关键词：纯镁脱硫剂；铁水脱硫；镁的利用率

      采用喷吹纯镁铁水脱硫，脱硫效率高，镁的利用率高，周期短，渣量少，铁损量低，生产维护费用低，生产运行成本低，系统简单，工程投资小，是1种先进的脱硫方法。铁水喷吹纯镁脱硫的机理为：吹人铁水的纯镁，经喷枪下部的气化室预热，迅速得到气化，在喷枪出口处或迅速溶人铁水，或以小气泡的形式上浮，并在上浮的过程中继续溶入铁水或直接与铁水中的硫接触发生脱硫反应。同时在载流气体的搅拌下，促进了铁水中硫的传质，使铁水中溶解的镁及气泡中的镁与其进行充分陕速的反应，产生了高效率的脱硫效果。

     武汉钢铁(集团)公司第一炼钢厂(以下简称一炼钢)是目前国内少数采用铁水纯镁脱硫技术的厂家之一。2004年一炼钢每吨铁水纯镁脱硫剂单耗为0．24 kg，每脱1 kg硫，镁耗为1．592 kg(理论镁耗为0．759 4 kg)，镁的利用率为47．11％。但要保持目前的技术水平以及适应钢厂生产发展的需要，有必要结合实际工况条件进行研究，优化喷枪结构及喷吹工艺参数，加强铁水包内的搅拌来提高混匀效果，促进镁脱硫反应从而提高镁的利用率。

1水力学模拟实验

    为研究铁水罐内纯镁脱硫时铁水的流动状况及混匀效果，我们利用相似原理，进行水力学模型模拟实验。为使模型与原形的流体运动规律相似，除保证满足几何相似外，还保证它们之间的动力相似。在研究铁水罐内纯镁脱硫时的流动状况方面主要考虑脱硫喷枪气体流股在喷吹过程中给予铁水的搅拌作用。本试验条件下，喷枪流体流动的惯性与重力相比起着绝对性作用，因此，采用修正的弗劳德准数为相似准数。这样，模型与原形几何相似，流动相似，修正的弗劳德准数相等，故

  式中，V_m，V为模型与原型的喷枪出口气流速度，m／s；d_m，d为模型与原型的喷枪出口直径，mm；ρ_gm，ρ_g风为模型与原型的气体体积质量，kg／m³；ρ_Lm，ρ_L为模型与原型的液体体积质量，kg／m³；g为重力加速度，m／s²。

1．1  铁水流动状况研究

    采用适当的示踪粒子显示流场，可模拟研究不同工况下铁水罐内纯镁脱硫时铁水的流动状况，在偏光源照射下，采用数码技术进行摄像。

1．2  混匀效果

    纯镁脱硫时铁水罐内的混匀效果可用混匀时间来表示。混匀时间越短，其混匀效果越佳，即纯镁在铁水中反应越充分。混匀时间测定如图1所示。在熔池下部置一电导电极，实验时向熔池液面注入ω(KCl)为8％的溶液，每次30 ml。KCl溶液在熔池中的混匀时间根据电导电极输出之电位差变化(以电子电位差计记录)达到稳定的时间来确定。

1．3  影响混匀效果的主要因素

    对每1种枪位，分别对5种不同流量情况下的混匀时间进行测试，试验结果如图2。由图2可以看出在喷枪枪位相同情况下，喷吹气体流量增大，混匀时间在总体上呈下降趋势，变化十分明显，有良好的规律性，同时可以看出喷枪枪位越低，混匀时间越短，呈现良好的规律性。这是因为在喷吹动能一定的条件下，喷枪插入深度越深，喷人铁水罐液体内的气体若要溢出液面，所经路径必定加长，因而气体有更多的时间将自身的动能传递给周围的液体，使搅拌加强，所以混匀时间明显变短。

    将喷吹气体流量、喷枪的枪位、喷枪前部气化室的喇叭口结构尺寸(喷枪喇叭口部分与轴向的夹角、喷枪喇叭口部分高度)作为水力学模型模拟实验4个因素，试验采用L25(5⁶)正交表，通过试验可知在25次正交试验中混匀时间最长为126s，最短为58．6 s，最短混匀时间对应的组合为：喷枪的枪位最低、喷吹流量最大、喷枪喇叭口部分与轴向的夹角为11⁰、喷枪喇叭口部分高度为705 mm(已将试验值换算成对应的实际值)。上述4个因素的极差．R分别为122．0、99．7、76．3、52．0可以看出影响混匀时间的依次为喷枪的枪位、喷吹气体流量、喷枪喇叭口部分与轴向的夹角、喷枪喇叭口部分高度。

    (1)喷枪的枪位(插入深度)：喷枪在铁水包中的位置对流动状态及循环区各部分的形成及比例会有重要影响。其枪位越低，混匀时间越短。

    (2)喷吹流量：喷入载气的动力及浮力是造成罐内铁水流动的主要原因。通过混匀时间测定表明：喷吹流量越大，混匀时间越短。但是当喷枪的枪位达最低值时，喷吹流量对混匀时间的影响明显变低，因此实际生产中在低喷枪枪位下操作，在保证不堵枪的情况下，可尽量采用小流量喷吹。

    (3)喷枪喇叭口部分与轴向夹角对混匀时间存在最佳值，在8⁰、9⁰、10⁰、11⁰、12⁰的5个夹角中12⁰的效果最好，混匀时间最短。

    (4)喷枪喇叭口部分高度对混匀时间也存在最佳值，在600、635、670、705、740mm中，740mm的混匀时间最短。

2提高脱硫效率实践

2．1  喷吹流量的确定

    (1)为尽量减少设备因素对喷吹流量的影响，我们将脱硫站喷吹计量给料罐到喷枪的距离由原1号脱硫站约90 m，2号脱硫站约50 m均缩短到约10 m，喷吹管道的缩短使管道阻损大大降低，喷吹流量减小了，喷吹过程稳定，消除了流量波动引起的剧烈喷溅。

    (2)氮气对于固态的镁来说是惰性气体，但是当环境温度达到670℃时，熔化状态的镁与氮气发生下述反应：

  3Mg+N₂=Mg₃N₂

  而且随着温度的上升，反应速度加快。因此在采用氮气作为载体进行喷镁脱硫时应尽量降低气体喷吹流量以减少上述反应损失。通过水力学模型模拟实验我们知道在低枪位下采用小流量是可行的，为此我们采用了不同的氮气流量(30～60m³／h，标准状态下)进行生产试验，不同气体流量下的镁单耗试验结果见图3。综合脱硫喷溅、铁水温度与堵枪、喷枪振动等因素，将喷枪喷吹流量(标准状态下)定为45 m³／h。

2．2喷枪枪位(插入深度)的影响

  根据对收集的生产有效数据进行分析，总结了枪位对脱硫效率的影响。图4试验数据的平均前的ω(S)为0．028 3％、平均后的ω(S)为0．009 8％，由图4可看出在前后硫相同的条件下，喷枪的枪位越低(我厂考虑到喷枪下部需要一定的反应空间及保护罐底的需要，将喷枪头部距罐底150mm处定为零位)，脱硫镁单耗越低，脱硫效率越高，这是因为枪位越低脱硫反应的混匀时间越短，颗粒镁在铁水罐内停留的时间越长，脱硫反应越充分所致。

2．3喷枪气化室的改进

  在纯镁脱硫反应中，镁从罐底上浮至铁水液面的过程中并不能完全反应完毕，一炼钢脱硫喷枪，其喷枪前部带有气化室，气化室的设置可使喷入的镁粉迅速熔化、气化，并溶于铁水。通过研究发现，喷枪前部气化室的喇叭口结构尺寸对铁水罐内的流场及混匀效果有较大影响。而喷枪前部气化室的喇叭口结构尺寸(保持喷枪喇叭口部分与轴向的适当夹角与喷枪喇叭口部分适当的高度)可以促进镁粒气化和溶解并延长纯化镁在铁水中停留的时间，使其在铁水罐中可以得到较充分反应。因此保持气化室良好喇叭口结构尺寸可以有效稳定纯镁铁水脱硫效率。   

2．3．1喷枪材质优化

    在原耐火混凝土材质配方中，要求碳化硅粉中的ω(SiC)>90％，在国内是无法生产的，这使得喷枪制作必须依赖进口，而且成本高。为此，我们对耐材配方进行了改进，选择ω(SiC)>80％的国产碳化硅粉，同时在喷枪的骨料、粉料及结合剂的配比进行调整，通过大量的工业性试验，保证喷枪的可施工性，整体性及热稳定性，经测定其抗压强度及耐火度均优于原配方生产的喷枪(见表1)，为在现有铁水条件下保证气化室良好喇叭口结构尺寸打下了基础。

2．3．2  气化室防粘渣措施

    在实际生产中，喷枪的喇叭口结构尺寸除了与制作质量、规范操作有关以外，气化室粘渣也是影响喷枪喇叭口结构尺寸的主要因素之一；如果气化室粘渣，会影响脱硫效率，严重时会堵塞喷枪，因此气化室粘渣必须及时处理。而在处理气化室粘渣的过程中，由于渣的熔点高，硬度大难以处理，必须使用较强冲击力的工具来处理，而较强机械冲击力往往导致气化室中锚固件受损，耐材大面积剥落致使喷枪报废。为解决这一难题，对气化室内壁进行喷脱渣涂料处理，起到隔离铁水渣与气化室内壁结合的作用，极大改善了气化室内壁粘渣问题，使喷枪处理频率和劳动强度大大降低，保证了气化室内腔良好的形状尺寸，为纯镁的气化得以充分进行，使脱硫反应能充分进行，降低脱硫剂消耗。

2．4喷枪结构优化效果

    根据水力学模型模拟实验结果，我们对喷枪结构进行了优化，其主要参数为：喷枪喇叭口部分夹角11⁰、喷枪喇叭口高度705 mm(现有喷枪喇叭口部分夹角10⁰、喷枪喇叭口高度670mm)，共制作2支。为对比喷枪结构优化前后的脱硫效果于2005年8月进行现场生产试验150罐(其它工艺参数保持不变即喷枪头部距罐底150mm，喷吹流量在标准状态下为45 rn³／h)，剔除脱硫率为0等生产中的异常情况数据，其有效数据为138罐。根据现场生产试验结果，使用结构优化后的喷枪可以降低硫耗，提高脱硫效率。对比试验结果见表2。

3结  论

    (1)为提高铁水纯镁脱硫镁的利用率，在保证喷吹过程平稳的前提下应尽量降低气体喷吹流量和增加喷枪的插入深度。

    (2)使用结构优化后的喷枪降低了镁耗，提高了镁的利用率。