14不同铁水炉外脱硫过程工艺指标的综-合-对-比-分-析

舍甫钦克А.Ф,等:不同铁水炉外脱硫过程工艺指标的综合对比分析1不同铁水炉外脱硫过程工艺指标的综合对比分析舍甫钦克А.Ф.—乌克兰科学院黑色冶金研究所技术科学博士；巴什马可夫А.М.—乌克兰钛设计研究院技术科学副博士；刘东业—中国营口戴斯玛克公司（董事长兼总经理）摘要：对照分析了铁水炉外脱硫不同过程的技术-经济指标。与以往采用方法不同，按宽广的指标清单进行了评价。证明了对过程的评价光看脱硫剂费用是不够的，必须考虑炉外处理铁水的所有作业和各个分项。确定了不加钝化剂而单独喷吹粒状镁的过程是最优先的，KRCaO过程是费用最高的，参见表4第6项。关键词：单独喷吹颗粒镁法；喷吹镁与石灰混合物法；KR法当前，炼钢生产领域正在发生的积极的现代化变革，覆盖了备料、冶炼、铸造等过程的所有工艺层面，也包括了转炉冶炼前的铁水炉外处理脱硫过程。许多国家的冶金工作在铁水炉外脱硫方面都具有丰富的经验和生产实践，这就足以使我们能够全面评价在这方面已有的工艺得失，以利于用科学冷静的态度选择最合理的炉外铁水脱硫工艺。在选择转炉冶炼前最合理的铁水炉外脱硫工艺时，必须考虑到过程的下列方面：1、在现代化转炉车间的工作条件下（年产250~300万吨钢）要达到的铁水脱硫深度；2、工艺过程是否有脱硫剂生产基地保障；3、炉外处理综合产能和作业周期；4、脱硫过程工艺指标和潜在能力；5、实施工艺相关的损失；6、为实现工艺而建造铁水脱硫综合设施的基建费用；7、工艺方法的环保层面；8、过程的保证指标水平、工艺设备水平及综合水平；9、铁水炉外处理全过程的工艺成本（费用）。下面根据铁水脱硫扒渣实际工业运行数据和已发表的数据，对当前最具竞争力的几种铁水炉外脱硫工艺加以分析。根据以上列出的几个方面，当前及不远的将来最具竞争力的工业化铁水脱硫方法有：不加钝化物单独喷吹颗粒镁；喷吹镁与石灰混合物；以石灰为基础添加萤石粉的KR法。这三种方法的实质如下：方案Ⅰ、通过潜入式喷枪喷入籽粒状（0.5~1.6mm）“纯净”的（不加任何钝化剂）颗粒镁实现脱硫；方案Ⅱ、通过潜入式喷枪吹入镁与石灰（钝化剂）的混合物（比例为舍甫钦克А.Ф,等:不同铁水炉外脱硫过程工艺指标的综合对比分析21:3~1:4）实现脱硫；方案Ⅲ、预先除去包顶渣，继而向铁水包中撒入石灰和萤石粉并用潜入式旋转搅拌器（耐火材料的）搅拌熔体实现脱硫过程的KR法。可达到的脱硫深度。喷吹纯净镁（方案Ⅰ）和镁与石灰混合物（方案Ⅱ）的喷吹注入方法在铁水脱硫深度和脱硫率方面均可保证广泛的可能性，铁水中硫含量可降到≤0.002%的水平[1-7]，如有必要，亦可降到≤0.001%的水平[3，6，8]。因此，喷入含镁脱硫剂的方法应用得最为广泛[1~10。12，13]。中国大陆[10，11]和台湾[9]许多企业采用KR法工作的实际数据表明，在以石灰为主料的KRСаО法过程中，铁水硫含量大多数情况下降到0.010~0.015%以下的水平。达到≤0.002%硫量的铁水量只有17%左右，而且不够稳定。由日本供货的台湾中钢公司（CSC）脱硫站可算是综合效率最好的KR法脱硫生产线，在其规程中处理后铁水中有保证的最低硫量值为≤0.003%，再低的硫量值未做规定。即使在精心扒除包顶渣、把石灰耗量加大到9kg/t铁水以上和搅拌作业时间延长到15分钟以上的情况下，许多包内铁水的硫含量也只降到≤0.002%的水平[9、10]。脱硫剂基地保障。喷吹含镁脱硫剂脱硫的方案Ⅰ和方案Ⅱ，都采用颗粒镁（用熔体喷淋法制得）[5，8，14]或籽粒镁[2，4，5，13，15]（目前主要采用振动切削法铣切镁锭[1，12，13]，继而去除细散产物的棱角并添加含钙和含钠化合物进行钝化处理）。细散镁料在欧洲、亚洲和美洲的许多国家都有生产，而且在世界商品市场的供货没有限制。世界市场上镁的主要供货商是中国。细散镁料的价格波动在2500~3000美元/吨之间。喷吹镁与石灰混合物脱硫时要采用优质石灰粉。生产此种料通常要新建专门的有规定细度的细磨粉生产车间，活性CaO含量要高（95%以上），灼损要低（≤1.5%），且不可有其它杂质。细磨制备这种粉料要在不返潮条件下完成，还要向其表面添加专门的活性物料以确保石灰粉有很高的流动性[12，13]。这种石灰的价格不菲——一般为250美元/吨或更高[26]。KR法用的冶金级优质生石灰，通常用麦茨炉（Мерц）生产，其价格平均为140美元/吨。为提高包渣的活性，还要添加含CaF2物料（约10%）。过程产能和处理周期。所要分析的几种工艺之主要作业、作业持续时间和总的周期列入表1。从表中可见：不同方法中的不少作业基本上是吻合的，但也有明显的差异。比如，第一项差别是：喷注法（方案Ⅰ和方案Ⅱ）不要求在脱硫前一定要扒除包顶渣，而KRCaO法这项作业则是必须的。其原因是：方案Ⅲ的实现脱硫正是由于有氧化钙基的高活性包顶渣，其它一切杂质都起妨碍作用。如果这一要求不能保证，则KRCaO法也就不能保舍甫钦克А.Ф,等:不同铁水炉外脱硫过程工艺指标的综合对比分析3证所要求的脱硫指标。第二项重要差别是：脱硫作业的时间长度不同。最短作业用时为4分钟，这是无需添加剂而单独喷吹颗粒镁或籽粒镁工艺（方案Ⅰ）的特点，其原因是脱硫剂的用量最少，而且喷镁强度又高（达22~26kg/min）[3，5，15]。方案Ⅱ喷吹镁与石灰混合物的喷吹强度约70kg/min[1，7，10，12，13]，平均用时10分钟。采用KRCaO法时，旋转搅拌器的搅拌时间为17分钟[9]甚至更多。脱硫后除渣作业时间也有所不同：该项作业用时最少的是方案Ⅰ（5分钟）；而用时最长的是KR法（6~7分钟），这是因为脱硫时生渣量最大。表1300t转炉铁水包脱硫和扒渣作业用计算的周期和分项作业用时（以铁水中硫从0.020~0.025%降到0.002~0.003%为例）不同工艺的作业用时时间/min序号作业名称方案I-单吹颗粒镁方案II-喷吹混合物方案III-KRcao-法1铁水包放到的位置1.51.51.52铁水取样、测温1113铁水包倾斜准备扒渣--14脱硫前扒渣--5.55铁水包恢复到竖直位--16脱硫准备1117完成脱硫作业（喷吹41017镁，喷吹石灰，搅拌）8脱硫完毕，准备扒渣1.51.51.59脱硫后扒除包顶渣5.05.5610铁水包恢复竖直位11111铁水取样测温11112把盛有铁水的铁水包222送到天车作业区，天车取走铁水包小计1824.540.5总之，用颗粒镁脱硫的方案Ⅰ过程用时最少，所有作业的总周期18分钟；KRCaO法的方案Ⅲ过程用时最长—40.5分钟，是方案Ⅰ的2.2倍以上，喷吹镁与石灰混合物用时居中。正如我们所看到的，喷注法（方案Ⅰ和方案Ⅱ）的用时周期比转炉冶炼周期短，而KRСа法周期则比转炉冶炼周期长。这也就相应证明了每种工艺的脱硫位产能。喷注法的一个脱硫位可保证一座转炉的工作，而KRСа法则要求两个脱硫位对一座转炉[9]，这在基建投资和运行费用上都已是双倍的关系。脱硫过程工艺指标。脱硫过程工艺指标包括有许多分项，择其要者提供于表2。表2中列出的不同工艺的数据都是公开发表的。从中可以看出，最具优势的是不掺贫化物料而单独喷吹镁的方法（方案Ⅰ），因为该法镁耗最低（比如在初舍甫钦克А.Ф,等:不同铁水炉外脱硫过程工艺指标的综合对比分析4始硫0.020~0.023%终点硫0.002~0.003%时，镁耗为0.3kg/t铁水）、处理周期最短（18分钟，包括取样、脱硫、扒渣等作业）、除硫料耗（除掉1公斤硫用镁量）（1.72kg/kg）和整个处理用镁量（86kg/包）都最少、脱硫作业用时最短（5分钟）、硫对镁的利用率最高（在初始硫0.020%和终点硫0.002%时为44%）、补充生渣量最少（0.62kg/t铁）、温降最小（≤5℃）和随新生渣的铁损最少（0.28kg/t铁）。KRСа法（方案Ⅲ）与方案Ⅰ相反，其综合工艺指标不高，其中主要是料耗最大（5kg/t铁以上[9，10，11]）、必须预扒渣、处理时间较长（40分钟以上），脱硫剂利用率不高、生渣量大、铁水温降大（约40℃）、扒渣铁损大（6.8kg/t铁）。因此，看似简单的工艺和廉价的脱硫剂（石灰），却伴之以有切肤之感的工艺技术缺欠。表2300t转炉铁水包用不同工艺脱硫时的主要工艺参数和指标序号参数、指数方案I–方案II–方案III–单独喷吹颗粒镁[3,5,8,15]混合喷吹石灰和镁[2,7,13,16]KRСаО法–СаО+СаF2混合物，搅拌1铁水中硫含量%初始0.0200.0200.022脱硫后0.0020.0020.0032脱硫剂单耗，111kg/t铁水镁0.310.49-石灰-1.556.2合计0.312.046.93脱硫和扒渣作业1824.540.5周期/min4除硫料耗1.7211.336.3kg/kg5处理时用料总量865701932（280t铁水）kg/包6扒渣作业用时/min55.5117硫对镁的利用率,%.4428-8包内衬充生渣量:单位生渣量0.624.0813.8kg/t铁水生渣总量，kg/包1.75114038609铁水温降,оС.56.735-4210新生渣带走的铁损失0.282.006.8kg/t铁水喷吹镁与石灰钝化剂混合物的工艺（方案Ⅱ）处于方案Ⅰ和方案Ⅱ的中间位置。详察该法时必须注意下列问题。喷吹镁与石灰混合物的优势在理论上和实践中均未得到证明。相反，从上个世纪80年代起，乌克兰的冶金家却证明了该法的不合理性[3，12，17]并研制出一系列喷吹“纯净镁”（无其它添加剂）的方法[3，12，17]。随后，这个结论即被中国一些钢厂广泛的工舍甫钦克А.Ф,等:不同铁水炉外脱硫过程工艺指标的综合对比分析5业实践所证实[1，3，8，11~13，18，19]，其中包括武钢、沙钢和太钢等以乌克兰单吹颗粒镁工艺取代混吹（镁+石灰）工艺的企业。混合喷吹镁和石灰的不合理性还被其它研究人员[7，20]根据阿尔切夫斯克钢厂（Simens-SVAI工艺）和诺沃利别茨钢厂（ESM公司工艺）300t转炉铁水包脱硫工作经验所证明，还有不少的外国专家[21]也指出了这一点。有些研究人员[1，12，13]认为必须同时吹出石灰和镁使之在管路中混合（即所谓复合喷吹法）的观点也不能令人信服，因为在上个世纪七十年代乌克兰的研究人员即已确定[17]：优质的预先制备好的镁与石灰的粉末混合物在输送时不改变自己的性能，它与用混合喷吹法得到的混合物没有什么两样。此外，复合喷吹的原理在设备构成上费用更高，相当复杂，同时也不能保证混合物组成的均一性。正因为如此，乌克兰[17]和国外[22]的若干钢铁企业当时只是采用了已制备好的含镁混合物。另外还必须注意的是，在铁水脱硫站采用复合喷吹方式时由于工艺设备和自动化设备数量庞大，必然会明显加大基建费用[3]。本文作者的意见是，之所以采用复合方式喷吹镁与石灰混合物的工艺，在很大程度上是出于供货商的商业利益，也由于该法的研制人员还不会把粉末状物料通过潜入式喷枪平稳地、渐次增强地吹入铁水中，更谈不上稳定地、可靠地把不加钝化剂的纯净镁料吹入铁水中了。在客观分析广泛采用的几种工艺时，须要考虑许多研究工作得出的数据，这些数据证明：许多包顶渣的硫容（容纳硫及其化合物的能力—译音）比所需的硫容要小[17，23~25]，而用镁脱硫后进入渣中的硫是以CaS和MnS的形态存在，而不是以MgS的形态。这就是为什么加大渣中CaO含量是合理的之原因所在。以上所述就是复合喷吹含镁料方法的研究人员实现吹镁和石灰的理由。但这种把镁导入铁水的工艺方案是不能同意的。毫无疑问，包顶渣的碱度不高（0.3~0.8）[17，24]表明了向铁镁精炼系统添加氧化钙是合理的，但不可以把石灰与镁一同吹入铁水，因为石灰是钝化添加剂，它会使镁与铁水之间的质量交换过程变差，并严重降低镁的利用率[1，3，5，12，17，19]，从而增大了镁的单耗。最合理的方案是以不加任何钝化剂的方式喷吹镁，而含CaO物料（作为调整物料）则单独加到铁水包中。这样的工艺流程既保证了镁有很高利用率的良好条件，又同时解决了增大包顶渣的硫容和建立