脫硫熱態渣循環回吃的可行性研究

胡顯堂，劉 敏

(首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司鋼軋作業部，河北 唐山 063200)

1 概述

隨著世界范圍內低磷、低硫等高品位低雜質鐵礦石的減少，高磷、高硫鐵礦石必將進入大量使用階段。加之，優質鋼對硫含量的要求越來越嚴格，因此，如何實現有效脫硫、生產優質低硫鋼已經成為鋼鐵工作者面臨的重大課題之一。硫對于一般鋼種是有害元素，硫含量過高會嚴重影響到鋼材的使用性能和加工性能。

硫在固態鋼材中以硫化鐵的形式存在，由于硫化鐵有低熔點與塑形差等缺點，使得鋼材在高溫條件下容易發生“熱脆”現象而降低鋼材塑性、加工性與焊接性。在液態鐵水中硫含量高使鐵水的流動性降低，增加轉爐脫硫負荷。

鐵水預脫硫工藝在鐵水進入煉鋼爐前使用，它是鐵水預處理技術中最先發展同時也是最成熟的爐外脫硫工藝。最初鐵水預脫硫只是作為高硫鐵水處理的輔助手段，它對于鋼鐵生產工藝的優化、質量的提高、鋼鐵生產綜合效益的提高起重要作用，鐵水脫硫技術現在已經發展成為鋼鐵生產過程中不可缺少的環節。

鐵水中含有大量還原性強的元素，如碳、硅、錳等，這些還原性強的元素能夠大大提高硫在鐵水中的活度系數。使用不同類型的脫硫劑參與脫硫反應能得到不同的脫硫方式，同樣使用同一種脫硫劑采用不同的鐵水攪拌方式也是不同的脫硫工藝。鐵水脫硫可以減少煉鐵過程的渣量，減輕高爐負擔，提高生產效率。因為在高氧化性爐渣條件下轉爐脫硫非常困難，所以鐵水脫硫使轉爐脫硫不必采用高堿度大渣量操作。

迄今為止，鐵水脫硫方法有幾十種，大致可分為鋪撒法、搖動法、機械攪拌法、噴吹法、吹氣攪拌法、鎂脫硫法、連續處理法。其中機械攪拌法（KR脫硫法）和噴吹法應用最廣泛。隨著對高質量鋼需求的增加，對節約成本節能減排的重視，KR攪拌法的優勢更加明顯，從而KR攪拌法逐漸取代噴吹法成為最主要的鐵水預脫硫方法。

目前國際國內鋼鐵企業經常應用的脫硫方法主要有兩種，噴吹脫硫和機械攪拌脫硫。而KR脫硫法作為機械攪拌法的一種，因其脫硫劑成本低廉，易于儲存，脫硫效率高等特點，已逐步成為鋼鐵廠鐵水預處理脫硫首選，許多老廠也對原有的噴吹脫硫進行改造，以適應競爭日趨激烈的市場形勢。而通過研究KR脫硫渣發現，存在許多未反應的脫硫劑，脫硫劑利用率不高造成成本浪費。

因此，通過適當的方法提高脫硫劑利用效率，提高脫硫效果，對于降低整體成本消耗意義重大。

2 脫硫劑利用率低原因分析

KR脫硫法為機械攪拌脫硫，其工作原理主要為：在鐵水中加入脫硫劑，利用動力學條件，通過機械攪拌將脫硫劑與鐵水在攪拌過程中充分結合反應，生產脫硫產物CaS，將脫硫產物扒除，得到含硫量較低的鐵水[1]。

表1 脫硫渣成分

通過對京唐煉鋼部KR脫硫渣取樣分析得知，脫硫渣中鈣和硫的物質的量比約為10:1，意味著有大量未完全反應的CaO被帶入脫硫渣中，脫硫劑的利用率低造成很大的成本浪費。

圖1 脫硫渣面掃描圖像

脫硫劑利用率低原因分析如下：由掃描電鏡面掃描結果可知，脫硫渣質地松散，存在未參加反應的圓形顆粒CaO，在這些顆粒之間顏色比較亮且質地致密的物質為熔融的多元渣和溶解在多元共晶的脫硫產物。

多元熔融渣將CaO顆粒緊緊的粘結、團聚在一起，減小了石灰與鐵水的接觸面積，降低了脫硫劑的利用率，尤其是鐵水溫度高時，熔融渣量增加，脫硫渣更容易團聚在一起，嚴重影響脫硫效果。

因此，脫硫渣還有很大的利用空間，通過合理改進設計方案，將未完全反應的熱態脫硫渣循環利用，將包裹在CaO表面的熔融相崩散，形成新的未反應面，可以最大限度地發揮渣的脫硫能力；另外，熱態脫硫渣循環利用，可回收脫硫渣的顯熱，降低脫硫過程溫降，為下道工序提供有利條件。

3 熱態脫硫渣循環利用效益估算

通過日本JFE鋼鐵生產工業實踐表明，實施脫硫熱態渣循環回吃后，脫硫劑使用量能夠節省50%左右[2]，而在京唐煉鋼部進行脫渣熱態返回KR利用試驗，脫硫劑可節約30%-40%，同時降低脫硫過程溫降。

京唐二期工程共有3座脫硫站，采用2個扒渣+1個撈渣的設計方案，年處理鐵水量450萬噸。按照脫硫劑消耗10kg/t鐵，白灰市場價格，脫硫劑消耗降低30%估算，采用脫硫熱態渣循環回吃后，每年脫硫劑消耗可節省398萬元，鐵損降低帶來成本降低38萬元，經濟效益十分可觀。

4 熱態脫硫渣循環利用可行性研究

通過對設計方案進行改進，熱態脫硫渣回吃可采用單包扒除的脫硫渣供雙包回吃，雙包扒除的渣送渣跨處理的工藝路線。即第1、3、5....n（n為奇數）包鐵水脫硫后扒除的脫硫渣返回加料跨加入到第2、4、6…m（m為偶數）包鐵水包中，第2、4、6…m（m為偶數）包鐵水包中鐵水脫硫處理后扒除的脫硫渣返至渣跨統一處理。

其中單包（即第1、3、5…n,n為奇數）扒除的脫硫渣采用容積較小的渣盤接渣，雙包（即第2、4、6…m,m為偶數）扒除的脫硫渣采用正常的渣罐接渣。

以此為設計思路對脫硫系統進行相應的設計改進，以滿足實際需求。經過詳細討論，整體設計方案可行。

5 結語

針對脫硫劑利用率不高的現狀，通過分析對比脫硫渣化驗結果，指出脫硫劑利用率不高的原因，結合國內外工業實踐結果及京唐二期工程設計現狀，提出脫硫熱態渣循環可行性設計方案。

多方論證結果表明，此方案理論可行，投資少見效快，能帶來可觀的經濟效益。此設計方案對其他鋼廠的技術改造提供了借鑒作用。