鐵水預處理低成本生產實踐

魏春新

（鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽 122000）

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司煉鋼部（以下簡稱煉鋼部）于2008年9月投產，設計年產鋼能力650萬t，煉鋼部集成了當今世界冶金領域多項先進裝備，包括三座鐵水預處理設備、三座260 t頂底復吹轉爐及三臺板坯連鑄機。其中鐵水預處理設備采用德國POLYSIUS復合噴吹技術并引進其關鍵設備，復合噴吹法脫硫在國內寶鋼、本鋼、包鋼、濟鋼、攀鋼等鋼廠廣泛應用［1］。

隨著鋼鐵產能擴大，鋼鐵產業同質化競爭的進一步加劇，降低生產成本成為眾多冶金工作者的共同目標。本文結合POLYSIUS脫硫專家系統，在生產實踐的基礎上，對煉鋼部脫硫噴吹工藝進行優化，開發了一套成本低、處理速度快的鐵水預處理工藝，取得了良好的經濟效益及社會效益。

1 設備及工藝特點

1.1 鐵水預處理設備

煉鋼部鐵水預處理區域共有三套脫硫、扒渣系統。工藝設備示意圖如圖1所示。

1.2 鐵水預處理工藝

脫硫噴吹系統以氮氣作為輸送氣體，采用高壓、濃相、復合噴粉工藝，可以實現噴吹CaO+Mg、單吹CaO粉或單吹Mg粉。噴槍采用倒T型脫硫噴槍，扒渣機為液壓扒渣機，工藝流程見圖2。

2 復合噴吹脫硫熱力學分析

2.1 鈍化鎂粉在脫硫反應中的作用

在噴粉脫硫過程中，鎂粉以氣態、溶解態兩種形式存在，參與脫硫反應的鎂以溶解態的鎂為主。進入鐵水中的Mg極少部分與鐵水中的氧直接作用生成MgO，大部分溶解Mg與鐵水中的S發生反應，生成MgS。該反應方式是復合噴吹脫硫的主要反應形式［1］。當鎂單獨存在時，脫硫反應主要按式（1）進行：

式中，△Gθ為吉布斯自由能，J/mol。

鎂的脫硫反應分為以下幾個步驟［2］：

（1）鎂粒在鐵水中熔化、氣化，生成鎂蒸汽氣泡上浮；

（2）鎂蒸汽氣泡中的鎂溶于鐵水；

（3）在鎂蒸汽氣泡界面，鎂蒸汽與鐵水中的硫發生反應生成固態硫化鎂；

（4）溶解于鐵水的鎂與硫反應生成固態硫化鎂；

（5）固態硫化鎂上浮到渣中。

2.2 鈍化石灰粉在脫硫反應中的作用

（1）分散作用

由于鎂易于氣化（沸點為1 090℃），尤其是大量聚集的鎂粉噴入鐵水后，迅速氣化，易產生噴濺。為了抑制鎂的激烈反應，除了將鎂粉表面進行鈍化處理外，在噴入鎂粉的同時，需要配加石灰粉，將聚集的鎂粉分散開，實現分層氣化。

（2）異相成核的核心作用

配加的細石灰粉（粒度＜1.0 mm，其中，粒度＜0.1 mm的比例占90%以上）可以成為細小而分散的鎂氣泡產生的核心，避免了大氣泡的生成。分散的小氣泡不僅增加了鎂蒸氣與鐵水的接觸面積，還延長了氣泡上浮的時間，提高了鎂的利用率。

（3）化學作用

在復合噴吹Mg+CaO時，脫硫反應產物MgS進一步與CaO反應見式（3）：

該反應在1 250～1 450℃下，可以自發進行，即復合噴吹最終產物是更加穩定的CaS，可以減少回硫。

3 鐵水預處理實踐

3.1 脫硫噴吹速率優化

采用以氧化鈣粉和鈍化金屬鎂粉為脫硫劑的復合噴吹法，鈣粉與鎂粉分別貯存在各自的噴吹罐中，噴吹過程中兩種粉劑在噴吹管線中混合。其噴吹過程如下：首先噴吹氧化鈣粉，當氧化鈣粉速率達到設定值時開始噴吹鈍化鎂粉（此時氧化鈣粉噴吹數量大約為60 kg），此后氧化鈣粉與鈍化鎂粉以一定的速率比噴入鐵水罐中，當鈍化鎂粉噴吹量達到系統設定值時停止噴吹鈍化鎂粉，繼續噴吹氧化鈣粉吹掃管道，當氧化鈣粉噴吹量達到系統設定值時停止噴吹。噴吹速率直接影響到脫硫處理時間、噴槍壽命及氧化鈣粉消耗。

為了合理控制脫硫處理工序時間，將氧化鈣粉噴吹速率由39 kg/min調整為36 kg/min，將鈍化鎂粉噴吹速率由13 kg/min調整為18 kg/min，即復合噴吹速率比由3:1調整為2:1。鈍化鎂粉噴吹結束后僅噴吹50 kg氧化鈣粉吹掃管道，降低脫硫噴吹時間及氧化鈣粉消耗。噴吹速率優化后的工藝效果見表1。

通過表1數據可以明顯看出，噴吹速率優化后，在幾乎相同的初始硫含量和鎂粉單耗條件下，降低鈣粉單耗0.963 kg/t鐵，噴吹時間縮短6 min。

表1 噴吹速率優化后的工藝效果

3.2 噴槍插入深度優化

復合噴吹過程中，鈍化金屬鎂粉的脫硫利用率與鎂氣泡的上浮速度成反比，與鎂氣泡在鐵水中的停留時間成正比［3］。鈍化鎂粉的上臨界直徑是確保鎂粒在鐵水中停留時間大于其完全溶解時間的最大直徑的臨界值，如果鈍化鎂粉的直徑大于上臨界直徑，鎂粉還沒有完全溶解，就已經浮出鐵水液面進入渣層而被燒損，從而影響到鈍化金屬鎂粉的脫硫效率。鈍化金屬鎂粉的上臨界直徑與噴吹深度的關系如下：

式中，dCL為鎂粉上臨界直徑，m；h為噴吹深度，m。

噴吹深度與鈍化金屬鎂粉上臨界直徑的關系見表2。

表2 噴吹深度與鈍化金屬鎂粉上臨界直徑的關系

根據鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司鈍化金屬鎂粉采購條件對鈍化金屬鎂粉粒度的要求，將脫硫噴槍噴吹深度由2.7 m增加至3.0 m。增加了鎂的上浮距離，為鈍化鎂粉創造充足的上浮和溶解時間，脫硫噴吹深度優化后，鈍化金屬鎂粉脫硫效率提高6.9%。

3.3 低CaO含量鈍化石灰粉噴吹實踐

為了降低鈍化石灰粉的采購成本，對兩種不同理化指標的鈍化石灰粉進行了現場噴吹脫硫試驗。兩種鈍化石灰粉理化指標見表3。

表3 兩種鈍化石灰粉理化指標對比

在噴吹試驗過程中，嚴格按照脫硫專家系統計算量和系統參數進行噴吹，評價兩種粉劑對脫硫效率、扒渣鐵損（噴濺影響）、噴吹速率穩定性的影響。噴吹過程中，兩種鈍化石灰粉噴吹速率穩定，均未出現較大速率波動及堵槍現象，脫硫效率及扒渣鐵損對比見表4。

表4 兩種鈍化石灰粉脫硫效率比較

由表4可以看出，在鎂粉使用量基本不變的條件下，使用低CaO含量鈍化石灰粉不影響脫硫率，即可以使用低CaO含量鈍化石灰粉替代目前使用的鈍化石灰粉。分析認為，對鐵水中S起到主要脫除任務的是金屬Mg，以產物MgS形式進入頂渣，而石灰粉主要起到分散、形核及固化MgS作用。因此，在CaO足量的前提下，石灰粉劑中CaO含量的高低并非限制因素。

4 結論

（1）復合噴吹脫硫過程中，鈍化石灰粉的主要作用是實現鎂粉分層氣化和異相成核的核心作用，其直接參與脫硫反應的作用有限。

（2）通過優化復合噴吹的粉劑輸送速率，可以避免噴吹過量的鈍化石灰粉，減少鈍化石灰粉消耗0.963 kg/t鐵，降低脫硫粉劑成本。

（3）根據噴槍插入深度與鈍化金屬鎂粉上臨界直徑的關系，調整了脫硫噴槍的噴吹深度，提高鎂粉脫硫效率6.9%。

（4）采用CaO含量為55%～60%的鈍化石灰粉進行脫硫噴吹實踐，實踐結果表明，試驗粉劑沒有影響到脫硫效率。

［1］ 程常桂，馬國軍.鐵水預處理［M］．北京：化學工業出版社，2009．

［2］ 王煒．鐵水噴吹顆粒鎂脫硫的熱力學和動力學分析［J］．山東冶金，2006，28（1）：35-36．

［3］ 吳巍．噴吹法脫硫反應動力學分析研究［J］.鋼鐵，2006（11）：17-19．