沉淀脱硫法去除钢液中的杂质

文章来源：admin 添加时间：2021-02-03

1、什么是沉淀脱硫？
沉淀脱硫是感应炉冶炼使用的一种脱硫方法。
所谓沉淀脱硫，类似沉淀脱氧。即向脱氧良好的钢液中，加入对硫亲和力强的元素与硫化合，形成不溶于钢液的、稳定的、密度小的硫化物。这些硫化物或硫氧化物借助浮力和电磁搅拌力上浮，进入渣层或附着于坩埚壁上，经除渣或清除后完成脱硫过程。因为是向钢液内部加入固体脱硫剂进行脱硫，故称沉淀脱硫。

2、沉淀脱硫的基本原理是什么？
沉淀脱硫是一个物理和化学的综合冶金过程，可分解为下列几个步骤。
1）沉淀脱硫元素溶入钢液：
Me_(s)=[Me]
　 2）脱硫元素在钢液中扩散与硫化合形成稳定的不溶于钢液的硫化物：
［Me] + [S]=［MeS]
3）脱硫产物上浮进入炉渣，被炉渣吸收：
［MeS]=（MeS)
4）除去炉渣完成沉淀脱硫的全部过程。
沉淀脱硫的效果好坏主要取决于：步骤2) 硫化物的形成速度和步骤3) 硫化物的上浮去除速度。一切有利于这两个步骤的因素，都会提高沉淀脱硫效果。

3、沉淀脱硫元素应具备哪些条件？
作为沉淀脱硫的元素应当具备下列条件。
（1）元素对硫的亲和力要强
元素对硫的亲和力越强，生成的硫化物越稳定。按照1600℃时硫化物生成吉布斯自由能判定，元素对硫亲和力由强至弱的顺序为：钙、铈、镧、锆、镁、钛、锰等。
（2) 脱硫元素在钢液中溶解度应当高
元素容易溶解于钢液，才便于同硫结合形成硫化物，有利于脱硫。元素在钢液溶解度由大至小的排序为：锰、钛、锆、钇、铈、镧、钙、镁等。
（3) 脱硫元素形成的硫化物密度小
脱硫产物密度小，与钢液的密度差越大越容易上浮除去，脱硫效果越好。元素脱硫产物硫化物的密度由小到大的排列顺序为：钙、镁、锰、钛、钇、镧、铈等。
（4) 脱硫元素的蒸气压低
脱硫元素在炼钢温度下的蒸气压应当低，便于加入钢液，提高脱硫元素的利用率。元素在1600℃时蒸气压由强至弱的排列顺序为：镁、钙、锰、锆、钛、钇、镧、铈等。
综上所述，对比之下比较适合用作沉淀脱硫的元素是钙、铈、镧、钇。但是，钙的蒸气压高、溶解度小不适合用作脱硫元素。为了克服钙的缺点通常使用含钙中间合金形式进行脱硫。作为沉淀脱硫剂使用最多的是稀土元素。

4、沉淀脱硫与钢液脱氧之间有何关系？
常用脱硫元素钙、铈的氧化物、硫化物和硫氧化物的热力学数据列于表1。表中数据表明：脱硫元素对氧的亲和力大于对硫的亲和力；稀土元素形成氧化物与硫氧化物的能力是相同的。由此可以认为：
（1) 钢液应当先脱氧后脱硫
中频感应炉冶炼时，应当先用硅锰铝、硅钡铝合金进行脱氧；真空感应炉冶炼时，应利用真空下碳脱氧使钢液含氧量降低之后，再进行沉淀脱硫，可以得到高的脱硫效果。
（2) 稀土元素脱硫时
表1 钙、铈的氧化物、硫（氧）化物生成吉布斯自由能

反应式	ΔG°=-A+BT	生成吉布斯自由能／J·mol
		1500℃	1600℃
{Ca}+[O]= CaO（s）	-669469+194. 23 T	-325099	-305676
{Ca}+[S]= CaS（s）	-570996+171. 40T	-267104	-249964
2[Ce] +3[S] =Ce2S3（s）	-256660+78. 0 T	-118366	-110566
2[Ce]+3[O] =Ce2 O3（s）	-341810+86. 0 T	-189332	-180732
2[Ce]+2[O]+[S]=Ce2O2S（s）	-323300+71. 9 T	-195821	-188631

应使钢液中含氧量达到更低水平，使脱硫的稀土元素形成的氧硫化合物数量越少越好。因为，稀土氧硫化物密度大不易上浮除去，降低脱硫效果。

5、什么是喷粉脱硫法？
（1) 喷粉脱硫的概念
喷粉脱硫是沉淀脱硫的另一种形式。它是把粉状脱硫剂，借助氮气或氩气为载体喷入钢液内进行脱硫，故称之为喷粉脱硫。
（2) 应用范围
使用硅钙合金粉时，钙为脱硫元素，硅被钢液吸收引起增硅。因此，只限用于高硅钢液脱硫，如含硅弹簧钢55SiMn、60Si2Mn等。
使用碳化钙（电石）粉时，钙为脱硫元素，碳被钢液吸收引起增碳。因此，只限用于高碳钢液脱硫，如工具钢、模具钢、高速钢等。
（3) 脱硫反应过程
例如，用硅钙合金粉的脱硫反应过程，分步反应如下：
高温下分解反应：
SiCa₍₁₎=[Si]+Ca_(g)
钢液中同时进行脱氧和脱硫反应：
［Si]+3[O]+2Ca_(g)+[S]=(CaO^·SiO₂)+(CaS)
反应产物上浮，进入炉渣，除渣完成脱硫。

6、使用钙和稀土元素进行沉淀脱硫的效果如何？
（1) 中频感应炉冶炼的脱硫效果
中频感应炉冶炼，通常在精炼期结束后出钢终脱氧前在炉内或在出钢时，在包中进行沉淀脱硫。脱硫率在40%~70% (见表2) 。
（2) 真空感应炉冶炼的脱硫效果
真空感应炉冶炼，通常在碳脱氧后精炼期末进行沉淀脱硫。表3给出稀土合金加入量为0. 25%~0. 30%时，钢液脱硫率达到约60%~70%。
表2 中频感应炉冶炼沉淀脱硫效果

钢 号	脱硫剂 加入量（%）	硫质量分数（%）		脱硫率（%）
		脱硫前	脱硫后
镍铬钼钢	Ca0.36%（硅锰钙合金）	0.015	0.008	46.6
可伐合金	Ca0.30%（铝钙硅合金）	0.035	0.010	71.4
超低碳不锈钢	Re0.30%（混合稀土合金）	0.034	0.018	47.0
铁铬铝合金	Re0.30%（混合稀土合金）	0.011	0.004	63.6

表3 真空感应炉冶炼镍铬不锈钢的沉淀脱硫效果

炉次	稀土合金加入量（%）	钢中元素质量分数（%）		脱硫率（%）
		[S]	[O]
0	—	0.0080	0.0089	—
1	0.15	0.0060	0.0005	25.0
2	0.15	0.0060	0.0004	25.0
3	0.25	0.0030	0.0003	62.5
4	0.25	0.0030	0.0004	62.5
5	0.32	0.0020	0.0004	75.0
6	0.32	0.0030	0.0005	62.5

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