液电化学脱硫方法包括以下步骤：首先将钢液装入炉体内，并加入渣料，使熔化后的渣料厚度达30～150mm；然后插入阳极，使其与炉内上层的熔渣接触而不和下层的钢液接触；最后由外加直流电源通过插入熔渣的阳极和置于钢液中的阴极，施加一直流电压为0.1～20V，电流为0.1～50A的电场。

本发明钢液电化学脱硫方法在施加电场的同时应对钢液进行弱底吹气体搅拌，以增强溶解的硫、氧在钢液中的传质，同时要控制底吹气体流量在1～200NL·min^-1，以防止底吹气体流量过大导致渣层波动大，致使施加的电压、电流不稳定，影响脱硫效果，还要防止底吹气体流量过大吹破渣层而导致钢水吸氧。在施加电场过程中还应向熔渣上方通入保护气体用来降低熔渣与阳极接触区域的SO₂和氧分压，以加速S^2-、O^2-在熔渣体系中的传导速度，同时要控制保护气体流量在1～100NL·min^-1，以防止顶吹气体流量过大导致渣层波动大，致使施加的电压、电流不稳定，影响脱硫效果。本发明所述的保护气体可以是Ar、N₂或其它惰性气体。本发明所述的渣料应具有适合的碱度，即(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)为0.8～1.5，粘度(1500℃时的粘度0.05Pa·S～2Pa·S)，和高的电导率(炉渣中FeO含量控制在1％～10％)。

本发明钢液电化学脱硫用装置主要由带有底吹透气砖的炉体、阳极、外部直流电源和阴极所组成，所述阳极和阴极通过导线与外部直流电源相连接，阳极通过阳极支架被固定在阳极升降架上，可与炉内上层的熔渣相接触，阴极安装在炉体底部，与炉内下层的钢液相接触。

本发明钢液电化学脱硫用装置在所述阳极的上方还安设有与供气系统相连接的保护气体供气管。所述的供气管可以是一根或多根，供气管由金属材料制成。通过供气管向熔渣和阳极接触区域通入保护气体可降低熔渣与阳极接触区域的SO₂和氧分压，以加速S^2-、O^2-在熔渣体系中的传导速度。

本发明钢液电化学脱硫用装置所述的阳极可以是若干个。所述的阳极平行垂直安装在阳极支架上，阳极支架位于升降架的下端。所述的阳极支架和升降架由金属材料制成；本发明所述的阳极由金属导电陶瓷材料制成；所述的阴极由高温陶瓷、耐高温金属、或与钢液成分相近的自耗电极制成。

本发明提出的钢液电化学脱硫方法，以炉渣作为钢液中溶解硫向外传输的通道，在钢液与覆盖于其上的熔渣之间施加直流电场，控制和加速硫离子在熔渣体系中的传导方向和速度，从而实现钢液的深脱硫目的，同时还避免回硫，污染钢液。

钢液电化学脱硫原理及过程：

炉渣的离子理论表明，炉渣中含有氧离子、硫离子、各类金属阳离子、不同的复杂离子团等物质。在渣金间施加一定方向的直流电场，可控制硫离子在体系中的迁移方向，从而达到脱除钢液中硫的目的。钢液脱硫过程可以通过以下步骤完成：

①钢液体内的硫向金属-熔渣界面传递

[S]_熔体内→[S]_界面 (1)

②在金属-炉渣界面发生阴极反应

[S]+2e→(S^2-) (2)

③硫离子在电场的作用下，在炉渣体中进行迁移

(S^2-)_钢渣界面→(S^2-)_{渣阳极界面} (3)

④在炉渣/电极接触界面发生阳极反应

(S^2-)→S+2e (4)

⑤氧气和硫发生氧化反应

O₂+S→SO₂ (5)

根据电化学原理，步骤(2)使金属-炉渣界面积累正电荷，步骤(4)使炉渣-电极的接触界面积累负电荷，如果不消除这些积累的电荷，就会形成一个电场，将阻碍硫离子的进一步迁移，最终导致脱硫过程的停止。而反向外加电场的施加，即可消除或者减小这个阻碍电场，使硫离子不断向渣相迁移，直至到阳极发生反应生成SO₂气体，脱离反应体系为止。另外，此施加电场脱硫的过程还会对钢液中的氧有脱除的作用，这就进一步降低了钢液中的氧位，也有利于钢液中硫的脱除。

本发明与现有技术相比，具有如下明显优点：本方法不需要加入大量的脱硫剂，脱硫过程不会生成任何脱氧夹杂，同时脱硫结束也不会产生回硫现象，保证了深脱硫效果；本发明设备简单，操作方便，成本低廉。另外本发明无需增加单独的精炼工位，无需延长精炼处理时间，只需在现有精炼设备的基础上配以简单的设备即可达到低成本，快速，无污染的对钢液进行脱硫的目的。适合单独精炼炉的电化学脱硫工艺，特别适于在30～350吨钢包的精炼设施上推广应用。使用本发明方法对钢液进行脱硫，20min内钢水脱硫率可达80％以上。

附图说明

图1为本发明实施例钢液电化学脱硫用装置的结构示意图。

图中1为阳极升降架支架，2为保护气体供气管，3为熔渣，4为炉体，5为钢液，6为底吹透气砖，7为阳极升降架，8为阳极支架，9为阳极，10为外部直流电源，11为阴极。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的描述。

先将废钢300～450Kg加入到炉体4中，待废钢完全熔化后向钢液5中加入熔渣3，每100Kg钢液里熔渣3加入量控制在2～10Kg，待熔渣3完全熔化后，测定熔渣3的厚度，其厚度控制在30～150mm。等熔渣3和钢液5反应平衡后，对钢水进行测温定氧处理，通过固定在阳极升降架支架1上的阳极升降架7将安装在阳极支架8上的多个阳极9降入到熔渣3中，并确保阳极9只与熔渣3接触而不与钢液5接触。然后由外部直流电源10通过插入熔渣3的阳极9和置于炉体1底部与钢液5接触的阴极11，施加一直流电压为0.1～20V，电流为0.1～50A的电场对钢液5进行电化学脱硫处理。本发明实施例所用的阳极9由含钼的金属陶瓷制作而成，阴极11由金属钼制作而成。在施加电场的过程中还通过底吹透气砖6对钢液5进行弱底吹氩气搅拌，以增强溶解氧在钢液中的传质，底吹气体流量控制在1～50NL·min^-1，以防止底吹气体流量过大吹破渣层而导致钢水吸氧。同时，还通过位于阳极9上方的保护气体供气管2通入氩气用来降低熔渣3与阳极9接触区域的SO₂和氧分压，来加速S^2-、O^2-在熔渣体系中的传导速度。保护气体的流量控制在1～10NL·min^-1，以防止保护气体流量过大吹破渣层而导致钢水吸氧。

以上实施例在中间实验室500Kg多功能炉上完成，具体工艺参数及脱硫效果见表1。

表1本发明实施例工艺参数及脱硫效果

Claims

1.一种钢液电化学脱硫方法，其特征在于包括以下步骤：首先将钢液装入炉体内，并加入渣料，使熔化后的渣料厚度为30～150mm；然后插入阳极，使其与熔渣接触；最后由外加直流电源通过插入熔渣的阳极和置于钢液中的阴极，施加一直流电压为0.1～20V，电流为0.1～50A的电场。

2.根据权利要求1所述的钢液电化学脱硫方法，其特征在于在施加电场的同时对钢液进行弱底吹气体搅拌，并向熔渣上方通入保护气体以降低熔渣与阳极接触区域的SO₂和氧分压。

3.根据权利要求1或2所述的钢液电化学脱硫方法，其特征在于所述底吹气体的流量控制在1～200NL·min^-1；所述保护气体的流量控制在1～100NL·min^-1，所述的保护气体可以是Ar、N₂或其它惰性气体。

4.根据权利要求1或2所述的钢液电化学脱硫方法，其特征在于所述渣料中(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)为0.8～1.5，FeO含量重量百分比为1％～10％，渣料1500℃时的粘度为0.05Pa·S～2Pa·S。

5.一种权利要求1、2、3或4所述钢液电化学脱硫方法所用的装置，其特征在于该装置由带有底吹透气砖的炉体、阳极、直流电源和阴极所组成，所述阳极和阴极通过导线与直流电源相连接，阳极通过阳极支架安装在阳极升降架上，可与炉内上层的熔渣相接触，阴极安装在炉体底部，与炉内下层的钢液相接触。

6.根据权利要求5或6所述的钢液电化学脱硫用装置，其特征在于在所述阳极的上方安设有与供气系统相连接的保护气体供气管。

7.根据权利要求5或6所述的钢液电化学脱硫用装置，其特征在于所述若干个平行垂直布置的阳极安装在阳极支架上，阳极支架位于升降架的下端。

8.根据权利要求5或6所述的钢液电化学脱硫用装置，其特征在于所述的阳极由金属导电陶瓷材料制成，所述的阴极由高温陶瓷、耐高温金属、或与钢液成分相近的自耗电极制成，所述的阳极支架和升降架由金属材料制成。