連文敬,孫興洪

(寶山鋼鐵股份有限公司煉鋼廠,上海 201900)

隨著產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇,產(chǎn)品的成分要求越來越嚴(yán)格,而成本控制越來越精細(xì)化。采用鐵水預(yù)處理工藝可以使鐵水硫含量降到鋼種要求范圍內(nèi),減輕高爐的脫硫負(fù)擔(dān),降低轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)率,相比LF脫硫處理成本更低,相比RH噴粉脫硫效率更高。

鐵水爐外脫硫技術(shù)從20世紀(jì)30年代開始應(yīng)用,60年代蓬勃發(fā)展至今,在國(guó)外己趨成熟,在實(shí)際生產(chǎn)中大量應(yīng)用,處理工藝方法主要有機(jī)械攪拌法、噴吹法、連續(xù)脫硫法和金屬鎂法等多種方法。目前國(guó)內(nèi)外大中型鋼鐵廠廣泛采用的是機(jī)械攪拌法、噴吹法、鎂基脫硫法等。機(jī)械攪拌法是將氧化鈣或碳化鈣基脫硫劑加入鐵水中借攪拌器(十字形葉輪)的旋轉(zhuǎn),使粉劑與鐵水充分接觸反應(yīng),獲得良好的脫硫效果,其優(yōu)點(diǎn)是效率高(脫硫到<0.005%),設(shè)備費(fèi)用少,處理能力大,脫硫劑消耗少。噴吹法是用惰性氣體作載體將脫硫粉劑(一定比例的CaO、CaC2或Mg的組合)通過噴槍噴入鐵水中。噴粉法又分為混合噴吹和復(fù)合噴吹兩種?；旌蠂姶凳菍煞N以上混合好的粉劑(CaO+Mg,CaC2+Mg,CaO+CaF2+C)噴入鐵水,復(fù)噴吹則是將各種粉劑分別從各自噴粉罐按比例噴入鐵水,其優(yōu)點(diǎn)是脫硫率高,設(shè)備簡(jiǎn)單,操作方便,容易控制[1-3]。

鐵水爐外脫硫技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn):

(1) 可將鐵水硫降到超低含量,有利于轉(zhuǎn)爐冶煉優(yōu)質(zhì)超低硫鋼,有利于鋼鐵產(chǎn)品升級(jí)換代,生產(chǎn)高附加值的優(yōu)質(zhì)鋼材。

(2) 能保證轉(zhuǎn)爐入爐鐵水硫低,降低轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)率,降低煉鋼能耗。

(3) 解放高爐生產(chǎn)能力,高爐工序幾乎可不考慮產(chǎn)品硫含量。高爐的脫硫負(fù)擔(dān)減輕,可降低爐渣堿度、減少渣量、減輕堿金屬的危害,有利于冶煉低硅鐵,使高爐穩(wěn)定、順行、降低焦比和降低能耗。

(4) 可有效地提高煉鋼廠的綜合經(jīng)濟(jì)效益[1]。

1 寶鋼一煉鋼鐵水預(yù)處理概況

1.1 混鐵車頂吹脫硫法

寶鋼一煉鋼在20世紀(jì)80年代初從日本新日鐵引進(jìn)了混鐵車直插頂噴(倒T型雙孔直插槍)脫硫工藝技術(shù),簡(jiǎn)稱TDS (TDS-Torpedo Car Desulphurization)脫硫法,其工藝流程如圖1所示。脫硫粉劑為鈣基系,設(shè)計(jì)能力為476萬t/a(為全部鐵水量的71%),從1985年投產(chǎn)以來,通過發(fā)揮管理和科技的作用,不斷挖潛,鐵水處理量在1995年已達(dá)到60萬t/月的水平,脫硫后處理硫[S]在0.004%～0.006%,最低為0.001%。寶鋼一煉鋼魚雷罐車脫硫站有兩條線(S1線和S2線),每條線上都配有兩支噴槍(A槍和B槍),載氣均為N2。

圖1 一煉鋼混鐵車頂吹脫硫生產(chǎn)工藝流程圖

其脫硫反應(yīng)式如下:

CaO(s)+[FeS]+[C]=(CaS)+[Fe]+CO(g)

(1)

TDS脫硫法的缺點(diǎn):

(1) 在混鐵車內(nèi)脫硫,罐內(nèi)流場(chǎng)極不均勻,漩渦橫向發(fā)展,造成的死角多,尤其是魚雷罐車兩頭和底部的鐵水流動(dòng)性較差,很大程度上惡化了脫硫的動(dòng)力學(xué)條件,由于噴吹攪拌對(duì)上述區(qū)域的鐵水影響較小,粉劑不易到達(dá),加之粉劑很快上浮,所以脫硫效果較差。

(2) 由于鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高,成品硫要求控制在0.005%以下,甚至更低。而TDS脫硫后在入爐前有回硫的情況,無法保證產(chǎn)品對(duì)硫的要求。

(3) 混鐵車內(nèi)脫硫,影響了混鐵車的周轉(zhuǎn),導(dǎo)致鐵水溫降較大;而且噴吹粉劑造成混鐵車罐口結(jié)渣等情況,混鐵車加蓋等無法正常投入。

(4) 脫硫劑用量大,造成罐內(nèi)渣量大、混鐵車內(nèi)結(jié)瘤的情況,影響了混鐵車的鐵水裝入量,無法實(shí)現(xiàn)混鐵車與鐵水包的一對(duì)一;另外,渣量大也造成了金屬料損失的增加。

1.2 鐵水包鎂脫硫

為了滿足極低硫鋼種冶煉對(duì)脫硫鐵水的要求,1998年3月在一煉鋼主原料跨地面,建設(shè)投產(chǎn)了1套以鎂基系為脫硫劑的鐵水包單槍頂噴脫硫工藝裝備;2005年5月又在受鐵坑內(nèi)改造新建了2套以鎂基系為脫硫劑的鐵水包雙槍頂噴脫硫裝置,工藝流程見圖2。

圖2 一煉鋼鐵水包鎂脫硫生產(chǎn)工藝流程

其脫硫反應(yīng)式如下:

[Mg]+[S]=(MgS)

(2)

鐵水包脫硫的優(yōu)點(diǎn)如下:

(1) 鎂有很強(qiáng)的脫硫能力,能對(duì)鐵水進(jìn)行深度脫硫,可將鐵水的硫含量脫至0.003%以下。

(2) 鎂用量少,脫硫過程對(duì)鐵水化學(xué)成分基本無影響。

(3) 鎂加入鐵水中脫硫時(shí),由于鎂猛烈地蒸發(fā)為過熱蒸汽,容易造成鐵水噴濺和鎂蒸汽在鐵水罐外燃燒或爆炸,因此必須控制合適的鎂的蒸發(fā)速度。

寶鋼一煉鋼鐵水包深脫硫處理脫硫效率為75%～85%,深脫硫處理時(shí)間平均為4～7 min。

鐵水包鎂脫硫法的缺點(diǎn)如下:

(1) 盡管鎂脫硫處理時(shí)間短,鎂用量少,但鎂粉相比石灰粉價(jià)格明顯偏高,造成了脫硫成本較高。

(2) 鎂脫硫?qū)姶翟O(shè)備要求較高,尤其是噴吹系統(tǒng)的穩(wěn)定性,噴吹系統(tǒng)的波動(dòng),帶來了噴吹過程中的噴濺,不僅造成了金屬料的損失,也造成了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的污染。

1.3 鐵水包KR脫硫法

隨著鐵水預(yù)處理技術(shù)的發(fā)展,為了降低脫硫成本,改善現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,穩(wěn)定脫硫效果,一煉鋼在2019年8月和2020年7月新建投產(chǎn)了4套KR脫硫裝置,一煉鋼鐵水預(yù)處理采用KR全量處理,工藝流程見圖3。

圖3 一煉鋼KR脫硫生產(chǎn)工藝流程圖

KR (Kambara Reactor)法是日本新日鐵廣畑制鐵所于1963年開始研制的,并于1965年投入工業(yè)生產(chǎn),最先被日本鋼管和住友金屬所采用。國(guó)內(nèi)第一套攪拌脫硫裝置是武鋼于1976年隨硅鋼生產(chǎn)技術(shù)從日本新日鐵引進(jìn)的。隨著攪拌脫硫技術(shù)的不斷改進(jìn),攪拌脫硫工藝得到越來越廣泛的應(yīng)用,目前國(guó)內(nèi)新建鋼廠鐵水預(yù)處理基本都采用攪拌脫硫工藝[4]。

寶鋼一煉鋼此次引進(jìn)的攪拌脫硫裝置在常規(guī)的KR工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),本項(xiàng)目相比常規(guī)的KR攪拌脫硫系統(tǒng)采用如下新技術(shù):

(1) 采用噴吹投料代替常規(guī)的重力投料(如圖4所示),可有效提高脫硫劑利用率,降低脫硫劑消耗約15%。

圖4 KR不同的投料工藝示意圖

(2) 增加攪拌槳連接螺栓冷卻系統(tǒng),有效提高螺栓的壽命,同時(shí)便于攪拌槳更換。

(3) 增加了攪拌系統(tǒng)在線自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng),可在不停產(chǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑脂的添加,降低了由于維護(hù)對(duì)生產(chǎn)的影響。

(4) 增加了提升鋼絲繩的平衡桿,使提升的兩根鋼絲繩受力更加均衡,提高了鋼絲繩的壽命。

(5) 增加了在線振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),可在設(shè)備產(chǎn)生較大振動(dòng)時(shí)發(fā)出報(bào)警信息,提醒維護(hù)人員對(duì)設(shè)備檢查,降低設(shè)備故障率和事故率。

常規(guī)的重力給料的KR脫硫工藝,在脫硫劑加入到鐵水表面時(shí),會(huì)發(fā)生脫硫劑卷入鐵水,凝結(jié)長(zhǎng)大成直徑幾毫米到數(shù)十毫米的球狀,造成脫硫劑內(nèi)部無法發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的問題,而利用噴吹的方法進(jìn)行加料,增加了固—液反應(yīng)界面積,在加料過程中抑制了脫硫劑粒子初期團(tuán)聚,改善了脫硫劑在鐵水中分散度,促進(jìn)脫硫劑與鐵水的化學(xué)反應(yīng)。在2019年8月投產(chǎn)后,從運(yùn)行情況看,脫硫效率穩(wěn)定,脫硫成本較重力給料的KR工藝下降15%左右,且渣量減少,鐵損也有所下降。

2 鐵水脫硫?qū)嵖?jī)

2.1 處理時(shí)間及硫后水平實(shí)績(jī)

在寶鋼一煉鋼目前采用的幾種鐵水脫硫工藝中,KR脫硫從硫后的水平看最為穩(wěn)定,如表1所示。在鐵水包脫硫大類中,KR攪拌脫硫提供了更好的動(dòng)力學(xué)條件,噴吹投料的方式,使得脫硫劑與鐵水的反應(yīng)更為充分,只是處理時(shí)間較鎂粉脫硫偏長(zhǎng)。

2.2 粉劑消耗實(shí)績(jī)

對(duì)于混鐵車和鐵水包鐵水脫硫模式,相同鐵水條件下,在達(dá)到同樣處理效果時(shí),對(duì)三種類型鐵水脫硫模式的粉劑消耗指標(biāo)進(jìn)行了比較,具體見表2。

表1 寶鋼一煉鋼鐵水脫硫效果

表2 不同鐵水脫硫模式脫硫劑消耗

從粉劑的平均消耗看,KR噴吹加料的方式比混鐵車脫硫的粉劑消耗明顯降低,且脫硫效率穩(wěn)定,KR復(fù)合脫硫劑的粉劑單耗雖然比鎂脫硫要高,但鎂粉價(jià)格較高,且實(shí)際生產(chǎn)中,鐵水經(jīng)混鐵車和鎂脫硫雙處理的比例較高,從成本看,KR脫硫比之前采用混鐵車和鐵水包鎂脫硫搭配的方式要節(jié)約35%左右。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)淺析

影響鐵水預(yù)處理成本的主要因素有:脫硫成本、鐵水損失和溫度損失。與TDS脫硫和鐵水包鎂脫硫相比,采用KR攪拌脫硫和噴吹相結(jié)合的工藝可以穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)鐵水深脫硫,確保入爐硫穩(wěn)定而且滿足轉(zhuǎn)爐冶煉要求,有利于煉鋼整個(gè)生產(chǎn)組織物流,提高全工序的成分過程控制。

雖然KR脫硫的溫降較鎂脫硫的工藝要高,處理時(shí)間要長(zhǎng),但實(shí)績(jī)運(yùn)行中,由于鎂脫硫采用濃相輸送,對(duì)設(shè)備要求精度高,脫硫效果的不穩(wěn)定,對(duì)于低硫鋼,經(jīng)常需要在混鐵車脫硫后再利用鎂脫硫進(jìn)行處理,造成了二步法脫硫的增加。而KR噴吹脫硫工藝采用了噴吹投料的方式,一邊攪拌一邊噴吹,使脫硫劑與鐵水反應(yīng)更加充分,脫硫粉劑的利用率上升,較傳統(tǒng)KR工藝脫硫粉劑用量下降15%左右。脫硫成本方面,KR脫硫比之前采用混鐵車和鐵水包鎂脫硫組合的方式要節(jié)約35%左右。鐵損方面,KR脫硫比之前采用混鐵車和鐵水包鎂脫硫組合的方式下降15%左右。

4 結(jié)論

(1) 寶鋼一煉鋼改造后采用的KR脫硫噴吹投料的工藝,具有粉劑消耗低、入爐硫低且穩(wěn)定、脫硫成本低等特點(diǎn),是值得推廣的高效脫硫技術(shù)。

(2) 寶鋼一煉鋼采用KR工藝后,提高了一煉鋼硫元素過程控制能力。

(3) 寶鋼一煉鋼采用KR工藝后,脫硫成本方面,比之前采用混鐵車和鐵水包鎂脫硫組合的方式要節(jié)約35%左右,鐵損方面下降15%左右。

(4) 采用噴吹投料的方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境改善明顯。