近幾年我國鐵水脫硫預處理的發(fā)展及脫硫工藝的選擇思路

摘要：介紹了近幾年我國鐵水脫硫預處理技術的應用發(fā)展情況及達到的效果。對鐵水脫硫預處理的不同工藝、不同技術裝備作了對比介紹，分析了不同處理工藝和不同裝備的特點，提出了脫硫工藝的選擇思路。

關鍵詞：鐵水預處理;爐外脫硫;發(fā)展;應用

隨著科學技術的高速發(fā)展，對鋼鐵材料的要求日趨嚴格，特別是海洋石油，化工，汽車等工業(yè)的發(fā)展，均需要低硫，甚至超低硫的高品質(zhì)鋼材。鐵水爐外脫硫作為鋼鐵生產(chǎn)的一道工序，其優(yōu)勢主要在以下方面：

(1)鐵水脫硫預處理發(fā)揮了渣吸收硫能力的潛力，可提高高爐的生產(chǎn)率;

(2)發(fā)展鐵水脫硫預處理更重要的是可得到含硫很低的鐵水，為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼提供必要條件;

(3)鐵水爐外脫硫相對高爐，轉(zhuǎn)爐，爐外精煉等工序而言，其脫硫成本最低;

(4)發(fā)展鐵水脫硫預處理后，擴大了轉(zhuǎn)爐冶煉的鋼種范圍，使轉(zhuǎn)爐能夠冶煉汽車板、海洋平臺板、造船板、不銹鋼等新鋼種;

(5)脫硫預處理的應用也進一步保證了連鑄工序生產(chǎn)順行和連鑄坯的質(zhì)量;

(6)鐵水脫硫預處理可以縮短轉(zhuǎn)爐、精煉工序的冶煉周期。

1鐵水預處理的發(fā)展概況

西歐、日本早在20世紀60~70年代就在鋸水脫硫預處理理論研究的基礎上在工業(yè)上進行了應用。國內(nèi)武鋼二煉鋼1979年引進了日本新日鐵的機械攪拌法(KR)鐵水脫硫裝置，北臺，天鋼，宣鋼，冷水江，攀鋼，酒鋼等企業(yè)先后由國內(nèi)臥主開發(fā)了噴吹石灰、螢石的脫硫方法。1985年寶鋼一煉鋼引進日本魚雷罐車內(nèi)噴吹石灰、螢石的脫硫裝置。武鋼一煉鋼開發(fā)的鎂基混合噴吹工藝，1998年寶鋼，鞍鋼，包鋼引進美國ESMII公司鎂基復合噴吹技術。

近幾年我國鐵水預處理有了強勁發(fā)展，隨著鋼產(chǎn)量從1996年1億t發(fā)展到2004年的2.725億t，近5年來全國共計建設了約80多套鐵水脫硫預處理裝置，處理能力近7000萬t。新建設的鐵水脫硫預處理生產(chǎn)線使用的脫硫工藝主要有KR法和噴吹法，處理容器基本上為轉(zhuǎn)爐鐵水罐。近幾年來鐵水脫硫預處理的發(fā)展還有以下特點：

(1)鐵水脫硫每罐鐵水容量從50t(石鋼等)到300t(寶鋼)不等。

(2)脫硫劑主要為石灰和金屬鎂，既有以單獨一種粉劑作脫硫劑的(如武鋼一煉鋼，邯鋼三煉鋼等)，也有以一種粉劑為基礎的復合粉劑作脫硫劑的(如包鋼，梅鋼等)。

(3)以金屬鎂作脫硫劑得到了大力發(fā)展，使用鎂及鎂基脫硫劑的生產(chǎn)線占到了80%以上)。

(4)大部分為引進國外先進的脫硫預處理工藝。如日本的KR法，北美、西歐的鎂基復合噴吹技術，烏克蘭的單吹顆粒鎂噴吹技術。

(5)在工藝相似的情況下，引進技術來自不同的技術供應商。如復合噴吹法既有美國ESMⅡ、加拿大DANIELICORUS(原霍戈文)、還有日本DIAMOND公司等。

(6)我國在早期引進國外先進技術的基礎上改進的自主知識產(chǎn)權開發(fā)技術也在發(fā)揮著作用。如國內(nèi)開發(fā)的純鎂噴吹技術也得到廣泛應用(如馬鋼等)。

(7)有很多生產(chǎn)線是對落后處理工藝的改造和替代。如武鋼一煉鋼2001年以純鎂噴吹替代原有鎂、石灰混合噴吹工藝;太鋼改造原三脫設施。

(8)還有在原生產(chǎn)線基礎上的增建。如寶鋼，鞍鋼2003年再次引進ESMⅡ鎂基復合噴吹技術;本鋼2004年引進DanieliCorus鎂基復合噴吹技術;武鋼二煉鋼增建1套KR法脫硫裝置。

(9)除在上世紀引進后改良的KR法、鎂基復合噴吹法占有很大市場外，烏克蘭(Desmag)顆粒鎂噴吹技術自武鋼一煉鋼項目進入我國后短短幾年內(nèi)也發(fā)展十分迅速(如首鋼、青鋼、邯鋼三煉鋼、唐鋼等)。德國Polysius公司鎂基復合噴吹技術在2003年也進入到中國，如鞍鋼大脫硫，新區(qū)260t轉(zhuǎn)爐車間脫硫均采用這一技術。

雖然近幾年鐵水脫硫預處理得到發(fā)展，但對我國鋼產(chǎn)量來說，其比例與先進國家水平相比還相差甚遠。

2常用脫硫劑的特點及應用趨勢

鐵水脫硫預處理工藝中主要使用的脫硫劑有NaCO3、CaC2、CaO、Mg等及以其為基礎的復合脫硫劑。

2.1NaCO3基鈉系脫硫劑

我國在20世紀50年代就采用過蘇打灑人高爐出鐵溝脫硫的方法，蘇打分解的液態(tài)氧化鈉有很強的腐蝕性，氧化納揮發(fā)污染環(huán)境。用蘇打脫硫產(chǎn)生的渣流動性好使得除渣困難。蘇打價格也相對較高。所以，蘇打作為脫硫劑已經(jīng)非常少見。

2.2CaC2基鈣系脫硫劑

電石(CaC2)具有很強的脫硫能力，研究表明鐵水溫度在1350℃時，電石粉劑脫硫反應的平衡常數(shù)最高。電石、干煤粉、鎂或氧化鈣這樣的復合脫硫劑在工業(yè)中應用比較廣泛，如攀鋼就曾使用過CaC2島基脫硫劑。但是電石極易與空氣中的水分反應生成乙炔氣體，這種氣體易燃易爆，所以電石加工、運輸、貯存、使用過程中的安全措施要求很高，造成加工困難。而且不能滿足深脫硫的要求。

2.3CaO基鈣系脫硫劑

我國很多企業(yè)早期使用的CaO基脫硫劑主要為石灰ω(CaO)=90%左右加螢石砌ω(CaF2)=5%～10%的混合脫硫劑?；钚允壹尤胛炇l可以顯著改善脫硫效果，目前日本提供KR技術所用脫硫劑瑩石約為5%，Al為10%，其余為活性石灰。石灰是非常容易得到的原料，原料充足，價格便宜，但是石灰基脫硫劑使用量大，渣量大，處理周期長，在鐵水溫度高時也體現(xiàn)高的脫硫效率。武鋼二煉鋼KR法脫硫在使用CaC2幾年后改用CaO基脫硫劑。

2.4Mg及Mg基脫硫劑

數(shù)據(jù)顯示，[Mg]與[S]反應在1.350℃沒有電石、石灰脫硫反應的平衡常數(shù)高。但是金屬鎂和硫有極高的親和力，反應區(qū)動力學條件非常好，反應迅速而且十分強烈。鎂和鐵水中的硫反應生成的MgS熔點高(2000℃)，密度低(2.82g/㎝3)，容易成渣。但是金屬鎂活性很高，作為脫硫劑必須作鈍化處理。

烏克蘭最早開發(fā)了金屬鎂脫硫技術。這種狀態(tài)的鎂是利用熔融狀態(tài)下的液態(tài)金屬鎂離心分離技術，將鹽液包覆在鎂粒外層制成了球狀顆粒，直徑0.6～1.5mm。ω(Mg)>92%。

鎂不僅可以單獨脫硫，也可以使用鎂基復合脫硫劑。鎂基脫硫劑使用的鎂粉也是需要做鈍化處理的，這種鎂粉使用銑刀切削或噴霧法制成，直徑在0.15～1.2mm，ω(Mg)=90%，其余為鈍化涂層。將流態(tài)性處理的氧化鈣粉劑與鎂粉混合，保證濃相輸送通暢。鎂與石灰的復合脫硫劑脫硫反應機理如下：由于石灰的加入，氧化鈣粉裹包并離散鎂粉使之均勻分布在鐵水中，既擴大其反應區(qū)域，又減緩鎂的氣化速度，提高鎂的利用率;CaO可以作為復合物的核心把細小的MgS(1～5μm)聚合起來，加快夾雜物上浮，不斷降低反映區(qū)域內(nèi)硫的濃度，提高脫硫速度，有利于實現(xiàn)快速深脫硫的要求;硫與CaO、SiO2等生成熱力學穩(wěn)定性高的硅酸鈣鹽類，被固定在渣中，經(jīng)扒渣除去不易回硫;而且約10%質(zhì)量分數(shù)的氧化鈣粉參與脫硫反應;這種脫硫渣中的硫不易被水溶解洗滌出來，不污染環(huán)境，為渣的便利處理或開發(fā)利用創(chuàng)造了條件。

3國內(nèi)鐵水脫硫預處理工藝的應用效果

3.1KR法

日本新日鐵君津廠是KR法的首創(chuàng)者。將脫硫粉劑直接加入鐵水中，使攪拌頭下降至鐵水中攪拌進行脫硫處理。

武鋼二煉鋼KR法已應用生產(chǎn)20多年，生產(chǎn)技術水平和技術經(jīng)濟指標均較原設計有大幅度的提高。濟鋼三煉鋼KR法脫硫2003年3月投產(chǎn)，在鐵水初始硫質(zhì)量分數(shù)為0.05%時，處理后硫質(zhì)量分數(shù)可達0.010%以下，脫硫劑單耗最大為7.1kg/t一引。昆鋼，川威等廠也采用了KR法。2()()5年江陰特鋼引進了[)iarnond公司的KR法脫硫裝置。

3.2單吹顆粒鎂工藝

單吹顆粒鎂工藝是單一噴吹鈍化了的顆粒鎂進行脫硫。顆粒鎂的給料是通過轉(zhuǎn)子給料計實現(xiàn)精確給料，給料強度范圍為6～15kg/min。噴槍端頭帶一個氣化室，創(chuàng)造了鎂氣化溶于鐵水中的良好條件。對大型鐵水罐，也使用直簡型噴槍。

太鋼二煉鋼2002年引進了烏克蘭單吹顆粒鎂脫硫技術，建設了一套鐵水脫硫裝置。每罐鐵水重量近80t，顆粒鎂噴吹強度為8～10kg/min，用作粉劑輸送的氮氣流量為130rn3/h，初始硫質(zhì)量分數(shù)為0.031%，目標硫質(zhì)量分數(shù)為0.003%，金屬鎂消耗為0.807kg/t，溫降為11℃，渣量一般在0.6～1.4t。湘鋼新煉鋼也采用了這種工藝，2005年6月熱試成功。在鐵水129.4t時，初始硫質(zhì)量分數(shù)為0.018%，終點硫質(zhì)量分數(shù)為0.005%，顆粒鎂用量為41.2kg，溫降14℃。首鋼、唐鋼等也采用了單吹顆粒鎂脫硫技術。

3.3鎂基脫硫劑復合噴吹工藝

鎂基脫硫劑復合噴吹法，是將兩種以上脫硫粉劑分別在不同的噴吹罐內(nèi)流態(tài)化，通過調(diào)節(jié)氫氣壓力按比例使其在輸送管路中均勻混合后，噴吹至鐵水中發(fā)生脫硫反應。

南鋼引進日本Diamond公司鎂基復合噴吹技術，建設的1套鐵水脫硫預處理裝置于2004年。順利投產(chǎn)，設計年脫硫處理鐵水能力120萬t，脫硫周期小于30min。生產(chǎn)過程中鎂噴吹速度15～20kg/min，石灰噴吹速度60～100kg/min。從2005年6月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)看，當鐵水原始硫質(zhì)量分數(shù)為0.042%，實現(xiàn)目標硫質(zhì)量分數(shù)引0.005%時，每噸鐵脫硫劑消耗純Mg為0.433kg，石灰為3.163kg，噴吹時間9.4min。溫降為13℃。鞍鋼2003年引進德國Polysius公司鎂基復合噴吹技術，建設4套脫硫裝置的大脫硫車間，年處理鐵水440萬t。鎂噴吹速度7～17kg/min，石灰噴吹速度20～50kg/min，當鐵水原始硫質(zhì)量分數(shù)為0。040%，實現(xiàn)目標硫質(zhì)量分數(shù)為0.010%時，脫硫劑消耗純Mg為0.388kg/t，CaO為1.737kg/t，噴吹時間9min。大脫硫投產(chǎn)}以來，鞍鋼相繼開發(fā)出多種轎車用鋼材，生產(chǎn)的轎}車面板達到德國標準規(guī)定的O5等級要求。因此鞍鋼新區(qū)也采用了這一技術。安鋼，天鐵，北臺錐鐵公司均采用了DanieliCorus的鎂基復合噴吹脫硫技術。

3.4幾種處理工藝的比較

實踐證明，這幾種工藝技術都能滿足鋼鐵創(chuàng)業(yè)鐵水深脫硫的要求。幾種工藝都能得到鐵水終點硫質(zhì)量分數(shù)為0.002%，甚至更低的水平，也能滿足轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)周期的要求。他們之間的優(yōu)劣都只是相對而言的，而且所涉及的因素是多方面的。

KR法工藝能將硫降到很低的水平，而且不回硫，基本沒有噴濺。在鐵水溫度高的條件下，脫硫效率高。KR法的關鍵設備是攪拌頭及其提升旋轉(zhuǎn)機構，它是需要變壓變頻控制的，其液壓系統(tǒng)仍需要引進，設備復雜并且較為龐大，一次性投資較大。攪拌頭是價格不匪的消耗件，它的維修制造需要費用和時間。處理過程渣量大。由于提高攪拌速度可促進脫硫反應，加強攪拌，會使鐵水溫降較大，這就對鐵水溫度要求就比較高。

單吹顆粒鎂工藝的核心是針對鐵水條件實現(xiàn)顆粒用量的精確計算和精確給料，實現(xiàn)噴吹及顆粒鎂在鐵水脫硫反應中的充分利用和平穩(wěn)進行。關鍵設備是計量給料罐及其控制系統(tǒng)。處理過程鐵水溫降小，渣量少。但是這種工藝的噴槍壽命較低，維修比較麻煩，噴槍系統(tǒng)設備較為復雜，需要兩支噴槍實現(xiàn)在線橫移快速換槍。噴槍在噴吹時采用1個液壓夾持器來避免噴槍震動。由于渣量少，并且渣較稀，扒渣操作較為困難，不容易快速扒掉脫硫渣，易造成回硫。特別是大批量生產(chǎn)超低硫鋼時，回硫問題會十分嚴重，雖然有些廠采取了撒稠渣劑等措施，但效果不盡人意。

鎂基復合噴吹設備一次性投資與單吹顆粒鎂噴吹工藝相差不大。這種技術的核心是粉劑的最佳配比，粉劑的流態(tài)化程度，粉劑在線混合的均勻性，不同粉劑的噴吹速度的精確控制和調(diào)節(jié)，關鍵設備是噴吹罐及下料喉口調(diào)節(jié)閥。實際生產(chǎn)中，鐵水條件很不穩(wěn)定，針對每罐鐵水的噴吹模型選擇及對噴吹設備的精確控制非常重要，這是保證以最經(jīng)濟的粉劑消耗來達到脫硫目的的關鍵所在。鎂基復合噴吹可以使用不同的鎂和石灰的配比，也可以單獨噴吹石灰，溫降小，產(chǎn)生的渣子容易扒除，不易產(chǎn)生回硫現(xiàn)象。

4鐵水脫硫預處理工藝及裝備的選擇

KR法，單吹顆粒鎂，鎂基復合噴吹等是近幾年國內(nèi)普遍采用的鐵水脫硫預處理工藝，理論分析和實踐證明，絕大多數(shù)指標與上世紀相比有了很大的進步。關于這幾種工藝及技術裝備的比較，不能片面地以某一指標，某一設備性能去比較，因為某一工藝的效果應以達到目標的整個生產(chǎn)成本來比較。目前各企業(yè)諸如鐵水、處理容器、介質(zhì)、脫硫劑、設備(扒渣機、噴吹罐、噴槍升降裝置等)性能，操作人員水平等條件很不相同，要在同一基準上比較非常困難。另外成本中有些指標很難得到準確的量化標準，如鐵損，回硫，渣的利用價值等。還有就是某些指標數(shù)值的絕對值在各個企業(yè)的成本核算中所占的比重不盡相同。企業(yè)在選擇某種脫硫工藝或裝備時，除了對比成本外，還要結(jié)合企業(yè)自身條件和特點，如脫硫劑的獲取途徑、鐵水條件、鋼種要求、整個工藝流程流暢的需要、廠房條件的限制等。

單從脫硫劑的消耗來看，不同工藝使用的石灰、螢石、鎂等脫硫劑的市場價格相差很大。我國的鎂資源相當豐富，大量使用金屬鎂脫硫是我國鋼鐵工業(yè)難得的有利條件。從技術裝備來看，在選擇優(yōu)異性能設備的情況下，不斷優(yōu)化專家系統(tǒng)，實現(xiàn)脫硫劑最大效率的利用才是節(jié)省成本的根本。目前歐美復合噴吹技術提供商較多，技術的發(fā)展也就有了可對比性和競爭性，對于技術進一步提高很有幫助。大部分復合噴吹工藝設備能實現(xiàn)4種以上的粉劑配比(ω(石灰)：m(鎂)可以為3:1、4:1、5:1、6:1)處理工藝，可以根據(jù)生產(chǎn)需要單吹石灰淺脫硫來降低成本。復合噴吹設備可以根據(jù)每一包鐵水條件、時間、成本來靈活選用不同的粉劑配比，調(diào)整不同的噴吹速率，以達到脫硫高命中率、高精度，脫硫劑消耗最小化的目的。噴槍制作、維護應簡單，流態(tài)化裝置應達到脫硫粉劑混合均勻，噴吹速率均衡。

另外一點就是復合噴吹技術還在發(fā)展之中，美國ESMⅡ公司的雙槍噴吹技術，可以大大減少噴吹處理的時間。鞍鋼的噴槍中心管采用可移動技術，大大延長噴槍使用壽命。鎂基復合噴吹工藝還可以采用鎂與電石(CaC2)的復合脫硫，如林茨鋼廠、多特蒙德鋼廠等。鎂基復合噴吹也可以改造為鎂、石灰、電石多元復合噴吹，此工藝應用在德國沙士司吉達鋼廠，比利時鋼廠等。

5結(jié)語

近年來鐵水脫硫預處理技術有了較大發(fā)展，隨著我國鋼鐵產(chǎn)量持續(xù)增長，市場競爭將愈演愈烈。提高鋼鐵產(chǎn)品的高附加值仍是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。企業(yè)選擇合適的鐵水脫硫技術是企業(yè)降低成本，提高生產(chǎn)效率的需要。鎂基復合噴吹技術從脫硫成本、脫硫效率、設備國產(chǎn)化要求、逐步實現(xiàn)技術自主開發(fā)等方面綜合來看，是較先進的鐵水脫硫技術，應該大力發(fā)展。