李偉峰，趙 騰，張 明，張 咪，李嘉卉

(中國重型機械研究院股份有限公司，陜西 西安 710018)

0 前言

硫對于大多數鋼種來說屬于有害元素，容易使鋼材產生熱脆性，降低鋼材的延展性和韌性，容易造成裂紋，同時還會降低鋼材的耐腐蝕性[1-3]。鋼鐵中的硫主要來自煉鋼原料，煉鋼時難以除盡，因此，如何脫除鋼液中硫對煉鋼工藝提出了嚴格的要求。國內主要通過鐵水預處理工序進行首次脫硫[4]，煉鋼結束后，通過LF進行二次深脫硫[5]，使硫含量達到生產要求的目標值。

隨著用戶需求的不斷提高，越來越多的鋼種要求硫含量小于(10～20)×10-6，如硅鋼中硫含量高將導致硅鋼的磁導率下降，鐵損顯著升髙[6-8]。LF脫硫反應由于動力學條件差，不易將鋼液中硫含量降至30×10-6以下。RH噴粉脫硫工藝可利用氣力輸送，將脫硫粉劑輸送至鋼液，粉劑隨鋼液循環(huán)流動，達到深脫硫的目的[9-11]。但是目前國內采用的RH頂噴粉脫硫工藝[12]由于粉劑穿透深度不足導致粉劑利用率低，部分粉劑隨氣流被抽走，同時粉劑附著和沖刷效應增加了抽真空設備的維護量。

RH真空室底部噴粉工藝，利用氬氣作為載氣，將脫硫粉劑從真空室下部直接噴入鋼液，粉劑隨鋼液流動，與鋼液中硫充分反應，從而降低鋼液中硫含量[13-16]。該工藝的石灰粉有效利用率高，脫硫速率快，可縮短RH精煉周期。本文研究RH真空室底部噴粉工藝下的脫硫規(guī)律及熱量變化，為該工藝的工業(yè)化應用提供理論支撐。

1 真空室底部噴粉工藝原理

RH真空室底部噴粉工藝原理如圖1所示。

圖1 真空室底部噴粉工藝原理圖

RH真空室底部噴粉系統(tǒng)主要包括噴粉罐、真空室及鋼包，鋼包中的鋼液在真空及提升氣的作用下開始循環(huán)流動，首先進行脫氧合金化，然后進行噴粉脫硫，最后進行合金微調，成分合格后進行破空操作。

噴粉脫硫過程，噴粉罐下端閥門打開，粉劑在壓力載氣的作用下，高速進入進入主吹管道，粉氣流在運行途中混合，在噴槍出口將粉氣流混合物加速噴入鋼液內部。

粉劑進入鋼液后，隨鋼液流動與鋼中硫反應，粉劑被真空泵抽走的概率相比頂部噴粉工藝大大降低，有效利用率得到有效提升。此外，載氣可增強提升氣作用，增加RH的環(huán)流量，提升真空精煉效率。

2 噴粉脫硫過程計算

2.1 脫硫動力學計算

根據雙模理論，脫硫反應發(fā)生在粉劑與鋼液的交界面，脫硫產物向外擴散進入渣中。為了便于計算，對粉劑進入鋼液后做出如下假設：

(1)忽略鋼包頂渣的脫硫作用，脫硫作用全部來自脫硫粉劑顆粒，脫硫反應發(fā)生在鋼液與粉劑顆粒界面；

(2)噴粉脫硫前，鋼液中的氧已經基本被脫除；

(3)所有傳質系數、粘度、比熱等參數均不考慮溫度的變化。

假定鋼液內的初始硫含量及時間j時的硫含量如下：

t=0, [S]=[S]0t=j, [S]=[S]j
t=0, (S)=(S)0=0t=j, (S)=(S)j

時間j內的噴粉脫硫率為

(1)

由式(1)可以得出，噴粉過程時間j時的鋼液硫含量為

[S]j=[S]0×(1-(ηs)j)

(2)

公式(1)中的脫硫過程總表觀速率常數

(3)

式中，Lss為硫在渣鋼間的平衡分配系數，取41～100；ξ為粉劑的穿透比，取0.60～0.70；ρs為鋼液的密度，取7 000 kg/m3；mp,j時間j時的粉劑噴入總量，mp,j=∑vp×j，噴粉速度vp=110～150 kg/min；Qs為鋼液的循環(huán)流量75 t/min；ρp為粉劑的密度，1 300 kg/m3；Ws為鋼液的重量，取150 t；kz為總傳質系數，取0.05 cm/s；dp為粉劑的平均粒徑，0.5～1.5 mm。

噴粉脫硫時間j的脫硫速率為

(4)

通過計算，噴入的粉劑在鋼液中循環(huán)的時間為2 min，所以計算周期為2 min，本周期鋼液剩余硫含量為下一周期硫含量的初始硫含量，依次迭代計算噴粉過程硫含量的變化。

2.2 脫硫熱力學計算

RH真空室底部噴粉過程，根據熱量守恒原理，單位時間內熱收入為粉劑參與冶金反應產生的熱量，熱支出包括：提升氣升溫消耗的熱量、噴入粉劑升溫消耗的熱量、載氣升溫吸熱和鋼包口散失的熱量。

(1)粉劑參與冶金反應釋放的熱量，用Qrec表示。

3[S]+2[Al]+3(CaO)=3CaS(S)+Al2O3(S)

(5)

Qrec=-872120+293.18T
CaO+Al2O3=CaO·Al2O3
Qrec=-18000-18.83T

(6)

1 kg CaO進入鋼液后，所釋放的熱量為脫硫反應和渣化反應釋放的熱量總和。

(2)提升氣體的升溫消耗，用Qup表示。

(7)

式中，Cup為提升氣的比熱容，qup為提升氣單位時間的總流量，Tsteel為鋼液的溫度，T0為提升氣的初始溫度。

(3)噴入粉劑吸熱消耗，用Qp表示。

QP=(CCaO×VP×α+CCaF×VP×β)×(Tsteel-Tp0)

(8)

式中，CCaO為CaO顆粒的比熱容，CCaF為CaF的比熱容，VP為粉劑的噴吹速度，α，β分別為CaO、CaF在粉劑中的比例，Tp0為粉劑的初始溫度。

(4)載氣升溫吸收的熱量用Qcarr表示。

(9)

式中，Ccarr為載氣的比熱容；Mcarr為載氣的相對原子量；qcarr為載氣單位時間的流量；Tc0為載氣的初始溫度。

(5)鋼包口散失的熱量用Qlad表示，包括鋼包口鋼液與空氣的對流換熱及輻射傳熱散失的熱量。

對流換熱散失熱量：

(10)

式中，d為鋼包鋼液面的當量直徑；Pr為普蘭德數取0.72；μ為空氣的運動粘度；γ為空氣的導熱系數；Tair為空氣的溫度。

輻射傳熱散失的熱量：

(11)

鋼包口散失的總熱量為

Qlad=Q1+Q2

(12)

噴粉期間，單位時間的熱量損失為

ΔQ=Qup+Qp+Qcarr+Qlad-Qrec

(13)

則鋼液每分鐘溫降為

(14)

式中，Csteel為鋼液的比熱容。

3 計算結果與分析

為研究RH真空室底部噴粉過程的硫元素變化規(guī)律，先計算RH頂噴粉過程脫硫變化規(guī)律，并與實際生產數據對比驗證計算模型的準確性，然后采用類比法，依據噴粉冶金的實際經驗，將粉劑穿透比提升至0.85，得到RH真空室底部噴粉過程的硫元素變化規(guī)律。

鋼液中初始硫含量為30×10-6、35×10-6時，根據脫硫動力學計算，得到頂噴粉精煉過程硫含量隨噴粉時間的變化曲線如圖2所示。圖2中兩條曲線分別鋼液進站初始硫含量為30×10-6、35×10-6時，鋼液硫含量隨噴粉時間的變化規(guī)律。其中黑色的空心三角為某鋼廠RH頂噴粉實際生產數據，和本計算曲線基本耦合，表明文中計算方法符合實際生產情況。

圖2 頂噴粉過程鋼液中硫含量隨時間的變化曲線

3.1 硫含量變化曲線

采用RH真空室底部噴粉工藝，鋼液總量為150 t，噴粉速度為110 kg/min時，不同的鋼液初始硫含量條件下，鋼液硫含量隨噴粉時間變化曲線如圖3 所示。

圖3 鋼液硫含量隨噴粉時間的變化曲線

由圖3可知，鋼液中硫含量隨著噴粉時間的延長而降低，曲線的斜率為硫含量的降低速度，鋼液中硫含量先慢速下降，進而快速降低，當硫含量小于10×10-6后，鋼液硫含量減少的更加緩慢。隨著鋼液中脫硫粉劑的增加，脫硫反應不斷進行，則鋼液中的硫含量不斷下降。當粉劑剛被噴入鋼液時，隨著進入鋼液的粉劑量逐漸增加，脫硫反應的速度逐漸增大，當時間達到4 min時，脫硫速度達到最高，而后隨著鋼液中脫硫產物及粉劑的上浮，脫硫速度逐漸減小，直到最后鋼液中硫含量極小時，脫硫速度趨近于零，即硫將不能再被減少。

另外，圖3中顯示，在相同的時間內，隨著鋼液初始硫含量的減小，則脫硫速度逐漸減小。這是因為鋼液中對硫的溶解量非常大，鋼液中硫含量越低，越難以被脫除進入渣中，則脫硫速度越小。

3.2 噴粉速度對硫含量的影響

初始硫含量為50×10-6時，改變精煉過程的噴粉速率，鋼液中硫含量的變化曲線如圖4所示。

圖4 不同噴粉速率下鋼液硫含量隨時間的變化曲線

由圖4可知，鋼液初始硫含量為50×10-6，隨著噴粉時間的增加，則鋼液中硫含量不斷下降。在同一時間，硫含量隨著噴粉速度的增加而降低。隨著噴粉速度的增加，同一時間噴粉速度越快，鋼液中脫硫粉劑的量越大，則脫硫反應發(fā)生的越充分，鋼液中的硫含量越低。剛開始，噴粉速度越高，脫硫速度越快，但是隨著鋼液中硫含量的降低，脫硫難度增加，即噴粉速度越大，越早進入脫硫緩慢期。

3.3 噴粉對鋼液溫度的影響

根據熱量守恒定律，分別計算了RH頂噴粉工藝和真空室底部噴粉工藝在噴粉過程鋼液的溫度變化情況，鋼液溫度的變化隨噴粉時間的變化曲線如圖5所示。

圖5 鋼液溫度變化量隨噴粉時間的變化曲線

由圖5可知，鋼液的溫度降低量隨著噴粉時間的增加而增大。紅色曲線代表頂噴粉工藝的溫降量變化曲線，藍色空心三角為某鋼廠實際頂噴粉RH生產條件下的對應值，表明該計算方法符合實際生產。真空室底部噴粉工藝的溫降量為1.2 ℃/min，而頂部噴粉工藝的溫降量為2.1 ℃/min。噴粉時間越長，則真空室底部噴粉工藝下的鋼液溫降量越低，凸顯了該工藝的優(yōu)勢。

根據熱量計算公式，噴粉脫硫過程的熱量變化組成及占比如圖6所示。

圖6 噴粉精煉過程熱量變化比例餅圖

由圖6可知，噴粉過程，冶金反應釋放的熱量占總熱量變化的37.4%，鋼包口散失的熱量所占比重最大，而載氣與提升氣所消耗的熱量在總熱量變化中微乎其微。

3.4 冶金參數對比

根據目前鋼廠硅鋼生產實踐，以 150 t RH為例，RH頂噴粉精煉周期為50 min，硫含量從50×10-6降至10×10-6，兩種工藝下的不同冶金參數對比如表1所示。

表1 不同工藝下的冶金參數對比

由表1可知，RH底噴粉工藝在粉劑消耗、噴粉時間、溫降量等參數均優(yōu)于頂噴粉工藝，尤其是在總的溫降量RH底噴粉工藝比頂噴粉工藝減少了10.1℃，精煉周期縮短了2 min。

4 結論

通過理論分析提出了RH噴粉脫硫的動力學及熱力學的理論計算方法，利用某鋼廠頂噴粉RH實際生產數據驗證了理論計算的準確性。通過分析及數據對比得出：RH底噴粉工藝的脫硫效率比頂噴粉工藝存在明顯的優(yōu)勢；RH底噴粉工藝的粉劑消耗量及溫降量均低于頂噴粉工藝；以150 t RH為例，鋼液由50×10-6降至10×10-6，RH底噴粉工藝精煉周期比頂噴粉工藝可縮短2 min。