铁水预脱硫喷吹系统的优化设计

铁水预脱硫喷吹系统的优化设计翟兴华摘要根据铁水预脱硫工艺和喷吹技术发展状况,结合实践经验,从铁水预脱硫喷吹系统设计的角度出发,对铁水预脱硫工艺、脱硫剂喷吹方式、操作方式、粉气比大小及喷吹控制方式的优化设计做一些有益的探讨。实践表明,铁水预脱硫喷吹系统的优化设计取得了良好的效果。关键词脱硫喷吹优化设计OptimumDesignofInjectionSystemforPredesulphurizationofHotMetalZhaiXinghua(WuhanIron&SteelDesignResearchInstitute)AbstractBasedonthedevelopmentstatusofdesulphurizatinprocessofhotmetalandinjectiontechnology,puttingemphasisonthedesignofpredesulphurizationandinjectionsystem,thispapergivesdiscussionsonsomeaspects,suchaspredesulphurizationprocessofhotmetal,injectionmethodsofdesulphurizingagents,operationpatterns,ratioofpowderandgas,andtheoptimumdesignofinjectioncontrol.Itisprovedbypracticethattheoptimumdesignhasbroughtgoodeffects.Keywordsdesulphurizationinjectionoptimumdesign1前言随着喷粉技术的出现,铁水外部脱硫迅速发展;由于喷粉冶金克服了反应表面面积小,即渣—金属界面小的问题,以及硫从渣—金属界面向渣整体界面移动困难的两大难点,以喷粉技术为基础发展起来的现代外部脱硫工艺在将铁水硫含量降至很低水平方面非常有用。由于我国从平炉改造到转炉炼钢比较晚,铁水炉外脱硫到70年代才逐渐发展起来,脱硫工艺设计存在许多不足之处,基本上都是在原有的基础上加以改进,没有大的突破和创新。80年代初宝钢首次引进新日铁的TDS(顶喷)法,在此基础上,鞍钢、武钢、太钢、攀钢等厂也建立了炉外喷吹脱硫站。TDS法是新日铁于1971年在ATH法基础上改进而成,一般适用于混铁车脱硫,铁水罐脱硫技术还需进一步完善,以适合我国一些钢铁企业进行炼钢工艺改造的需要。本文根据铁水预脱硫工艺及喷吹技术发展状况及实践经验,从铁水预脱硫喷吹系统设计的角度出发,做一些有益的探讨。2铁水预脱硫工艺的选择在实际操作中,铁水外部脱硫常用的工艺有4种,这4种工艺是:(1)苏打或碳酸钠(Na2CO3)工艺;(2)石灰/煅烧石灰(带添加剂或不带添加剂的CaO)工艺(3)碳化钙工艺;(4)钝化镁工艺。这4种脱硫工艺的对比见表1。从表1可看出,任何一种工艺单独应用都达不到全满意的效果。最近工业铁水外部脱硫技术的发展主要倾向于两种工艺:(1)CaO-Mg基混合工艺;(2)CaC2-Mg基混合工艺。实践证明,CaO和镁基试剂混合使用及碳化钙和镁基试剂混合使用比单独使用效果好,其原因在于:表1铁水预脱硫工艺比较脱硫剂优点缺点苏打或碳酸钠价格便宜、且无需使用昂贵的设备1.脱硫过程是吸热过程。2.硅酸钠渣对各种耐火材料具有强腐蚀作用。3.脱硫后渣流动性好,扒渣困难。4.脱硫效率低。5.污染环境。石灰/煅烧石灰价格便宜、来源广泛1.脱硫动力慢,易产生固态反应物及固体产品。2.需使用精细粒度(～50μm)的石灰。3.渣量大,铁损高。碳化钙1.价格便宜,易于获得。2.铁水温度高时,脱硫效率很高。1.碳化钙的运输必须保存在惰性气体内。2.需使用防爆仪器,投资高。3.铁水温度低时脱硫效果差。4.渣量大,铁损高。钝化镁1.脱硫能力强、耗量少。2.渣量少、铁损低。3.温降低。1.高温时,镁的蒸汽压力很高,脱硫效率低。2.要求喷入铁水包的深度大。3.价格高。(1)镁在混合物中不仅充当一种脱硫剂,还在熔池内起搅拌作用。(2)在镁粒中掺入一定量的CaO或CaC2,可控制镁的挥发速度,防上镁的挥发损失。日新制钢公司吴厂第二炼钢车间［1］用CaO-Mg系脱硫剂进行试验,结果证明CaO-Mg系脱硫剂比CaO系脱硫剂脱硫效率显著提高,最大可达86%;铁水温度下降的幅度非常小,约为0.4～0.8℃/min;渣量也明显减少。新日铁公司八幡厂［2］采用CaO-Mg系脱硫剂进行试验也证明CaO-Mg系脱硫剂不但比CaO系脱硫剂效率显著提高,而且可获得高的脱硫速度;对铁水中的［S］从0.012%降至0.002%处理的过程中温度下降12℃,与使用CaO系脱硫剂相比大幅度抑制了温降。在相同脱硫条件下,CaO-Mg基混合工艺不但比CaC2-Mg基混合工艺少产生大约15%的渣,而且考虑到铁损和基建投资的情况下,CaO-Mg基混合工艺比CaC2-Mg混合工艺更便宜。综上所述，在相同的脱硫条件下，CaO-Mg基混合工艺优于CaC2-Mg基混合工艺。但是,由于我国各个钢厂的环境条件和内部要求不同,每个钢厂应根据自己的实际情况选择最经济和最可靠的工艺。3铁水预脱硫喷吹方式的选择对于CaO-Mg基或CaC2-Mg基混合工艺而言,脱硫剂喷吹方式可分为复合喷吹和混合喷吹。在我国一些钢厂为了节省基建投资,常常选用混合喷吹,实际上,这是企业的一种短期行为。铁水炉外脱硫的费用,除基建投资外,脱硫剂的耗量和脱硫效果也是很重要的因素。虽然复合喷吹设备占地面积大,但它能有效地将因偏析影响脱硫效率的可能性降至最低点。从它与应用混合脱硫剂的混合喷粉脱硫技术使用效果上看,将270t铁水硫含量从0.055%降至0.003%时,复合喷粉镁的消耗量减少11%,当硫含量降至0.014%时,其镁消耗量减少16%,使用情况见表2。表2脱硫效果比较项目复合喷粉脱硫混合喷粉脱硫1.目标硫0.003%镁/kg.t-10.5190.584终点误差0.00160.00182.目标硫0.014%镁/kg.t-10.3150.375终点误差0.00330.00464铁水预脱硫操作方式的选择从理论上看,脱硫过程可分为孕育期、脱硫期及脱硫后期三个阶段。在孕育期硫含量并无变化,但要造成铁水的强烈搅拌,在脱硫期内铁水硫含量急剧降低,脱硫后期硫含量的降低变慢。利用CaO-Mg基混合工艺脱硫时,镁脱硫剂沸点低,以气相和铁水中的硫反应,故脱硫速度快,但早期加入将很快损失,脱硫后期因镁溶解度增加也会降低其脱硫效率;CaO脱硫剂在铁水中呈固态,要以细粉末状加入,脱硫效率比镁低,价格也较低,粗略估算1kg镁的脱硫效果相当于15kgCaO。根据脱硫机理及脱硫剂的特点,喷吹操作时,将喷射过程分成三个阶段:第一阶段:先用CaO进行预喷吹,喷入CaO以形成强烈的旋涡,完成融体和渣的脱氧,建立起铁水包中的环流运动。第二阶段:用选定的Mg(深脱硫)和CaO(浅脱硫)的喷吹速度进行主喷吹。第三阶段:主喷吹完成后,以高气体量喷入一段时间CaO,以清除夹杂,完成脱硫过程。在第二阶段喷入最大量的镁(深脱硫时),在此阶段结束时,镁量减至最小,控制喷入物及输送气体流速,使铁水包中形成的旋涡在铁水包边沿高度允许的情况下保持最高,这样可使脱硫剂效果最好而且处理时间最短。上述操作方式仅对于CaO-Mg基复合喷吹而言,主要目的是在提高脱硫效果的同时最大限度的降低镁的消耗量,以利于降低操作成本。对于CaO(CaC2)基或其它喷吹工艺不可机械模仿,可根据上述脱硫过程的机理,通过改变喷吹过程的一些参数(如:喷吹压力,二次风流量,喷吹量等)确定自己既简单又经济的操作方式。5铁水预脱硫粉气比大小的确定粉气比的大小通常要直接受到喷粉设备的影响。从工艺操作要求角度出发,在保证一定搅拌力的前提下,应尽可能减少载气,增大粉气比。运载气体能增快脱硫剂的上浮速度,在气量大的情况下,还会出现脱硫剂尚未发挥作用就被气泡带到液面上去致粉剂接触富硫铁水的机会少。另外,载气量大时,喷枪粉气出口速度较大,造成气流和气泡对铁水搅拌力强,易出现铁水喷溅现象。但载气量过小,不但容易堵塞,还会因搅拌力不够影响脱硫效果。对于任一套脱硫系统都有其合适的粉气比范围,通常情况下,对于混铁车脱硫,每立方米载气的适宜载粉量约为15～50kg;对于铁水罐脱硫,由于易产生喷溅,每立方米载气的适宜载粉量约为20～40kg。6铁水预脱硫喷吹控制方式铁水脱硫剂的喷吹量有三种控制方式:旋转给料阀控制、间接控制和计量阀直接控制(见表3)。表3喷吹量的三种控制方式项目旋转给料间接控制计量阀喷吹率转子速度被控制保持恒定喷吹量由罐压流化风量和二次风量由阀位控制罐压保持恒定流化风量保持恒定二次风量喷吹率控制根据喷吹量单独控制输送方式稀相稀相浓相浓相6.1旋转给料阀控制一些喷吹系统通过旋转给料阀或螺旋给料器的转子速度来控制喷吹量。宝钢80年代引进的第一套新日铁的TDS脱硫喷吹系统,采用旋转给料阀控制喷吹量,因维修费用高、能耗高、难以实现浓相输送而终被淘汰。6.2间接控制在喷吹罐与输送管之间不设任何机械给料装置,脱硫剂喷吹量主要取决于:(1)喷吹罐与输粉管之间的压差,受喷吹罐出口布置及横截面积的影响。(2)喷吹罐底部流化气量。(3)二次风流量。喷吹罐压的控制是容易的,但只限于控制范围,不适于大量气体排空或充压的快速反应。实际控制过程中,喷吹量波动大,不易迅速准确地控制喷吹量,给生产带来很大困难。罐压一定时,调节喷吹罐底部流化气量和二次风量也可以控制喷吹量。实际控制过程中,气量的变化往往导致粉气比及输送管内的物料运动状态改变,这些因素又导致铁水脱硫过程不易控制。6.3计量阀直接控制［3］通过调整截面积,使用特殊的计量阀可直接控制喷吹罐和输送管道之间的脱硫剂量,该计量阀由开关阀及调节阀组成。喷吹过程中,罐压和流化气量均保持恒定。计量阀根据称重信号及本身压降的自适应来准确调节喷粉量。由于目前国内还没有生产喷吹调节计量阀的厂家,采用计量阀直接控制需引进国外阀门及相关技术,这在一定程度上增加了设备投资,国内的用户应根据自己的经济实力和炼钢工艺系统的要求合理的选择喷吹控制方式。7铁水预脱硫系统设计实例武钢一炼钢铁水脱硫(MgO+CaO)工艺。(1)工艺流程见图1。图1武钢一炼钢铁水脱硫站工艺流程图(单系列)(2)脱硫站考虑了1个槽罐车的卸料位置,2条卸料管线。为了保证工艺一天要求的脱硫剂量,设计采用料仓2个，喷吹罐2个,每个喷吹罐提供的脱硫剂量可满足一个铁水罐脱硫站处理需要。(3)为了节省投资,根据武钢要求,一期工程采用(MgO+CaO)混合喷吹工艺,予留MgO喷吹设施位置,二期工程考虑采用(MgO+CaO)复合喷吹工艺。(4)喷吹罐设计时采用计量阀直接控制式喷吹系统,氮气浓相输送,但由于武钢要求设备全部国产化,最后改为改进型压差控制式喷吹系统。采用罐压、二次风流量、流化风量联合控制方式,最大限度的克服了旧有压差式喷吹控制系统的缺点。(5)根据系统特点及武钢的实际情况,采用了合理的操作方式。(6)工艺采用两个铁水罐脱硫台位,为了提高生产的可靠性,任一喷吹系统对应两个铁水罐脱硫台位。(7)此工程于1998年12月投产,由于MgO供应不到位,投产初期全部采用CaO脱硫,由于喷吹系统设计进行了优化,工艺配置合理,脱硫效率＞80%,最高达到91%,脱硫后铁水各项指标全部达到甚至超过设计指标。8结语我国钢铁企业目前处于经济转型时期,提高产品质量及技术含量,建立效益性企业已刻不容缓。转炉炼钢工艺建立铁水脱硫站,提高钢坯质量已迫在眉睫。铁水预脱硫喷吹系统的优化设计,建立一座低能耗,低消耗的效益型的铁水脱硫站则是本文的出发点及最终目的。联系人:翟兴华,工程师,武汉市(430080)武汉钢铁设计研究院作者单位：武汉钢铁设计研究院参考文献1日新制钢公司脱硫试验.上海冶金设计.1997,(1):142用Ca-MgO基进行铁水脱硫试验.上海冶金设计.1997,(1):523Hans-DieterNol