機(jī)械攪拌法和噴吹法鐵水預(yù)脫硫工藝對比分析

史少華

（山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東　濟(jì)南250011）

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專論綜述

機(jī)械攪拌法和噴吹法鐵水預(yù)脫硫工藝對比分析

史少華

（山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東濟(jì)南250011）

摘要：機(jī)械攪拌法和噴吹法是鐵水預(yù)脫硫的兩種常見方法，介紹了其發(fā)展歷史及工藝特點(diǎn)，并對兩種工藝的一次性投資、脫硫效果、運(yùn)行成本、溫降、鐵損、回硫等方面進(jìn)行了比較分析，認(rèn)為機(jī)械攪拌法在運(yùn)行成本、深脫硫效果、回硫?qū)笮蛄鞒逃绊懛矫娴膬?yōu)勢突出，大中型鋼鐵企業(yè)宜選擇機(jī)械攪拌法鐵水脫硫工藝。

關(guān)鍵詞：鐵水預(yù)脫硫；機(jī)械攪拌法；噴吹法；成本；溫降

硫普遍被認(rèn)為是有害元素（除易切鋼外），尤其是在結(jié)構(gòu)鋼中，除對力學(xué)性能的影響外，含硫量的增加還嚴(yán)重影響澆鑄件和軋制件的表面質(zhì)量。鐵水預(yù)脫硫是指鐵水進(jìn)入轉(zhuǎn)爐前在鐵水罐中進(jìn)行脫硫處理，該工藝可降低高爐渣堿度，降低焦比，提高產(chǎn)能；同時也可降低轉(zhuǎn)爐渣堿度，少加石灰，減少渣量，提高鋼水收得率，改善熱平衡［1］。鐵水預(yù)脫硫不僅分擔(dān)煉鐵和煉鋼工序負(fù)擔(dān)，而且提升產(chǎn)品品質(zhì)，增加效益，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化煉鋼不可缺少的工序。

1　發(fā)展歷史

鐵水預(yù)脫硫的方法有很多，經(jīng)過工業(yè)實(shí)際應(yīng)用過程的優(yōu)勝劣汰，從20世紀(jì)90年代至今，使用最廣的主要有機(jī)械攪拌法和噴吹法。

噴吹法主要有德國蒂森公司的ATH法、新日鐵的TDS法和英國謝菲爾德的ISID法［2］，在20世紀(jì)70～80年代，新日鐵的TDS噴吹法得到迅速發(fā)展，1985年，寶鋼引進(jìn)TDS法，隨后由我國自行設(shè)計(jì)建成脫硫站。機(jī)械攪拌法有德國蒂森公司的DO法，日本新日鐵的KR（Kambara Reactor）法和千葉的NP法［2］，除KR法外，其他方法均因?yàn)闇亟荡?、效率低、爐襯壽命低等原因被淘汰。武鋼于1976年引進(jìn)國內(nèi)第一套KR法脫硫裝置。

起初噴吹法被廣泛應(yīng)用在冶金行業(yè)，但隨著鋼種的潔凈度要求越來越高，噴吹法脫硫工藝出現(xiàn)了以下幾個問題：1）脫硫劑的存貯、運(yùn)輸不便；2）脫硫效果差；3）動力學(xué)條件差。脫硫劑從最初的CaC2、CaO，到CaO+Mg復(fù)合脫硫劑，脫硫效果得到一定改善，但是仍然不能滿足要求。直到鈍化顆粒鎂的開發(fā)，成功解決了脫硫劑存貯、運(yùn)輸問題，達(dá)到純鎂脫硫技術(shù)的要求，實(shí)現(xiàn)高效、安全的脫硫目標(biāo)。機(jī)械攪拌法動力學(xué)條件好，脫硫劑為CaO，不但價(jià)格便宜，而且存儲安全、運(yùn)輸方便。所以機(jī)械攪拌法得到了大力發(fā)展。20世紀(jì)90年代以后，我國可以自主設(shè)計(jì)制造機(jī)械攪拌法脫硫設(shè)備，運(yùn)行費(fèi)用低廉，脫硫效率高，效果穩(wěn)定，機(jī)械攪拌法得到了廣泛應(yīng)用。

2　工藝及特點(diǎn)

2.1機(jī)械攪拌法

機(jī)械攪拌法是將十字?jǐn)嚢桀^浸入鐵水罐熔池一定深度，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生漩渦，同時由給料系統(tǒng)將稱量好的脫硫劑加入鐵水，使其卷入鐵水并充分反應(yīng)，達(dá)到脫硫的目的［3］。機(jī)械攪拌法的脫硫劑為CaO，該方法脫硫動力條件好，脫硫劑價(jià)格便宜，單耗成本低，平均脫硫達(dá)到w（S）≤50×10-6，脫硫率高且效果穩(wěn)定，適合對硫含量要求低的鋼種和鐵水脫硫比例大的鋼廠采用。同時，該方法采用的設(shè)備復(fù)雜，占地較多，一次性投資較噴吹高，由于攪拌工藝導(dǎo)致鐵水溫降大。

工藝流程：高爐—脫硫站—前扒渣—測溫取樣—攪拌脫硫—后扒渣—測溫取樣—吊包—轉(zhuǎn)爐。

主要脫硫設(shè)備：上料投料系統(tǒng)、攪拌頭升降機(jī)構(gòu)、攪拌頭旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、攪拌頭卷揚(yáng)系統(tǒng)、攪拌頭更換車、傾翻車、渣罐車、扒渣機(jī)和液壓系統(tǒng)，見圖1。

2.2噴吹法

噴吹法是以惰性氣體作為載體，將脫硫劑經(jīng)過噴槍吹入鐵水液面以下，惰性氣體攪拌鐵水，使脫硫劑與鐵水充分接觸，并在上浮的過程中充分反應(yīng)，完成脫硫。噴吹法采用的脫硫劑有鈍化顆粒鎂，或者氧化鈣和鈍化鎂混合，本文主要介紹單噴顆粒鎂法。該方法優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，操作靈活，鐵水溫降小，一次性投資小，適合中小型企業(yè)。其最大的缺點(diǎn)是動力條件差，脫硫率低于機(jī)械攪拌法。有研究表明，在都使用CaO基脫硫劑的情況下，機(jī)械攪拌法的脫硫率是噴吹法的4倍［4］。

工藝流程：高爐—脫硫站—測溫取樣—噴吹脫硫—扒渣—測溫取樣—吊包—轉(zhuǎn)爐。

主要脫硫設(shè)備：加料系統(tǒng)、噴槍升降機(jī)構(gòu)、噴槍更換機(jī)構(gòu)、噴槍夾緊系統(tǒng)、傾翻車、渣罐車、扒渣機(jī)和液壓系統(tǒng)，見圖2。

圖2　噴吹法脫硫主要設(shè)備

3　兩種脫硫方法對比分析

3.1一次性投資

單噴顆粒鎂脫硫工藝具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、建設(shè)投入低、脫硫效果好等優(yōu)點(diǎn)，成為鐵水脫硫技術(shù)的首選工藝。設(shè)備國產(chǎn)化后，直接降低了建設(shè)投資和運(yùn)行維護(hù)成本，在一定時期，比機(jī)械攪拌法成本低，具有明顯優(yōu)勢。

機(jī)械攪拌法與噴吹法相比較，設(shè)備框架復(fù)雜，重量大，設(shè)備費(fèi)用偏高，且占地面積大，導(dǎo)致一次性投資高，但其工藝技術(shù)并不復(fù)雜，機(jī)械設(shè)備都是采用常規(guī)驅(qū)動和旋轉(zhuǎn)技術(shù)，加料系統(tǒng)為低壓力（0.2～0.5 MPa）下的氣體粉料輸送系統(tǒng)，其他電氣、儀表、自動化、液壓系統(tǒng)都采用成熟技術(shù)。隨著機(jī)械攪拌法工藝不斷改進(jìn)，布局合理，操作簡單，脫硫劑價(jià)格低廉，脫硫效果好，且因?yàn)樵O(shè)備國產(chǎn)化，設(shè)備費(fèi)用大大降低等優(yōu)勢，都進(jìn)一步縮短了與噴吹法一次性投資價(jià)格差距，帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益。近十幾年，機(jī)械攪拌法逐漸代替噴吹法被廣泛應(yīng)用在鐵水脫硫工藝上。

3.2脫硫效果

鐵水脫硫的實(shí)際效果受工藝方法、脫硫劑、操作水平、時間及溫度等諸多因素影響。根據(jù)工廠生產(chǎn)和試驗(yàn)研究結(jié)果，對鐵水預(yù)處理的終點(diǎn)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求≤50×10-6，噴吹法和機(jī)械攪拌法都能達(dá)到預(yù)脫硫處理要求，國內(nèi)一些鋼廠的具體脫硫數(shù)據(jù)見表1［5］。針對終點(diǎn)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求≤50×10-6，機(jī)械攪拌法的脫硫效果明顯優(yōu)于噴吹法，國內(nèi)某廠120 t鐵水罐脫硫數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)比較見圖3。

表1　國內(nèi)部分鋼廠的脫硫數(shù)據(jù)

圖3　國內(nèi)某廠120 t鐵水罐脫硫數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

3.3運(yùn)行成本

脫硫成本主要包括脫硫劑消耗、噴槍或攪拌頭消耗、能源介質(zhì)消耗、渣中鐵損、回硫、溫降等影響。

通過采集國內(nèi)某大型鋼廠近2個月的鐵水脫硫數(shù)據(jù)，選取初始w（S）≤350×10-6，目標(biāo)w（S）≤20× 10-6時各生產(chǎn)線中耗量最小的數(shù)值，參考廠內(nèi)原料價(jià)格，估算出脫硫成本（見表2）。由于物料價(jià)格波動，加之?dāng)?shù)據(jù)采集有限，鐵損、回硫率、溫降影響造成的成本費(fèi)用計(jì)算復(fù)雜，只能做到簡單計(jì)算，但是反應(yīng)出的運(yùn)行成本趨勢是正確的。由表2可知，兩種脫硫方法的運(yùn)行成本都比較低，機(jī)械攪拌法的脫硫成本比噴吹鈍化顆粒鎂脫硫運(yùn)行成本更低。

表2　國內(nèi)某大型鋼廠近2個月的鐵水脫硫成本統(tǒng)計(jì)

3.4鐵損

通過統(tǒng)計(jì)分析，機(jī)械攪拌法鐵損略高于噴吹法。由脫硫成本分析可以看出，鐵損對脫硫成本影響很大。鐵水脫硫工藝鐵損主要來自于脫硫渣和扒渣過程帶出的鐵水。單從渣量分析，單噴顆粒鎂脫硫比機(jī)械攪拌法脫硫加入的脫硫劑量少，產(chǎn)生的渣量少，渣中含鐵量低，鐵損小。但是噴吹法渣量少，且渣的流動性強(qiáng)，不易扒凈，容易造成后序回硫，為了降低回硫提高扒凈率，扒渣過程中帶出的鐵水比機(jī)械攪拌法多，同時還受到操作水平和高爐殘留渣量的影響。所以，噴吹法和機(jī)械攪拌法的鐵損差別不大。

3.5溫降

脫硫過程中的鐵水溫降過大，降低了鐵水帶入轉(zhuǎn)爐的物理熱，使轉(zhuǎn)爐消化廢鋼的能力下降，增大轉(zhuǎn)爐冶煉的能耗和物料消耗，增加冶煉成本［6］。從表1和表2數(shù)據(jù)可以看出，機(jī)械攪拌法溫降大于噴吹法，原因是兩種脫硫方法的工藝不同。首先機(jī)械攪拌法通過機(jī)械攪拌脫硫，動力學(xué)條件好，鐵水?dāng)嚢鑴×?，脫硫劑加入量大，?dǎo)致溫降大；其次噴吹法對鐵水?dāng)嚢璺刃。摿騽┘尤肓可?，而且采用的金屬鎂，與鐵水中硫發(fā)生反應(yīng)，屬于放熱反應(yīng)。

3.6脫硫劑的選擇

鐵水預(yù)處理工藝好壞的關(guān)鍵是脫硫劑，選擇何種脫硫劑直接決定脫硫效果和成本。理論計(jì)算結(jié)果顯示，在1 350℃的溫度下，鎂脫硫反應(yīng)的平衡常數(shù)可達(dá)3.17×103，平衡時的鐵水硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)16×10-8，金屬鎂的脫硫能力遠(yuǎn)高于CaO［7］。根據(jù)表1也可看出，無論是采用鎂基脫硫劑還是采用石灰脫硫劑，都能實(shí)現(xiàn)脫硫目標(biāo)，只是加入量的差別。

金屬鎂雖然是最強(qiáng)的脫硫劑，但是由于其密度小，沸點(diǎn)低，在鐵水表面很容易氣化，進(jìn)入鐵水中的部分未溶解的浮出進(jìn)入渣中失去脫硫能力。為了降低金屬鎂氣化，在噴槍上設(shè)計(jì)有氣化室，實(shí)際生產(chǎn)過程中，仍然有大部分鈍化顆粒鎂無法完成脫硫，脫硫劑利用率降低，成本增加。石灰作為廉價(jià)的脫硫劑，理化性能穩(wěn)定，脫硫效果良好。

脫硫劑的選擇還應(yīng)考慮來源、運(yùn)輸、存貯等問題。金屬鎂雖然資源豐富，但是鋼鐵行業(yè)使用量小，且價(jià)格昂貴，運(yùn)輸存貯要求高。石灰一般鋼鐵企業(yè)需求量大，都有自己的石灰窯廠或穩(wěn)定的石灰來源，價(jià)格低廉，供貨及時，且不用考慮運(yùn)輸存貯等問題，顯然采用石灰作為脫硫劑更有利。

3.7回硫

鐵水回硫，不僅影響轉(zhuǎn)爐工況，給后面的精煉工序加大脫硫壓力，還無形之中增加冶煉成本，所以鐵水預(yù)脫硫過程中杜絕回硫至關(guān)重要。

采用顆粒鎂脫硫的噴吹法，鎂脫硫渣黏度低，硫含量高，扒渣難度大，即使加增稠劑也很難扒凈，殘留渣中的硫很容易回硫到鐵水中；同時，受動力學(xué)條件影響，噴吹的角度受限，脫硫劑不能很好下沉，脫硫過程形成的“死區(qū)”也造成回硫現(xiàn)象。噴吹法更適合鐵水脫硫處理比重小，儲罐容積小的中小型企業(yè)。

機(jī)械攪拌法使用CaO脫硫，雖然脫硫劑加入量大，產(chǎn)生脫硫渣較多，但是渣流動性差，易于扒除，且機(jī)械攪拌法動力學(xué)條件好，基本不存在死角，不易產(chǎn)生回硫現(xiàn)象，對后序煉鋼爐和精煉等工序沒有過多影響。

4　結(jié)　論

4.1隨著鐵水預(yù)脫硫技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，國內(nèi)外對機(jī)械攪拌法脫硫工藝的優(yōu)勢越來越重視和認(rèn)可，近年來發(fā)展迅猛，在大中型鋼鐵企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。噴吹法的技術(shù)進(jìn)展趨于平緩。

4.2機(jī)械攪拌法在運(yùn)行成本、深脫硫效果、回硫?qū)笮蛄鞒逃绊懛矫娴膬?yōu)勢突出。

4.3結(jié)合當(dāng)前鋼鐵行業(yè)大力開發(fā)優(yōu)質(zhì)潔凈鋼的趨勢，對于大中鋼鐵企業(yè)，機(jī)械攪拌法鐵水脫硫是合理的選擇。

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專論綜述

Comparative Analysis of Hot Metal Pre-desulfurization by Mechanical Mixing Method and Injection Method

SHI Shaohua

（Shandong Province Metallurgical Engineering Co., Ltd., Jinan 250011, China）

Abstract:The mechanical mixing method and blowing method are the two common methods for pre-desulfurization of liquid iron. The author recommends that development history and process characteristics, and compares such effects as technical methods, operation costs, desulphurization effect, temperature drops, iron losses and resulfurization levels between the two common methods. The results show that the mechanical mixing method has the obvious superiority in the operation costs, desulphurization effect, and lower resulfurization levels, suitable for large and medium-sized.

Key words:hot metal pre-desulphurization; mechanical mixing method; blowing method; operation cost; temperature drop

中圖分類號：TF704.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4620（2016）02-0001-03

收稿日期：2015-12-28

作者簡介：史少華，女，1984年生，2007年畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)冶金專業(yè)。現(xiàn)為山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司工程師，從事工藝設(shè)計(jì)工作。