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)不可或缺的關鍵工序。應用廣泛的鐵水脫硫工藝主要有顆粒鎂噴吹法(簡稱單噴法)、鎂基復合噴吹法(簡稱復噴法)和 KR(Kanbara Reactor) 法三種[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,主要生產(chǎn)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用情況進行對比。
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[3]。1976年,武鋼第二煉鋼廠就從日本新日鐵引進了國內(nèi)第一臺攪拌法脫硫裝置,單罐處理能力為 70噸-80噸,脫硫周期約為85min,采用 CaC2基作為脫硫劑。由于當時該套裝置的消耗指標及運行成本均較高,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,達到脫硫的目的[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,達到攪拌鐵水,鐵水中硫元素與加入的脫硫劑發(fā)生化學反應,生成脫硫產(chǎn)物,經(jīng)上浮和扒渣去除,達到脫硫目的。
脫硫劑的消耗成本占脫硫成本的28%-40%,因此,降低脫硫劑消耗是各鋼鐵企業(yè)追求的目標。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,遷鋼公司KR法脫硫劑為自產(chǎn)物料,價格相對較低,為283.95元/噸,運行成本低。以鐵水初始硫含量約為0.036%為例,對二種脫硫工藝在不同目標硫含量下的脫硫劑消耗和成本對比情況,見表1。
脫硫周期主要由鋼包進站時間、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/單噴法純噴吹時間和扒渣間隔時間。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)設備狀態(tài)。
為了提高扒渣效率,從管理、設備和技術等方面采取了以下措施:(1)管理方面。開展扒渣操作競賽,設定扒渣指標激勵崗位操作;(2)設備方面。嚴格執(zhí)行設備包機到人,減少因設備故障導致扒渣時間延長;(3)技術方面。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,研究結(jié)果如下:a.當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3min -5min,避免扒渣機攪動鐵水,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,再進行二次扒渣,將鐵水渣扒除干凈。b.當鐵水脫硫后溫度低于1230℃ 時,先鎮(zhèn)靜3min-5 min,待脫硫渣充分上浮,并與鐵水分離充分后,再進行二次扒渣操作。
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 50 kg/min-120kg/min,單噴法噴吹速率為7kg/min-11kg/min,受加料速率和加料量影響,從統(tǒng)計對比看,在相同目標硫含量條件下,單噴法噴吹時間在12min-23min之間,較 KR法長2min-12 min。見表2。
2.2.3 扒渣間隔時間。
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-5min再進行下次扒渣。受脫硫工藝影響,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)束目標硫含量越低,此問題越突出,導致扒渣次數(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)目標硫含量不同,單噴法脫硫周期比 KR 法長 5min-34 min。見表3。
從遷鋼公司這兩種脫硫工藝看,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,但用單噴法將鐵水硫含量降至0.001% 以內(nèi)較困難,KR法可相對輕松實現(xiàn)。KR法脫硫工藝因其強大的動力學條件,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。
表1 KR 法和單噴法脫硫工藝在不同目標硫含量下的消耗和成本
表2 不同目標硫含量下 KR 法純攪拌時間和單噴法純噴吹時間對比 min
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有著明顯優(yōu)勢,比單噴法脫硫率平均高出18.61%[5]。
扒渣量主要受以下三面影響:(1)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),噴濺物中鐵含量高達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(300~500 mm),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行了加高300mm包壁的改造。(2)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,加強鋼包包口維護,減少扒渣量。(3)鐵水渣本身包裹部分金屬液滴,此項無法消除,對渣中鐵含量進行分析,發(fā)現(xiàn)其達 30% 以上,表明鐵水渣中鐵含量很高。
在上述三點,后兩點是扒渣量的主要組成部分。見表4。
由表4可見,不同目標硫含量下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,其規(guī)律應該是單噴法小于 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)比KR 法要多,綜合導致實際鐵水扒渣量單噴法大于 KR 法0.65kg/t-7.48 kg/t。
表3 不同目標硫含量下KR法和單噴法脫硫周期對比 min
表4 不同目標硫含量下 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/t
對歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析的結(jié)果表面,相同目標硫含量下,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,加上動力學強勁,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,同時其動力學劣于 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
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,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,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。
脫硫成本主要由溫降損失、噴槍或攪拌頭和噴補料耐材、扒渣量、脫硫劑消耗以及轉(zhuǎn)爐冶煉回硫量五部分組成。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、水、電和氣等消耗基本相當。遷鋼公司主要生產(chǎn)低硫品種,以鐵水初始硫含量0.0349%、脫硫結(jié)束目標硫含量0.003%為例進行KR法和單噴法鐵水脫硫運行成本對比,單噴法比KR法運行成本高14.80元/t。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。見表6。
(1)KR法和單噴法的脫硫率分別為93.87%-97.19%,73.42%-88.51%,KR 法的脫硫率比單噴法高 8.68%-20.45%。
(2)KR 法和單噴法的扒渣量分別為12.11kg/t-19.08kg/t,12.75kg/t-22.48kg/t,KR法的扒渣量比單噴法高0.65kg/t-7.48kg/t。
(3)KR法和單噴法的處理過程溫降分別為24℃-31℃,17℃-26℃,KR法處理過程溫降比單噴法高5℃-7℃。
(4)KR法和單噴法的轉(zhuǎn)爐冶煉回硫量分別為0.008%,0.015%,KR 法的轉(zhuǎn)爐冶煉回硫量比單噴法低 0.007%。
(5)在鐵水初始硫含量為0.040%、脫硫結(jié)束目標硫含量為 0.003%條件下,KR法較單噴法運行成本低14.80元/t,所以大中型鋼鐵企業(yè)宜選用KR法脫硫工藝。
參考文獻(略)