单吹颗粒镁铁水脱硫工艺研究与应用

发表时间：[2007-11-03]　　作者：　　编辑录入：admin　　点击数：2191

　摘要:阐述了单吹颗粒镁脱硫的工艺设备特点、基本原理及应用效果。该工艺具有布置简单、成本低、工艺过程自动控制、喷吹精度高等优点。凌钢铁水罐采用单吹颗粒镁脱硫工艺后获得显著效果，最佳终点w(s)达到0.002%，铁液温降为0.92℃/min,镁耗为0.63㎏/t，脱硫效率达82%。

　关键词:铁水脱硫；颗粒镁；喷吹

　目前,国内外钢铁企业采用的铁液脱硫技术主要有投掷法、喷吹法和机械搅拌法等;脱硫剂有氧化钙、碳酸钙、碳化钙、碳酸钠、镁(金属镁)等。国内武钢、首钢、太钢、湘钢、青钢等己广泛采用乌克兰的单吹颗粒镁铁液脱硫工艺。其主要优点是，脱硫效率高，可将铁液中w(s)降至0.001%以下;脱硫能力强,对铁液含硫的适应性强;脱硫剂利用率可高达95%以上;铁耗和温降低,渣量少,过程自动化控制,综合成本低;可减轻环境污染。为此,凌钢采用了铁水罐单吹颗粒镁脱硫技术并取得显著效果。

1 工艺设备特点

　单吹颗粒镁铁液脱硫主体设备有镁转装罐、计量给料罐、喷枪架车、铁液罐倾翻车及自动化控制设备,具体布置见图1。

　其工艺设备特点是:①整体设备布置简单,相应的设备运行费用较低。凌钢高炉铁液罐内实施单吹颗粒镁工艺与镁-石灰粉料混吹工艺相比,将铁液初始w(S)0.060%降至终点w(S)0.015%,前者可节省15.5元/t。②脱硫过程采用计算机自动控制(脱硫剂仅有1种),操作过程简单易行,即在脱硫处理前通过键盘输入铁水初始硫、目标硫、铁液质量和温度,以及喷吹强度等技术参数,计算机根据数值模型自动计算耗镁量和喷吹时间等,并完成整个喷吹过程。③喷吹精度作为该工艺的关键指标,其喷吹精度误差应≤0.5%;若其波动范围大于此值,既增加消耗又影响脱硫效率,甚至会造成喷溅或堵枪等生产事故。喷吹量由计量给料罐称量系统实施数值信息反馈,喷吹颗粒镁的精度由转子给料器控制。转子给料器由多级旋转格孔叶片组成,其处理能力为4～20kg/min,计量罐称量误差为0.02%～0.04%。④为了提高镁的利用率,尽量延长镁在铁液中的上浮时间,缩短其相变时间,力求在尽可能深的部位使镁蒸汽溶解在铁液中,故采用端部带气化室的喷枪喷镁。这样,既确保了镁的脱硫效率又防止了堵枪事故的发生。考虑到镁的上浮时间、受热和相变时间与其粒度的关系,以及投放深度等因素,选择粒径为Φ0.5～Φ1.6mm的颗粒镁,以更好地适应汽化室喷枪的特性。

2 工艺原理

　金属镁(熔点651℃.沸点1107℃)在铁液温度下以蒸汽形式存在。镁的蒸汽压与温度的关系见式(1):

　 LgP=-6802/t+4.993(1)

　在1250～1400℃铁液温度范围内镁蒸汽压可达340～857kPa。高压蒸汽导致镁进入铁液后即刻气化且高速向外排除。因此,用镁脱硫须控制镁的气化温度。由于镁进入铁液后会气化和溶解,故镁与硫的反应见式(2)和式(3)

　 {Mg}+[S]→(MgS)　 (2)

　 {Mg}→[Mg] [Mg]+[S]→(MgS)　 (3)

　在实际生产中镁脱硫反应主要按式(3)进行,颗粒镁进入铁液后气化、溶解,再参与脱硫。镁气化时使反应区附近的铁液得到良好搅拌,故镁与硫的反应不只局限于喷枪区域,而是在整罐铁液范围内,脱硫效率很高。

　铁液中镁蒸汽与硫的反应见式(4):

　 {Mg}+[S]=(MgS)

　 △G⁰=-404680+169.62t(4)

　在t=1350℃时,理论上镁蒸汽能把铁液中w(S)脱至0.001% ,但实际上其脱硫效果随温度的升高而降低,且当铁液中硫降低时镁的溶损也会增加。铁液中w(S)=0.012%时溶损耗镁与脱硫耗镁基本相等,w(S)=0.005%时前者是后者的5～10倍。因此,铁液终点硫较低时镁耗会增加,镁的脱硫效率亦会降低。

　总之,镁是一种有效的脱硫剂,能将硫脱到很低水平。但由于镁的熔点和沸点均较低,镁在铁液中的溶解度会随压力的增加而增大,故加大镁的投放深度和低温操作有利于镁在铁液中的溶解和脱硫。但是,温度过低又会因动力学条件变差而影响镁的利用率,因此根据生产实际确定较为理想的脱硫温度应是1210～1350℃。

3 脱硫剂消耗分析

3.1 镁消耗与温度的关系

　镁实际消耗随铁液温度的升高呈增加趋势(图2)。这与前面讨论结果相吻合,随温度的升高与相同硫平衡的镁增多,表现为脱硫剂单耗增加;另外,由于镁脱硫反应是放热反应,故较高的温度不利于反应的进行这也是镁耗增加的原因所在。

3.2 镁消耗与脱硫量的关系

　图3的横轴为吨铁脱w(S)0.001%的镁耗,纵轴为铁液初始硫与终点硫之差(△S)。当△s值较小时镁耗呈增加趋势,这是因在铁液温度范围内镁与硫的亲和力比镁与氧的小,镁与氧反应先于脱硫反应进行所致。实际生产表现为,镁进入铁液后首先与铁液中氧反应,部分镁被消耗掉;另外,因镁的化学活性高则镁在铁液中除与氧和硫反应外,还会存在式(5)反应:

　 3Mg+N₂=Mg₃N₂(s)

　 Mg+H₂0=Mg0(s)+2[H]　 (5)

　以上反应也会造成镁的损失，镁的溶解损失也会降低镁的利用率,所以在实践中镁耗与脱硫量不成正比遵循图3的规律，近似于指数关系。

4 应用效果

　实际应用情况见表1。实施单吹颗粒镁铁液脱硫工艺效果显著:最佳铁液终点 w(S)=0.002% ,铁液温降0.92℃/min,镁耗为0.63㎏/t,脱硫效率达82%，说明该厂应用此工艺是成功的。但在工业生产中脱硫铁液的回硫仍是一不容忽视的问题，凌钢经验是将铁液回硫w(S)控制在0.003%～0.006%。回硫主要与扒渣有关，可解释为在一定铁液温度范围内镁与氧的亲和力比镁与硫的大，铁液脱硫产物硫化镁与氧作用生成氧化镁而导致回硫现象发生。可见，脱硫工艺中的扒渣至关重要，可通过应用聚渣剂粘化脱硫渣以及改进扒渣板结构等措施来提高扒渣效果，以控制冶炼回硫。

表1　　生产应用效果

序号	铁液质量/t	铁液温降/(℃·min^-1)	喷镁时间/min	镁单耗/(㎏·t^-1)	铁液中w(s)/%			脱硫效率/%
序号	铁液质量/t	铁液温降/(℃·min^-1)	喷镁时间/min	镁单耗/(㎏·t^-1)	初硫	目标硫	终硫	脱硫效率/%
1	47.60	0.58	6-20	0.70	0.029	0.005	0.002	93
2	49.30	0.65	6-16	0.70	0.029	0.005	0.002	93
3	63.00	0.57	9-50	0.85	0.039	0.005	0.009	77
4	52.80	1.11	4-33	0.47	0.032	0.015	0.005	84
5	53.00	0.38	5-36	0.76	0.032	0.005	0.003	91
6	51.30	0.52	7-00	0.89	0.042	0.005	0.003	93
7	50.00	0.94	5-35	0.64	0.020	0.005	0.003	85
8	50.00	1.04	5-17	0.64	0.019	0.005	0.003	84
9	52.70	0.48	3-54	0.47	0.032	0.015	0.012	63
10	54.70	1.06	4-30	0.42	0.035	0.015	0.008	77
11	48.60	0.94	7-00	0.75	0.050	0.015	0.010	80
12	56.00	1.63	5-25	0.64	0.025	0.005	0.004	84
13	52.80	1.06	5-26	0.61	0.040	0.015	0.006	85
14	56.50	1.36	3-32	0.32	0.025	0.015	0.006	76
15	57.90	0.55	3-30	0.32	0.025	0.015	0.007	72
16	53.50	1.21	4-54	0.53	0.035	0.015	0.007	80
17	52.40	0.91	6-20	0.64	0.020	0.005	0.004	80
18	51.70	0.84	5-01	0.64	0.023	0.005	0.005	78
平均	52.99	0.92	-	0.61	0.031	0.009	0.006	82

5 结语

　实践证明，单吹颗粒镁铁液脱硫工艺的脱硫效率高、周期短、温降小、运行成本低、自动化程度高。该工艺在凌钢的应用是成功的，实际生产中的回硫问题可通过改善扒渣效果来加以控制。