焦志遠(yuǎn)，向 鵬，劉 楚，張 虎，朱浪濤

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司， 陜西 西安 710032；2.馬鋼股份公司第四鋼軋總廠，安徽 馬鞍山 243003)

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RH精煉過程爐噴粉脫硫工藝研究

焦志遠(yuǎn)1，向 鵬2，劉 楚2，張 虎1，朱浪濤1

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司， 陜西 西安 710032；2.馬鋼股份公司第四鋼軋總廠，安徽 馬鞍山 243003)

為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，某鋼廠在RH精煉設(shè)備中增加噴粉裝置，進(jìn)行鋼液深脫硫處理。結(jié)果顯示：在RH精煉過程中，脫硫反應(yīng)具有很好的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，能夠有效控制鋼液中硫含量。當(dāng)鋼液中初始硫含量為50×10-6，噴粉量為3.3 kg/t時(shí)，脫硫率約為40%。通過增大噴粉量，降低鋼液初始硫含量，減少添加料中的硫含量，RH深脫硫處理后鋼水中硫含量能夠控制在15×10-6以下，這對鋼鐵企業(yè)超低硫鋼的開發(fā)具有重要意義。

RH精煉爐；噴粉；脫硫

0 前言

近年來，鋼鐵市場產(chǎn)能過剩，鋼鐵企業(yè)虧損加劇，這迫使企業(yè)加強(qiáng)品種結(jié)構(gòu)優(yōu)化，開發(fā)和生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品。硫在鋼中通常是一種有害元素，會(huì)嚴(yán)重影響鋼材的品質(zhì)。隨著市場的需求，各種專用高附加值產(chǎn)品要求硫含量越來越低，如航空用鋼、海洋用鋼、高性能電工鋼、管線鋼等要求鋼種硫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)≤30×10-6，甚至要求超低硫≤10×10-6[1,2]。

當(dāng)前我國多采用高爐-鐵水預(yù)處理-轉(zhuǎn)爐-爐外精煉-連鑄的工藝生產(chǎn)鋼鐵。經(jīng)過鐵水預(yù)處理工序后鋼液中硫含量很低，可達(dá)到10×10-6，但在轉(zhuǎn)爐工序中由于受原材料的限制往往會(huì)造成增硫，使硫含量達(dá)到50×10-6～80×10-6[3,4]。為滿足高品質(zhì)鋼的超低硫含量要求，鋼水在爐外精煉過程中進(jìn)行二次深脫硫處理顯的尤為重要。

1 RH精煉噴粉脫硫原理

1.1 RH噴粉設(shè)備原理

噴粉是根據(jù)流化態(tài)和氣力傳輸原理，使粉劑懸浮于氣流中通過管道輸送，將不同粉劑噴入鋼水中的一種冶金方法，要求輸送過程穩(wěn)定連續(xù)，不產(chǎn)生脈動(dòng)現(xiàn)象。噴粉過程中工藝參數(shù)對噴吹效果影響密切，主要包括：載氣壓力、流量、粉氣比、氣流速度、管道直徑與長度，以及粉粒的大小與形狀等因素。在實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，需要掌握粉料的最小流動(dòng)速度，理論要求粉粒流動(dòng)速度應(yīng)該大于15 m/s，其可用經(jīng)驗(yàn)公式(1)進(jìn)行計(jì)算[5]。

(1)

式中，Vmin為粉料的最低流動(dòng)速度；μ為粉氣比；D為管道直徑。

上述粉氣比，通常采用質(zhì)量粉氣比，計(jì)算公式如式(2)所示[5]。

(2)

式中，μ為粉氣比，kg/kg;Gp為單位時(shí)間內(nèi)通過輸送管道有效端面的粉料質(zhì)量，kg/h;Gg為單位時(shí)間內(nèi)通過輸送管道有效端面的氣體質(zhì)量，kg/h。

RH噴粉設(shè)備主要包括：粉劑料倉、粉劑稱量料斗、分配器(混料倉)、輸送管、多功能噴槍，以及載氣控制系統(tǒng)等，如圖1所示。

圖1 RH噴粉設(shè)備示意圖Fig.1 Structure diagram of RH powder-blower

1.2 RH脫硫原理

目前RH精煉脫硫與其它脫硫方法類似，都是采用CaO基精煉渣進(jìn)行脫硫，脫硫反應(yīng)可以用式(3)來表示[3,6]：

(CaO)+[S]=(CaS)+[O]

ΔG0=1090000-29.25T J·mol-1

(3)

(4)

式中，α[s]為鋼中硫的活度；α[O]為鋼中氧的活度；αCaS為CaS的活度；αCaO為CaO的活度。

從上述反應(yīng)可以看出，增加精煉渣的堿度，降低鋼液和渣中的氧活度，提高熔池溫度均有利于脫硫。在RH精煉過程中，鋼液處于高真空中能夠有效降低鋼液中的氧含量，也減少頂渣對鋼液脫硫的影響，這些均有利于脫硫反應(yīng)。同時(shí)能夠避免脫硫過程中鋼液吸氮。

脫硫動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為，鋼液中硫含量較低時(shí)，硫在鋼中的擴(kuò)散為脫硫的限制性環(huán)節(jié)；鋼液中硫含量較高時(shí)，硫在渣中的轉(zhuǎn)移為脫硫的限制性環(huán)節(jié)。脫硫速度可用式(5)表示[7]

(5)

(6)

(7)

式中，KT為瞬態(tài)反應(yīng)速率常數(shù)；KP為持續(xù)反應(yīng)速率常數(shù)；Wf為粉體吹入速度；Wm為鋼液量；Ls為渣粒子的平衡硫分配比；Ap為有效反應(yīng)面積；ρ為鋼液密度；kp為總括傳質(zhì)系數(shù)。

當(dāng)鋼液中初始硫含量很低時(shí)，式(5)中第二項(xiàng)起關(guān)鍵作用。從式(7)中可以看出，提高精煉渣硫分配比、增加有效反應(yīng)面積、增強(qiáng)攪拌等均能促使深脫硫反應(yīng)進(jìn)行。在RH精煉過程鋼液環(huán)流量大，鋼水?dāng)嚢璩浞?，再進(jìn)行噴粉處理不僅能夠增強(qiáng)攪拌，還能夠增大有效反應(yīng)面積，均能夠改善脫硫動(dòng)力學(xué)條件。

由此可見，在實(shí)際冶煉超低硫鋼的過程中，通過結(jié)合鐵水預(yù)處理，轉(zhuǎn)爐擋渣出鋼，鋼渣改質(zhì)等手段，在RH精煉過程采用高堿度的精煉渣對鋼液進(jìn)行噴粉深脫硫處理是比較合理的選擇。

2 RH噴粉脫硫?qū)嵺`

當(dāng)前在鋼液噴粉脫硫過程中采用CaO基粉劑時(shí)需要添加一定量的CaF2。在CaO中添加CaF2可以降低CaO的熔點(diǎn)，并降低渣的粘度，促使鋼-渣乳化交融，顯著提高CaO的脫硫率和利用率。當(dāng)CaO與CaF2質(zhì)量比為1時(shí)，溶劑在下降管下部便可完全轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)渣[2,7]。但粉劑中過高的CaF2含量可能會(huì)損害真空室耐火材料。

某鋼廠在新建300tRH真空精煉爐中設(shè)計(jì)了多功能頂槍噴粉脫硫設(shè)備及工藝，采用60%的CaO和40%的CaF2精煉渣系，其它基本設(shè)備和工藝條件見表1。

表1 基本設(shè)備和工藝條件

采用上述工藝條件，當(dāng)鋼液中初始硫含量為50×10-6時(shí)，噴粉量為3.3 kg/t，噴粉10 min，鋼液終點(diǎn)硫含量約30×10-6，脫硫率約40%。鋼液中硫含量隨時(shí)間的變化情況如圖2所示。

圖2 噴粉過程中硫含量的變化Fig.2 Sulfur content curve during powder blowing

為了進(jìn)一步研究不同工藝條件下的脫硫效果，所做試驗(yàn)情況見表2。

表2 噴粉脫硫試驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出：隨著噴粉量的增加，鋼液脫硫率明顯增加。隨著鋼液中初始硫含量的降低，脫硫率降低，但終點(diǎn)硫含量隨著降低，最低硫含量為15×10-6。RH噴粉深脫硫處理的脫硫率均不超過50%，這主要因?yàn)殇撘褐谐跏剂蚝亢艿?，此時(shí)脫硫的限制性環(huán)節(jié)為鋼液中硫的擴(kuò)散傳質(zhì)，只有通過增加渣量，加強(qiáng)攪拌，增加反應(yīng)接觸面積，延長反應(yīng)時(shí)間等方法將硫含量進(jìn)一步降低，考慮企業(yè)生產(chǎn)效率，一般脫硫處理不超過20 min。另外，RH精煉過程中要進(jìn)行大量的合金化，據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)由合金元素和渣料帶入的硫含量約20×10-6，這在一定程度上影響了鋼液的脫硫。所以RH真空噴粉深脫硫處理，表觀脫硫率僅為40%左右，若繼續(xù)嚴(yán)格控制鋼液初始硫含量，增加噴粉量，減少添加劑帶入的硫含量，適當(dāng)延長反應(yīng)時(shí)間，完全可以滿足超低硫鋼(S≤10×10-6)的開發(fā)和生產(chǎn)。

3 結(jié)束語

(1)經(jīng)過理論分析,RH精煉過程中進(jìn)行噴粉深脫硫處理具有很好的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，有利于鋼液中硫的去除。

(2)經(jīng)過實(shí)踐證明,當(dāng)初始硫含量為50×10-6，噴粉量為3.3 kg/t時(shí)，RH噴粉深脫硫處理的平均脫硫率約為40%。通過降低鋼液初始硫含量，減少添加原料中帶入的硫含量，采用RH噴粉深脫硫處理相結(jié)合的方法，可以將鋼液中硫含量有效控制在15×10-6以內(nèi)，對于鋼鐵企業(yè)高附加值超低硫鋼的開發(fā)和生產(chǎn)具有很大幫助。

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Technical researching of desulfurization by powder injection in RH refining process

JIAO Zhi-yuan1，XIANG Peng2，LIU Chu2，ZHANG Hu1，ZHU Lang-tao1

(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710032, China; 2. No.4 Steelmaking Plant, Maanshan Iron and Steel Co., Ltd., Maanshan 243000, China)

In order to improve steel quality，the deep desulfurization treatment of steel liquid was carried through adding powder blowing device in RH refining equipment. The results showed that the sulfur content in liquid steel was effectively controlled in RH refining process, because of the desulfurization reaction was provided with good conditions of thermodynamic and kinetic. In liquid steel, when the initial content of sulfur was 50×10-6, the weight of powder was 3.3 kg/t, and the desulfurization rate was about 40%. The sulfur content could be controlled to below 15 ×10-6after the deep desulfurization treatment, through increasing the amount of powder injection, reducing the initial sulfur content of the liquid steel and decreasing the sulfur content of the additives. It was significant to develop the extra-low-sulfur steel for the steel plant.

RH-refining; powder blowing; desulfurization

2016-04-08；

2016-06-13

焦志遠(yuǎn)(1987-),男,中國重型機(jī)械研究院股份公司工程師。

TF769

A

1001-196X(2016)05-0006-04