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        鐵水預(yù)處理脫硫系統(tǒng)工藝設(shè)備技術(shù)改造

        2023-12-21 09:33:14朱欣林
        冶金動力 2023年6期
        關(guān)鍵詞:鎂粉分配器噴槍

        朱欣林,劉 威,趙 濱

        (馬鞍山鋼鐵股份有限公司長材事業(yè)部,安徽馬鞍山 243000)

        前言

        硫元素是鋼中常見的雜質(zhì)元素,對鋼材的性能有諸多影響,不僅容易造成鋼的熱脆現(xiàn)象,還會對鋼材的力學(xué)性能、抗侵蝕性能和焊接性能造成影響,所以在生產(chǎn)過程中需要對其進(jìn)行控制。鐵水預(yù)處理是對鐵水進(jìn)行預(yù)脫硫的重要手段,目前主要有攪拌法(KR 法)和噴吹法兩種工藝方法,其中噴吹法又分為單噴金屬鎂和混噴石灰加鎂粉的復(fù)合噴吹法,兩種工藝在技術(shù)上都已經(jīng)相當(dāng)成熟[1]。

        馬鋼長材事業(yè)部煉鋼一分廠(以下簡稱煉鋼一分廠)配有2座鐵水預(yù)處理站:1#鐵水預(yù)處理系統(tǒng)采用混噴石灰加鎂粉工藝,2#鐵水預(yù)處理系統(tǒng)采用單噴金屬鎂粉工藝。

        在實際使用過程中,2#鐵水預(yù)處理站單噴鎂粉的工藝方式運行不穩(wěn)定,噴吹效果不理想,脫硫過程中反應(yīng)強(qiáng)烈并常伴有較大噴濺,不僅制約鐵水預(yù)處理的效率,還對設(shè)備運行的穩(wěn)定性和人員安全性造成影響,需要對其進(jìn)行技術(shù)改造。

        1 脫硫工藝分析

        1.1 單噴鎂粉脫硫工藝簡析

        單噴鎂粉型鐵水預(yù)處理工藝是用氮氣輸送鎂粉,通過噴槍將鎂粉噴入鐵水罐,鎂粉與鐵水進(jìn)行反應(yīng),達(dá)到脫硫的目的。此設(shè)備運行時純鎂粉與鐵水會產(chǎn)生劇烈反應(yīng),并且由于鎂粉本身的流動性較差,使得鎂粉在管道內(nèi)輸送時的速率不均勻,常出現(xiàn)鎂粉間斷性流量較大現(xiàn)象。以上問題疊加,經(jīng)常導(dǎo)致噴槍末端發(fā)生噴爆現(xiàn)象,造成較大規(guī)模鐵水噴濺,故障率高,鐵水損耗大。

        1.2 混噴石灰加鎂粉脫硫工藝簡析

        混噴石灰加鎂粉鐵水預(yù)處理工藝是用氮氣輸送流態(tài)化的石灰粉和鎂粉混合物,使混合物進(jìn)入鐵水內(nèi)部進(jìn)行脫硫造渣?;旌狭耸液?,鎂粉純度下降,且以流動性能優(yōu)良的流態(tài)化石灰為輔助輸送鎂粉,輸送速率更加穩(wěn)定,反應(yīng)更加平穩(wěn)。相比之下,混噴石灰加鎂粉工藝方式脫硫過程更加穩(wěn)定,更有利于現(xiàn)場的生產(chǎn)順行?;靽娛壹渔V粉鐵水預(yù)處理工藝流程簡圖見圖1。

        圖1 混噴石灰加鎂粉鐵水預(yù)處理工藝流程簡圖

        2 熱力學(xué)條件分析

        采用單噴鎂粉進(jìn)行鐵水預(yù)處理時,Mg元素與鐵水中的S 元素發(fā)生反應(yīng),生成MgS,達(dá)到脫硫的目的[2]。

        當(dāng)采用混噴石灰加鎂粉進(jìn)行鐵水預(yù)處理時,由于鐵水中存在石灰(CaO),在鐵水溫度條件下,S 元素與Ca 元素的親和力比S 元素與Mg 元素的親和力更強(qiáng),所以生成的MgS 會進(jìn)一步與CaO 反應(yīng)生成MgO與CaS,即脫硫的最終產(chǎn)物是MgO與CaS[3]。

        采用單噴鎂粉進(jìn)行鐵水預(yù)處理時,脫硫反應(yīng)的產(chǎn)物是MgS;采用混噴石灰加鎂粉進(jìn)行鐵水預(yù)處理時,脫硫產(chǎn)物是更穩(wěn)定的CaS[4]。相比較之下,混噴具有更穩(wěn)定的鐵水深脫硫效果,且由于鈍化鎂粉價格相對高昂,所以采用混噴工藝還能夠降低生產(chǎn)成本。

        3 設(shè)備改造升級及自動控制

        經(jīng)過對兩種預(yù)處理工藝方式的對比分析,決定對2#鐵水預(yù)處理站單噴鎂粉脫硫工藝進(jìn)行改造,將其改成鎂粉加石灰混噴的脫硫工藝,完成國產(chǎn)化的混噴型鐵水預(yù)處理系統(tǒng)。

        3.1 設(shè)備升級改造

        為最大限度節(jié)約升級改造成本,本次設(shè)備升級改造并不是推倒重建,而是在充分利用原設(shè)備基礎(chǔ)的前提下,進(jìn)行重新設(shè)計與優(yōu)化,大幅節(jié)約改造成本并縮短改造工期。

        (1)設(shè)計了噴槍安裝過渡結(jié)構(gòu),在不改變原噴槍升降設(shè)備的前提下,實現(xiàn)混噴型噴槍快速更換。

        (2)設(shè)計了鎂粉與石灰原料大倉Y型分支結(jié)構(gòu),利用原有進(jìn)口一站大倉,單獨增設(shè)小罐分配器,直接旁路分支鋪設(shè)安裝相應(yīng)調(diào)節(jié)閥、控制器、噴吹管等設(shè)備。

        (3)根據(jù)混噴工藝,進(jìn)行工藝設(shè)備國產(chǎn)化選型,充分選用國產(chǎn)設(shè)備代替進(jìn)口設(shè)備,降低改造成本,整體系統(tǒng)升級,國產(chǎn)化備件使用率達(dá)到95%。

        (4)原先兩套脫硫的液壓站分布在相應(yīng)的扒渣操作間,造成扒渣間空間位置狹小,且扒渣機(jī)回轉(zhuǎn)軸承因空間布局限制,無法快速檢修,一旦發(fā)生回轉(zhuǎn)故障,需花費數(shù)日進(jìn)行平臺拆除方可進(jìn)行檢修。本次改造將扒渣間液壓站移位,上、下平臺貫通,增設(shè)龍門橫梁,設(shè)置活動蓋板,這樣在扒渣機(jī)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障時,打開活動蓋板,利用龍門橫梁吊裝提升扒渣機(jī)后,即可直接進(jìn)行在線修復(fù),為今后設(shè)備檢修維護(hù)帶來便捷。

        3.2 自動控制系統(tǒng)改造

        根據(jù)混噴型工藝要求,原單噴型設(shè)備需要進(jìn)行更新改造。為節(jié)約成本,充分研究原有基礎(chǔ)可利用率,最終僅將噴槍座和舊鎂粉倉進(jìn)行了拆除,整個噴槍升降傳動裝置程序改進(jìn)后繼續(xù)使用,增建鎂粉分配器和石灰分配器,根據(jù)空間布局采用大弧彎鋪設(shè)噴吹管路,減少輸送阻力,根據(jù)總體的升級改造設(shè)計方案要求,結(jié)合現(xiàn)場的實際需求和經(jīng)驗積累,建立趨于完善的國產(chǎn)設(shè)備模型及工藝操作模型,實現(xiàn)國產(chǎn)化升級改造。

        (1)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu):采用西門子Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)CPU、噴槍變頻器、ET-200M 遠(yuǎn)程站之間的通信,2 臺操作員工作站通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC 系統(tǒng)實現(xiàn)通信。

        (2)噴槍自動控制:采用S120 變頻器對噴槍電機(jī)進(jìn)行變頻控制,設(shè)置1只噴槍位置編碼,用于噴槍槍位檢測和高低速以及行程控制。

        (3)鐵水車自動控制:采用SEW 變頻控制,站內(nèi)和站外分別設(shè)置減速限位和到位限位,用于鐵水車的準(zhǔn)確定位和到位停產(chǎn)控制。鐵水車?yán)密圀w油缸可以實現(xiàn)傾翻操作。

        (4)加料和噴吹料位控制:從大倉往2#站進(jìn)行加料控制,通過1#站石灰和鎂粉大倉的料位信息,控制2#站分配器罐的加料。噴吹過程中對石灰和鎂粉分配器重量設(shè)置最低重量保護(hù)。分配器往噴吹管道下料采用孔板結(jié)構(gòu),為防止孔板堵料,對孔板增加自動吹掃控制。部分加料控制程序見圖2。

        圖2 加料控制程序(部分)

        (5)噴吹自動化控制:輸入進(jìn)站鐵水溫度、鐵水重量、鐵水進(jìn)站硫含量、出站目標(biāo)硫含量,在HMI 中點擊計算后,系統(tǒng)將自動計算出脫硫所需的鎂粉量。在一鍵下槍噴吹控制邏輯中,石灰下料的速率值參與聯(lián)鎖提槍,當(dāng)噴吹完所需要的鎂粉數(shù)量后,噴槍自動提槍至等待位,進(jìn)行5次脈沖模式吹掃后,再自動提到最高位完成本爐鐵水的脫硫噴吹。部分噴吹控制程序見圖3。

        圖3 噴吹控制程序(部分)

        3.3 改造后工藝參數(shù)調(diào)試

        系統(tǒng)設(shè)備建設(shè)完成后進(jìn)入調(diào)試階段,根據(jù)前期計算出的輸送氣體壓力和噴槍出口壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)試,制定初調(diào)和終調(diào)方案。初調(diào)時采用空罐噴吹,分別按照單吹石灰、單吹鎂粉、混噴鎂粉加石灰的步驟逐步進(jìn)行調(diào)試。檢查空罐混噴時的走料平穩(wěn)性滿足要求后,進(jìn)行滿罐調(diào)試,此為終調(diào)即正常生產(chǎn)狀態(tài)的調(diào)試。帶載荷后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了部分調(diào)整和修正,完成關(guān)鍵核心參數(shù)氮氣主輸送進(jìn)口壓力、噴槍出口壓力、石灰分配器壓力、鎂粉分配器壓力以及噴槍高度的工藝技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)。在噴吹主管道為DN25 的條件下,各參數(shù)工藝技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)為:氮氣主輸送進(jìn)口壓力為1~1.2 MPa,噴槍出口壓力為350 kPa,石灰分配器壓力為340 kPa,鎂粉分配器壓力為320 kPa,噴槍高度為距罐底300~500 mm。經(jīng)過1個月的試運行,混噴壓力穩(wěn)定,現(xiàn)場噴吹過程中金屬反應(yīng)平穩(wěn),給料均勻無噴濺,脫硫效果滿足工藝技術(shù)要求。

        4 實際應(yīng)用效果

        4.1 設(shè)備運行情況

        改造后的2#鐵水預(yù)處理站已投入運行1 年,與1#鐵水預(yù)處理控制系統(tǒng)相比更加簡單。通過對調(diào)節(jié)閥的持續(xù)優(yōu)化,使石灰與鎂粉分配器氮氣設(shè)定壓力與實際壓力差值控制在±5 kPa 以內(nèi),石灰和鎂粉分配器的設(shè)定壓力與實際壓力對比情況見圖4。從圖4 可以看出,整個噴吹過程壓力穩(wěn)定。改造后設(shè)備運行平穩(wěn)且故障率低,取得的效果超出了預(yù)期目標(biāo)。

        圖4 分配器設(shè)定壓力與實際壓力對比圖

        4.2 脫硫效果對比

        2#鐵水預(yù)處理站由單噴鎂粉改造成混噴鎂粉加石灰工藝對鐵水進(jìn)行脫硫后,脫硫效率更快、效果更好,改造前、后鐵水脫硫數(shù)據(jù)對比見表1。

        表1 改造前、后鐵水脫硫數(shù)據(jù)對比

        由表1可看出,改造前、后相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)對比差別較為明顯,采用混噴鎂粉加石灰工藝使得脫硫后鐵水中S含量更低,比單噴鎂粉時降低了25%,每罐鐵水處理周期減少3 min,同時鎂粉用量也減少了0.07 kg/t鐵,分廠每月鐵水處理量約4.5 萬t。按照目前鎂粉價格34 000 元/t,流態(tài)化石灰價格1 000 元/t計算,則改造后每年降低脫硫劑使用成本47.52 萬元;同時由于改造后脫硫過程平穩(wěn),處理過程中可減少鐵水噴濺量7.5 kg/t鐵,按照差價200 元/t鋼計算,每年可創(chuàng)造效益81 萬元,則改造后每年可創(chuàng)造效益128.52 萬元。

        5 結(jié)論

        改造后的2#鐵水預(yù)處理站操作簡單、運行穩(wěn)定,能夠滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的需要。

        (1)實現(xiàn)了由單噴鎂粉脫硫向混噴鎂粉加石灰脫硫工藝的轉(zhuǎn)變,操作控制系統(tǒng)更加簡單,噴吹過程壓力更加穩(wěn)定,設(shè)備運行平穩(wěn)且故障率低,設(shè)備維護(hù)成本降低,取得了較好效果。

        (2)采用混噴鎂粉加石灰工藝,脫硫后鐵水中S 含量更低,每罐鐵水處理周期減少,鎂粉用量降低,節(jié)約了脫硫成本。

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