魏春新

（鞍鋼集團(tuán)朝陽(yáng)鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽(yáng) 122000）

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司煉鋼部（以下簡(jiǎn)稱煉鋼部）于2008年9月投產(chǎn)，設(shè)計(jì)年產(chǎn)鋼能力650萬(wàn)t，煉鋼部集成了當(dāng)今世界冶金領(lǐng)域多項(xiàng)先進(jìn)裝備，包括三座鐵水預(yù)處理設(shè)備、三座260 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐及三臺(tái)板坯連鑄機(jī)。其中鐵水預(yù)處理設(shè)備采用德國(guó)POLYSIUS復(fù)合噴吹技術(shù)并引進(jìn)其關(guān)鍵設(shè)備，復(fù)合噴吹法脫硫在國(guó)內(nèi)寶鋼、本鋼、包鋼、濟(jì)鋼、攀鋼等鋼廠廣泛應(yīng)用［1］。

隨著鋼鐵產(chǎn)能擴(kuò)大，鋼鐵產(chǎn)業(yè)同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)的進(jìn)一步加劇，降低生產(chǎn)成本成為眾多冶金工作者的共同目標(biāo)。本文結(jié)合POLYSIUS脫硫?qū)＜蚁到y(tǒng)，在生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對(duì)煉鋼部脫硫噴吹工藝進(jìn)行優(yōu)化，開發(fā)了一套成本低、處理速度快的鐵水預(yù)處理工藝，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

1 設(shè)備及工藝特點(diǎn)

1.1 鐵水預(yù)處理設(shè)備

煉鋼部鐵水預(yù)處理區(qū)域共有三套脫硫、扒渣系統(tǒng)。工藝設(shè)備示意圖如圖1所示。

1.2 鐵水預(yù)處理工藝

脫硫噴吹系統(tǒng)以氮?dú)庾鳛檩斔蜌怏w，采用高壓、濃相、復(fù)合噴粉工藝，可以實(shí)現(xiàn)噴吹CaO+Mg、單吹CaO粉或單吹Mg粉。噴槍采用倒T型脫硫噴槍，扒渣機(jī)為液壓扒渣機(jī)，工藝流程見(jiàn)圖2。

2 復(fù)合噴吹脫硫熱力學(xué)分析

2.1 鈍化鎂粉在脫硫反應(yīng)中的作用

在噴粉脫硫過(guò)程中，鎂粉以氣態(tài)、溶解態(tài)兩種形式存在，參與脫硫反應(yīng)的鎂以溶解態(tài)的鎂為主。進(jìn)入鐵水中的Mg極少部分與鐵水中的氧直接作用生成MgO，大部分溶解Mg與鐵水中的S發(fā)生反應(yīng)，生成MgS。該反應(yīng)方式是復(fù)合噴吹脫硫的主要反應(yīng)形式［1］。當(dāng)鎂單獨(dú)存在時(shí)，脫硫反應(yīng)主要按式（1）進(jìn)行：

式中，△Gθ為吉布斯自由能，J/mol。

鎂的脫硫反應(yīng)分為以下幾個(gè)步驟［2］：

（1）鎂粒在鐵水中熔化、氣化，生成鎂蒸汽氣泡上?。?/p>

（2）鎂蒸汽氣泡中的鎂溶于鐵水；

（3）在鎂蒸汽氣泡界面，鎂蒸汽與鐵水中的硫發(fā)生反應(yīng)生成固態(tài)硫化鎂；

（4）溶解于鐵水的鎂與硫反應(yīng)生成固態(tài)硫化鎂；

（5）固態(tài)硫化鎂上浮到渣中。

2.2 鈍化石灰粉在脫硫反應(yīng)中的作用

（1）分散作用

由于鎂易于氣化（沸點(diǎn)為1 090℃），尤其是大量聚集的鎂粉噴入鐵水后，迅速氣化，易產(chǎn)生噴濺。為了抑制鎂的激烈反應(yīng)，除了將鎂粉表面進(jìn)行鈍化處理外，在噴入鎂粉的同時(shí)，需要配加石灰粉，將聚集的鎂粉分散開，實(shí)現(xiàn)分層氣化。

（2）異相成核的核心作用

配加的細(xì)石灰粉（粒度＜1.0 mm，其中，粒度＜0.1 mm的比例占90%以上）可以成為細(xì)小而分散的鎂氣泡產(chǎn)生的核心，避免了大氣泡的生成。分散的小氣泡不僅增加了鎂蒸氣與鐵水的接觸面積，還延長(zhǎng)了氣泡上浮的時(shí)間，提高了鎂的利用率。

（3）化學(xué)作用

在復(fù)合噴吹Mg+CaO時(shí)，脫硫反應(yīng)產(chǎn)物MgS進(jìn)一步與CaO反應(yīng)見(jiàn)式（3）：

該反應(yīng)在1 250～1 450℃下，可以自發(fā)進(jìn)行，即復(fù)合噴吹最終產(chǎn)物是更加穩(wěn)定的CaS，可以減少回硫。

3 鐵水預(yù)處理實(shí)踐

3.1 脫硫噴吹速率優(yōu)化

采用以氧化鈣粉和鈍化金屬鎂粉為脫硫劑的復(fù)合噴吹法，鈣粉與鎂粉分別貯存在各自的噴吹罐中，噴吹過(guò)程中兩種粉劑在噴吹管線中混合。其噴吹過(guò)程如下：首先噴吹氧化鈣粉，當(dāng)氧化鈣粉速率達(dá)到設(shè)定值時(shí)開始噴吹鈍化鎂粉（此時(shí)氧化鈣粉噴吹數(shù)量大約為60 kg），此后氧化鈣粉與鈍化鎂粉以一定的速率比噴入鐵水罐中，當(dāng)鈍化鎂粉噴吹量達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)停止噴吹鈍化鎂粉，繼續(xù)噴吹氧化鈣粉吹掃管道，當(dāng)氧化鈣粉噴吹量達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)停止噴吹。噴吹速率直接影響到脫硫處理時(shí)間、噴槍壽命及氧化鈣粉消耗。

為了合理控制脫硫處理工序時(shí)間，將氧化鈣粉噴吹速率由39 kg/min調(diào)整為36 kg/min，將鈍化鎂粉噴吹速率由13 kg/min調(diào)整為18 kg/min，即復(fù)合噴吹速率比由3:1調(diào)整為2:1。鈍化鎂粉噴吹結(jié)束后僅噴吹50 kg氧化鈣粉吹掃管道，降低脫硫噴吹時(shí)間及氧化鈣粉消耗。噴吹速率優(yōu)化后的工藝效果見(jiàn)表1。

通過(guò)表1數(shù)據(jù)可以明顯看出，噴吹速率優(yōu)化后，在幾乎相同的初始硫含量和鎂粉單耗條件下，降低鈣粉單耗0.963 kg/t鐵，噴吹時(shí)間縮短6 min。

表1 噴吹速率優(yōu)化后的工藝效果

3.2 噴槍插入深度優(yōu)化

復(fù)合噴吹過(guò)程中，鈍化金屬鎂粉的脫硫利用率與鎂氣泡的上浮速度成反比，與鎂氣泡在鐵水中的停留時(shí)間成正比［3］。鈍化鎂粉的上臨界直徑是確保鎂粒在鐵水中停留時(shí)間大于其完全溶解時(shí)間的最大直徑的臨界值，如果鈍化鎂粉的直徑大于上臨界直徑，鎂粉還沒(méi)有完全溶解，就已經(jīng)浮出鐵水液面進(jìn)入渣層而被燒損，從而影響到鈍化金屬鎂粉的脫硫效率。鈍化金屬鎂粉的上臨界直徑與噴吹深度的關(guān)系如下：

式中，dCL為鎂粉上臨界直徑，m；h為噴吹深度，m。

噴吹深度與鈍化金屬鎂粉上臨界直徑的關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 噴吹深度與鈍化金屬鎂粉上臨界直徑的關(guān)系

根據(jù)鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司鈍化金屬鎂粉采購(gòu)條件對(duì)鈍化金屬鎂粉粒度的要求，將脫硫噴槍噴吹深度由2.7 m增加至3.0 m。增加了鎂的上浮距離，為鈍化鎂粉創(chuàng)造充足的上浮和溶解時(shí)間，脫硫噴吹深度優(yōu)化后，鈍化金屬鎂粉脫硫效率提高6.9%。

3.3 低CaO含量鈍化石灰粉噴吹實(shí)踐

為了降低鈍化石灰粉的采購(gòu)成本，對(duì)兩種不同理化指標(biāo)的鈍化石灰粉進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)噴吹脫硫試驗(yàn)。兩種鈍化石灰粉理化指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 兩種鈍化石灰粉理化指標(biāo)對(duì)比

在噴吹試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格按照脫硫?qū)＜蚁到y(tǒng)計(jì)算量和系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行噴吹，評(píng)價(jià)兩種粉劑對(duì)脫硫效率、扒渣鐵損（噴濺影響）、噴吹速率穩(wěn)定性的影響。噴吹過(guò)程中，兩種鈍化石灰粉噴吹速率穩(wěn)定，均未出現(xiàn)較大速率波動(dòng)及堵槍現(xiàn)象，脫硫效率及扒渣鐵損對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 兩種鈍化石灰粉脫硫效率比較

由表4可以看出，在鎂粉使用量基本不變的條件下，使用低CaO含量鈍化石灰粉不影響脫硫率，即可以使用低CaO含量鈍化石灰粉替代目前使用的鈍化石灰粉。分析認(rèn)為，對(duì)鐵水中S起到主要脫除任務(wù)的是金屬M(fèi)g，以產(chǎn)物MgS形式進(jìn)入頂渣，而石灰粉主要起到分散、形核及固化MgS作用。因此，在CaO足量的前提下，石灰粉劑中CaO含量的高低并非限制因素。

4 結(jié)論

（1）復(fù)合噴吹脫硫過(guò)程中，鈍化石灰粉的主要作用是實(shí)現(xiàn)鎂粉分層氣化和異相成核的核心作用，其直接參與脫硫反應(yīng)的作用有限。

（2）通過(guò)優(yōu)化復(fù)合噴吹的粉劑輸送速率，可以避免噴吹過(guò)量的鈍化石灰粉，減少鈍化石灰粉消耗0.963 kg/t鐵，降低脫硫粉劑成本。

（3）根據(jù)噴槍插入深度與鈍化金屬鎂粉上臨界直徑的關(guān)系，調(diào)整了脫硫噴槍的噴吹深度，提高鎂粉脫硫效率6.9%。

（4）采用CaO含量為55%～60%的鈍化石灰粉進(jìn)行脫硫噴吹實(shí)踐，實(shí)踐結(jié)果表明，試驗(yàn)粉劑沒(méi)有影響到脫硫效率。

［1］ 程常桂，馬國(guó)軍.鐵水預(yù)處理［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009．

［2］ 王煒．鐵水噴吹顆粒鎂脫硫的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析［J］．山東冶金，2006，28（1）：35-36．

［3］ 吳?。畤姶捣摿蚍磻?yīng)動(dòng)力學(xué)分析研究［J］.鋼鐵，2006（11）：17-19．