摘要:介绍了湘钢一炼钢铁水罐喷吹颗粒镁脱硫工艺，对镁脱硫效果及关键指标进行了对比分析。同时，针对铁水温度、初始硫的质量分数及喷吹工艺参数对镁脱硫效果的影响进行了分析，对铁损、喷吹温降和脱硫成本进行了测算，结果表明主要技术经济指标达到国内先进水平，提出了进一步提高镁利用率的改进措施。
关键词:铁水；颗粒镁；脱硫
随着纯净钢的发展，对钢中有害元素的要求越来越严格，因此，对硫及其化合物形态的控制越来越受到重视。采用铁水预处理脱硫具有不可比拟的技术经济优势。一方面，可减轻高炉脱硫负担，降低高炉渣碱度和焦比，从而降低高炉生铁成本;另一方面，对转炉炼钢可实现少渣量炼钢，提高铁的回收率。研究表明，高炉中每降低铁水中0.001%的硫的质量分数，需增加焦比2～3 kg/ t, 而进行炉外脱硫.可以降低焦比30～40 kg/ t.产量提高5%～8%。
湘钢第二炼钢厂于2003年初引进乌克兰钛设计院的镁脱硫技术，建成了年处理能力120万t的铁水罐单吹涂层颗粒镁铁水脱硫站，2003年5月正式投入生产。2003年8月至12月的生产实践表明，主要技术经济指标均达到了设计保证值，其中几项关键指标达到国内同类工艺的新水平。
1工艺特点
1. 1工艺流程
湘钢第二炼钢厂铁水罐喷吹颗粒镁脱硫工艺流程如图1所示。若铁水初始硫的质量分数较低，能满足钢种冶炼要求,则只进行扒渣处理。
图1 喷吹颗粒镁脱硫工艺流程
1-喷枪；2一喷枪架；3一输镁管；4一计量给料罐；5一控制台；6一除尘器；
7一装料罐；8一铁水包；9一集尘罩；10一喷枪气化室
图2 颗粒镁脱硫设备示意图
1. 2工艺装备特点
铁水罐喷吹颗粒镁脱硫包括喷吹、扒渣、除尘及自动化控制等系统。主要设备组成如图2所示。
该工艺装备具有以下特点:
(1)设备简单紧凑，便于操作和维护;
(2)过程控制简便，喷吹载气中只有一种粉剂，控制参数少，操作易于自动化;
(3)计量给料精度高，可减少镁消耗、稳定脱硫操作;
(4)喷枪端部带气化室，可使镁尽可能在气化室内腔中气化以提高镁利用率;
(5)喷镁脱硫过程采用计算机自动控制，处理前输入铁水初始硫、目标硫、铁水质量、温度等参数，计算机自动计算出该罐铁水所需耗镁量，当喷吹到目标耗镁量时，自动提枪。
1. 3主要工艺参数
湘钢转炉钢以生产优质棒线材及管坯为主，当铁水初始硫较高(w(Si)> 0.020%)，品种钢对硫要求较严时.则进行喷镁脱硫。根据钢种要求，喷镁脱硫分深脱与浅脱两种方式，处理后目标w(Sf)分别为0. 005 % ,0. 010%左右。
该工艺主要参数控制如下:
(1)铁水: w(Si)≤0. 035%，处理前温度≥1280℃.质量≤94 t;
(2)颗粒镁:钝化前 w(Mg)≥ 99.5%，钝化后w(Mg)≥95.0%,w(S)≤0.002%,粒度0.5～1.6㎜;
3)气源:以氮气为输送镁粒的载体，喷吹压力≥0. 3 MPa，流量40～50 m3/ h;
(4)喷吹参数:喷镁强度6.0～7. 5 kg/ min，喷吹时间3. 0～5. 0 min，喷枪插入深度>2.2m;
(5)扒渣参数:扒渣时间5. 0～7. 0 m in，扒渣速度210 kg/ m in;
(6)稠渣剂:生白云石粉，用量约100 ㎏/罐。
2脱硫效果
2003年8月至12月脱硫站共接受铁水4 460罐，其中脱硫处理2 505罐.,占总数的56. 17%，扒渣处理1955罐，占43. 83%。脱硫处理中深脱硫(w(Sf)= 0.005%) 938罐、浅脱硫( w(Sf)=0. 010%) 1567罐.分别占脱硫罐数的37. 45% 、62 .55%。深脱硫、浅脱硫的实际效果如表1 ,2所示。
表1 铁水深脱硫的效果
|
目标
w(S)/% |
处理数/罐 |
比例/% |
w(Si)/% |
w(Sf)/% |
脱硫率/% |
吨铁耗镁量/㎏ |
脱1㎏硫耗镁量/㎏ |
镁利用率/% |
|
＜0.002 |
3 |
0.32 |
0.0317 |
0.0018 |
94.32 |
0.429 |
1.435 |
52.26 |
|
0.002~0.003 |
40 |
4.26 |
0.0310 |
0.0022 |
92.90 |
0.420 |
1.458 |
51.44 |
|
0.003~0.004 |
73 |
7.78 |
0.0322 |
0.0032 |
90.06 |
0.416 |
1.434 |
52.30 |
|
0.004~0.005 |
259 |
27.61 |
0.0315 |
0.0043 |
86.35 |
0.384 |
1.412 |
53.12 |
|
0.005~0.006 |
563 |
60.03 |
0.0308 |
0.0053 |
82.79 |
0.378 |
1.482 |
50.60 |
|
合计 |
938 |
100.00 |
0.0312 |
0.0043 |
86.22 |
0.392 |
1.458 |
51.44 |
表2 铁水浅脱硫的效果
|
目标
w(S)/% |
处理数/罐 |
比例/% |
w(Si)/% |
w(Sf)/% |
脱硫率/% |
吨铁耗镁量/㎏ |
脱1㎏硫耗镁量/㎏ |
镁利用率/% |
|
0.006~0.007 |
183 |
11.68 |
0.0334 |
0.0061 |
81.74 |
0.370 |
1.36 |
55.15 |
|
0.007~0.008 |
366 |
23.36 |
0.0340 |
0.0071 |
79.12 |
0.365 |
1.36 |
55.15 |
|
0.008~0.009 |
279 |
17.80 |
0.0346 |
0.0080 |
76.88 |
0.359 |
1.35 |
55.56 |
|
0.009~0.010 |
309 |
19.72 |
0.0350 |
0.0091 |
74.00 |
0.351 |
1.36 |
55.15 |
|
0.010~0.020 |
417 |
26.61 |
0.0344 |
0.0119 |
65.41 |
0.300 |
1.32 |
56.81 |
|
＞0.020 |
13 |
0.83 |
0.0406 |
0.0220 |
45.81 |
0.273 |
1.47 |
51.02 |
|
合计 |
1567 |
100.00 |
0.0346 |
0.0090 |
73.99 |
0.351 |
1.37 |
54.74 |
表3 镁脱硫回归方程
|
脱硫程度 |
统计量/组 |
目标
w(S)/10-6 |
温度/℃ |
铁水量/t |
回归方程式1﹞ |
相关系R |
|
深脱 |
938 |
50 |
＞1250 |
78 |
Y=0.0662X+0.0029 |
0.975 |
|
浅脱 |
1567 |
100 |
＞1250 |
77 |
Y=0.0714X+0.0010 |
0.960 |
1）X为吨铁耗镁量，Y为脱硫量
从表1 ,2可知.湘钢二炼钢铁水镁脱硫的关键指标脱硫率、吨铁耗镁量、脱1 kg硫耗镁量、镁利用率等都比较理想。
(1)脱硫率(ηs=(w(Si)- w(Sf))/ w(Si)×100%
深脱硫时，平均脱硫率达86. 22% ，其中12 36%罐次脱硫率>90%;浅脱硫时，平均脱硫率为74% ，国内先进水平为88% 。
(2)吨铁耗镁量
深脱硫时，吨铁耗镁量平均为0. 392 kg/ t;浅脱硫时，吨铁耗镁量平均为0. 351 kg/ t ，国内先进水平为0. 396 kg/ t·
(3)脱1 kg硫耗镁量
它是衡量镁被硫吸收程度的特征值，即反映脱硫时镁的有效利用率水平。根据镁脱硫反应[Mg]+[S]=(MgS),理论上，脱1 kg硫需要纯镁0.75kg。实际生产中，深脱硫时，脱1 kg硫耗镁量平均为1. 458 kg;浅脱硫时，脱1 kg硫耗镁量平均为1. 37 kg，国内先进水平为1. 50 kg .
(4)镁利用率
镁利用率定义为脱1 kg硫理论耗镁量与实际耗镁量之比。
深脱硫时，镁利用率约51. 44%;浅脱硫时，镁利用率约54. 74%。
3应用效果分析
3. 1脱硫量与耗镁量的关系
脱硫量与耗镁量是一对重要的关联指标，既反映镁脱硫能力，又决定脱硫的成本。通过对经脱硫处理的2 500多组数据进行回归分析，得出不同脱硫程度(深脱、浅脱)下脱硫量与耗镁量的回归方程如表3所示，说明吨铁耗镁量同脱硫量之间有一定的对应关系。
3. 2脱1 kg硫耗镁量
根据表1 ,2中镁脱硫实际生产数据可知，浅脱硫时，每脱1 kg硫耗镁量为1. 37 kg，低于设计保证值1. 41 kg,镁的利用率为54. 74% ;深脱硫时，每脱1 kg硫耗镁量为1. 458 kg，低于设计保证值1. 610kg,镁的利用率为51. 44%。这说明当铁水初始条件一定时，随铁水目标硫的质量分数降低，单位脱硫量的耗镁量上升，镁利用率降低。但无论是深脱硫还是浅脱硫，脱1 kg硫耗镁量均在保证值以下，说明镁的利用比较好。
生产实践表明，当铁水目标硫的质量分数要求一定时，镁的利用率受铁水初始条件(如温度、初始硫的质量分数等)及喷吹工艺参数(喷吹压力、深度及供镁强度等)的影响。
铁水初始温度影响镁的气化、溶解，镁的溶解度随压力增加而增大，随温度上升而大幅度下降，从而影响脱硫效率。
当目标硫要求一定时，铁水初始硫的质量分数升高，硫的活度越大，脱硫反应越易进行。因此，单位脱硫量的耗镁量下降，镁的利用率上升。
适当的喷吹压力(控制在0.34MPa左右)有利于镁蒸气溶解，分布均匀，加快脱硫反应。但压力过大，镁在铁液中停留时间缩短，与硫反应不充分，增加镁的损耗，降低镁的利用率，甚至产生喷溅。
合理的喷吹速度(6～8 kg/ min)和喷吹时间( 3～5 min)，可保证脱硫反应更充分，避免反应不完全造成浪费，从而减少镁的消耗。
喷吹深度影响镁的气化和溶解，镁尽可能靠近包底部气化、溶解，保持最大的活跃反应区，可提高脱硫效果，减少镁的消耗。
3. 3铁损
根据检测结果，喷镁前渣中w( Fe)为7. 66% ,喷镁后渣中w( Fe)为12 .93 %n，处理前后渣中w(Fe)增加5. 27 % ,主要原因是由于喷吹过程中铁氧化产物和喷溅物(铁珠)进入了渣中。经测算，渣中带走的铁损约为0. 46 kg/ t 。
为减少铁损，应尽可能减少原始渣量，控制好喷吹工艺参数(如压力、流量等)，防止喷溅。
3. 4喷吹温降
喷吹过程中的工序温降定义为进站温度减去扒渣后温度，两次测温间隔时间平均为23. 9 min(其中喷吹时间 3. 8 min,其他辅助时间 20. 1 min)，工序温降平均为22. 88℃。根据经验，喷吹时降温速度平均为1. 97 ℃/ min，则喷吹温降约为7. 5℃(浅脱为6. 3℃)，其余工序温降速度约为0. 769℃/ min。
3.5脱硫成本
镁脱硫成本主要包括喷枪、脱硫剂、铁损3项费用，根据实际生产数据测算得到的喷枪费用为3. 40元/t，颗粒镁费用为7. 25元/t，铁损费用为6. 40元/t，合计17. 05元/t，剔除铁水成本升高因素外，与国内先进水平相当(15元/t)。
4提高镁利用率的措施
根据乌克兰镁脱硫最佳工艺的应用效果，镁利用率可达68% , 而目前湘钢镁的利用率只有50%左右。根据实际生产情况，提高镁利用率的主要措施有:
(1)喷吹气体采用氩气或天然气取代氮气，减少镁的氮化损失 .
(2)使用颗粒均匀的涂层颗粒镁，适当增加0.6～0.9mm中等颗粒比例，减少过粗、过细颗粒的比例;
(3)减少渣量，因高炉渣硫的质量分数高，硫容量小，影响脱硫。渣量大时，应在喷吹前进行扒渣;
(4)适当减小喷吹压力≤0. 30 MPa)和喷吹速度，防止喷溅，减少镁的逸出损失。
5结论
生产实践表明，湘钢二炼钢铁水罐单吹颗粒镁脱硫应用效果显著。
(1)脱硫效率高，可将铁水中硫的质量分数脱除至0. 005%以下;
(2)脱硫能力强，处理时间短，对铁水硫的质量分数有很强的适应性;
(3)镁的单耗低，利用率较高;
(4)铁损和温降低，脱硫综合成本低;
(5)烟气量少，对环境污染小。
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