KR法和單噴法脫硫工藝在遷鋼的應(yīng)用

宿忠山 孫 亮 趙俊花

硫是鋼中的有害雜質(zhì)，危及鋼材的質(zhì)量，極易造成鋼的熱脆性，鋼材中過高的硫含量還會影響其韌塑性以及成形性能[1]。因此，在鋼材生產(chǎn)中應(yīng)盡量去除硫和磷等有害雜質(zhì)，鐵水脫硫就成了現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)不可或缺的關(guān)鍵工序。應(yīng)用廣泛的鐵水脫硫工藝主要有顆粒鎂噴吹法（簡稱單噴法）、鎂基復(fù)合噴吹法（簡稱復(fù)噴法）和KR（Kanbara Reactor）法3種[2]。首鋼股份公司遷安鋼鐵公司（簡稱遷鋼公司）采用 KR 法和單噴法脫硫工藝，生產(chǎn)的品種主要有電工鋼、汽車板、焊瓶鋼、管線鋼和集裝箱等高附加值鋼種。本文重點介紹了KR法和單噴法脫硫工藝原理，并就2種脫硫工藝在遷鋼公司的應(yīng)用情況進(jìn)行了對比。

1.KR法和單噴法脫硫工藝原理

KR 法是日本新日鐵廣畑制鐵所于1965年用于工業(yè)生產(chǎn)的鐵水爐外脫硫技術(shù)[3]。早在1976年武鋼第二煉鋼廠就從日本新日鐵引進(jìn)了國內(nèi)第1臺攪拌法脫硫裝置，單罐處理能力為70噸-80噸，脫硫周期約為 85分鐘，采用 CaC2基作為脫硫劑。由于當(dāng)時該套裝置的消耗指標(biāo)及運行成本均較高，且脫硫周期長，所以并沒有在國內(nèi)得到廣泛推廣。

KR 法是將澆注耐火材料并經(jīng)過烘烤的十字形攪拌頭浸入鐵水包熔池一定深度，借其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的漩渦，將脫硫劑（氧化鈣粉劑）由給料器加入到鐵水中，使脫硫劑在不斷地攪拌過程中與鐵水中的硫充分接觸反應(yīng)，達(dá)到脫硫的目的[4]。

單噴法脫硫是利用載氣（氮氣或氬氣）將含有CaO、Mg 和 CaF2的粉狀脫硫劑，配合相應(yīng)的孔板直徑及氣體壓力，將脫硫劑經(jīng)噴槍加入鐵水中，噴槍底端與鋼包）包底部的距離一般為100mm-300mm，通過吹入的載氣和鎂基脫硫劑反應(yīng)達(dá)到攪拌鐵水，鐵水中硫元素與加入的脫硫劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成脫硫產(chǎn)物，經(jīng)上浮和扒渣去除，達(dá)到脫硫目的。

2.脫硫工藝對比

2.1 脫硫劑消耗

脫硫劑消耗成本占脫硫成本比重較大，一般為28%-40%，因此，降低脫硫劑消耗是各鋼鐵企業(yè)追求的目標(biāo)。遷鋼公司KR法脫硫使用KR脫硫劑（CaO+CaF2）、單噴法脫硫使用顆粒鎂（鈍化鎂和涂層鎂）。由于兩者工藝和脫硫效率等不同，脫硫劑消耗存在差異，單噴法脫硫劑價格為11623.93元/噸，遷鋼KR法脫硫劑為自產(chǎn)物料，價格為283.95元/噸，運行成本低。以鐵水初始硫含量約為0.036%為例，對2 種脫硫工藝在不同目標(biāo)硫含量下的脫硫劑消耗和成本進(jìn)行對比（見表1）。

2.2 脫硫周期

脫硫周期主要由鋼包進(jìn)站時間、前脫硫扒渣時間、KR 法純攪拌/單噴法純噴吹時間、測溫取樣時間、后脫硫扒渣時間和成分分析時間和鋼包出站時間等組成。其中，占比最大的是脫硫扒渣時間、KR法純攪拌/單噴法純噴吹時間以及扒渣間隔時間。因此，如何縮短這3個時間是縮短脫硫周期的主要研究方向。

2.2.1 脫硫扒渣時間

影響脫硫扒渣時間的主要因素有以下幾個方面：1）鐵水帶渣量以及鐵渣狀態(tài)；2）鐵水扒渣次數(shù)；3）操作工熟練程度；4）設(shè)備狀態(tài)。

為提高扒渣效率，從管理、設(shè)備和技術(shù)等方面采取措施：1）管理方面。開展扒渣操作競賽，設(shè)定扒渣指標(biāo)激勵崗位操作；2）設(shè)備方面。嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)備包機(jī)到人，減少因設(shè)備故障導(dǎo)致扒渣時間延長；3）技術(shù)方面。由于鐵水溫度不同，鐵水中脫硫產(chǎn)物上浮的時間不同，為此，研究了不同鐵水溫度下的扒渣情況，以減少后續(xù)冶煉過程中轉(zhuǎn)爐回硫量。其研究結(jié)果為：a.當(dāng)鐵水脫硫后溫度高于1230℃時，實行二次扒渣，即測溫取樣后先初次扒渣，將鐵水中大部分渣扒除，然后鎮(zhèn)靜3分鐘-5分鐘，避免扒渣機(jī)攪動鐵水，渣和鐵混合在一起，使鐵水中脫硫渣充分上浮，與鐵水分離徹底，再進(jìn)行二次扒渣，將鐵水渣扒除干凈。b.當(dāng)鐵水脫硫后溫度低于1230℃時，先鎮(zhèn)靜3分鐘-5分鐘，待脫硫渣充分上浮，并與鐵水分離充分后，再進(jìn)行二次扒渣操作。

2.2.2 KR 法純攪拌/單噴法純噴吹時間

KR 法純攪拌/單噴法純噴吹時間在很大程度上取決于脫硫劑的加入量，遷鋼公司KR法加料速率為50kg/min-120kg/min，單噴法噴吹速率7kg/min-11kg/min，受加料速率和加料量影響，從統(tǒng)計對比看，在相同目標(biāo)硫含量條件下，單噴法噴吹時間在12min -23min之間，較KR法長2min-12min。見表2。

2.2.3 扒渣間隔時間

表1 KR 法和單噴法脫硫工藝在不同目標(biāo)硫含量下的脫硫劑消耗和運行成本 %

表2 不同目標(biāo)硫含量下KR法純攪拌時間和單噴法純噴吹時間對比 %,min

表3 不同目標(biāo)硫含量下KR法和單噴法脫硫周期對比 %,min

遷鋼公司脫硫扒渣次數(shù)受品種和鐵水初始硫含量和鐵渣狀態(tài)影響較大，冶煉汽車板、硅鋼和高級別管線鋼等品種鋼時，采用間歇式多次扒渣操作，嚴(yán)格控制后續(xù)轉(zhuǎn)爐冶煉回硫量，每次扒渣結(jié)束后等待3min-5 min 再進(jìn)行下次扒渣。受脫硫工藝影響，因單噴法脫硫后續(xù)轉(zhuǎn)爐冶煉回硫量高于 KR 法，因此，在冶煉低硫品種時，單噴法主要通過盡量多地扒渣，來減少后續(xù)轉(zhuǎn)爐冶煉回硫量，脫硫結(jié)束目標(biāo)硫含量越低，此問題越突出，導(dǎo)致扒渣次數(shù)和扒渣時間間隔多于KR法。

綜上所述，由于單噴法的純噴吹時間和扒渣間隔時間均大于KR法，因此，根據(jù)目標(biāo)硫含量不同，單噴法脫硫周期比 KR 法長5min-34 min（見表3）。

2.3 脫硫率及一次脫硫命中率

從遷鋼公司2種脫硫工藝看，KR法脫硫和單噴法脫硫均能成功地將鐵水硫含量降低至0.003%以下，但單噴法將鐵水硫含量降至0.001%以內(nèi)非常困難，KR法卻可相對輕松實現(xiàn)。KR法脫硫工藝因其強(qiáng)大的動力學(xué)條件而具有脫硫速度快和效率高優(yōu)點，使得其脫硫率高于單噴法，遷鋼公司KR法脫硫率為93.87%-97.19%，明顯高于單噴法脫硫率的73.42%-88.51%（見圖1）。

圖1 遷鋼公司KR法和單噴法脫硫率對比 %

另外，遷鋼公司KR法一次脫硫命中率在97%以上，單噴法一次脫硫命中率在91%左右，KR法較單噴法在脫硫率及一次脫硫命中率方面存在明顯優(yōu)勢，這與文獻(xiàn)5中提到的KR法比單噴法脫硫率平均高18.6 1%基本相當(dāng)[5]。

2.4 扒渣量

扒渣量主要受以下三方面影響：

第一，在鐵水噴吹/攪拌過程中鐵/渣濺出鋼包造成損失，分析噴濺物發(fā)現(xiàn)，噴濺物中鐵含量達(dá)70%以上，為解決這一問題，主要根據(jù)鐵水條件和鋼包狀態(tài)，通過調(diào)整噴吹/攪拌參數(shù)以及合適的鋼包凈空（300mm-500mm），以減少噴濺物，凈空控制主要通過加高包沿或調(diào)整出鐵量，遷鋼公司在鋼包包嘴以外部分進(jìn)行加高300mm包壁的改造。

第二，鐵水扒渣過程中，鐵/渣會存在一定的波動，引起鐵水隨著渣一起涌出鋼包包口，主要是通過規(guī)范扒渣操作，在扒渣全過程中做到先快后慢，加強(qiáng)鋼包包口維護(hù)，減少扒渣量。

第三，鐵水渣本身包裹部分金屬液滴，此項無法消除，對渣中鐵含量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)達(dá)30%以上，表明鐵水渣中鐵含量很高（見表4）。

由表4可見，不同目標(biāo)硫含量下KR法和單噴法的扒渣量在12.11kg/t-22.48kg/t之間，扒渣量主要受脫硫結(jié)束硫含量和鋼包包口狀態(tài)影響，脫硫結(jié)束硫含量越低，扒渣量越大。

一般來講，脫硫劑單耗少，扒渣量就少，規(guī)律應(yīng)是單噴法小于KR法，但遷鋼公司由于單噴法在倒罐站加入部分石灰基脫硫劑以及其后續(xù)冶煉過程中回硫量大，單噴法扒渣次數(shù)較KR法多，綜合導(dǎo)致實際鐵水扒渣量單噴法大于KR法0.65kg/t-7.48kg/t。

2.5 溫降

對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析的結(jié)果表面，相同目標(biāo)硫含量下，KR法處理過程溫降比單噴法高5℃-7 ℃，主要原因是KR法脫硫劑加入量大，吸熱也多，加上動力學(xué)強(qiáng)勁，加速了脫硫過程中熱量損失。單噴法脫硫劑加入量少，且鎂和硫為放熱反應(yīng)，同時其動力學(xué)劣于KR法，因此，處理過程溫降較KR法小。遷鋼公司倒罐站鐵水初始溫度約為1345℃，單噴法處理過程溫降為17℃-26℃，KR法處理過程溫降為24℃-36℃（見圖2）。

圖2 遷鋼公司KR 法和單噴法處理過程溫降對比 ℃

3.轉(zhuǎn)爐冶煉回硫量

鐵水脫硫后如何穩(wěn)定控制后續(xù)轉(zhuǎn)爐冶煉回硫量非常重要，從生產(chǎn)和理論分析看，單噴法的轉(zhuǎn)爐冶煉回硫量大于KR法，究其原因：一方面是鎂基脫硫生成的脫硫產(chǎn)物MgS容易在鐵水靜置和扒渣過程中發(fā)生反應(yīng)，造成回硫；另一方面是鎂基脫硫渣子黏度低，渣量少，硫含量高，扒渣難度大，殘留在渣中的硫很容易回到鐵水中。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；KR法采用CaO基脫硫，形成的脫硫產(chǎn)物CaS 穩(wěn)定，不易發(fā)生逆向反應(yīng)，同時由于KR法脫硫渣量大、渣子黏度大，渣子狀態(tài)類似散沙，容易扒除，所以在后續(xù)轉(zhuǎn)爐冶煉過程中基本不會發(fā)生回硫現(xiàn)象（見表5）。

表4 不同目標(biāo)硫含量下KR法和單噴法扒渣量對比 %,kg/t

表5 遷鋼公司KR法和單噴法轉(zhuǎn)爐冶煉回硫量對比 %

表6 遷鋼公司KR法和單噴法鐵水脫硫運行成本對比 元/噸

4.運行成本

脫硫成本主要由溫降損失、噴槍或攪拌頭以及噴補料耐材、扒渣量、脫硫劑消耗以及轉(zhuǎn)爐冶煉回硫量等5部分組成，溫降損失按0.15元/℃（按照平均溫降計算）考慮，其他的輔助材料、風(fēng)、水、電和氣等消耗基本相當(dāng)。遷鋼公司主要生產(chǎn)低硫品種，以鐵水初始硫含量為0.0349%、脫硫結(jié)束目標(biāo)硫含量為 0.003% 為例進(jìn)行KR法和單噴法鐵水脫硫運行成本對比，見表6。

由表6可見，單噴法比KR法運行成本高14.80元/噸，就成本而言，KR法脫硫優(yōu)勢明顯，大中型鋼鐵企業(yè)宜選用KR法脫硫工藝。

5.結(jié)論

第一，KR法和單噴法的脫硫率比較，KR法的脫硫率比單噴法高8.68%-20.45%。

第二，KR法和單噴法的扒渣量比較，KR法的扒渣量比單噴法高0.65kg/t-7.48kg/t。

第三，KR法和單噴法的處理過程溫降比較，KR法處理過程溫降比單噴法高5℃-7℃。

第四，KR法和單噴法的轉(zhuǎn)爐冶煉回硫量比較，KR 法的轉(zhuǎn)爐冶煉回硫量比單噴法低0.007%。

第五，在鐵水初始硫含量為0.040%、脫硫結(jié)束目標(biāo)硫含量為0.003%條件下，KR法較單噴法運行成本低14.80元/噸。所以大中型鋼鐵企業(yè)宜選用KR法脫硫工藝。