鐵水預(yù)處理高效脫硫工藝
肖 峰，謝金洋，代定明，尹 文
( 四川德勝集團(tuán)釩鈦有限公司，四川 樂山 610107)
摘要: 隨著我國鋼鐵行業(yè)的發(fā)展，對(duì)鋼中硫含量的要求越來越嚴(yán)格，一般要求鋼中［S］的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于 0.02% ，而一些對(duì)硫含量要求更為嚴(yán)格的鋼種，則要求成品中硫含量小于 0.005% 。為了進(jìn)一步提升鐵水脫硫能力、降低鐵水消耗，本文分析了 KR 預(yù)處理工藝過程中鐵水溫度、脫硫劑單耗、初始硫含量、攪拌時(shí)間對(duì)脫硫率的影響，針對(duì) KR 工藝優(yōu)化前存在的問題進(jìn)行了分析，基于熱力學(xué)平衡計(jì)算，建立了適宜的爐渣堿度、FeO 以及溫度的控制方式，更有利于獲得堿度合適、流動(dòng)性較好的爐渣，優(yōu)化了渣鋼反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件。通過工藝優(yōu)化，基于不同的鐵水條件，調(diào)整裝入量在 78 ～ 80 t、優(yōu)化攪拌頭轉(zhuǎn)速、攪拌時(shí)間以及攪拌 深 度，KR脫硫劑單耗為 0.123 kg /( t · s) ，下降了 13.38% ，平均攪拌時(shí)間縮短了1.04 min，脫硫劑消耗減少了 2.58 kg /t，噸鋼脫硫渣量減少了 1.97 kg /t，全天最高脫硫包數(shù) 78 包，全月有 9 次單班 KR脫硫完成 27 爐，KR各項(xiàng)工藝指標(biāo)均得到改善，形成了高效低成本 KR冶煉工藝，降低了冶煉過程渣料消耗量，減少了冶煉成本，實(shí)現(xiàn)了 KR高效低成本脫硫。
關(guān)鍵詞: KR; 鐵水預(yù)處理; 脫硫; 攪拌時(shí)間; 攪拌深度; 脫硫劑單耗
0 引言
隨著我國鋼鐵行業(yè)的發(fā)展，對(duì)鋼中硫含量的要求越來越嚴(yán)格，一般要求鋼中 S 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于 0.02% ，而一些對(duì)硫含量要求更為嚴(yán)格的鋼種，如: 管線鋼、船板鋼、汽車用板等鋼種，則要求成品中硫含量小于 0.005% ［1－7］。高爐 － 轉(zhuǎn)爐 －精煉 － 連鑄的傳統(tǒng)長流程工藝中硫的控制主要在精煉過程中進(jìn)行，但是單靠精煉過程很難實(shí)現(xiàn)超低硫鋼的冶煉，而采用多次造渣的冶煉方式雖可以實(shí)現(xiàn)硫的控制，但會(huì)增加冶煉成本［8－10］。采用鐵水預(yù)處理脫硫技術(shù)可以較好地解決上述問題，通過預(yù)處理將鐵水硫含量降低到一個(gè)較低的水平，在轉(zhuǎn)爐過程中控制入爐料的硫含量，減少轉(zhuǎn)爐回硫，在精煉過程中進(jìn)一步脫硫，從而實(shí)現(xiàn)超低硫鋼冶煉的目標(biāo)［11－15］。
為了進(jìn)一步提升鐵水脫硫能力、降低鐵水消耗，四川德勝鋼鐵對(duì) KR預(yù)處理工藝進(jìn)行不斷和優(yōu)化與改進(jìn)，形成了高效低成本 KR冶煉工藝，降低了冶煉過程渣料消耗量，減少了冶煉成本，并結(jié)合冶煉實(shí)際情況，對(duì) KR脫硫的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了KR高效低成本脫硫。
1 KR脫硫工藝情況
四川德勝鋼鐵鐵水成分如表 1 所示。KR脫硫工序主要流程如圖 1 所示，工藝指標(biāo)見表 2。
KR處理工藝優(yōu)化前，現(xiàn)場存在的主要問題如下:
(1) 為保證每日消鐵量，轉(zhuǎn)爐平均鐵水裝入量在 82～ 84 t 左右，導(dǎo)致脫硫前凈空小，大多只有150 mm左右，導(dǎo)致攪拌速度基本在 80～ 88 r/min，無法提升。
(2) KR脫硫下料管出料處靠近脫硫包邊緣，不僅脫硫凈空小，而且不能充分將料攪入鐵水中，造成脫硫劑浪費(fèi)，脫后硫不受控，且脫硫效率低。
(3) 渣道清理和渣盤清理較頻繁，傾翻車上渣盤一周左右就堆滿脫硫劑和渣鐵混合物。
為了更好地滿足現(xiàn)場冶煉需求，針對(duì) KR脫硫效率影響因素展開研究，以期優(yōu)化現(xiàn)有 KＲ 工序參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高效脫硫。
2 KR脫硫效果的影響因素
鐵水 KR脫硫反應(yīng)方程式見式(1) ［16］:
［S］+ ( O2－ ) = ( S2－ ) +［O］ ( 1)
上式反應(yīng)的平衡常數(shù)可寫為:
根據(jù)化學(xué)平衡原理分析，脫硫的影響因素主要包括:
(1) 爐渣堿度。渣中堿性氧化物越多，堿度越高，有利于提高硫分配比。
(2) 渣中 FeO。( FeO) 的濃度低時(shí)，有利于提高硫分配比。
(3) 熔池溫度。鋼渣間的脫硫反應(yīng)屬于吸熱反應(yīng)，溫度 越 高，反應(yīng)的平衡常數(shù)和硫的分配系數(shù)越大。
2． 1 鐵水溫度對(duì) KR脫硫效果的影響
鐵水溫度對(duì) KR脫硫效果的影響如圖 2 所示。可以看出，在其他因素差距不大的條件下，隨著鐵水溫度從1220 ℃ 上升到1300 ℃，脫硫率從80% 逐漸增加到 90% 以上，因?yàn)?KR脫硫的反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，升高溫度一方面加快了脫硫反應(yīng)速度，另一方面提高了脫硫反應(yīng)限度。此外，更高的溫度有利于石灰熔化，可以更快地獲得堿度高、流動(dòng)性好的爐渣，提高渣鋼反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件。
2. 脫硫劑消耗對(duì) KR脫硫效果的影響
脫硫劑消耗對(duì) KR脫硫的影響如圖3所示?？梢?，噸鐵脫硫劑消耗從3 kg 增加到9 kg時(shí)，脫硫率明顯增加，而從9 kg 再往上繼續(xù)增加時(shí)，鐵水脫硫率上升速度較為緩慢，因此脫硫率的用量存在適宜范圍。脫硫率加入量過少，無法將硫全部脫除，而脫硫劑加入量過大時(shí)，可能會(huì)造成熔池溫降以及爐渣粘度過大，導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)條件惡化，使得成本上升的同時(shí)渣量變大，給扒渣帶來困難。
2.3 鐵水初始硫含量對(duì) KR脫硫效果的影響
鐵水初始硫含量對(duì) KR脫硫率的影響見圖 4。如圖 4 所示，初始硫含量也會(huì)對(duì)脫硫率產(chǎn)生明顯的影響。初始鐵水硫含量越高，脫硫效果越好，鐵水硫含量高的情況下，有利于提高硫的活度，促進(jìn)鐵水脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。從圖 4 中也可以看出當(dāng)［S］含量高于 0.15% 后，脫硫率基本保持穩(wěn)定，此時(shí)硫含量的提高對(duì)脫硫率的影響逐漸變小。
2.4 攪拌時(shí)間對(duì) KR脫硫效果的影響
攪拌時(shí)間對(duì) KR脫硫率的影響如圖 5 所示。當(dāng)攪拌時(shí)間從 400s 提高到 900s，脫硫率逐漸提高，600～700s 就已經(jīng)基本達(dá)到了最大值。攪拌時(shí)間過短，脫硫率偏低且脫硫率的波動(dòng)較大; 而當(dāng)攪拌時(shí)間大于 700s 后，脫硫率基本穩(wěn)定，平均在 90% 以上。增長攪拌時(shí)間或者提高攪拌速度，均可以達(dá)到提高脫硫率的效果，但是也會(huì)增加成本，同時(shí)導(dǎo)致溫降過大， 因此一般將攪拌時(shí)間控制 10 min 以上即可。
3 KR脫硫工藝優(yōu)化及效果
基于脫硫效果影響因素的分析，開展了 KR脫硫工藝優(yōu)化工作:
(1) 鐵水裝入量穩(wěn)定在 78 ～ 80 t 左右，保證脫前凈空≥500 mm，當(dāng)鐵水?dāng)嚻痄鰷u后加脫硫劑。
(2) 根據(jù)攪拌頭使用的爐數(shù)控制轉(zhuǎn)速，前 60 爐控制在 80～90 r/min，60～100 爐為 90～100 r/min，100～150 爐為 100～110 r/min，150 爐以上為 110～118 r/min。
( 3) 針對(duì)不同鐵水硫含量控制脫硫時(shí)間，如表 3所示。
( 4) 依據(jù)鐵水脫硫空間動(dòng)態(tài)控制攪拌頭插入深度在 3.1 ～ 3.3 m。
通過不斷地現(xiàn)場試驗(yàn)與工藝優(yōu)化，KR工藝各項(xiàng)指標(biāo)均得到了改善，如表 4 所示。
優(yōu)化后 KR脫硫劑單耗為 0.123 kg /( t·s) ，比優(yōu)化前下降了13.38%，KR比例提高了8.52%，平均攪拌時(shí)間減少 1.04 min，噸鐵 KR脫硫劑消耗減少2.58 kg /t，噸鋼脫硫渣量減少1.97 kg /t，全天最高脫硫包數(shù)78 包，全月有9 次單班 KR脫硫完成27 爐。
4 結(jié)論
(1) 鐵水溫度升高可以加快脫硫反應(yīng)速度，并提高反應(yīng)限度。隨著鐵水溫度從 1 220 ℃ 上升到1 300 ℃，脫硫率從 80% 逐漸增加到 90% 以上。
(2) 噸鐵脫硫劑消耗提高有利于提高脫硫率，噸鐵脫硫劑消耗從 3 kg 增加到 9 kg 時(shí)，脫硫率明顯增加，而從 9 kg 再往上繼續(xù)增加時(shí)，鐵水脫硫率上升速度較為緩慢。
(3) 初始硫含量也會(huì)對(duì)脫硫率產(chǎn)生明顯影響，初始鐵水硫含量越高，脫硫效果越好，當(dāng)硫含量高于 0.15% 后，脫硫率基本保持穩(wěn)定。
(4) 增長攪拌時(shí)間或者提高攪拌速度，均可以達(dá)到提高脫硫率的效果，當(dāng)攪拌時(shí)間從 400 s 提高到 900 s，脫硫率逐漸提高，600 ～ 700 s 就已經(jīng)基本達(dá)到了最大值。攪拌時(shí)間過短，脫硫率偏低且脫硫率波動(dòng)較大，而當(dāng)脫硫時(shí)間大于 700 s 后，脫硫率基本穩(wěn)定。
(5) 基于不同的鐵水條件，通過調(diào)整裝入量、優(yōu)化攪拌頭轉(zhuǎn)速、脫硫時(shí)間以及攪拌頭的深度控制，KR各項(xiàng)工藝指標(biāo)均得到改善，KR脫硫劑單耗0.123 kg /( t·s) ，下降 13.38% ，平均攪拌時(shí)間減少1.04 min，脫硫劑消耗減少 2.58 kg /t，噸鋼脫硫渣量減少 1.97 kg /t，全天最高脫硫包數(shù) 78 包，全月有9 次單班 KR脫硫完成 27 爐。
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