8-铁水预处理脱硫合理工艺方案的研发汇总

铁水预处理脱硫合理工艺方案的研发1铁水预处理脱硫合理工艺方案的研发（波利沙科夫В.И.，舍甫钦克А.ф.，刘东业，亚历山大罗夫В.А.，巴什玛科夫А.М.，特洛岑科Э.А.）（乌克兰科学院钢铁研究院，乌克兰钛设计院，乌克兰因佛考姆有限责任公司，中乌合资营口戴斯玛克高新技术有限公司）上个世纪70年以代以前铁水预处理脱硫过程主要以利用非镁脱硫剂为基础，如石灰粉，电石粉，苏打灰及这些物料的不同混合物。这些方法的工业应用显露出一系列缺点，主要有：1、脱硫剂耗量大（6-20kg/t铁）；2、生成渣量大（直达10-40kg/t铁）；3、新生成渣裹铁造成铁损大（平均裹铁量为渣量的45%）；4、深脱硫的可能性有限；5、脱硫过程长（通常大于10分钟）；6、脱硫结果不够稳定；7、对生态及水域的负面影响大；8、工业规模脱硫费用大。以上所述正是各国冶金工作者积极寻找更为完善的铁水预处理脱硫方法的原因。在60年代，当乌克兰科学院钢铁研究院、沃伦诺娃Н.А.教授、舍甫钦克А.ф.先生和亚速钢厂[1-4]专家们实现了“采用高炉包经潜入式耐火喷枪可调控地喷入松散镁剂的铁水脱硫工艺方法”后，乌克兰的冶金工作者找到了革命性的解决方法。当时是把镁与石灰粉混合送入铁水的，镁在混合物中的含量为5-50%不等，既试验了喷吹预先混合好的“镁—石灰粉”的混合喷吹方法，也试验了铁水预处理脱硫合理工艺方案的研发2同时从各自喷吹罐喷出镁和石灰粉然后在输送管路中混合的复合喷吹方法。研究中没有确定混合物制备方法对脱硫效果的影响，在工业实施中把“混合喷吹法”作为较为可靠和较为节省的方法加以采用。按该工艺于1969-1971年在乌克兰各钢厂（亚速钢厂，伊里奇钢厂，扎波罗热钢厂）建立并投产使用3个脱硫站，在80-140t铁水包中喷吹含镁粉状混合物。混合物是直接在现场在专门的空气混料器中制备的。这是世界上第一批用镁脱硫的工业项目[6]，每个站年处理量为80万～220万吨铁水。硫基本降至0.003～0.010%。其它国家开始应用喷吹含镁混合物的脱硫方法已经是15～25年之后的事了。国外实践的区别只在于在镁和石灰（或碳化钙）的喷吹原理图中配备了现代化的参数监控系统。从图1可见，复吹脱硫站相当庞大和复杂。镁粉和添加物粉先是进入槽罐车1和2，由此转装入贮仓3和4，再由贮仓靠专门的中间罐5和6把镁和石灰（或碳化钙）加压装入喷吹罐7和8，然后再从这里喷吹到铁水中。物料搅拌是在接通至喷枪的管路中完成的，混合物的组成取决于镁和石灰（碳化钙）的给料强度。“复合喷吹”工艺脱硫站工作时采用的切削镁粉，含有＜10μm易爆细粒级，因此，脱硫设备及脱硫站各组成部分的制作应保证为防爆型的。如在混合物中使用了受潮时会析出乙炔的碳化钙，则这一要求更为严格和涉及面更宽。在1969-1972年间，对喷吹粉状含镁混合物的铁水脱硫方法进行了广泛和深入的研究，并在乌克兰一系列钢厂进行了工业检验，证明了往镁中添加的CaO,CaC2，实际上不参加脱硫过程，而只是使镁钝化和保证了镁从喷枪通铁水预处理脱硫合理工艺方案的研发3道进入铁水过程的稳定性。图1.镁粉与石灰（碳化钙）复合喷吹一个脱硫站原理图。1、石灰粉槽罐车；2、镁剂槽罐车；3、石灰粉贮仓；4、镁剂贮仓；5、石灰粉中间罐；6、镁剂中间罐；7、镁剂喷吹罐；8、石灰粉喷吹罐；9、石灰粉收尘器；10、镁剂收尘器；11、喷枪；12、处理室；13、铁水包；14、扒渣机；15、渣斗。铁水中的这些添加物（与镁混合的）使镁与铁水之间换质换热过程的条件变差，此外，镁还与碳酸盐（欠烧石灰）、水份和氢氧化钙等发生反应造成不合理损耗。总之，“混吹”和“复合吹”含镁粉料的铁水铁水预处理脱硫合理工艺方案的研发4脱硫方法伴有下列缺点[4-7]：1、镁利用率低（20-50%）；2、必须使用不只一种脱硫剂；3、增加镁单耗（1.3-1.5倍）；4、脱硫剂耗量大（3-4kg/t铁）；5、铁水包中新生渣量大（达6-10kg/t铁）；6、随渣裹铁损失大（2.5-4.5kg/t铁）；7、脱硫结果不够稳定；8、包内铁水重量小于80～100t及铁水熔池深度小于1.8～2.0m时，脱硫困难；9、铁水脱硫装置及设备流程复杂，设备量大，基建投资大；10、在实际工业条件下计量和控制系统不够可靠；11、设备和装置的构造型式有防火防爆的特殊要求；12、运行费用高。图2.单独喷吹籽粒状或颗粒化镁的铁水脱硫站原理图1、铁水包；2、排烟罩；3、喷枪；4、喷枪架；5、输镁管路；6、镁集装袋；7、计量罐。以上原因成为人们更为积极地探寻和研究不带惰性添加物而单独喷镁脱硫的炉外处理方法（即最简单的喷吹工艺）的理由（图2）。在研发过程中，乌克兰科学院钢铁研究院（第聂泊彼得洛夫斯克市）和钛设铁水预处理脱硫合理工艺方案的研发5计院（扎波罗热市）解决了一系列新的、原则上有别于已知和当时采用的工艺技术课题，主要包括：1、向铁水中喷镁时不带钝化剂、贫化剂及其它类型添加剂；2、喷入的脱硫剂是籽粒状或颗粒化镁（或镁合金），颗粒组成0.5-1.6mm直径，不含＜0.1mm的易爆粒级，具有良好的流动性和松散性，不需要流态化；3、喷吹是在非氧化的中性气流中进行，镁在气流中浓度为大于15kg/m3，从而保证镁在质量交换区域有足够高分压力；4、镁的喷吹是可控制、能调节和均匀地进行，并且保证实际计量与设定计量公差不大于0.5%，而实际给镁强度（单位时间，包括瞬间给镁量）与设定强度之差不大于2%；5、保证了所有被吹入的镁在铁水包底部分散汽化的条件，继而快速溶解（有80%喷入的镁）在待处理的铁水中；6、保证了排除硫从渣中返回铁水的条件，包括脱硫铁水中硫含量为≤0.001-0.002%时也是如此，必要时（个别情况下）可对包顶渣理化性能做些调整；7、可自动化完成操作和保持设定的参数；8、脱硫剂、材料和载能介质的单耗以及脱硫费用都是最低的（和其它类似方法比较）。根据包中熔池深度，熔体温度，铁水重量，初始和终点硫量等处理条件的差异，喷镁可以有以下两种方案（图3）：—采用出口处带汽化室的潜入式喷枪（在喷枪通道中料流速度小铁水预处理脱硫合理工艺方案的研发6于30米/秒时）；—采用出口处不带汽化室的潜入式喷枪，但喷枪堵头必须有专门的结构和采用专门的喷吹制度。ab图3.籽粒状（或颗粒化）镁喷入铁水包示意图。a—采用出口处带汽化室的喷枪（包内熔池深度＜2.6～2.7m）；b—采用不带汽化室的喷枪（包内熔池深度＞2.7～2.8m）。在1972-1973年间，在部分完成上述要求和采用带汽化室喷枪的条件下，亚速钢厂，扎波罗热钢厂及伊里奇钢厂的脱硫站进行了重新装备并转入到只用颗粒镁作业[4，6]。这一改造降低了脱硫剂耗量，提高了镁的利用率，降低了处理损失，提高了处理能力，降减低了脱硫成本[4、5]。取得的巨大积极成果成为在乌克兰、俄罗斯和芬兰等国钢铁企业（计有亚速钢厂，克里沃罗格钢厂，自由之鹰钢厂，拉赫斯基冶炼厂，НЛМК厂等）建造新的高产能颗粒镁铁水脱硫站并使之投入运行的基础。随后，2002年～2008年间，在中国几家先采用混吹后改为单吹颗粒镁的钢铁企业也获得了同样的效果。至2008年年中，中国有37家工厂建立并投产了56套使用带汽化室喷枪或不带汽化室的有专门的堵头喷吹籽粒状或颗粒化镁剂的铁水脱硫和扒渣系统，其硫含量降至0.002-0.010%。一系列钢厂工业喷吹的平均指标见表1，从中看出，在镁铁水预处理脱硫合理工艺方案的研发7单耗为0.33-0.63kg/t铁的情况下，铁水中硫含量平均从0.027-0.040%降至0.002-0.008%，铁水包中初始渣量为铁水重量的1.0-5.0%。处理前不需扒渣，铁水脱硫率为76-93%。武钢一炼、太钢二钢南区、湘钢二炼等包中铁水重量不足120t的厂家，绝大部分铁水有特定用途，采用颗粒镁深度脱硫，保证了硫含量降至0.001-0.002%。这些厂的给镁强度在6-10kg/min之间变化，给镁的可控制性和平稳性保证了铁水包的满装率—包内自由空间高度只有0.3m左右。在铁水包平均容量为75-120t，采用带汽化室的喷枪喷吹颗粒镁的情况下，镁单耗与铁水中初始硫和终点硫之间的关系见图4，从图4可见，铁水除硫要消耗的镁量是相当少的，这是因为镁的利用率高及与硫结合的镁耗小（见表1）。该喷吹工艺用于小容量铁水包（小于65t铁水）时须采用另外的处理参数，给镁强度通常不超过7kg/min。图4.采用75-120t铁水包和带汽化室喷枪吹炼铁水时，镁单耗（qmg）与铁水中初始硫量（[S]исх）之间的关系。曲线旁数字——铁水终点硫量。0,00,20,40,60,81,01,200,010,020,030,040,050,060,070,08[S]исх,%qMg,кг/т0,002%0,005%0,010%0,015%铁水预处理脱硫合理工艺方案的研发8表1中国一系列钢厂采用乌克兰工艺用带汽化室喷枪喷吹颗粒镁（或籽粒状镁）为铁水脱硫时的工业生产平均指标和参数。企业简称年处理量百万吨/包内铁水量t初始温度С渣量（包内铁水重量%）镁单耗Kg/t铁硫%脱硫率%镁对硫的耗量,kg/kg镁对硫的利用率SMgК,%初始终点合计(Ст.D)脱硫比率(D)*武钢一炼钢1#站2,4100–1101180–14001,500,530,0380,0039117,31,5150武钢一炼钢2#站2,410712601,560,520,0290,0029317,91,9241太钢二炼钢3#站1,2801270–13901,620,630,0390,0039014,32,0738天津钢铁公司1,0961305–13901,870,520,0400,0068516,31,5350杭州钢厂2,6801250–13605,00,330,0290,0077623,11,5051湘潭一炼钢2,11261280–13601,320,400,0270,0058220,51,8142柳州二炼钢2,31021290–13601,00,350,0270,00588123,21,7544淮安钢厂2,6871260–14201,760,440,0390,0088119,81,6454国丰新钢厂2,81191320–13901,200,410,0290,0067919,31,8043总体平均数据**80–1261001180–142013151,00–5,001,870,35–0,630,450,027–0,0400,0330,002–0,0080,00576–938414,3–23,219,11,50–2,071,7238–5446]*D–脱硫比率，为每0.1kgmg/t的单位脱硫率。**–分子为平均值的变化范围，分母—所有脱硫站的平均值。铁水预处理脱硫合理工艺方案的研发9带汽化室的喷枪在亚速钢厂350t大容量转炉铁水包脱硫时进行过检验。在新的条件下（下枪深度3-3.6m）该工艺的工业检验说明，在载气（氮气、氩气）90-100Nm3/h，系统压力0.6MPa，给镁强度高达13-14kg/min时，保证了将镁稳定地送入铁水中。尽管铁水中初硫相对不高（各次试验的平均值为0.015%）和镁料单耗较少（0.14kg/t铁），硫却被降至0.001-0.006%，平均达0.005%，镁对硫的耗量（β）为1.75kg/kg，每0.1kgmg/t的单位脱硫比率D达到34%，总脱硫率为（CtD）90%。采用大容量铁水包（熔池深度大于2.8m）用带汽化室的喷枪喷镁时，虽然效率很高，但也发现了该条件下的一些负面现象，比如，在许多情况下观察到镁在汽化室内汽化不充分，因此不得不降低给镁强度。由于每包铁水使用镁量增加，汽化室内的压力很高，在导镁深度大于2.8m的情况下镁的汽化强度较低，使汽化室内腔壁结疤加剧，最后导致脱硫站的工作能力和处理能力下降。发现的这些不足成为我们研发深熔池情况下的新工艺及喷吹镁系统的依据。与熔池深度小于2.5m时铁水精炼条件（喷吹料流速度通常不足30-40m/秒，镁的加热、熔化和汽化过程在其直接接触铁水之前完成），用于深熔池大铁水包的