8 铁水预处理脱硫合理工艺方案的研发汇总.docx
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8铁水预处理脱硫合理工艺方案的研发汇总
铁水预处理脱硫合理工艺方案的研发
（波利沙科夫В.И.，舍甫钦克А.ф.，刘东业，亚历山大罗夫В.А.，巴什玛科夫А.М.，特洛岑科Э.А.）
（乌克兰科学院钢铁研究院，乌克兰钛设计院，乌克兰因佛考姆有限责任公司，中乌合资营口戴斯玛克高新技术有限公司）
上个世纪70年以代以前铁水预处理脱硫过程主要以利用非镁脱硫剂为基础，如石灰粉，电石粉，苏打灰及这些物料的不同混合物。
这些方法的工业应用显露出一系列缺点，主要有：
1、脱硫剂耗量大（6-20kg/t铁）；
2、生成渣量大（直达10-40kg/t铁）；
3、新生成渣裹铁造成铁损大（平均裹铁量为渣量的45%）；
4、深脱硫的可能性有限；
5、脱硫过程长（通常大于10分钟）；
6、脱硫结果不够稳定；
7、对生态及水域的负面影响大；
8、工业规模脱硫费用大。
以上所述正是各国冶金工作者积极寻找更为完善的铁水预处理脱硫方法的原因。
在60年代，当乌克兰科学院钢铁研究院、沃伦诺娃Н.А.教授、舍甫钦克А.ф.先生和亚速钢厂[1-4]专家们实现了“采用高炉包经潜入式耐火喷枪可调控地喷入松散镁剂的铁水脱硫工艺方法”后，乌克兰的冶金工作者找到了革命性的解决方法。
当时是把镁与石灰粉混合送入铁水的，镁在混合物中的含量为5-50%不等，既试验了喷吹预先混合好的“镁—石灰粉”的混合喷吹方法，也试验了同时从各自喷吹罐喷出镁和石灰粉然后在输送管路中混合的复合喷吹方法。
研究中没有确定混合物制备方法对脱硫效果的影响，在工业实施中把“混合喷吹法”作为较为可靠和较为节省的方法加以采用。
按该工艺于1969-1971年在乌克兰各钢厂（亚速钢厂，伊里奇钢厂，扎波罗热钢厂）建立并投产使用3个脱硫站，在80-140t铁水包中喷吹含镁粉状混合物。
混合物是直接在现场在专门的空气混料器中制备的。
这是世界上第一批用镁脱硫的工业项目[6]，每个站年处理量为80万～220万吨铁水。
硫基本降至0.003～0.010%。
其它国家开始应用喷吹含镁混合物的脱硫方法已经是15～25年之后的事了。
国外实践的区别只在于在镁和石灰（或碳化钙）的喷吹原理图中配备了现代化的参数监控系统。
从图1可见，复吹脱硫站相当庞大和复杂。
镁粉和添加物粉先是进入槽罐车1和2，由此转装入贮仓3和4，再由贮仓靠专门的中间罐5和6把镁和石灰（或碳化钙）加压装入喷吹罐7和8，然后再从这里喷吹到铁水中。
物料搅拌是在接通至喷枪的管路中完成的，混合物的组成取决于镁和石灰（碳化钙）的给料强度。
“复合喷吹”工艺脱硫站工作时采用的切削镁粉，含有＜10μm易爆细粒级，因此，脱硫设备及脱硫站各组成部分的制作应保证为防爆型的。
如在混合物中使用了受潮时会析出乙炔的碳化钙，则这一要求更为严格和涉及面更宽。
在1969-1972年间，对喷吹粉状含镁混合物的铁水脱硫方法进行了广泛和深入的研究，并在乌克兰一系列钢厂进行了工业检验，证明了往镁中添加的CaO,CaC2，实际上不参加脱硫过程，而只是使镁钝化和保证了镁从喷枪通道进入铁水过程的稳定性。
图1.镁粉与石灰（碳化钙）复合喷吹一个脱硫站原理图。
1、石灰粉槽罐车；2、镁剂槽罐车；3、石灰粉贮仓；4、镁剂贮仓；5、石灰粉中间罐；6、镁剂中间罐；7、镁剂喷吹罐；8、石灰粉喷吹罐；9、石灰粉收尘器；10、镁剂收尘器；11、喷枪；12、处理室；13、铁水包；14、扒渣机；15、渣斗。
铁水中的这些添加物（与镁混合的）使镁与铁水之间换质换热过程的条件变差，此外，镁还与碳酸盐（欠烧石灰）、水份和氢氧化钙等发生反应造成不合理损耗。
总之，“混吹”和“复合吹”含镁粉料的铁水脱硫方法伴有下列缺点[4-7]：
1、镁利用率低（20-50%）；
2、必须使用不只一种脱硫剂；
3、增加镁单耗（1.3-1.5倍）；
4、脱硫剂耗量大（3-4kg/t铁）；
5、铁水包中新生渣量大（达6-10kg/t铁）；
6、随渣裹铁损失大（2.5-4.5kg/t铁）；
7、脱硫结果不够稳定；
8、包内铁水重量小于80～100t及铁水熔池深度小于1.8～2.0m时，脱硫困难；
9、铁水脱硫装置及设备流程复杂，设备量大，基建投资大；
10、在实际工业条件下计量和控制系统不够可靠；
11、设备和装置的构造型式有防火防爆的特殊要求；
12、运行费用高。
图2.单独喷吹籽粒状或颗粒化镁的铁水脱硫站原理图
1、铁水包；2、排烟罩；3、喷枪；4、喷枪架；5、输镁管路；6、镁集装袋；7、计量罐。
以上原因成为人们更为积极地探寻和研究不带惰性添加物而单独喷镁脱硫的炉外处理方法（即最简单的喷吹工艺）的理由（图2）。
在研发过程中，乌克兰科学院钢铁研究院（第聂泊彼得洛夫斯克市）和钛设计院（扎波罗热市）解决了一系列新的、原则上有别于已知和当时采用的工艺技术课题，主要包括：
1、向铁水中喷镁时不带钝化剂、贫化剂及其它类型添加剂；
2、喷入的脱硫剂是籽粒状或颗粒化镁（或镁合金），颗粒组成0.5-1.6mm直径，不含＜0.1mm的易爆粒级，具有良好的流动性和松散性，不需要流态化；
3、喷吹是在非氧化的中性气流中进行，镁在气流中浓度为大于15kg/m3，从而保证镁在质量交换区域有足够高分压力；
4、镁的喷吹是可控制、能调节和均匀地进行，并且保证实际计量与设定计量公差不大于0.5%，而实际给镁强度（单位时间，包括瞬间给镁量）与设定强度之差不大于2%；
5、保证了所有被吹入的镁在铁水包底部分散汽化的条件，继而快速溶解（有80%喷入的镁）在待处理的铁水中；
6、保证了排除硫从渣中返回铁水的条件，包括脱硫铁水中硫含量为≤0.001-0.002%时也是如此，必要时（个别情况下）可对包顶渣理化性能做些调整；
7、可自动化完成操作和保持设定的参数；
8、脱硫剂、材料和载能介质的单耗以及脱硫费用都是最低的（和其它类似方法比较）。
根据包中熔池深度，熔体温度，铁水重量，初始和终点硫量等处理条件的差异，喷镁可以有以下两种方案（图3）：
—采用出口处带汽化室的潜入式喷枪（在喷枪通道中料流速度小于30米/秒时）；
—采用出口处不带汽化室的潜入式喷枪，但喷枪堵头必须有专门的结构和采用专门的喷吹制度。
ab
图3.籽粒状（或颗粒化）镁喷入铁水包示意图。
a—采用出口处带汽化室的喷枪（包内熔池深度＜2.6～2.7m）；
b—采用不带汽化室的喷枪（包内熔池深度＞2.7～2.8m）。
在1972-1973年间，在部分完成上述要求和采用带汽化室喷枪的条件下，亚速钢厂，扎波罗热钢厂及伊里奇钢厂的脱硫站进行了重新装备并转入到只用颗粒镁作业[4，6]。
这一改造降低了脱硫剂耗量，提高了镁的利用率，降低了处理损失，提高了处理能力，降减低了脱硫成本[4、5]。
取得的巨大积极成果成为在乌克兰、俄罗斯和芬兰等国钢铁企业（计有亚速钢厂，克里沃罗格钢厂，自由之鹰钢厂，拉赫斯基冶炼厂，НЛМК厂等）建造新的高产能颗粒镁铁水脱硫站并使之投入运行的基础。
随后，2002年～2008年间，在中国几家先采用混吹后改为单吹颗粒镁的钢铁企业也获得了同样的效果。
至2008年年中，中国有37家工厂建立并投产了56套使用带汽化室喷枪或不带汽化室的有专门的堵头喷吹籽粒状或颗粒化镁剂的铁水脱硫和扒渣系统，其硫含量降至0.002-0.010%。
一系列钢厂工业喷吹的平均指标见表1，从中看出，在镁单耗为0.33-0.63kg/t铁的情况下，铁水中硫含量平均从0.027-0.040%降至0.002-0.008%，铁水包中初始渣量为铁水重量的1.0-5.0%。
处理前不需扒渣，铁水脱硫率为76-93%。
武钢一炼、太钢二钢南区、湘钢二炼等包中铁水重量不足120t的厂家，绝大部分铁水有特定用途，采用颗粒镁深度脱硫，保证了硫含量降至0.001-0.002%。
这些厂的给镁强度在6-10kg/min之间变化，给镁的可控制性和平稳性保证了铁水包的满装率—包内自由空间高度只有0.3m左右。
在铁水包平均容量为75-120t，采用带汽化室的喷枪喷吹颗粒镁的情况下，镁单耗与铁水中初始硫和终点硫之间的关系见图4，从图4可见，铁水除硫要消耗的镁量是相当少的，这是因为镁的利用率高及与硫结合的镁耗小（见表1）。
该喷吹工艺用于小容量铁水包（小于65t铁水）时须采用另外的处理参数，给镁强度通常不超过7kg/min。
图4.采用75-120t铁水包和带汽化室喷枪吹炼铁水时，镁单耗（qmg）与铁水中初始硫量（[S]исх）之间的关系。
曲线旁数字——铁水终点硫量。
表1
中国一系列钢厂采用乌克兰工艺用带汽化室喷枪喷吹颗粒镁（或籽粒状镁）为铁水脱硫时的工业生产平均指标和参数。
企业简称
年处理量
百万吨/
包内
铁水量
t
初始温度
С
渣量（包内铁水重量%）
镁单耗
Kg/t铁
硫%
脱硫率%
镁对硫
的耗量
kg/kg
镁对硫的利用率
%
初始
终点
合计
（Ст.D）
脱硫比率
（D）*
武钢一炼钢1#站
2,4
100–110
1180–1400
1,50
0,53
0,038
0,003
91
17,3
1,51
50
武钢一炼钢2#站
2,4
107
1260
1,56
0,52
0,029
0,002
93
17,9
1,92
41
太钢二炼钢3#站
1,2
80
1270–1390
1,62
0,63
0,039
0,003
90
14,3
2,07
38
天津钢铁公司
1,0
96
1305–1390
1,87
0,52
0,040
0,006
85
16,3
1,53
50
杭州钢厂
2,6
80
1250–1360
5,0
0,33
0,029
0,007
76
23,1
1,50
51
湘潭一炼钢
2,1
126
1280–1360
1,32
0,40
0,027
0,005
82
20,5
1,81
42
柳州二炼钢
2,3
102
1290–1360
1,0
0,35
0,027
0,0058
81
23,2
1,75
44
淮安钢厂
2,6
87
1260–1420
1,76
0,44
0,039
0,008
81
19,8
1,64
54
国丰新钢厂
2,8
119
1320–1390
1,20
0,41
0,029
0,006
79
19,3
1,80
43
总体平均数据**
80–126
100
1180–1420
1315
1,00–5,00
1,87
0,35–0,63
0,45
0,027–0,040
0,033
0,002–0,008
0,005
76–93
84
14,3–23,2
19,1
1,50–2,07
1,72
38–54
46
]*D–脱硫比率，为每0.1kgmg/t的单位脱硫率。
**–分子为平均值的变化范围，分母—所有脱硫站的平均值。
带汽化室的喷枪在亚速钢厂350t大容量转炉铁水包脱硫时进行过检验。
在新的条件下（下枪深度3-3.6m）该工艺的工业检验说明，在载气（氮气、氩气）90-100Nm3/h，系统压力0.6MPa，给镁强度高达13-14kg/min时，保证了将镁稳定地送入铁水中。
尽管铁水中初硫相对不高（各次试验的平均值为0.015%）和镁料单耗较少（0.14kg/t铁），硫却被降至0.001-0.006%，平均达0.005%，镁对硫的耗量（β）为1.75kg/kg，每0.1kgmg/t的单位脱硫比率D达到34%，总脱硫率为（CtD）90%。
采用大容量铁水包（熔池深度大于2.8m）用带汽化室的喷枪喷镁时，虽然效率很高，但也发现了该条件下的一些负面现象，比如，在许多情况下观察到镁在汽化室内汽化不充分，因此不得不降低给镁强度。
由于每包铁水使用镁量增加，汽化室内的压力很高，在导镁深度大于2.8m的情况下镁的汽化强度较低，使汽化室内腔壁结疤加剧，最后导致脱硫站的工作能力和处理能力下降。
发现的这些不足成为我们研发深熔池情况下的新工艺及喷吹镁系统的依据。
与熔池深度小于2.5m时铁水精炼条件（喷吹料流速度通常不足30-40m/秒，镁的加热、熔化和汽化过程在其直接接触铁水之前完成），用于深熔池大铁水包的新工艺方法定向为：
去除喷枪汽化室，增大料流速度，将所有热量交换和质量交换过程转入到铁水中进行，建立更为发育的反应区域以改善喷入的含镁两相流与铁水之间的热交换和质量交换。
包括“冷”“热”模型试验在内的大量综合性研究探索工作使得成功开发出通过不带汽化室的喷枪向大容量铁水包中可靠而节省地喷吹细散镁料（不带钝化添加剂）这样一种过程的工艺细节和设备型式。
喷吹计量系统的气体动力学参数可保证在小于130Nm3/h的载气流量下把镁剂稳定地喷送到深达4m的铁水中。
在保证脱硫比率D约30%（每0.1kgmg/t）情况下，镁对硫的耗量β平均为1.5kg/kg。
过程保证了终点硫设定目标，包括0.010%、0.005%、0.002%和0.001%。
采用不带汽化室的新结构喷枪在大型铁水包中脱硫时的镁单耗见图5。
把图4和图5的数据加以对比可以看出，
图5、用不带汽化室的专门结构喷枪向130—140t以上铁水包喷吹镁脱硫时镁单耗与铁水中初始硫量（[S]исх）之间的关系曲线。
曲线旁数字为铁水终硫量。
后者（往大型铁水包中喷镁）需求的镁单耗更低一些，也就是说，新的喷镁工艺用大型铁水包精炼脱硫情况下，也把镁脱硫剂（不含添加物СаО和СаС2）的优良和优先特性充分体现了出来。
采用不带汽化室的喷枪喷吹镁的铁水脱硫工艺已被中国一系列钢铁企业所掌握，现又推向欧亚许多冶金企业，适用于135-350吨的铁水包。
表2列出了中国一系列冶金企业采用新工艺用不带汽化室的喷枪向大型转炉铁水包单吹颗粒镁的平均指标，从表中可见，在镁耗不大的情况下，保证了足够的脱硫效果，包括，所有处理炉次硫量平均降至0.003%，而对于个别的钢种则降到0.001%—0.002%。
平均脱硫率为81%，脱硫比率D-22.1%。
某些脱硫站在包内自由空间高度为0.2-0.3m情况下，给镁强度在7-13kg/min之间变化。
喷吹镁期间的温降平均4-5℃，在平均终硫0.006%的条件下，保证了硫对镁的利用率52%，而总利用率为87%。
这对于日常工业生产来说已是相当高的喷吹指标。
在工业规模掌握“用大型转炉铁水包单吹颗粒镁为铁水脱硫的新工艺方法”过程中，除看到与其它脱硫工艺相比有一系列的优点外，也发现了不尽完善之处—喷镁强度时常受限于13-15kg/min，超过这一强度时，吹炼过程便太过活跃，喷枪承受的动负荷随之增大且时有铁水溅出。
我们的研究表明，这些不如意过程的基本原因是喷吹方法和喷吹系统的合理性不够。
已完成的系统虽然保证了将镁稳定地导入到铁水中，但未能使吹入的含镁两相流达在铁水熔池中合理的分散开。
喷枪插入铁水越浅，铁水量越少，上述不良效应越严重。
为了消除已发现的不足，对所喷吹的含镁料流进入铁水前和处在铁水中的合理处置条件及处理方式进行了广泛的研究和探索。
结果研制成功并且掌握了更为合理的喷镁工艺，供镁喷注系统既保证了气—镁料流在冷状态下（导入铁水前）的转化，也保证了料流在质量交换反应区（从喷枪射出后）更好的分布。
颗粒镁铁水脱硫方法改进后主要工业参数和指标如下：
包内铁水重量，t—无限制
包内自由空间高度，m—直到0.2～0.3
铁水温度，℃—无限制
表2
中国一系列钢厂采用乌克兰工艺经不带汽化室的专用喷枪向转炉铁水包内喷吹颗粒镁处理铁水的工业平均指标和参数
钢厂名称
年处理量
百万t
包内铁水重量
t
初始温度
℃
包内初始渣量（铁水重量%）
镁单耗kg/t铁水
硫含量，%
脱硫率，%
镁对硫的
耗量
kg/kg
镁对硫的利用率
KSMg,%
前硫
后硫
总脱硫率
（Ст.D）
脱硫比率
（D）
首钢一钢
2,8
195
1290–1400
1,35
0,25
0,027
0,007
74
29,2
1,26
60
唐钢一钢
3,0
155
1250–1350
1,80
0,36
0,041
0,010
74
21,3
1,25
62
太钢新厂
2,1
160
1300–1350
1,41
0,32
0,026
0,006
77
22,5
1,70
46
首钢迁安
6,0
195
1210–1350
1,25
0,36
0,032
0,006
81
22,6
1,39
55
武汉三钢
3,8
265
1260–1380
2,06
0,36
0,023
0,003
87
24,1
1,78
42
沙钢宏发
3,8
180
1260–1420
0,76
0,32
0,018
0,003
83
26,1
2,13
36
包头一钢
2,2
96
1220–1370
1,60
0,50
0,042
0,005
89
17,2
1,46
52
总数平均
96–265
177
1210–1420
1328
0,76–2,06
1,46
0,25–0,50
0,35
0,018–0,042
0,031
0,003–0,010
0,006
81
22,1
1,48
52
*脱硫比率（单位脱硫率）—喷入的镁剂每0.1kg分摊的脱硫率。
**分子—平均值变化范围，分母—所有脱硫站平均。
表3
用大容量转炉铁水包脱硫时乌克兰—戴斯玛克喷吹颗粒镁新工艺与ESM公司复合喷吹Mg+CaO工艺的指标对比
指标，参数
通钢和中国其它钢厂“乌克兰—戴斯玛克”工艺
俄罗斯切列波韦茨北方钢厂复合喷吹Mg+CaO
ESM公司工艺
1
包内铁水重量，t
150–320
300–320
2
硫含量，%：
-
处理前
0,020
0,020
-
处理后
0,002
0,002
3
喷镁强度，kg/min
10–26
13–25
4
镁耗
-
单耗，kg/t铁水
0,31
0,49
-
总耗，kg/包
46–99
147–157
5
石灰（优质石灰粉）消耗
不采用
-
单耗，kg/t铁水
不采用
1,55
-
总耗，kg/包
465–496
6
喷吹时长，min
3–5
6,5
7
温降，℃
5
6,72
8
脱硫剂对硫耗量kg/kg
-
镁
1,75
3,11
-
优质细石灰
不采用
8,61
9
包内补充生渣量
-
比渣量，kg/t铁水
0,62
4,08
-
总渣量，kg/包
93–198
1224–1306
10
随生成补充渣铁损，kg/t铁
0,28
1,84
11
镁对硫利用率，%
44
28
12
脱硫率，%
-
总脱硫率
90
90
-
单位脱硫率（每0.1kgmg/t）
29,0
18,4
包内初始渣量—随用户方条件
铁水初始硫量，%—无限制
脱硫后硫含量担保值，%—用户规定的任意值，直至0.001
载气耗量，Nm3/h—小于110
供气管路中载气压力，Mpa—0.7～0.8
表4
采用大型转炉铁水包脱硫时乌克兰—戴斯玛克喷吹颗粒镁新工艺与''Polysius-SVAI''公司复合喷吹Mg+CaO方法的指标对比
指标，参数
通钢和中国其它钢厂“乌克兰—戴斯玛克”喷镁工艺
俄罗斯下塔吉尔钢厂
镁和石灰复合
喷吹工艺
（Polysius-SVAI公司）
1
包内铁水重量，t
150–170
164
2
铁水中硫含量，%
–
处理前
0,026
0,026
–
处理后
0,005
0,005
3
喷镁强度，kg/min
10–26
5–10
4
镁耗：
–
单耗，kg/t铁水
0,30
0,506
–
总耗，kg/包
45–51
83
5
优质细石灰耗量
不采用
–
单耗，kg/t铁水
不采用
2,60
–
总耗，kg/包
426
6
喷吹时长，min
3–5
8–20
7
温降，℃
5
10
8
脱硫剂对硫耗量kg/kg
–
镁
1,43
2,41
–
高品质细石灰
不采用
12,38
9
包内补充生渣量
–
kg/t铁水
0,60
6,212
–
总共，kg/包
90–102
1019
10
铁损，kg/t铁水
0,27
2,795
11
镁对硫利用率，%
53,0
31,5
12
脱硫率
–
总脱硫率
81
81
–
单位脱硫率（每0.1kgmg/t）
26,9
16,0
喷枪类型—不带汽化室
喷镁强度，kg/min—8～26
喷镁时长，min—3～6
在改进喷枪结构和加大给镁强度后在大型铁水包中喷吹镁处理铁水获得的实际数据与美国ESM公司及'Polysius-SVAI''公司数据的对比见表3和表4，从表中可见，乌克兰—戴斯玛克颗粒镁脱硫新方法除保留了乌克兰工艺的脱硫剂利用率高、镁耗量最少、新生渣量少、铁损最小、温降最小、过程稳定性和可靠性高等优点外，还保证了所喷入的镁更好的弥散，并将供镁强度基本增大1倍，从而使喷吹过程用时缩短到3-5分钟，即缩到1/2～1/3。
这种情况保证了现代化转炉车间广泛采用该种脱硫工艺的可能性。
例如，在300-350t大吨位转炉车间条件下把铁水中硫降到0.002%，以22-26kg/min的强度喷吹颗粒镁，3-5min即可完成喷吹过程。
喷镁新方法很重要的一个优点是，铁水包中过程进行平稳，同时也提高了喷枪装置的工作可靠性。
表5给出了喷吹颗粒镁新的工艺方法（用专门制度高强度喷吹）与俄罗斯北方钢厂[12，14]（ESM方法）和下塔吉尔钢厂[13，14]（''Polysius-SVAI''方法）复合喷吹（Mg+CaO）粉料工艺的经济对比。
从中可以得出：
喷吹颗粒镁费用更低—低出2～3美元/t铁（前述各种好处和优点姑且不论），而处理过程用时又最少—3～5分钟，包括与ESM公司方法的对比。
将脱硫后的渣子扒净，在扒渣时可同时向铁水吹氮（通过透气砖或使用鼓泡式气力赶渣器），这样扒除各种各样的包顶渣（包括流动性好或液态渣）就都没有困难了。
上述情况证明，采用专有喷枪来分散喷入料流的改进后的颗粒镁铁水脱硫方法是最先进、最节省的工艺方案，它保证了喷镁速度快（达26kg/min），喷吹用时少（3-6min），处理费用低。
该法可适用于各种类型铁水包，但特别适用于大型铁水包，因为铁水量大时，必须保证用最短时间（小于6min）供入足够大的脱硫剂用量（kg/包）。
结论：
所做的大量研发工作创造了一种更合理的铁水炉外脱硫工艺方法，它适应宽泛的脱硫深度（直至0.001～0.002%）,不同的包内铁水重量,广谱的喷镁强度（10-26kg/min）和有伸缩性的精炼时间（3-6min）。
该法保证镁利用率更高，镁耗量更低，温降和铁损更低，
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