什么是钢铁脱硫反应?

[拼音]：gangtie tuoliu fanying

[外文]：desulfurization in iron and steel making

在钢铁冶炼过程中脱除硫的化学反应。硫是钢中主要的有害杂质之一，它在铁液中无限溶解，而在固体铁中溶解度很小（在γ-Fe中最多溶解0.05％，在Fe和FeS共晶温度988℃时，硫的溶解度仅为 0.013％)。含硫较高的钢液凝固时，硫以化合物FeS等形态富集在晶粒间界上，形成Fe和FeS的低熔共晶体，从而在热加工时造成钢锭及钢材的“热脆”现象。钢铁生产过程中，硫来源于矿石（包括球团等）、金属料（包括铁合金）、熔剂及燃料，而主要是由燃料带入的。在钢铁冶炼的每一阶段都应对原料和燃料的硫含量有所限制，并且努力创造条件从钢铁产品中将硫脱除到合乎要求。生铁允许的最高含硫量为 0.074％，大多数钢种中允许的含硫量为0.015～0.045％，优质钢的含硫量小于0.02％或更低(易切削钢除外)。

高炉内的脱硫反应是整个钢铁生产中最重要的脱硫环节。高炉炉料中硫的载荷一般为每吨生铁4～6公斤，其中焦炭带入的硫约占总硫量的60～80％，矿石带入硫量不超过总硫量的1/3。在冶炼过程中，约有5～20％的硫以CS及COS气体随高炉煤气排出炉外，其余的硫分配于炉渣与生铁两者之间。通过炉渣除去生铁中的硫的反应是最主要的脱硫反应：(CaO)+[S]+[C]─→(CaS)+CO气

或可写作(O2-)+[S]+[C]─→(S2-)+CO气

式中圆括号表示炉渣中的组分，方括号表示铁液中的组分。发生在生铁液滴穿过炉渣层落入炉缸的过程中和在熔渣－生铁二液相界面上的脱硫反应，使90％以上的硫进入炉渣。即使炉渣中含硫量达到0.7～1.5％，也可得到含硫量合格的生铁。熔渣的碱度


高，有利于生铁脱硫。中国高炉渣碱度一般在1.0～1.2之间。炉缸 *** 作温度高也有利于脱除硫。实际生产中硫在高炉渣与生铁二液相间的分配比


的数值为20～80，由于动力学原因炉缸内脱硫反应不会达到平衡。

炼钢过程的炉渣（电炉炼钢还原期炉渣除外）的氧化性质不利于钢液的脱硫，但形成高碱度的炉渣后，由于O2-活度大，仍对钢液有一定的脱硫的作用：[S]+(O2-)─→[O]+(S2-)

硫在碱性氧化性炉渣与钢水之间的分配比在3～10之间。电炉炼钢还原期炉渣中FeO含量小于0.5％，在有效地对钢液脱氧的同时，也对钢液进行脱硫：[Fe]+[O]─→(Fe2+ )+(O2-)

[S]+(O2-)─→(S2-)+[O]

硫在炉渣与钢液二相间分配比值可达30～50。炼钢过程中通过气相氧对炉渣中硫的氧化作用：

有部分硫以二氧化硫气体形式逸出，有益于钢液脱硫。

对生铁和钢液都可进行炉外脱硫（见铁水炉外脱硫）。对生铁进行炉外脱硫比对钢液炉外脱硫更为容易，前者充分利用了生铁氧势低而且溶解于生铁中的碳、硅和磷等元素使硫的活度系数增大4～6倍的有利因素。对高质量合金钢或所谓“洁净钢”，要求硫含量低于0.01～0.005％，可对钢液进行炉外脱硫。所用脱硫剂有碳酸钠、碳化钙、固体或液体合成渣如CaO-CaF2及Al2O3-CaF2、合金粉料如硅钙合金及稀土合金，也有用浸镁焦作为炉外脱硫剂的。炉外脱硫反应可以写作：Na2CO3(液)+[S]+2[C]─→Na2S(液)+3CO(气)

(CaO)+[S]+[C]─→(CaS)+CO(气)

CaC2(固)+[S]+2[O]─→(CaS)+2CO(气)

Ca(气或液)+[S]─→(CaS)

炉外脱硫的 *** 作方法有液流混合法、机械搅拌法和喷射法。用氩气流将粒径小于0.5毫米的硅钙合金粉料经由喷q喷入钢水时，每吨钢的合金粉料用量为1～2千克，可在7～10分钟内使钢水硫含量自0.03％降至0.002％，脱硫效率达90％以上，并在脱硫的同时对钢水有进一步脱氧和改善非金属夹杂物形态的作用（见喷射冶金）。

表中列入铁液中主要元素对硫的活度相互作用系数


。生铁中碳、硅及磷等元素使硫的活度系数增大4～6倍，从理论上说明钢铁冶炼过程中，脱硫主要应在高炉炼铁时完成。根据已有的硫在铁液中的热力学数据、炉渣的离子理论及一些经验数据，可以对铁（钢）-熔渣二液相间脱硫反应[S]+(O2-)─→(S2-)+[O]所决定的硫在二相间的分配比进行计算：

式中Ls为FeS在钢渣二相间分配反应的平衡常数，它与温度有关；


分别为炉渣中Fe2+ 及S2-离子的活度系数，可由半经验公式计算：

或

fs为硫在钢液或铁液中的活度系数；n徍、n彮、n


分别为炉渣中正离子、负离子及Fe2+ 的摩尔数。


为炉渣中所有复杂离子摩尔分数之和，而


为炉渣内O2-离子的摩尔分数。

参考书目

曲英主编：《炼钢学原理》，冶金工业出版社，北京，1980。魏寿昆：《冶金过程热力学》，上海科学技术出版社，上海，1980。