不同鐵水脫硫工藝在遷鋼的應(yīng)用實(shí)踐
孫亮 彭開(kāi)玉 高攀 趙東偉
本文介紹了顆粒鎂噴吹、復(fù)合脫硫劑噴吹、KR 機(jī)械攪拌法三種不同工藝在遷鋼的應(yīng)用實(shí)踐，時(shí)比了三種脫硫工藝在遷鋼的純脫硫時(shí)間、脫硫周期、脫硫率、鐵損、溫降、轉(zhuǎn)爐回硫以及成本，以鐵水初始硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.03%-0.04%，脫硫目標(biāo)硫含量0.003%為例，復(fù)合噴吹法脫硫較KR 法脫硫成本高近10 元/t，單噴顆粒鎂脫硫法較KR 法脫硫成本高12 元/t。簡(jiǎn)析了各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)，并給出了不同鋼廠采用脫硫方式的建議。
硫?qū)^大部分鋼種是非常有害的,降低鋼中的硫含量，有利于提高鋼的機(jī)械、工藝等性能，以滿足市場(chǎng)需要。鐵水脫硫是現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)不可或缺的關(guān)鍵工序，是優(yōu)化高爐煉鐵與轉(zhuǎn)爐煉鋼之間硫控制的經(jīng)濟(jì)、有效手段。鐵水預(yù)處理脫硫工藝主要有單噴、復(fù)噴、KR 法脫硫,新建鋼鐵企業(yè)為了控制脫硫后回硫,在選擇脫硫工藝時(shí)，優(yōu)先選擇KR 法脫硫工藝,遷鋼一煉鋼在2004 年建廠時(shí)，采用烏克蘭單吹顆粒鎂技術(shù)，在2014 年進(jìn)行了復(fù)合脫硫劑噴吹工藝試驗(yàn)，并應(yīng)用推廣；二煉鋼在2009 年采用KR 機(jī)械攪拌法脫硫。三種脫硫法在遷鋼均得到應(yīng)用。本文對(duì)三種脫硫工藝部分參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。
1 不同脫硫工藝工作原理
顆粒鎂噴吹、復(fù)合脫硫劑噴吹都是利用載氣(N%或Ar)將脫硫劑噴吹至鐵水中，脫硫劑與鐵水中硫反應(yīng)生成脫硫產(chǎn)物，經(jīng)上浮、脫硫扒渣去除，達(dá)到脫硫的目的。顆粒鎂噴吹是單一的鈍化/涂層顆粒鎂經(jīng)過(guò)帶有汽化室的噴槍噴入鐵水中進(jìn)行脫硫；復(fù)合脫硫劑噴吹是將Mg 和CaO 按照一定比例事先混勻，進(jìn)行噴吹脫硫的方法，流態(tài)化石灰一方面起一定程度的脫硫作用,更主要的是成為鎂粉分散劑，可成為大量鎂氣泡形成的核心，減少鎂氣泡的生長(zhǎng)直徑，降低鎂氣泡的上浮速度，從而強(qiáng)化鎂向鐵水中的溶解度。
KR 攪拌法是日本新日鐵廣煙制鐵所于1965 年用于工業(yè)生產(chǎn)的鐵水爐外脫硫技術(shù),國(guó)內(nèi)第一套KR 法脫硫是武鋼二煉鋼1976 年從日本新日鐵引進(jìn)的。所謂攪拌法脫硫工藝，是將澆鑄耐火材料并經(jīng)過(guò)烘烤的十字形攪拌頭，插入到有一定量鐵水的鐵水罐中旋轉(zhuǎn)，使鐵水形成漩渦，然后將經(jīng)過(guò)稱(chēng)量好的脫硫劑，通過(guò)振動(dòng)給料(或旋轉(zhuǎn)給料)器加入到旋轉(zhuǎn)的鐵水中。脫硫劑進(jìn)入鐵水罐后，迅速被漩渦卷入鐵水中，在不斷攪拌過(guò)程中，與鐵水中的硫充分反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)脫硫。
2 不同脫硫工藝對(duì)比
2.1 純脫硫時(shí)間
影響脫硫速度的因素主要有兩個(gè)，一是脫硫劑種類(lèi),二是動(dòng)力學(xué)條件。由于脫硫劑種類(lèi)不同，脫硫劑的加入量和加入速度存在差異。一煉鋼顆粒鎂噴吹速度為7-11kg/min，復(fù)合脫硫劑噴吹速度為7-13kg/min，KR 機(jī)械攪拌加料速度在50-120kg/min。KR 法攪拌頭的攪拌速度高達(dá)90-120r/min，鐵水充分旋轉(zhuǎn),獲得了良好的冶金動(dòng)力學(xué)條件，投入的脫硫劑能夠充分的反應(yīng)，因此，脫硫時(shí)間明顯縮短。
兩個(gè)煉鋼廠鐵水初始硫差異不大，受品種結(jié)構(gòu)影響，兩個(gè)煉鋼廠鐵水脫硫目標(biāo)值存在一定差異，脫硫劑加入量以及脫硫效率不同，造成純脫硫時(shí)間存在差異。由表1 可見(jiàn)，相同脫硫目標(biāo)硫下的純脫硫時(shí)間，顆粒鎂脫硫與復(fù)合脫硫噴吹時(shí)間相近，但較KR 機(jī)械攪拌法要長(zhǎng)。
2.2 脫硫周期
脫硫周期主要由鐵水進(jìn)站、鐵水噴吹/攪拌、鐵水扒渣、多次扒渣之間等待、鐵水取樣、鐵水出站等環(huán)節(jié)時(shí)間組成，最主要的是鐵水扒渣、鐵水噴吹/攪拌、多次扒渣之間等待時(shí)間。正常情況脫硫扒渣時(shí)間主要決定于鐵水渣量的多少，單噴<復(fù)合噴吹<KR 法；但遷鋼在冶煉低硫品種時(shí)，考慮到不同脫硫工藝對(duì)后續(xù)轉(zhuǎn)爐回硫的影響，實(shí)際扒渣時(shí)間是單噴>復(fù)合噴吹>KR ；冶煉普通品種時(shí)，實(shí)際扒渣時(shí)間基本符合單噴<復(fù)合噴吹<KR 法。表2 是不同脫硫工藝扒渣時(shí)間對(duì)比?？紤]噴吹法在后續(xù)轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中回硫控制難度大，在每次扒渣與扒渣之間，等待時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，造成了噴吹法脫硫周期>KR 攪拌法周期，具體見(jiàn)表3。
2.3 脫硫率
三種脫硫方式均能將鐵水硫脫至0.003%以?xún)?nèi)，但KR 法效率更高,脫硫率存在一定差異；在鐵水脫硫目標(biāo)值一定條件下，脫硫劑消耗和脫硫率隨著鐵水初始硫的升高而升高；鐵水初始硫一定時(shí)，脫硫劑消耗和脫硫率隨著鐵水脫硫目標(biāo)值的降低而增加，反之亦然。綜合考慮成本、時(shí)間、效率等因素，針對(duì)不同品種設(shè)定不同的脫硫目標(biāo)值和對(duì)鐵水初始硫有一定定要求是合理的。遷鋼KR 法脫硫結(jié)束硫控制相對(duì)較低，脫硫率高(如表4)。
2.4 鐵損
鐵水脫硫處理過(guò)程鐵損主要有三個(gè)方面，一是在鐵水噴吹/攪拌過(guò)程中，鐵/渣濺出鐵包損失，取樣分析噴濺物發(fā)現(xiàn)，TFe 含量達(dá)到85%以上，金屬鐵含量達(dá)到70%以上，主要調(diào)整噴吹/攪拌參數(shù)，確保一定的鐵包凈空，凈空應(yīng)控制在300-500mm，通過(guò)加高包沿或調(diào)整出鐵量來(lái)控制；二是鐵水扒渣過(guò)程中，鐵/渣會(huì)存在一定波動(dòng)，引起鐵水隨著渣一起涌出鐵包包口，主要是通過(guò)規(guī)范扒渣操作，加強(qiáng)鐵包包口維護(hù)，減少鐵損；三是鐵渣中包裹金屬液滴，分析渣中W(Fe)可達(dá)30%以上，說(shuō)明渣中含鐵量很高，這是無(wú)法避免的；第二和第三點(diǎn)是脫硫過(guò)程鐵損的主要原因。另外，鐵水溫度對(duì)鐵損也有一定影響，鐵水溫度低流動(dòng)性差，脫硫生成渣黏度大，鐵水與脫硫渣不易分離。表5 為三種鐵水脫硫工藝鐵水扒渣量。
理論上，鐵水脫硫扒渣鐵量應(yīng)該是單噴<復(fù)合噴吹<KR 法，但考慮遷鋼實(shí)際情況單噴轉(zhuǎn)爐回硫量較大，鋼種改煉比率高，導(dǎo)致扒渣鐵量反而是最多的，鐵水扒渣量復(fù)合噴吹<KR 法<單噴，,單吹對(duì)降低成本不利，因此，遷鋼在后續(xù)生產(chǎn)中進(jìn)行了優(yōu)化、改造。
2.5 處理溫降
通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，復(fù)合噴吹溫降最低，KR 法最高，KR 法高于單噴/復(fù)合噴吹4-7℃，主要原因是KR法脫硫劑加入量相對(duì)較多，吸收熱量多，同時(shí)機(jī)械攪拌動(dòng)力學(xué)條件好，加速鐵水熱量損失；復(fù)合噴吹和單噴脫硫劑加入量相對(duì)較少，并且鎂脫硫是放熱反應(yīng)，同時(shí)噴吹法動(dòng)力學(xué)不如KR 法激烈，因此，,整體溫度損失較KR 法小。表6 為不同脫硫工藝處理溫降。
2.6 轉(zhuǎn)爐回硫
為了統(tǒng)計(jì)鐵水經(jīng)預(yù)脫硫處理后,在后續(xù)冶煉過(guò)程的回硫情況，選取低硫品種進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(廢鋼使用低硫廢鋼)，副原料基本一致，由表7 可見(jiàn)，轉(zhuǎn)爐回硫量單噴>復(fù)合噴吹>KR 法，主要原因是鎂基脫硫劑在脫硫中產(chǎn)生的MgS，在扒渣過(guò)程和轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中會(huì)發(fā)生(MgS)+[O]=(MgO)+[S]，造成回硫量大，這也是在冶煉品種時(shí)，鎂基脫硫易發(fā)生轉(zhuǎn)爐回硫量大，鋼種改煉的原因。為了提高品種兌現(xiàn)率，,鐵水脫硫扒渣量出現(xiàn)了復(fù)合噴吹<KR 法<單噴現(xiàn)象；KR 法轉(zhuǎn)爐基本不發(fā)生“回硫”。
2.7 成本分析
脫硫成本主要由脫硫劑消耗、扒渣鐵損、脫硫噴槍(壽命760min/支)/攪拌頭(壽命3400min/支)、溫降四部分組成,其他的風(fēng)、水、電、氣、輔助材料消耗相當(dāng)，不做考慮。參照冶煉低硫品種計(jì)算成本，目標(biāo)硫0.003%，對(duì)遷鋼而言，三種脫硫工藝噸鋼成本(溫度按照1℃有0.57 元效益考慮)：1KR 法<復(fù)合噴吹<單噴，復(fù)合噴吹法脫硫較KR 法脫硫成本高近10 元/t；單噴顆粒鎂脫硫法較KR 法脫硫成本高12 元/t。因此，考慮成本和品種兌現(xiàn)率，遷鋼正在進(jìn)行脫硫改造，將一煉鋼的噴吹法改為KR法。
3 結(jié)論
遷鋼實(shí)踐表明：1)根據(jù)不同品種設(shè)定不同的脫硫目標(biāo)值和對(duì)鐵水初始硫做要求是科學(xué)合理的；2)KR 法脫硫無(wú)論在成本上還是終點(diǎn)硫、轉(zhuǎn)爐回硫控制上,均優(yōu)于噴吹法脫硫；3)考慮鋼鐵廠的產(chǎn)品不斷升級(jí)，建議大中型鋼鐵企業(yè)(鐵包>100t)采用KR 法脫硫，小型企業(yè)采用噴吹法脫硫。