desulfurizationinironandsteelmaking

在鋼鐵冶煉過程中脫除硫的化學反應。硫是鋼中主要的有害雜質之一，它在鐵液中無限溶解，而在固體鐵中溶解度很小（在γ-Fe中最多溶解0.05％，在Fe和FeS共晶溫度988時，硫的溶解度僅為0.013％)。含硫較高的鋼液凝固時，硫以化合物[kg2]FeS[kg2]等形態富集在晶粒間界上，形成Fe和[kg2]FeS[kg2]的低熔共晶體，從而在熱加工時造成鋼錠及鋼材的“熱脆”現象。鋼鐵生產過程中，硫來源于礦石（包括球團等）、金屬料（包括鐵合金）、熔劑及燃料，而主要是由燃料帶入的。在鋼鐵冶煉的每一階段都應對原料和燃料的硫含量有所限制，并且努力創造條件從鋼鐵產品中將硫脫除到合乎要求。生鐵允許的最高含硫量為0.074％，大多數鋼種中允許的含硫量為0.015～0.045％，優質鋼的含硫量小于0.02％或更低(易切削鋼除外)。

高爐煉鐵過程中生鐵的脫硫反應高爐內的脫硫反應是整個鋼鐵生產中最重要的脫硫環節。高爐爐料中硫的載荷一般為每噸生鐵4～6公斤，其中焦炭帶入的硫約占總硫量的60～80％，礦石帶入硫量不超過總硫量的1/3。在冶煉過程中，約有5～20％的硫以CS及COS氣體隨高爐煤氣排出爐外，其余的硫分配于爐渣與生鐵兩者之間。通過爐渣除去生鐵中的硫的反應是最主要的脫硫反應：

(CaO)+[S]+[C]─→(CaS)+CO[145-1]或可寫作

(O)+[S]+[C]─→(S)+CO[145-1]式中圓括號表示爐渣中的組分，方括號表示鐵液中的組分。發生在生鐵液滴穿過爐渣層落入爐缸的過程中和在熔渣－生鐵二液相界面上的脫硫反應，使90％以上的硫進入爐渣。即使爐渣中含硫量達到0.7～1.5％，也可得到含硫量合格的生鐵。熔渣的堿度[kg2][174-01][kg2]高，有利于生鐵脫硫。中國高爐渣堿度一般在1.0～1.2之間。爐缸操作溫度高也有利于脫除硫。實際生產中硫在高爐渣與生鐵二液相間的分配比[174-02]的數值為20～80，[kg2]由于動力學原因爐缸內脫硫反應不會達到平衡。

煉鋼過程中鋼液的脫硫反應煉鋼過程的爐渣（電爐煉鋼還原期爐渣除外）的氧化性質不利于鋼液的脫硫，但形成高堿度的爐渣后，由于O活度大，仍對鋼液有一定的脫硫的作用：

[S]+(O)─→[O]+(S)硫在堿性氧化性爐渣與鋼水之間的分配比在[kg2]3～10[kg2]之間。電爐煉鋼還原期爐渣中FeO含量小于0.5％，在有效地對鋼液脫氧的同時，也對鋼液進行脫硫：

[Fe]+[O]─→(Fe)+(O)

[S]+(O)─→(S)+[O]硫在爐渣與鋼液二相間分配比值可達30～50。煉鋼過程中通過氣相氧對爐渣中硫的氧化作用：

[174-03]有部分硫以二氧化硫氣體形式逸出，有益于鋼液脫硫。

爐外脫硫對生鐵和鋼液都可進行爐外脫硫（見鐵水爐外脫硫）。對生鐵進行爐外脫硫比對鋼液爐外脫硫更為容易，前者充分利用了生鐵氧勢低而且溶解于生鐵中的碳、硅和磷等元素使硫的活度系數增大4～6倍的有利因素。對高質量合金鋼或所謂“潔凈鋼”，要求硫含量低于0.01～0.005％，可對鋼液進行爐外脫硫。所用脫硫劑有碳酸鈉、碳化鈣、固體或液體合成渣如CaO-CaF及AlO-[kg2]CaF、合金粉料如硅鈣合金及稀土合金，也有用浸鎂焦作為爐外脫硫劑的。爐外脫硫反應可以寫作：

NaCO[145-7]+[S]+2[C]─→NaS[145-7]+3CO[145-1]

(CaO)+[S]+[C]─→(CaS)+CO[145-1]

CaC[272-1]+[S]+2[O]─→(CaS)+2CO[145-1]

Ca[145-6]+[S]─→(CaS)爐外脫硫的操作方法有液流混合法、機械攪拌法和噴射法。用氬氣流將粒徑小于[kg2]0.5[kg2]毫米的硅鈣合金粉料經由噴槍噴入鋼水時，每噸鋼的合金粉料用量為1～2千克，可在7～10分鐘內使鋼水硫含量自0.03％降至0.002％，脫硫效率達90％以上，并在脫硫的同時對鋼水有進一步脫氧和改善非金屬夾雜物形態的作用（見噴射冶金）。

脫硫反應的熱力學表[鐵液(1600)中主要元素對]

[175-02]式中為FeS在鋼渣二相間分配反應的平衡常數，它與溫度有關；[175-03]分別為爐渣中Fe及S離子的活度系數，可由半經驗公式計算：

[175-04]或[175-05]為硫在鋼液或鐵液中的活度系數；[kg2]、[kg2]、[fe2]分別為爐渣中正離子、負離子及Fe的摩爾數。[175-06]為爐渣中所有復雜離子摩爾分數之和，[kg2]而[175-07]為爐渣內O離子的摩爾分數。