《材料与冶金学报》综述论文推荐|武汉科技大学李光强团队:钢液二次精炼脱硫的基础与应用进展

李光强,朱诚意,刘畅,等.钢液二次精炼脱硫的基础与应用进展[J].材料与冶金学报,2025,24(5):453-465.

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硫主要来源于冶炼原料中的矿石、焦炭、废钢等，多数情况下是钢中的有害元素，同时在特定钢种中也能发挥积极作用。

硫的危害体现在多方面：凝固过程中硫的偏析聚集会导致铸坯裂纹，热轧时低熔点 FeS夹杂引发 "热脆"；硫化物夹杂破坏钢的组织均匀性，降低横向强度、延展性等力学性能，影响焊接性和成型性；细小硫化物易成为点蚀源头，降低钢的耐腐蚀性能，在无取向硅钢中还会导致磁性能下降。

      而在耐磨钢中，硫能促进固体润滑剂形成、优化微观结构，降低磨损率并提升高温抗性；在易切削钢中，硫可改善切削特性、减少刀具磨损，典型如12L14易切削钢（硫含量0.25%~0.35%）。

      尽管部分钢种需利用硫的有益作用，但绝大多数钢种（尤其是高端产品）对硫含量控制极为严格：高牌号无取向硅钢硫含量需控制在0.001%~0.002%，X100管线钢要求硫含量< 0.001%。炼铁阶段仅能脱除部分硫，转炉炼钢因加入含硫废钢等因素，必须通过二次精炼进一步脱硫。自20世纪80年代以来，脱硫技术虽持续进步，但仍面临高效与经济的双重挑战，亟需系统的理论梳理与工艺总结。

系统性强：从硫的溶解度基础数据，到脱硫反应热力学机理，再到渣系选择与工艺优化，构建了完整的二次精炼脱硫知识体系。

数据支撑充分：整合了 Fe-S二元相图、不同渣系硫容量曲线等关键数据，提供了硫分配比计算、渣量估算等实用公式，兼具理论深度与工程价值。

聚焦工业需求：针对不同钢种的脱硫要求，差异化推荐钢包脱硫、RH 喷粉脱硫等工艺，解决了高端钢种的超低硫控制难题。

兼顾环保与效率：探讨了无 CaF₂渣系、MgO 添加等环保型方案，平衡了脱硫效率与耐火材料侵蚀、环境污染等问题。

图1  Fe-S 二元相图

固态α-铁中硫溶解度极低，室温下仅约 0.015%，共析温度（727℃）时增至 0.02%；液态铁中硫溶解度显著提高，接近熔点（1538℃）时达 0.3%~0.4%，且受合金元素影响大（如锰会与硫形成 MnS 析出物，降低硫溶解度）；当钢中硫含量超过奥氏体铁中溶解度时，会析出液相 FeS，引发 "红脆"，需严格控制硫含量与热轧温度区间。

渣系选择的关键原则

图2 CaO-Al₂O₃ 和CaO-Al₂O₃-CaF₂ 渣系中硫溶解度

图9 1873 K CaO-SiO₂-Al₂O₃ 渣系组成与硫分配比的关系

图12  CaF₂-CaO-Al₂O₃渣系1 773 K 硫容量和CaO 饱和线

不含 CaF₂的 CaO-Al₂O₃-SiO₂渣系：最佳组成为w (SiO₂)=5%~10%、CaO 接近饱和，典型配比为 60∶10∶30（CaO∶SiO₂∶Al₂O₃）。

含 CaF₂的渣系：CaF₂可提升脱硫能力，但需控制含量（一般≤50%），避免过度侵蚀耐火材料。

含 MgO 的渣系：MgO 含量< 10%时对硫分配比影响小，需保证自由 CaO 初晶存在（aCaO≈1）以维持脱硫能力。

固-液共存渣：液相率 80%~95% 时脱硫效率最高，100% 液相反而因 CaO 消耗过快导致脱硫能力下降。

工艺优化核心数据

图15 搅拌能对钢包脱硫动力学常数的影响

图16  新型(双透气砖LF)与常规脱硫工艺(单透气砖LF，后接喷粉FI)的对比结果

搅拌能显著影响脱硫速率：脱硫速率常数与搅拌能的 0.6 次方呈正相关（Ks=ε^0.6），双底吹透气砖可强化搅拌，缩短脱硫时间；

RH 喷粉脱硫优势明显：喷粉量 4~5kg / 吨钢时，可将硫含量降至 0.0005%，0.1~0.3mm 粒径脱硫剂贡献度超 87%，最优粒径为 0.18mm；

渣相控制关键：钢包渣中w (FeO+MnO) 需还原至 10% 以下（超低硫钢要求≤1%），避免抑制脱硫反应。

核心结论

钢中有害硫化物主要为 MnS，还包括 FeS、CaS 等，其危害涉及表面质量、力学性能、耐腐蚀性能等多个维度，需根据钢种需求精准控制硫含量。

超低硫钢（硫含量 0.001%~0.003%）需采用 RH 装置深脱硫，RH 顶吹喷粉工艺是当前主流方案，可满足高牌号无取向硅钢、管线钢等高端产品需求。

脱硫渣系以 CaO-Al₂O₃-SiO₂为基础，可通过调整 MgO 添加量（<10%）、控制 CaF₂含量等优化脱硫效果与环保性能，渣中w (TFe+MnO)≤1% 是避免回硫的关键。

影响 RH 脱硫速率的核心参数包括钢包容量、脱硫剂组成与粒径、钢液循环流量、喷吹速度等，需通过数值模拟与工业实验协同优化。

未来展望

随着高端洁净钢需求的增长，二次精炼脱硫技术将向 "更深度、更环保、更高效" 方向发展：一方面需进一步优化脱硫剂配方，开发无氟、低侵蚀的环保型渣系；另一方面需通过智能化控制（如实时监测渣相组成、动态调整喷吹参数）提升脱硫稳定性，降低生产成本。该研究提供的理论基础与工艺参考，将为钢铁行业的品质升级与绿色发展提供重要支撑。

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