铁水预处理毕业设计{精编资料}.doc
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内蒙古科技大学
摘要
采用铁水预处理工艺可以使转炉进行少渣炼钢，使高炉焦比降低，提高了铁水的质量和炼钢厂的经济效益。
生产出的含硫含量低的钢材满足了现代科学技术对钢铁材料的要求。
所以铁水预处理已成为现代炼钢的重要环节。
本设计对铁水预脱硫的发展历程、现代最常用的铁水预处理的新方法、新工艺、常用的脱硫剂和其反应机理进行了综述，并且在环保方面也进行了综述。
本次设计采用的是单喷颗粒镁脱硫的预处理方法。
根据新建年产500万吨合格铸坯炼钢厂的实际工艺流程，比较了几种铁水预处理工艺的优缺点。
设计了单喷颗粒镁的脱硫站，并对贮镁仓、喷吹罐、喷射器和喷枪进行了设计和选用。
关键词：
铁水预处理；喷镁；脱硫剂；设备参数及布置
Abstract
Usingironpretreatmentprocesscanmakeforadopingslaglesssteelmakingconverter,cokereducingfurnace,improvingthequalityoftheironandsteeleconomicbenefits.Producelowsulfuralsosatisfythesteelinmodernscienceandtechnologyforsteelmaterials.Sotheironpretreatmenthasbecometheimportantlinkofthemodernsteel-making.
Thedesignofthedevelopmentcourse,getsthemostcommonlyusedmodernironpretreatmentofnewmethods,newtechniquesandcommondesulfurizer,andthereactionmechanismarereviewed,andintheenvironmentalaspectsarereviewed.ThisdesignUSESisthesingleparticlemagnesiuminjectionofdesulphurizationpretreatmentmethods.
Accordingtothenewannual500tonsofqualifiedsteelcastingpracticalprocess,comparestheadvantagesanddisadvantagesofseveralironpretreatmentprocess.Thedesignofthesingleparticlemagnesiuminjection,magnesiumanddesulfurizationandblowingcans,injectorandspraytocarryonthedesignandselection.
Keywords：
hotmetalpretreatment；magnesiuminjection；Thedesulfurizer；Equipmentparametersandlayout
目录
摘要 I
第一章文献综述 1
1.1前言 1
1.2铁水预处理的发展历程 2
1.3铁水预处理的必要性 2
1.3.1铁水预处理功能演进 3
1.3.2全量铁水“三脱”处理的效果 4
1.3.3铁水进行全量预处理的必要性 5
1.4铁水预处理的方法及比较 8
1.4.1KR搅拌法 8
1.4.2KR法脱硫工艺需要注意的问题 10
1.4.3单颗粒镁铁水深脱硫 11
1.4.4复合喷吹镁基脱硫剂脱硫 12
1.4.5KR法与喷吹法的比较 14
1.5铁水深脱硫的工艺实践 17
1.5.1原始硫含量及镁粉消耗对深脱硫的影响 17
1.5.2聚渣剂的优化使用及扒渣效果对铁水深脱硫的影响 18
1.5.3温度对深脱硫的影响 19
第二章生产规划 20
2.1生产规模 20
2.2产品大纲 20
2.3产品方案 20
2.4铁水预处理间的生产计划 21
2.4.1铁水预脱硫 21
第三章方案选择 23
3.1铁水预处理间的位置确定 23
3.2铁水预脱硫处理方法 23
3.2.1鱼雷罐车顶喷法（TDS） 23
3.2.2铁水罐喷吹脱硫 24
3.2.3混铁车喷粉脱硫 25
3.3常用的铁水脱硅预处理方法 27
3.3.1高炉铁沟连续脱硅法 27
3.3.3混铁车或铁水包内喷粉脱硅法 28
第四章常用的铁水脱硫剂及脱硫指标 29
4.1常用脱硫剂 29
4.2常用脱硫剂反应特点 29
4.2.1电石粉 29
4.2.2石灰粉脱硫 30
4.2.3用Mg粉脱硫 30
4.3脱硫生产指标 31
4.3.1脱硫效率（） 31
4.3.2脱硫剂效率（Ks） 31
4.3.3脱硫剂的反应率ηm 32
4.3.4脱硫分配比（LS） 32
第五章喷吹法脱硫系统的主要设备性能和参数 34
5.1供料系统 34
5.1.1槽车 34
5.1.2储料仓 34
5.1.4镁粉贮粉仓 34
5.2喷吹系统 35
5.2.1发送罐（喷粉罐） 35
5.2.2喷射器 36
5.2.3喷吹管路 36
5.2.4喷枪的设计和选择 37
5.2.5喷枪传动机构 37
5.3测温、取样装置 38
5.4铁水罐运输与倾翻车 38
5.5扒渣设备的选择 40
5.5.1吹渣机 42
5.6硫分析仪 43
5.7渣罐车 43
5.8铁水罐 43
5.950/10t桥式起重机 44
5.105t单梁悬挂起重机 44
第六章铁水预脱硫工艺过程 45
6.1脱硫剂的准备 45
6.2喷吹脱硫工艺 45
6.3扒渣 45
6.4称量、测温和取样 45
6.5加保温剂 45
6.6喷枪更换及修理 46
第七章铁水预处理与环保 47
7.1在环保方面采取的措施 47
7.1.1除尘系统的优化 47
7.1.2全面改造活动烟罩和固定烟罩 48
7.1.3分离汽车上料和脱硫投料的氮气助吹气源,并且进一步分离投料助吹气源 48
7.1.4严格控制脱硫剂的粒度脱硫剂颗粒 49
第八章中国铁水预处理技术的发展 50
8.1发展特点 50
8.1.1铁水预处理量增长迅速，铁水预处理比增长缓慢 50
8.1.2各种铁水预处理方法并存、同步发展 50
8.1.3KR搅拌法脱硫 52
8.1.4其它铁水预处理技术 53
8.2发展方向 53
8.3快速发展前景 53
参考文献 55
致谢 57
57
内蒙古科技大学
第一章文献综述
1.1前言
铁水预处理要是指铁水在进入转炉之前的三脱处理。
广义的铁水预处理是指包括对铁水脱硫、脱硅、脱磷的三脱处理，另外还有特殊铁水的预处理，如含V铁水的提V等。
铁水脱硫是二十世纪70年代发展起来的铁水处理工艺技术，它已成为现代钢铁企业优化工艺流程的重要组成部分。
铁水脱硫的主要优点如下：
（1）铁水中含有大量的硅、碳和锰等还原性的元素，在使用各种脱硫剂时，
脱硫剂的烧损少，利用率高，有利于脱硫。
（2）铁水中的碳、硅能大大提高铁水中硫的活度系数，改善脱硫的热力学条
件，使硫较易脱致较低的水平。
（3）铁水中含氧量较低，提高渣铁中硫的分配系数，有利于脱硫。
（4）铁水处理温度低，使耐火材料及处理装置的寿命比较高。
（5）铁水脱硫的费用低，如在高炉、转炉、炉外精炼装置中脱除一公斤硫，
其费用分别是铁水脱硫的2.6、16.9和6.1倍。
（6）铁水炉外脱硫的过程中铁水成份的变化，比炼钢或钢水炉外处理过程中
钢水成份的变化对最终的钢种成份影响小。
采用铁水脱硫，不仅可以减轻高炉负担，降低焦比，减少渣量和提高生产率，也使转炉也不必为脱硫而采取大渣量高碱度操作，因为在转炉高氧化性炉渣条件下脱硫是相当困难的。
因此铁水脱硫已成为现代钢铁工业优化工艺流程的重要手段，是提高钢质量、扩大品种的主要措施。
早期的铁水脱硫方法有很多种：
如将脱硫剂直接加在铁水罐罐底，靠出铁铁流的冲击形成混合而脱硫的铺撒法。
也有将脱硫剂加入装有铁水的铁水罐中，然后将铁水罐偏心旋转或正向反向交换旋转的摇包法。
之后逐步发展至今天采用的KR搅拌法及喷枪插入铁水中的喷吹法。
铁水预处理工艺经过近四十年的发展，已成为完善和优化整个钢铁生产工艺流程、确保节能降耗、达到优质高效目标的不可缺少的工艺环节，是大批量生产高纯度钢、降低普碳钢生产成本和实现转炉少渣吹炼的关键性技术。
在一些发达国家的钢铁厂，几乎100%的铁水都进行了相应的预处理。
1.2铁水预处理的发展历程
在1847年，英国Thiel等用一座平炉进行过铁水预脱硅脱磷工业试验，再用此铁水炼钢提高了炼钢生产效率。
鞍钢在建国初期也采用过此种工艺。
1879年，欧洲用托马斯转炉去磷，冶炼高磷（1.8%~2.2%）铁水，磷是炼钢过程的主要发热元素之一，炼钢渣可用作磷肥。
后来的碱性平炉和氧气转炉都有较强的去磷能力，对于一般含磷（0.04%~0.1%）铁水冶炼普通钢种都能满足去磷要求。
到了20世纪80年代，由于石油危机冲击的影响，需要发展节能、省原材料、减少废弃物的新工艺。
炼钢在实现铁水预脱硫后，进一步研究了预脱磷问题，同时也是适应低磷钢和纯净钢种的需求。
1982年3月，住友鹿岛厂实现了碱精炼工艺（SARP），同年9月新日铁君津厂最佳精炼工艺（ORP）运行，月神户厂专用炉脱磷投入使用。
1984~1985年，川崎的千叶厂和水岛厂铁水预处理站先后投产，并于1988年末扩建为铁水全处理。
1986年11月，日本钢管京滨厂脱磷站投产。
1990年，住友各厂实现了双炉串联简单精炼工艺（SRP）。
1993年4月，韩国浦项公司建成脱磷站。
1998年，日本钢管福山厂也采用双炉串联工艺处理100%铁水。
欧洲只见意大利塔兰托厂和荷兰霍戈文厂有脱磷试验的报道。
我国太钢二炼钢于1988年建成铁水三脱预处理站，但脱硅脱磷处理较少。
宝钢1990年末在一炼钢预脱硫站部分改为三脱预处理，由于工艺不完善没有正常运行二炼钢在1998年3月三脱预处理站投入运行。
1994年5月，中国台湾中钢铁水三脱预处理站投产。
这种发展变化是适应提高钢的质量降低冶炼工艺成本和减少废弃物的环保需要的。
1.3铁水预处理的必要性
铁水预处理技术对现代氧气转炉炼钢厂而言，其重要性已从原来冶炼一些对含硫量要求特别严的钢种演进成为炼铁炼钢凝固过程优化不可分割的重要环节。
由于转炉预处理铁水进行脱磷工艺的创新开发，逐渐形成了一种全量铁水进行“三脱”处理的技术进步模式：
高炉铁水铁水包内脱硫脱磷转炉脱硅、脱磷2脱碳升温转炉。
研究结果表明：
该种模式将预处理过程分阶段分容器进行，使得冶金热力学与动力学条件达到最优化，从而获得高效、低耗的预处理效果。
全量铁水“三脱”的概念是所有进入转炉炼钢的铁水都要进行“三脱”预处理。
当前，铁水是否全量“三脱”仍存在着一些争议，新建的大型钢铁联合企业将以板、带材为主打产品，对铁水杂质元素含量有严格的要求，本文旨在对新建钢厂铁水进行全量预处理的必要性予以探讨。
1.3.1铁水预处理功能演进
铁水预处理是建立在对冶金过程热力学和动力学深入研究基础上而增设的工序，从流程工程层面上看，其实际功能已超越了原来对质量调控的范畴，逐渐演进为工序及工序间的质量、能量及协调缓冲的调节器。
（1）冶金负荷和质量调节器
由于铁水预处理过程中有着良好的脱硫热力学条件和动力学条件，脱硫效率很高，因此也显示出了经济价值，表1.1列出了不同工序脱除1kg硫所需费用的比较。
表1.1不同工序脱出1kg硫的所需的费用（美元）
高炉炉内脱硫
铁水预处理脱硫
转炉炉内脱硫
钢包脱硫
27
10.5
117
64
铁水预处理脱硫有着技术及经济上的优势，高炉内硫质量分数每降低0.001%,焦比会增加2~3kg/t，而炉外脱硫可降低焦比30~40kg/t，产量提高5%~8%[5]；炉外脱硫还为炼钢的少渣冶炼创造了条件。
此外，高炉铁水的脱硅、脱磷预处理，对于冶炼超低磷钢时，可以降低甚至基本免除转炉的脱磷负荷，并稳定地获得w（P）<0.004%的超低磷钢，降低炼钢转炉的造渣负荷。
能量调节器
铁水预处理可通过适度脱硅来调节铁水化学能，从而为炼钢过程减轻造渣负荷、适度利用废钢和控制合理的转炉出钢温度提供经济合理的前提条件。
“铁水包内脱硫2转炉脱硅、脱磷”的全量铁水预处理模式取消了传统工艺流程中的混铁炉、鱼雷罐倒罐站，不仅减少了人员及岗位设置、设备投资维护及运行成本，更没有了倒包的能耗与污染[6]，利于节能、减排。
混铁炉与倒罐站的取消是从工艺流程上进行节能、减排，即从根本上杜绝大量能耗与排放，这符合政府提出的到2010年单位GDP能源消耗比2005年末降低20%左右的政策。
（2）协调2缓冲器
基于高炉的连续反应过程和间歇的输出方式，而转炉则按一定周期间歇作业方式，两者之间的衔接2缓冲关系以往是以混铁炉来实现的。
铁水预处理工序的确立，使得大型运铁水容器（如铁水包等）逐步成为高炉2转炉之间在铁水成分、过程时间、过程温度等重要参数上实现优化匹配基础上连续作业的协调2缓冲器。
另外，因铁水预处理过程分阶段分容器进行使得“三脱”的不同任务可以并行，从而提高了工序效率，为整个生产的高效匹配提供了保障。
1.3.2全量铁水“三脱”处理的效果
（1）全“三脱”的技术经济效果
全量铁水“三脱”的炼钢生产流程不仅是为了生产高质量钢（超低硫管线钢、IF钢等），更重要的是为了促进炼钢生产的时间节奏更快、效率更高，这主要是针对生产板带的大型转炉炼钢厂的，其模式如图1.1所示[8]。
全量铁水“三脱”预处理工艺会引起炼钢厂生产节奏加速和效率提高，特别是脱磷转炉和脱碳转炉可以实现20min左右的冶炼周期，也会导致平面布置的优化，甚至转炉吨位等一系列参数的优化。
还将使大型转炉的总吹氧时间缩短到9min左右，而出钢2出钢周期时间约为20min左右。
这与现在大型转炉出钢2出钢时间周期一般为30~40min形成了鲜明对比。
即在全量铁水“三脱”预处理的条件下，大型转炉的生产效率将提高1/3左右，如图1.2[8]所示。
全量铁水“三脱”预处理的技术意义和经济意义不同于部分铁水“离线脱硫处理”或“部分铁水三脱”预处理，而且铁水脱磷后降低了转炉渣中的磷含量，有利于转
图1.1全量铁水三“脱预”处理的炼钢过程
炉渣的循环利用。
在某种意义上看，对大型钢铁联合企业而言，采用全量铁水“三脱”工艺可能会有类似于“全连铸”生产体制的技术经济效果，即对高炉转炉板带材流程的大型联合企业，有可能通过全量铁水“三脱”的工艺途径实现在一个炼钢厂的体制下年产800~1000万t钢的规模。
采用铁水“三脱”预处理，是现代化（大型）转炉炼钢技术进步的发展趋势。
但考虑到我国转炉设备能力，钢种多、产品磷含量要求的差异以及铁水、废钢资源的结构等情况，首先应当大力提高铁水脱硫预处理的比例；再根据市场的需要、转炉装备及原料的变化等情况逐步在大型转炉炼钢厂实现全量铁水“三脱”预处理。
然而，对于在新世纪新建的新一代大型钢厂应该大胆地、创新地采用全量铁水“三脱”的炼钢工艺过程，以高效、低成本地生产高级板带材。
图1.2大型氧气转炉冶炼周期缩短对年产量的影响
（2）全“三脱”的运行实绩
国内目前还没有已投产的厂家对全量铁水进行“三脱”，更没有“铁水包内脱硫转炉脱硅、脱磷”的全三脱模式，曹妃甸虽然采用了此种模式，但还没有投产，因此无生产数据。
宝钢两个炼钢厂部分钢种采用了全“三脱”的生产工艺，两个炼钢厂略有不同，一炼钢厂工艺如下：
高炉铁水（鱼雷罐承载）扒渣鱼雷罐内脱硫兑铁兑铁包内深脱硫扒渣转炉内脱磷脱碳转炉。
二炼钢厂工艺如下：
高炉铁水沟脱硅扒渣鱼雷罐内同时三脱扒渣兑铁铁水罐扒渣转炉。
1.3.3铁水进行全量预处理的必要性
从以上分析可以看出，铁水预处理工序的功能已经发生了演进，尤其对于新建的大型钢厂，该工序在满足钢种要求的同时还需完成优化钢铁制造流程、加速生产节奏、提高生产效率及降低成本等任务。
若是采用部分铁水“三脱”预处理，将带来炼钢、精炼、连铸的操作混乱，时间可能会混乱，影响物流的有序运行。
对铁水进行全量“三脱”的优势和必要性主要表现在以下几个方面。
（1）提高产品竞争力的需要
我国目前已经有5.5亿t钢的生产能力，国家控制钢铁产品出口的调控政策及国际贸易争端带来的不利影响已经使得我国钢铁产品出口量开始出现负增长。
一方面是产能大且仍较快速度增长，另一方面是出口的负增长，国内需求没有明显增长时势必出现供求及价格的大幅波动，考虑到出口产品的低端现状，综合国家环境政策及国际铁矿石价格上涨的因素，国内各钢铁企业面临的是产能过剩、成本却升高的不利局面。
企业从产量效益型转向品种、质量效益型的发展模式是未来钢铁工业的长久课题,产品的竞争力是企业利润与可持续发展的核心。
新一代钢铁企业市场定位应该是高端产品，为了增强企业及产品的竞争力，需要搭建一个高效低成本的洁净钢平台，全量铁水预处理模式满足这一要求，在提供优质铁水的同时还为工序间的高效匹配、节能降耗、循环经济等方面建立起低成本、高质量的生产平台。
（2）可促进高磷矿的开发利用
铁矿石涨价使得高磷矿的利用空间得以扩展。
我国高磷铁矿资源比较丰富，如云南东川矿等。
宁乡式铁矿床现已探明的储量达37.2亿t，占全国沉积铁矿探明储量的73.5%。
铁矿品位为30%~45%，含磷偏高，w（P）为0.4%~1.1%。
针对不同性质的含磷铁矿石，国内外专家进行了较为深入的脱磷工艺研究。
在梅山铁矿脱磷工业试验中采用磁选法，由w（P）=0.399%的原矿得到了w（P）=0.246%的铁精矿，取得了良好的效果；纪军采用分散2选择性聚团反浮选降磷试验，通过适当调整药剂制度和流程结构，可使w（P）由原矿中的0.570%下降到铁精矿中的0.236%；卢尚文等采用酸浸法使乌石山铁矿中w（P）降低了40%～50%，并提高铁品位4%~6%；黄剑胯等人采用微生物浸出法可将铁矿中的w（P）降低到0.20%以下；何良菊等进行了氧化亚铁硫杆菌氧化黄铁矿生产浸出液及以此浸出液浸矿脱磷的研究，可使脱磷率达到76.89%。
总的来说，高磷矿选矿脱磷还存在着一些问题，如难以同时满足脱磷率高、金属回收率高、精矿产品含铁品位高的要求等，但随着矿石成本的上涨，加大高磷矿的利用率是必然趋势。
高磷矿的脱磷环节主要有两个，选矿之外就是铁水预处理。
工艺技术与成本原因导致从选矿环节要得到合乎要求的铁水目前仍有些难度，铁水预脱磷变得尤为重要。
铁水全量预处理脱磷可降低高磷矿选矿成本、减轻转炉脱磷负荷，高炉可以部分使用高磷矿，炼铁生产可以采用较高磷含量的低价位铁矿石，铁水磷质量分数放宽至0.10%~0.15%,用高磷铁矿比进口铁矿将节约成本至少200元/t。
值得一提的是，采用专用转炉脱磷效果良好，脱磷率基本能保证在90%左右，除极低磷钢种外，铁水磷含量的要求均有放宽，全量铁水预处理工艺的推广有助于快速推进高磷矿的开发利用。
（3）炉渣的综合性利用
脱碳转炉的炉渣可以作为脱磷转炉的脱磷剂，减少石灰用量，进而显著减少渣总量。
和歌山脱磷转炉的造渣剂成分为10kg/t的脱碳炉渣加上10kg/t石灰；新日铁脱硫、脱磷、脱碳渣总量已经控制在60kg/t以下；脱磷转炉渣的碱度为1.5~2，可以不经蒸汽老化处理，直接使用于筑路或作水泥等，不仅降低了成本，也符合循环经济的要求。
（4）有利于脱碳转炉使用锰矿
渣量的减少使得用锰矿代替锰铁成为可能。
宝钢在少渣吹炼条件下，用锰矿替代或部分替代锰铁投入脱碳转炉还原成钢水Mn含量，基本不用或少用50%左右的Fe2Mn合金，可以降低成本，在锰矿加入量为10kg/t的条件下，停吹钢水w（C）≥0.04%时，锰收得率可达到61%,最高达到83.9%；停吹钢水w（C）平均为0.05%时，锰收得率可达到60.2%，最高达到85.9%。
鹿岛制铁所脱碳转炉（260t）不加废钢，锰矿用量约15kg/t，Mn的回收率为40%，终点锰约0.25%，渣量为20kg/t,效果良好。
（5）可加快大型转炉冶炼节奏
采用转炉脱磷后，反应容器自由空间增大，可以增加供氧和底吹气体搅拌强度，显著提高生产效率，适合与现代高拉速板坯铸机匹配运行。
1999年改建的日本和歌山炼钢厂（KR脱硫转炉脱磷转炉炼钢）的生产节奏明显加快；脱磷转炉与脱碳转炉的吹炼时间可控制在9min左右，脱碳转炉的Ttap2tap可以控制在20min以内,实现了一个炼钢转炉供应2台RH精炼和3台铸机的高效率生产。
（6）有利于节能
全量铁水预处理不仅带来大型转炉节奏的加快，还与精炼、连铸等工序更加匹配，使得全流程的物流更加流畅、时间节奏更为紧凑、工序能耗及排放均有减少。
改建后的和歌山炼钢厂采用了分阶段分容器的全量铁水预处理模式，再加上各工序布局的优化（如高炉到转炉间距离由2000m缩短到800m）,全厂运行过程时间及各工序间更加紧凑，实现了快速炼钢、高效生产。
节能方面也取得了很好的效果:
总能量指数减66%，仅铁2钢界面间温降就减少了46℃。
JFE公司东日本制铁所采用了相似的全量铁水预处理模式，从高炉到装入脱磷转炉的输送过程所引起的铁水温降减少约52℃。
1.4铁水预处理的方法及比较
目前，国内外普遍采用以下3种铁水预脱硫方法；单吹颗粒镁法、铁水包喷吹Mg+CaO粉剂脱硫、KR机械搅拌法（习惯简称KR法）。
1.4.1KR搅拌法
KR搅拌法是日本新日铁广畑所于1965年用于工业生产的铁水炉外脱硫技术。
这种脱硫方法是以一种外衬耐火材料的搅拌器浸入铁水罐内旋转搅动铁水，使铁水产生漩涡，同时加入脱硫剂使其卷入铁水内部进行充分反应，从而达到铁水脱硫的目的。
1.4.1.1工艺概述
本工艺利用搅拌器在铁水中旋转造成涡流,使脱硫剂和铁水充分接触,促进脱硫反应进行,达到深脱硫的目的。
KR法脱硫化学反应方程式为:
CaO+FeS=CaS+FeO
1.4.1.2主要工艺设备及布置
KR法脱硫主要工艺设备及布置如图1.3[5]所示。
1.4.1.3原料要求
（1）KR机械搅拌法脱硫一般要求铁水温度不小于1300℃。
（2）脱硫剂成分及要求如表1所示。
1.4.1.4工艺过程
本工艺的流程为:
铁水脱硫前扒渣———测温取样———加入脱硫剂———机械搅拌脱硫———测温取样———铁水脱硫后扒渣———转炉。
（1）铁水脱硫前扒渣
高炉出铁后带入铁水中的高炉渣是低碱度氧化渣,并且硫含量很高,这与脱硫条件违背,因此必须在脱硫操作前扒掉高炉渣。
（2）加入脱硫剂
铁水进入脱硫工位后,将搅拌头降至工作位置,启动搅拌头。
当搅拌转速达到7~10r/min时,加
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