铁水预处理毕业设计.doc

内蒙古科技大学摘要采用铁水预处理工艺可以使转炉进行少渣炼钢，使高炉焦比降低，提高了铁水的质量和炼钢厂的经济效益。生产出的含硫含量低的钢材满足了现代科学技术对钢铁材料的要求。所以铁水预处理已成为现代炼钢的重要环节。本设计对铁水预脱硫的发展历程、现代最常用的铁水预处理的新方法、新工艺、常用的脱硫剂和其反应机理进行了综述，并且在环保方面也进行了综述。本次设计采用的是单喷颗粒镁脱硫的预处理方法。根据新建年产500万吨合格铸坯炼钢厂的实际工艺流程，比较了几种铁水预处理工艺的优缺点。设计了单喷颗粒镁的脱硫站，并对贮镁仓、喷吹罐、喷射器和喷枪进行了设计和选用。关键词：铁水预处理；喷镁；脱硫剂；设备参数及布置AbstractUsing iron pretreatment process can make for adoping slagless steelmaking converter, coke reducing furnace, improving the quality of the iron and steel economic benefits. Produce low sulfur also satisfy the steel in modern science and technology for steel materials. So the iron pretreatment has become the important link of the modern steel-making. The design of the development course, gets the most commonly used modern iron pretreatment of new methods, new techniques and common desulfurizer, and the reaction mechanism are reviewed, and in the environmental aspects are reviewed.This design USES is the single particle magnesium injection of desulphurization pretreatment methods. According to the new annual 500 tons of qualified steel casting practical process, compares the advantages and disadvantages of several iron pretreatment process. The design of the single particle magnesium injection, magnesium and desulfurization and blowing cans, injector and spray to carry on the design and selection.Key words ： hot metal pretreatment ；magnesium injection；The desulfurizer；Equipment parameters and layout目录摘要I第一章 文献综述11.1 前言11.2 铁水预处理的发展历程21.3 铁水预处理的必要性21.3.1 铁水预处理功能演进31.3.2 全量铁水“三脱”处理的效果41.3.3 铁水进行全量预处理的必要性51.4 铁水预处理的方法及比较81.4.1 KR搅拌法81.4.2 KR法脱硫工艺需要注意的问题101.4.3 单颗粒镁铁水深脱硫111.4.4 复合喷吹镁基脱硫剂脱硫121.4.5 KR法与喷吹法的比较141.5 铁水深脱硫的工艺实践171.5.1 原始硫含量及镁粉消耗对深脱硫的影响171.5.2 聚渣剂的优化使用及扒渣效果对铁水深脱硫的影响181.5.3 温度对深脱硫的影响19第二章 生产规划202.1 生产规模202.2 产品大纲202.3 产品方案202.4 铁水预处理间的生产计划212.4.1 铁水预脱硫21第三章 方案选择233.1 铁水预处理间的位置确定233.2 铁水预脱硫处理方法233.2.1 鱼雷罐车顶喷法（TDS）233.2.2 铁水罐喷吹脱硫243.2.3 混铁车喷粉脱硫253.3 常用的铁水脱硅预处理方法273.3.1 高炉铁沟连续脱硅法273.3.3 混铁车或铁水包内喷粉脱硅法28第四章 常用的铁水脱硫剂及脱硫指标294.1 常用脱硫剂294.2 常用脱硫剂反应特点294.2.1 电石粉294.2.2 石灰粉脱硫304.2.3 用Mg粉脱硫304.3 脱硫生产指标314.3.1 脱硫效率()314.3.2 脱硫剂效率(Ks)314.3.3 脱硫剂的反应率m324.3.4 脱硫分配比(LS)32第五章 喷吹法脱硫系统的主要设备性能和参数345.1 供料系统345.1.1 槽车345.1.2 储料仓345.1.4 镁粉贮粉仓345.2 喷吹系统355.2.1 发送罐（喷粉罐）355.2.2 喷射器365.2.3 喷吹管路365.2.4 喷枪的设计和选择375.2.5 喷枪传动机构375.3 测温、取样装置385.4 铁水罐运输与倾翻车385.5 扒渣设备的选择405.5.1 吹渣机425.6 硫分析仪435.7 渣罐车435.8 铁水罐435.9 50/10t桥式起重机445.10 5t单梁悬挂起重机44第六章 铁水预脱硫工艺过程456.1 脱硫剂的准备456.2 喷吹脱硫工艺456.3 扒渣456.4 称量、测温和取样456.5 加保温剂456.6 喷枪更换及修理46第七章 铁水预处理与环保477.1 在环保方面采取的措施477.1.1 除尘系统的优化477.1.2 全面改造活动烟罩和固定烟罩487.1.3 分离汽车上料和脱硫投料的氮气助吹气源,并且进一步分离投料助吹气源487.1.4 严格控制脱硫剂的粒度脱硫剂颗粒49第八章 中国铁水预处理技术的发展508.1 发展特点508.1.1 铁水预处理量增长迅速，铁水预处理比增长缓慢508.1.2 各种铁水预处理方法并存、 同步发展508.1.3 KR搅拌法脱硫528.1.4 其它铁水预处理技术538.2 发展方向538.3 快速发展前景53参考文献55致谢5757内蒙古科技大学第一章 文献综述1.1 前言铁水预处理要是指铁水在进入转炉之前的三脱处理。广义的铁水预处理是指包括对铁水脱硫、脱硅、脱磷的三脱处理，另外还有特殊铁水的预处理，如含V铁水的提V等。铁水脱硫是二十世纪70年代发展起来的铁水处理工艺技术，它已成为现代钢铁企业优化工艺流程的重要组成部分。铁水脱硫的主要优点如下：(1) 铁水中含有大量的硅、碳和锰等还原性的元素，在使用各种脱硫剂时，脱硫剂的烧损少，利用率高，有利于脱硫。(2) 铁水中的碳、硅能大大提高铁水中硫的活度系数，改善脱硫的热力学条件，使硫较易脱致较低的水平。(3) 铁水中含氧量较低，提高渣铁中硫的分配系数，有利于脱硫。(4) 铁水处理温度低，使耐火材料及处理装置的寿命比较高。(5) 铁水脱硫的费用低，如在高炉、转炉、炉外精炼装置中脱除一公斤硫，其费用分别是铁水脱硫的2.6、16.9和6.1倍。(6) 铁水炉外脱硫的过程中铁水成份的变化，比炼钢或钢水炉外处理过程中钢水成份的变化对最终的钢种成份影响小。采用铁水脱硫，不仅可以减轻高炉负担，降低焦比，减少渣量和提高生产率，也使转炉也不必为脱硫而采取大渣量高碱度操作，因为在转炉高氧化性炉渣条件下脱硫是相当困难的。因此铁水脱硫已成为现代钢铁工业优化工艺流程的重要手段，是提高钢质量、扩大品种的主要措施。早期的铁水脱硫方法有很多种：如将脱硫剂直接加在铁水罐罐底，靠出铁铁流的冲击形成混合而脱硫的铺撒法。也有将脱硫剂加入装有铁水的铁水罐中，然后将铁水罐偏心旋转或正向反向交换旋转的摇包法。之后逐步发展至今天采用的KR搅拌法及喷枪插入铁水中的喷吹法。铁水预处理工艺经过近四十年的发展，已成为完善和优化整个钢铁生产工艺流程、确保节能降耗、达到优质高效目标的不可缺少的工艺环节，是大批量生产高纯度钢、降低普碳钢生产成本和实现转炉少渣吹炼的关键性技术。在一些发达国家的钢铁厂，几乎100%的铁水都进行了相应的预处理。 1.2 铁水预处理的发展历程在1847年，英国Thiel等用一座平炉进行过铁水预脱硅脱磷工业试验，再用此铁水炼钢提高了炼钢生产效率。鞍钢在建国初期也采用过此种工艺。1879年，欧洲用托马斯转炉去磷，冶炼高磷（1.8%2.2%）铁水，磷是炼钢过程的主要发热元素之一，炼钢渣可用作磷肥。后来的碱性平炉和氧气转炉都有较强的去磷能力，对于一般含磷（0.04%0.1%）铁水冶炼普通钢种都能满足去磷要求。到了20世纪80年代，由于石油危机冲击的影响，需要发展节能、省原材料、减少废弃物的新工艺。炼钢在实现铁水预脱硫后，进一步研究了预脱磷问题，同时也是适应低磷钢和纯净钢种的需求。1982年3月，住友鹿岛厂实现了碱精炼工艺（SARP），同年9月新日铁君津厂最佳精炼工艺（ORP）运行，月神户厂专用炉脱磷投入使用。19841985年，川崎的千叶厂和水岛厂铁水预处理站先后投产， 并于1988年末扩建为铁水全处理。1986年11月， 日本钢管京滨厂脱磷站投产。1990年， 住友各厂实现了双炉串联简单精炼工艺（SRP）。1993年4月，韩国浦项公司建成脱磷站。1998年，日本钢管福山厂也采用双炉串联工艺处理100%铁水。欧洲只见意大利塔兰托厂和荷兰霍戈文厂有脱磷试验的报道。我国太钢二炼钢于1988年建成铁水三脱预处理站，但脱硅脱磷处理较少。宝钢1990年末在一炼钢预脱硫站部分改为三脱预处理，由于工艺不完善没有正常运行二炼钢在1998年3月三脱预处理站投入运行。1994年5月，中国台湾中钢铁水三脱预处理站投产。这种发展变化是适应提高钢的质量降低冶炼工艺成本和减少废弃物的环保需要的。1.3 铁水预处理的必要性铁水预处理技术对现代氧气转炉炼钢厂而言，其重要性已从原来冶炼一些对含硫量要求特别严的钢种演进成为炼铁炼钢凝固过程优化不可分割的重要环节。由于转炉预处理铁水进行脱磷工艺的创新开发，逐渐形成了一种全量铁水进行“三脱”处理的技术进步模式：高炉铁水铁水包内脱硫脱磷转炉脱硅、脱磷2脱碳升温转炉。研究结果表明：该种模式将预处理过程分阶段分容器进行，使得冶金热力学与动力学条件达到最优化，从而获得高效、低耗的预处理效果。全量铁水“三脱”的概念是所有进入转炉炼钢的铁水都要进行“三脱”预处理。当前，铁水是否全量“三脱”仍存在着一些争议，新建的大型钢铁联合企业将以板、带材为主打产品，对铁水杂质元素含量有严格的要求，本文旨在对新建钢厂铁水进行全量预处理的必要性予以探讨。1.3.1 铁水预处理功能演进铁水预处理是建立在对冶金过程热力学和动力学深入研究基础上而增设的工序，从流程工程层面上看，其实际功能已超越了原来对质量调控的范畴，逐渐演进为工序及工序间的质量、能量及协调缓冲的调节器。(1) 冶金负荷和质量调节器由于铁水预处理过程中有着良好的脱硫热力学条件和动力学条件，脱硫效率很高，因此也显示出了经济价值，表1.1列出了不同工序脱除1kg硫所需费用的比较。 表1.1 不同工序脱出1kg硫的所需的费用（美元）高炉炉内脱硫铁水预处理脱硫转炉炉内脱硫钢包脱硫2710.511764铁水预处理脱硫有着技术及经济上的优势，高炉内硫质量分数每降低0.001 %,焦比会增加23kg/ t，而炉外脱硫可降低焦比3040kg/t，产量提高5%8 %5；炉外脱硫还为炼钢的少渣冶炼创造了条件。此外，高炉铁水的脱硅、脱磷预处理，对于冶炼超低磷钢时，可以降低甚至基本免除转炉的脱磷负荷，并稳定地获得w(P)0.004%的超低磷钢，降低炼钢转炉的造渣负荷。能量调节器铁水预处理可通过适度脱硅来调节铁水化学能，从而为炼钢过程减轻造渣负荷、适度利用废钢和控制合理的转炉出钢温度提供经济合理的前提条件。“铁水包内脱硫2转炉脱硅、脱磷”的全量铁水预处理模式取消了传统工艺流程中的混铁炉、鱼雷罐倒罐站，不仅减少了人员及岗位设置、设备投资维护及运行成本，更没有了倒包的能耗与污染6，利于节能、减排。混铁炉与倒罐站的取消是从工艺流程上进行节能、 减排，即从根本上杜绝大量能耗与排放，这符合政府提出的到2010年单位GDP能源消耗比2005年末降低20%左右的政策。(2) 协调2缓冲器基于高炉的连续反应过程和间歇的输出方式，而转炉则按一定周期间歇作业方式，两者之间的衔接2缓冲关系以往是以混铁炉来实现的。铁水预处理工序的确立，使得大型运铁水容器(如铁水包等)逐步成为高炉2转炉之间在铁水成分、 过程时间、过程温度等重要参数上实现优化匹配基础上连续作业的协调2缓冲器。另外，因铁水预处理过程分阶段分容器进行使得“三脱”的不同任务可以并行，从而提高了工序效率，为整个生产的高效匹配提供了保障。1.3.2 全量铁水“三脱”处理的效果(1) 全“三脱”的技术经济效果全量铁水 “三脱” 的炼钢生产流程不仅是为了生产高质量钢(超低硫管线钢、 IF 钢等)，更重要的是为了促进炼钢生产的时间节奏更快、效率更高，这主要是针对生产板带的大型转炉炼钢厂的，其模式如图1.1所示8。全量铁水“三脱”预处理工艺会引起炼钢厂生产节奏加速和效率提高，特别是脱磷转炉和脱碳转炉可以实现20min左右的冶炼周期，也会导致平面布置的优化，甚至转炉吨位等一系列参数的优化。还将使大型转炉的总吹氧时间缩短到 9min左右，而出钢2出钢周期时间约为20min左右。这与现在大型转炉出钢2出钢时间周期一般为3040min形成了鲜明对比。即在全量铁水“三脱” 预处理的条件下，大型转炉的生产效率将提高1/3左右，如图1.28 所示。全量铁水“三脱”预处理的技术意义和经济意义不同于部分铁水“离线脱硫处理”或“部分铁水三脱”预处理，而且铁水脱磷后降低了转炉渣中的磷含量，有利于转图1.1全量铁水三“脱预”处理的炼钢过程炉渣的循环利用。在某种意义上看，对大型钢铁联合企业而言，采用全量铁水“三脱”工艺可能会有类似于“全连铸”生产体制的技术经济效果，即对高炉转炉板带材流程的大型联合企业，有可能通过全量铁水“三脱”的工艺途径实现在一个炼钢厂的体制下年产8001000万t钢的规模。采用铁水“三脱”预处理，是现代化(大型)转炉炼钢技术进步的发展趋势。但考虑到我国转炉设备能力，钢种多、 产品磷含量要求的差异以及铁水、废钢资源的结构等情况，首先应当大力提高铁水脱硫预处理的比例；再根据市场的需要、转炉装备及原料的变化等情况逐步在大型转炉炼钢厂实现全量铁水“三脱”预处理。然而，对于在新世纪新建的新一代大型钢厂应该大胆地、创新地采用全量铁水“三脱”的炼钢工艺过程，以高效、 低成本地生产高级板带材。图1.2 大型氧气转炉冶炼周期缩短对年产量的影响(2) 全 “三脱” 的运行实绩国内目前还没有已投产的厂家对全量铁水进行“三脱”，更没有“铁水包内脱硫转炉脱硅、脱磷”的全三脱模式，曹妃甸虽然采用了此种模式，但还没有投产，因此无生产数据。宝钢两个炼钢厂部分钢种采用了全“三脱”的生产工艺，两个炼钢厂略有不同，一炼钢厂工艺如下：高炉铁水(鱼雷罐承载)扒渣鱼雷罐内脱硫兑铁兑铁包内深脱硫扒渣转炉内脱磷脱碳转炉。二炼钢厂工艺如下：高炉铁水沟脱硅扒渣鱼雷罐内同时三脱扒渣兑铁铁水罐扒渣转炉。1.3.3 铁水进行全量预处理的必要性从以上分析可以看出，铁水预处理工序的功能已经发生了演进，尤其对于新建的大型钢厂，该工序在满足钢种要求的同时还需完成优化钢铁制造流程、加速生产节奏、提高生产效率及降低成本等任务。若是采用部分铁水“三脱”预处理，将带来炼钢、精炼、连铸的操作混乱，时间可能会混乱，影响物流的有序运行。对铁水进行全量“三脱”的优势和必要性主要表现在以下几个方面。(1) 提高产品竞争力的需要我国目前已经有5.5亿t钢的生产能力，国家控制钢铁产品出口的调控政策及国际贸易争端带来的不利影响已经使得我国钢铁产品出口量开始出现负增长。一方面是产能大且仍较快速度增长，另一方面是出口的负增长，国内需求没有明显增长时势必出现供求及价格的大幅波动，考虑到出口产品的低端现状，综合国家环境政策及国际铁矿石价格上涨的因素，国内各钢铁企业面临的是产能过剩、 成本却升高的不利局面。企业从产量效益型转向品种、质量效益型的发展模式是未来钢铁工业的长久课题,产品的竞争力是企业利润与可持续发展的核心。新一代钢铁企业市场定位应该是高端产品，为了增强企业及产品的竞争力，需要搭建一个高效低成本的洁净钢平台，全量铁水预处理模式满足这一要求，在提供优质铁水的同时还为工序间的高效匹配、节能降耗、循环经济等方面建立起低成本、高质量的生产平台。(2) 可促进高磷矿的开发利用铁矿石涨价使得高磷矿的利用空间得以扩展。我国高磷铁矿资源比较丰富，如云南东川矿等。宁乡式铁矿床现已探明的储量达37.2亿t，占全国沉积铁矿探明储量的73.5%。铁矿品位为30%45%，含磷偏高，w(P)为0.4%1.1%。针对不同性质的含磷铁矿石，国内外专家进行了较为深入的脱磷工艺研究。在梅山铁矿脱磷工业试验中采用磁选法，由w(P) = 0.399%的原矿得到了w ( P) = 0.246%的铁精矿，取得了良好的效果；纪军采用分散2选择性聚团反浮选降磷试验，通过适当调整药剂制度和流程结构，可使w(P)由原矿中的0.570%下降到铁精矿中的0.236%；卢尚文等采用酸浸法使乌石山铁矿中w(P)降低了40%50%，并提高铁品位4%6%；黄剑胯等人采用微生物浸出法可将铁矿中的w(P)降低到0.20%以下；何良菊等进行了氧化亚铁硫杆菌氧化黄铁矿生产浸出液及以此浸出液浸矿脱磷的研究，可使脱磷率达到76.89%。总的来说，高磷矿选矿脱磷还存在着一些问题，如难以同时满足脱磷率高、 金属回收率高、精矿产品含铁品位高的要求等，但随着矿石成本的上涨，加大高磷矿的利用率是必然趋势。高磷矿的脱磷环节主要有两个，选矿之外就是铁水预处理。工艺技术与成本原因导致从选矿环节要得到合乎要求的铁水目前仍有些难度，铁水预脱磷变得尤为重要。铁水全量预处理脱磷可降低高磷矿选矿成本、减轻转炉脱磷负荷，高炉可以部分使用高磷矿，炼铁生产可以采用较高磷含量的低价位铁矿石，铁水磷质量分数放宽至0.10%0.15%,用高磷铁矿比进口铁矿将节约成本至少 200元/t。值得一提的是，采用专用转炉脱磷效果良好，脱磷率基本能保证在90%左右，除极低磷钢种外，铁水磷含量的要求均有放宽，全量铁水预处理工艺的推广有助于快速推进高磷矿的开发利用。(3) 炉渣的综合性利用脱碳转炉的炉渣可以作为脱磷转炉的脱磷剂，减少石灰用量，进而显著减少渣总量。和歌山脱磷转炉的造渣剂成分为10kg/t的脱碳炉渣加上10kg/t石灰；新日铁脱硫、脱磷、脱碳渣总量已经控制在60kg/t以下；脱磷转炉渣的碱度为1.52，可以不经蒸汽老化处理，直接使用于筑路或作水泥等，不仅降低了成本，也符合循环经济的要求。(4) 有利于脱碳转炉使用锰矿渣量的减少使得用锰矿代替锰铁成为可能。宝钢在少渣吹炼条件下，用锰矿替代或部分替代锰铁投入脱碳转炉还原成钢水Mn含量，基本不用或少用50%左右的Fe2Mn合金，可以降低成本，在锰矿加入量为10kg/ t的条件下，停吹钢水w(C)0.04%时，锰收得率可达到61% ,最高达到83.9 %；停吹钢水w(C)平均为0. 05 %时，锰收得率可达到60.2%，最高达到85.9%。鹿岛制铁所脱碳转炉(260t)不加废钢，锰矿用量约15kg/t，Mn的回收率为40%，终点锰约0.25%，渣量为20 kg/t ,效果良好。(5) 可加快大型转炉冶炼节奏采用转炉脱磷后，反应容器自由空间增大，可以增加供氧和底吹气体搅拌强度，显著提高生产效率，适合与现代高拉速板坯铸机匹配运行。1999 年改建的日本和歌山炼钢厂( KR 脱硫转炉脱磷转炉炼钢)的生产节奏明显加快；脱磷转炉与脱碳转炉的吹炼时间可控制在9min左右，脱碳转炉的 Ttap2tap可以控制在20min以内 ,实现了一个炼钢转炉供应2 台 RH 精炼和3台铸机的高效率生产。(6) 有利于节能全量铁水预处理不仅带来大型转炉节奏的加快，还与精炼、 连铸等工序更加匹配，使得全流程的物流更加流畅、时间节奏更为紧凑、工序能耗及排放均有减少。改建后的和歌山炼钢厂采用了分阶段分容器的全量铁水预处理模式，再加上各工序布局的优化(如高炉到转炉间距离由2000m缩短到800m) ,全厂运行过程时间及各工序间更加紧凑，实现了快速炼钢、高效生产。节能方面也取得了很好的效果:总能量指数减66%，仅铁2钢界面间温降就减少了46。JFE公司东日本制铁所采用了相似的全量铁水预处理模式，从高炉到装入脱磷转炉的输送过程所引起的铁水温降减少约52。1.4 铁水预处理的方法及比较目前，国内外普遍采用以下3种铁水预脱硫方法；单吹颗粒镁法、铁水包喷吹Mg+CaO粉剂脱硫、KR 机械搅拌法(习惯简称KR法)。1.4.1 KR搅拌法 KR搅拌法是日本新日铁广畑所于1965年用于工业生产的铁水炉外脱硫技术。这种脱硫方法是以一种外衬耐火材料的搅拌器浸入铁水罐内旋转搅动铁水，使铁水产生漩涡，同时加入脱硫剂使其卷入铁水内部进行充分反应，从而达到铁水脱硫的目的。1.4.1.1 工艺概述 本工艺利用搅拌器在铁水中旋转造成涡流 ,使脱硫剂和铁水充分接触 ,促进脱硫反应进行 ,达到深脱硫的目的。KR 法脱硫化学反应方程式为:CaO + FeS = CaS + FeO1.4.1.2 主要工艺设备及布置 KR法脱硫主要工艺设备及布置如图1.35所示。1.4.1.3 原料要求 (1) KR机械搅拌法脱硫一般要求铁水温度不小于1300。 (2) 脱硫剂成分及要求如表1所示。 1.4.1.4 工艺过程 本工艺的流程为:铁水脱硫前扒渣 测温取样 加入脱硫剂 机械搅拌脱硫 测温取样 铁水脱硫后扒渣 转炉。(1) 铁水脱硫前扒渣 高炉出铁后带入铁水中的高炉渣是低碱度氧化渣 ,并且硫含量很高 ,这与脱硫条件违背 ,因此必须在脱硫操作前扒掉高炉渣。(2) 加入脱硫剂铁水进入脱硫工位后 ,将搅拌头降至工作位置 ,启动搅拌头。当搅拌转速达到710 r/min时 ,加入脱硫剂。脱硫剂是采用抛洒法一次性加入。(3) 搅拌脱硫脱硫剂加入后 ,将搅拌头转速逐步加大 ,当达到90120r/min时，转速恒定。此时脱硫反应速率达到最大，铁水进行深脱硫，历时811min。(4) 测温取样脱硫操作结束后，将搅拌头升起，进行测温取样。(5) 铁水脱硫后扒渣 脱硫操作结束后 ,渣中富含硫 ,为了避免铁水回硫 ,必须进行后扒渣。1.4.1.5 脱硫剂消耗脱硫剂消耗量和铁水原始硫含量和要求达到的铁水残硫量的大小有关。在要求达到的铁水残硫量一定的情况下 ,铁水原始硫含量越大 ,则脱硫剂消耗越大 ,反之亦然。采用KR法脱硫剂消耗量1.4.1.6 总结(1) 由于KR法脱硫剂采用白灰和萤石 ,相对于其他脱硫方法易于得到且价格便宜 ,长期运行生产成本低 ,节约资金。(2) KR法脱硫采用白灰脱硫原理 ,反应较平稳 ,操作过程中几乎没有喷溅产生 ,不会产生大量烟尘 ,有利于保护环境。(3) KR法脱硫化学反应动力学(搅拌动能)条件好 ,选用活性石灰作脱硫剂 ,产生的脱硫产物CaS渣系基本呈固态，容易扒干净，因此较其他方法不易造成回硫。(4) 进行KR脱硫法脱硫时，铁水被强烈搅拌且持续时间较长 ,因此铁水温降较大。以每罐处理120t铁水为例 ,采用 KR 脱硫法较其他方法温降大15左右。(5) KR法脱硫采用电机带动搅拌头实现对铁水的搅拌，相对于其他脱硫方法增加了搅拌头驱动及支撑装置，因此一次投资较其他方法大。以年处理300万t铁水为例 ,KR 法脱硫法比单吹颗粒镁法一次投资大420万元左右。图1.3 KR法主要工艺设备及布置1.4.2 KR法脱硫工艺需要注意的问题1.4.2.1 搅拌头使用寿命搅拌头为十字叉结构，内部由铸钢制作，外部捣打耐火浇注料。耐火浇注料由钢丝纤维、高温耐火水泥、莫莱石等组成。制作时，按一定的耐火浇注料和水配比搅拌，通过振动捣打成型，然后经过30h烘烤，在使用前，必须再烘烤78h。正常搅拌头的使用寿命约为500次。1.4.2.2 脱硫剂粒度要求KR法脱硫剂的加入是在铁水罐上方的烟罩内进行，如果白灰粒度太小，则容易被除尘烟道吸走，起不到脱硫作用。因此脱硫剂要求粒度在 0.40.8mm之间的占80%以上。1.4.2.3 搅拌头插入深度要求KR法脱硫搅拌头插入太浅会造成铁水搅拌不充分，影响脱硫效果。插入太深，则增大搅拌阻力，降低搅拌头寿命，增加电机负荷，因此插入深度一般为铁水液面以下1500mm为宜。1.4.2.4 铁水原始温度要求KR法脱硫要求铁水原始温度高于1300。一是因为脱硫操作时铁水搅拌较强烈，温降较大，二是因为脱硫反应是吸热反应，温度越高，越有利于发应进行。1.4.3 单颗粒镁铁水深脱硫单颗粒镁铁水深脱硫是利用惰性气体（N2）作载体将脱硫粉剂（如 CaO ,CaC2和 Mg）由喷枪喷入铁水中，载气同时起到搅拌铁水的作用，使喷吹气体、脱硫剂。1.4.3.1 铁水预处理工艺条件(1) 铁水预处理工艺流程（见图1.4）(2) 镁脱硫反应机理在 12501400铁液温度范围内，镁蒸汽压可达 340857 kPa 高压蒸汽导致镁进入铁液后即刻气化且高速向外排除，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)：图1.4 铁水预处理工艺流程图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，颗粒镁进人铁液后气化、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)3：Mg+ S=(MgS) G 1 = 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%，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510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12901350。1.4.4 复合喷吹镁基脱硫剂脱硫复合喷吹工艺是90年代广泛应用于铁水预处理使用钝化金属镁喷粉脱硫的一种装备，其基本原理是两套喷粉系统通过计算机控制，分别喷吹钙质粉剂(石灰粉或碳化钙粉)和金属镁粉，两种粉剂按一定比例从喷粉罐中喷出，从而达到最佳的脱硫效果。复合喷吹的特点是在喷粉过程中可以随时调整金属镁和石灰粉剂的配比，根据铁水的原始硫含量和最终的脱硫要求，在铁水硫含量较高或要求处理后铁水硫含量不太低时喷入成本低的石灰，只配入少量的金属镁粉，当铁水硫含量较低或要求处理后硫含量较低时，在喷粉过程中逐步增加金属镁粉，从而达到对铁水进行深度脱硫的效果。经过实验室试验和工业应用，确定复合喷吹使用的镁基脱硫剂一般为20%M g和80%CaO。1.4.4.1 镁基脱硫剂脱硫操作步骤和脱硫效果复合喷吹的工艺流程、操作步骤和脱硫效果。其工艺流程如图1.5所示。图1.5 脱硫扒渣工艺图以上步骤可按照所选择的操作方式，综合考虑不同的影响因素，以达到最佳的脱硫效果。鞍钢选择流化石灰粉和钝化镁粉复合喷吹，可达到如下脱硫效果；(1) 镁粉脱硫能力强，利用率达60%70%；(2) 镁粉脱硫反应生成的渣量小，稳定密度小，易上浮入渣MgS；(3) 镁粉脱硫反应是放热反应，能减少铁水温降，镁粉蒸气产生强的搅拌，使铁水经Mg饱和后防止了回硫；(4) 镁粉不会进入渣相，处理时没有大量的烟尘生成，而石灰粉也可以形成固态脱硫渣，有利于扒渣及延长罐衬寿命；(5) 石灰粉为载体可带动镁粉流速，阻止镁粉上浮，使镁粉在铁水中充分反应，有利于深脱硫的实现，同时石灰粉可以控制镁粉蒸气气泡的生产和防止渣于铁的猛烈喷溅。表1.2镁基脱硫剂的加入方法和步骤加入顺序加入方式和步骤1喷入CaO粉以产生强烈的紊流，达到对铁水和渣脱氧的效果，同时激起铁水包内内的环流：2喷入Mg粉，当硫含量小于零界值后，降低镁粉喷吹率，以降低铁水中的镁含量，完成脱硫；3在镁粉喷吹结束后，喷吹高气体含量CaO粉，以降低铁水中的镁含量，完成脱硫。1.4.4.2 镁基脱硫剂脱硫机理镁基脱硫剂加入铁水中主要发生以下反应：CaO+S=CaS+O G=110000-31.1T,J/mol (6)M g的脱硫产物M gS与CaO会发生下列反应：M gS(s)+CaO(s)=M gO(s)+CaS(s) G=-100900+8.2T9,J/mol (7)在铁水温度下，式(7)中的G总是负值。这表明，只要有足够的CaO存在，MgS就会完全转变为MgO和CaS。若将式(2)和式(7)耦合，则有：M g+S+CaO(s)=M gO+CaS(s) (8)式(8)也可以由式(3)和式(6)耦合所得。由上面的耦合反应可见：用Mg+CaO对铁水脱硫的总结果，可用式(8)反应表示。而式(8)反应既可由式(2)和式(7)反应耦合而得，也可由式(3)和式(6)反应耦合而得。如此，Mg+CaO对铁水的脱硫过程，既可以看成是Mg与S反应生成MgS后，MgS在与CaO作用转变成MgO和CaS(在这里CaO起到了转移脱硫产物从而提高Mg脱硫能力的作用)；也可以看成是喷入CaO按式(6)反应脱硫，由于镁强烈的脱氧作用，使铁水中氧的活度下降到极低，促进了式(6)反应更加完全。换言之，Mg在这里主要起脱氧作用，降低氧势。这两种脱硫机理,从热力学来看都是可能的。具体那一种耦合反应正确,还是都正确需要进一步研究探讨。1.4.4.3 镁基脱硫剂在铁液中的脱硫极限根据上述原理分析，对于20%Mg和80%CaO脱硫体系，平衡时MgS(s)不存在。从热力学角度来说，低温更有利于脱硫，但温度对其影响不大，其极限脱硫能力从1250的1.4210-7%到1450的10.110-7%。与单独喷吹镁的体系相比，单独喷吹镁时，脱硫极限as只能达到10-4%数量级，而喷吹Mg/CaO复合脱硫剂时，脱硫极限as可达到10-7%数量级。可从热力学角度来看，喷吹复合脱硫剂比单独喷吹镁进行铁水脱硫更有利，脱硫能力更强。由于单喷纯镁和喷吹Mg/CaO复合脱硫剂这两个体系的脱氧能力受同一个平衡反应式Mg(g)+O=MgO(s)的控制，所以它们的脱氧极限相同，ao均为109%数量级。1.4.5 KR法与喷吹法的比较(1) 技术与设备喷吹法中，单吹颗粒镁铁水脱硫工艺因其设备用量少、基建投入低、脱硫高效经济等诸多优势而成为铁水脱硫技术的主要发展趋向，可在相当长的时我国都是引进国外的技术和设备。到2002年10月国内才首次开发出铁水罐顶喷单一钝化颗粒金属镁脱硫成套技术设备，整套装置中，除重要电器元器件采用进口或合资的外，其余机电产品实现了国产化，包括若干最关键的技术设备。喷吹技术和设备的国产化直接降低了建设投资和运行操作的成本，从前期的一次性投资来看，比 KR法有一定优势。虽然搅拌法的技术专利也是国外拥有，可从其设备和技术本身而言并没有难点，机械构成是常规的机械传动和机械提升；加料也是采用常规大气压下的气体粉料输送系统，在系统的机、电、仪、液等方面都是应用成熟的技术。尽管如此，KR法设备仍然是重量大且较复杂，可它的优势是运营操作费用低廉，由此所产生的经济效益完全可弥补前期的一次性高额投资。据有关推算，一般35年即可收回所增加的投资。2000年武汉钢铁设计研究院针对武钢第二炼钢厂的情况，对 KR法和喷吹法两种方案的投资进行了估算，当时条件下KR法的投资估算比喷吹法投资估算多200万元。(2) 脱硫效果实际生产过程中的铁水脱硫效果，不仅与设备有关，而且受脱硫剂、操作工艺水平、 时间及温度等诸多因素影响，本文主要考虑的是镁系喷吹法和CaO基 KR 法。一般对铁水预处理的终点硫质量分数要求不高于 501026，工厂生产和实验研究结果表明，喷吹法因其脱硫剂Mg的较强脱硫能力，KR法由于其表现出色的动力学条件，在可以接受的时间内(一般在15min以下)，它们都能达到预处理要求的目标值。在喷吹法中，使用CaO比例越高的复合脱硫剂，脱硫效果越差，使用纯镁时脱硫率最高；KR法使用CaO脱硫剂，脱硫率仅略低于喷吹纯镁。(3) 温降铁水温降的消极影响是降低了铁水带入转炉的物理热，主要体现在转炉吃废钢的能力下降，导致转炉冶炼的能耗和物料消耗升高，直接影响了冶炼经济成本。KR法因动力学条件好，铁水搅拌强烈，而且CaO的加入量较大，所以铁水温降也大，目前国内KR法工艺应用较成熟的武钢可以使温降控制在28左右。相比之下，镁基脱硫剂的脱硫温降都比较小，主要原因有以下3点；喷吹法动力学条件差 ,铁水整体搅拌强度不大 ,热量散失少;金属镁的脱硫反应过程是放热反应；镁的利用率高，脱硫粉剂加入量少。(4) 脱硫剂铁水预处理过程中，脱硫剂是决定脱硫效率和脱硫成本的主要因素之一。根据日本新日铁曾做的计算，脱硫剂的费用约为脱硫成本的80%以上，所以，脱硫剂种类的选择是