CaO+Mg復(fù)合噴吹脫硫參數(shù)對轉(zhuǎn)爐終點硫影響分析

供稿|石鳳麗，劉哲，于文武 / SHI Feng-li, LIU Zhe, YU Wen-wu

作者單位：1. 本鋼板材股份有限公司煉鋼廠，遼寧 本溪 117000；2. 本鋼板材股份有限公司煉鐵廠，遼寧 本溪 117000

內(nèi)容導讀CaO+Mg復(fù)合噴吹脫硫過程中，預(yù)處理參數(shù)不僅對鐵水終點硫有影響，同時對轉(zhuǎn)爐終點硫也有一定的影響，從噴吹鎂粉量、鐵水初始硫、溫度、扒渣量及扒渣時間研究了預(yù)處理參數(shù)對鋼水終點硫的影響。研究結(jié)果表明：噴吹鎂粉量與倒爐S成反比例關(guān)系，初始硫與倒爐S成正比例關(guān)系，初始硫含量（質(zhì)量分數(shù)）＞0.04%時對倒爐S影響較大；溫度≤1325 ℃倒爐S隨著溫度升高，倒爐S降低；將扒渣時間控制在6～17 min，將扒渣量控制在4 t以下，利于轉(zhuǎn)爐終點硫及冶煉周期和扒渣鐵損的控制。

眾所周知，硫是鋼中的有害元素，能夠引起鋼的“熱脆”。隨著鋼材市場對鋼品質(zhì)要求越來越高及鐵水含硫量的增加，鐵水預(yù)處理脫硫工藝顯得尤為重要。大多數(shù)國內(nèi)外學者研究的是復(fù)合噴吹鎂粉預(yù)處理終點硫和相關(guān)參數(shù)的關(guān)系，鮮少有人研究轉(zhuǎn)爐終點硫和預(yù)處理參數(shù)的關(guān)系[1-2]。而真正進入轉(zhuǎn)爐中的硫包括鐵水硫和渣中硫，僅研究預(yù)處理終點硫和相關(guān)參數(shù)的關(guān)系，會忽略渣中硫?qū)D(zhuǎn)爐終點硫的影響，對于轉(zhuǎn)爐來講最終需要控制的是轉(zhuǎn)爐終點硫穩(wěn)定才能確保成品硫穩(wěn)定。本文針對轉(zhuǎn)爐終點硫與CaO+Mg復(fù)合噴吹脫硫參數(shù)間的關(guān)系開展分析及優(yōu)化，以提高成品硫的合格率。

復(fù)合脫硫工藝概況

本鋼混合噴吹鐵水脫硫工藝流程如圖1。

圖1 鐵水脫硫工藝流程

CaO+Mg復(fù)合噴吹主要設(shè)備為鐵水車、噴粉系統(tǒng)、噴粉槍、扒渣機、渣罐車，主要參數(shù)如表1所示。

表1 CaO+Mg復(fù)合噴吹鎂粉脫硫設(shè)備參數(shù)

CaO+Mg復(fù)合噴吹脫硫熱力學分析

預(yù)處理過程中，以溶于鐵水的[Mg]參與脫硫反應(yīng)為主，生成MgS，該方式是復(fù)合噴吹脫硫的主要反應(yīng)形式[1]。當鎂單獨存在時，脫硫反應(yīng)主要按式（1）進行[2]:

式中，ΔGθ為吉布斯自由能，J/mol。

當有CaO存在時，MgS不穩(wěn)定會與CaO進一步反應(yīng)，見式（2）：

但復(fù)合噴吹的流態(tài)化石灰基本上沒有起到脫硫作用。由于噴吹過程中流態(tài)化石灰表面的硅油與CaO反應(yīng)會形成一層致密的硅酸二鈣層包裹在石灰表面，阻礙CaO起到脫硫的作用，故復(fù)合噴吹法的脫硫產(chǎn)物主要是不穩(wěn)定的MgS，未生成更穩(wěn)定的CaS。

復(fù)合噴吹脫硫分析及優(yōu)化

復(fù)合噴吹脫硫分析

鎂粉主脫硫反應(yīng)步驟：

（1）鎂粉溶解到鐵水中形成[Mg]，此期間鎂粉的溶解擴散需要一定的時間。

（2）[Mg]與鐵水中的[S]接觸生成MgS。

（3）反應(yīng)到一定程度，如想進一步降低鐵水中[S]，需要鐵水中含有更高的[Mg]，即在一定溫度下[S] [Mg]之積為常數(shù)，[S]減小則[Mg]增大，反應(yīng)才能進行，此期間一是需要噴吹更多的鎂，二是需要一定的反應(yīng)時間。

（4）生成的產(chǎn)物MgS如沒有附著在噴吹的CaO顆粒表面，那么MgS必須尋找固體顆粒簇集到一起形成大的顆粒才能快速的上浮到渣面，此過程需要一定的顆粒長大及上浮的時間。

（5）生成的MgS不穩(wěn)定，當上浮到渣層表面遇到空氣中的氧氣會發(fā)生反應(yīng)（3），造成回硫。

通過以上步驟可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)爐終點硫較預(yù)處理終點硫高的原因一為生成的MgS未上浮到渣中，二是上浮到渣中的MgS部分與氧發(fā)生了回硫反應(yīng)。針對以上情況，調(diào)查了本鋼脫硫?qū)嶋H的轉(zhuǎn)爐終點硫和預(yù)處理的各個參數(shù)之間的關(guān)系數(shù)據(jù)來進一步分析和驗證它們之間的關(guān)系。

（1）噴吹鎂粉量。

為了便于統(tǒng)計分析，將噴吹鎂粉量進行分類，以0為起點，每隔10 kg分類數(shù)增長1。具體鎂粉量分類與倒爐S關(guān)系如圖2。

從圖2可以看出，噴吹鎂粉量與倒爐S成反比例關(guān)系，因為噴粉量越大，對主脫硫反應(yīng)步驟（1）～（4）有利，尤其有利于步驟（3）的完成，噴粉量越大即噴粉時間延長，越利于脫硫反應(yīng)的進行，且利于脫硫產(chǎn)物的簇集上浮，進而有利于倒爐S的降低。但當鎂粉量達到一定程度，即鎂粉量＞140 kg時，隨著鎂粉量的增大，倒爐S變化不明顯。

圖2 噴吹鎂粉量與倒爐S關(guān)系

（2）初始硫含量。

將初始硫含量進行分類，以2為起點，代表鐵水含硫≤0.03%，每隔0.01%分類數(shù)增長1。具體初始硫分類與倒爐S關(guān)系如圖3。

從圖3可以看出，初始硫與倒爐S成正比例關(guān)系，初始硫含量≤0.04%對倒爐S影響不大，初始硫含量＞0.04%時對倒爐S影響較大。主要是由于脫硫反應(yīng)式（1）是處于動態(tài)平衡狀態(tài)的，當渣中的MgS含量達到一定程度時，反應(yīng)式（1）向左移動。同時初始硫高的爐次相對其他爐次來說鐵水渣中硫含量也較高，進而造成初始硫＞0.04%爐次倒爐S相對較高，且呈現(xiàn)了初始硫越高，倒爐S越高的趨勢。針對鐵水硫高的爐次可以采用先扒除鐵水渣之后再噴吹，以降低對脫硫反應(yīng)的影響。

圖3 初始硫分類與倒爐S關(guān)系

（3）溫度。

將溫度進行分類，以1為起點，代表鐵水溫度≤1200 ℃，2為鐵水溫度≤1250 ℃，之后每隔25 ℃分類數(shù)增長1。具體溫度分類與倒爐S關(guān)系如圖4。

從圖4可以看出，溫度≤1325 ℃時，隨著溫度升高，倒爐S降低。溫度＞1325 ℃時，對倒爐S影響不大。溫度對脫硫反應(yīng)有兩種不同的影響：一方面隨著溫度的升高Mg的溶解度降低，由于Mg脫硫反應(yīng)是放熱反應(yīng)，因此溫度的提高不利于脫硫；另一方面，溫度的提高有利于脫硫反應(yīng)的動力學條件，從數(shù)據(jù)分析可知隨著溫度的升高（≤1325 ℃時），整體來說對脫硫反應(yīng)有利。

圖4 溫度分類與倒爐S關(guān)系

（4）扒渣量與扒渣時間。

將扒渣量進行分類，以1為起點，代表扒渣量≤1 t，之后每隔1 t分類數(shù)增長1。具體扒渣量分類與倒爐S關(guān)系如圖5。同時，統(tǒng)計分析扒渣時間與倒爐S關(guān)系，如圖6。

圖5 扒渣量分類與倒爐S關(guān)系

從圖5可以看出，當扒渣量≤4 t時，隨著扒渣量的增加倒爐S降低，但當扒渣量＞4 t時隨著扒渣量的增加，倒爐S變化很小。從圖6可以看出，在扒渣時間＜6 min時，隨著扒渣時間的增加，倒爐S降低幅度較大；在扒渣時間≤17 min，倒爐S略有降低但變化幅度不大；當扒渣時間＞17min，倒爐S有升高趨勢。主要是因為脫硫產(chǎn)物MgS簇集和上浮需要一定的時間，從數(shù)據(jù)分析可知上浮時間為6 min左右，如果扒渣時間較長＞17 min，倒爐S有增大趨勢，是由于在扒渣過程中生成的MgS會與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生回硫現(xiàn)象，因此在生產(chǎn)節(jié)奏允許的前提下，將扒渣時間控制在6～17 min，將扒渣量控制在4 t以下。

圖6 扒渣時間與倒爐S關(guān)系

復(fù)合噴吹脫硫優(yōu)化

選取噴吹鎂粉量＞60 kg，入站S在0.03%～0.04%，到站溫度在1300～1325 ℃，扒渣量1～4 t，扒渣時間控制在6～17 min，跟蹤倒爐S的變化趨勢如圖7所示。噴吹鎂粉量＞60 kg，入站S在0.03%～0.04%的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析如圖8所示。通過對比可知：優(yōu)化后倒爐S能夠有效控制在0.012%以下，控制比較穩(wěn)定，變化趨勢不大。

圖7 優(yōu)化后爐次倒爐S變化趨勢圖

圖8 噴吹鎂粉量＞60 kg爐次倒爐S變化趨勢圖

結(jié)束語

（1）預(yù)處理過程參數(shù)導致轉(zhuǎn)爐終點硫較預(yù)處理終點硫高的原因：一為生成的MgS未上浮到渣中，二是部分上浮到渣中的MgS與氧發(fā)生了回硫反應(yīng)。

（2）噴吹鎂粉量與倒爐S成反比例關(guān)系，噴粉量越大即噴粉時間延長，越有利于脫硫反應(yīng)的進行，有利于脫硫產(chǎn)物的簇集上浮。初始硫含量與倒爐S成正比例關(guān)系，初始硫含量≤0.04%對倒爐S影響不大，初始硫含量＞0.04%時對倒爐S影響較大。溫度≤1325 ℃，隨著溫度升高，倒爐S降低。溫度＞1325 ℃時對倒爐S影響不大。

（3）將扒渣時間控制在6～17 min，將扒渣量控制在4 t以下，利于轉(zhuǎn)爐終點硫及冶煉周期和扒渣鐵損的控制。