川威炼钢厂铁水预处理工艺实践与优化.doc

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重庆科技学院

毕业设计( 论文)

题 目 川威炼钢厂铁水预处理工艺
实践与优化

院 ( 系) 冶金与材料工程学院
专业班级
学生姓名 学号
指导教师 职称
评阅教师 职称

6 月 8 日
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毕业设计( 论文) 作者( 签字) :
年 月 日

摘 要

铁水预处理, 炼钢生产中主要是指铁水在进入转炉之前的脱硫处理。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。
随着科技的日益进步, 市场需求越来越高, 对材料的要求也越来越高, 同时考虑到高炉的原料情况和提高生产效率, 而且为适应转炉提高质量的要求, 在装料前, 普遍对铁水进行预处理。铁水预处理包括对铁水中的硅、 锰、 磷、 硫、 氮进行处理。其中, 为冶炼低硫钢种而进行的铁水预脱硫处理以被广泛采用。实际操作中采用与硫亲和力大的物质作为脱硫剂, 如钙、 镁、 稀土金属以及Na2CO3、 CaC2、 镁焦、 氮化石灰及生石灰等。
川威集团为了降低铁水中的硫含量, 提高产品质量, 提高集团的效益, 为企业增加收益, 着力满足客户需求, 努力建立科学的生产体系。运用企业资源, 以科学的角度改进生产工艺, 保证生产效益, 以明确的目标加强企业生产质量。
关键词: 铁水预处理 脱硫 提高质量 效益

Ⅰ

ABSTRACT

Hot metal pretreatment, mainly refers to the production of steel in the hot metal desulfurization process before entering the converter. Generalized hot metal pretreatment is intended to include the hot metal desulfurization, silicon, dephosphorization of the three off process, in addition there are special hot metal pretreatment, such as references to V V containing molten iron and so on.
With technological advances made since the market demand increasingly high, the material requirements are also increasing, taking into account the situation and the blast furnace raw materials to increase productivity and improve quality to meet the requirements of the converter, before loading, generally hot metal pretreatment. Including molten hot metal pretreatment of silicon, manganese, phosphorus, sulfur, nitrogen and processed. Among them, the low sulfur steel smelting and hot metal pre-desulfurization process conducted as to be widely adopted. Sulfur used in practice great affinity substance as a desulfurization agent, such as calcium, magnesium, rare earth metals and Na2CO3, CaC2, magnesium coke, lime and quicklime nitride.
Chuan Wei Group in order to reduce the sulfur content in hot metal, improve product quality, improve our efficiency, increase revenue for the enterprise, efforts to meet customer needs and strive to establish a scientific system of production. Use of corporate resources to the scientific point of view to improve production processes, to ensure production efficiency, clear objectives to enhance production quality.
Keywords: hot metal; pretreatment;desulfurization;improve quality;benefit

Ⅱ
目 录
摘 要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
1 绪 论 1
1.1铁水预处理介绍 1
1.2 铁水预处理的发展及展望 1
1.3 铁水预脱硫 2
1.3.1 KR法的发展 2
1.3.2 KR脱硫工艺在国内的发展 3
1.3.3 搅拌法脱硫工艺的优缺点 3
1.4 铁水预脱硅 4
1.5 铁水预脱磷 4
1.6 铁水预脱钒 5
1.7铁水预处理的设备 5
1.8 国内外脱硫剂的研究成果 7
1.9 研究本课题的目的及意义 8
1.10 本课题的任务 8
2 铁水脱硫的热力学 9
2.1 铁水脱硫预处理的经济指标 9
2.1.1 脱硫效率(η( s) ) 9
2.1.2 脱硫剂效率(Ks) 9
2.1.3 脱硫剂的反应率ηM 9
2.1.4 脱硫分配比﹙Ls﹚ 10
2.2 脱硫剂的种类 10
2.3 脱硫剂的反应特点 10
2.3.1 电石粉﹙CaC2﹚ 10
2.3.2 石灰粉脱硫 11
2.3.3 用Mg粉脱硫 11
2.4 如何选择脱硫剂 12
2.5 影响铁水脱硫效果的因素 13
2.5.1脱硫剂种类 13
2.5.2 粒度 13
2.5.3 喷吹气体流量及喷粉速度 13
2.5.4 喷枪的插入方式和插入深度 13
3 川威集团KR法铁水预处理现状阐述 15
3.1原料要求标准 15
3.1.1铁水条件 15
3.1.2脱硫剂采用CaO 15
3.2预处理脱硫操作参数统计 16
3.3预处理脱硫操作工艺流程 16
3.4对原料条件的状况分析 17
3.4.1石灰 17
3.4.2莹石粉 18
3.4.3 钒钛铁水 19
3.5预处理脱硫原始数据的统计 20
3.6脱硫效率分析 23
4 川威集团KR预处理效率的工艺优化 24
4.1 KR法处理工艺优化方案 24
4.1.1 方案一: 调渣技术方案 24
4.1.2 方案二: 高电石型脱硫调渣技术方案 24
4.1.3方案三: 低电石型脱硫调渣技术方案 25
4.2 试验条件及应用方法 25
4.2.1 试验采用的工艺流程。如下图4.1 25
4.2.2 脱硫调渣剂制备 25
4.2.3 试验过程KR脱硫主要工艺参数 26
4.2.4 试验方法 26
4.3试验结果及数据分析 26
4.3.1脱硫效果 26
4.3.2 KR脱硫前后铁水碳、 钒成分变化 32
4.3.3 脱硫渣 32
4.4 经济效益分析 33
4.4.1 经济效益计算依据 33
4.4.2 经济效益计算 33
4.5 本章小结 34
5 结论 35
参考文献 36
致 谢 37

1 绪 论

1.1铁水预处理介绍
铁水预处理, 主要是指在炼钢生产中铁水进入转炉之前进行脱硫、 脱硅、 脱磷处理, 广义的铁水预处理包括从铁水中提取有价金属, 如铁水提钒、 提铌等[1]。
铁水预处理主要任务是脱硫、 脱磷、 脱硅。少量工艺需要脱钒。随着市场竞争压力的不断增加, 钢铁企业生产成本不断增大, 特别是最近几年钢铁产能迅速增加, 为了在产能得不断增加下保持着高效率、 高品质、 低成本的钢铁生产, 铁水预处理技术在竞争环境恶劣下得到了快速的发展。

1.2 铁水预处理的发展及展望
现在对低硫钢要求特别的苛刻, 对铁水预脱硫处理被绝大多数的钢厂广泛采用。生产过程中企业都采用与硫亲和力较大的物质作为脱硫剂, 如镁、 钙、 CaC2、 镁焦、 稀土金属以及生石灰、 氮化石灰及Na2CO3等。脱硫方法从喷吹法发展到了现在大多数钢厂用的机械搅拌法主要是为了从提高脱硫剂的效率, 流动性和提高炉渣碱度, 增加反应界面等反面考虑。
由于现在对材料在性能上的要求越来越高, 比如汽车用钢、 石油管线钥、 硅钢、 海上采油平台用钢等, 以前的生产工艺生产出来的材料根本达不到这些材料需要的性能, 那么在这种情况下迫使企业对工艺的改进, 因此铁水预处理就由然而生, 铁水预处理能提高材料的性能和纯洁度, 从而满足特殊材料用钢, 同时铁水预处理对新品种开发也起到了助推作用, 转炉冶炼的航空用钢、 高铬钢、 防腐钢、 焊条钢、 不锈钢、 高碳钢、 无缝钢管用钢及钢轨钢等都是用铁水预处理后开发出来的新钢种, 铁水预处理使钢种的种类不断增多[2]。
中国的钢产量从之前的1亿吨发展到现在的8.1亿吨, 在最近几年中国大约建设了将近八十套预处理装置, 处理能力达到近7000万吨。铁水脱硫预处理工艺现在主要的方法是ＫＲ法和喷吹法进行脱硫, 处理容器是转炉铁水罐,铁水脱硫预处理的脱硫剂主要为金属镁和石灰, 脱硫剂既能够单独用一种粉剂作脱硫剂的, 也有以一种粉剂为基础的复合粉剂作脱硫剂的, 比如武钢一炼钢, 邯钢三炼钢等就是单独一种粉剂作脱硫剂, 而包钢, 梅钢等是复合剂作脱硫剂[3]。现在有80%以上的钢厂用的都是镁基复合剂, 因此镁脱硫发展得非常迅速。国内大部分引进先进北美、 西欧的镁基复合喷吹技术, 乌克兰的单吹颗粒镁喷吹技术, 日本的ＫＲ法等国外新进的脱硫预处理工艺设备。
中国在国外先进技术的同时并加以改进成为具有自主知识产权的技术也发挥着作用。如国内开发的纯镁喷吹技术在行业内得到广泛应用(如马钢等)。有很多企业是对旧的生产线和落后工艺进行改造和替代。如武钢一炼钢 以纯镁喷吹替代原有镁、 石灰混合喷吹工艺; 太钢改造原三脱设施。也有在原生产线基础上的增建。如本钢 引进Danielicorus镁基复合喷吹技术; 武钢二炼钢增建1套ＫＲ法脱硫装置。
上世纪的脱硫方法在市场上占很大比例的是引进改良的ＫＲ法、 镁基复合喷吹法, 后面乌克兰的颗粒镁喷吹技术进入中国后也发展得十分迅速。其后, 鞍钢新区的260ｔ转炉脱硫车间采用了德国Polysius公司的镁基复合喷吹技术。
在未来, 中国将继续在预处理脱硫技术上加以发展及改进, 提高脱硫能力, 炼高质量的钢, 努力赶超国际先进水平。

1.3 铁水预脱硫
现代化炼钢厂钢厂的重要标志就看铁水预处理工艺是否先进和效率高, 近代国际上先进的钢铁厂一般都采用了全量铁水脱硫, 像欧美、 日本绝大多数钢厂都采用全量铁水”三脱”(脱P、 S、 Si)处理[4]。
随着冶金技术的发展, 铁水炉外脱硫技术的研究与实践正风糜全球。在一般情况下, 硫是钢中的有害元素。高炉提高渣的炉温和碱度能获得了低硫铁水, 但这样的话就会使高炉技术经济指标下降。转炉由于炉内冶炼过程中热力学条件的限制, 脱硫率一般都不高。因此, 为保证钢的质量, 炉外对铁水进行脱硫预处理就成了必要工序。铁水炉外脱硫技术从本世纪30年代开始投入应用、 经过几十年蓬勃发展至今, 处理工艺方法也是层出百穷, 方法还在不断的改进中, 在国外已趋成熟, 在实际生产中已大量的应用在企业[5]。
铁水预处理脱硫工艺经过多年的积累和对技术的改进先后创造的工艺有摇动法, 包括瑞典的单向偏心摇动铁水罐法和日本神户川崎铁厂的可逆旋转式DM摇包法, 机械搅拌法有原西德DO(Demag-Ostberg)法、 RS(Rheinstahl)法和赫歇法, 日本新日铁的KR(Kambara Reactor)法和千叶的NP法, 吹气搅拌法有新日铁的PDS(底喷)法CLDS(顶喷)法, 钟罩压入法, 主要有美国Janes Laughlin公司的镁焦法和其它镁系脱硫法, 喷吹法有原西德Thyssen的ATH(斜插喷枪)法和新日铁的TDS(顶喷)法, 炉前铁水沟连续脱硫法, 喷粉法, 由德国博克默维赖因工厂的波尔等人研制, 主要是向铁水喷粉脱硫法, 喷粉脱硫法应用于鱼雷罐车[4]。
机械搅拌法脱硫主要有KR法、 RS法和DO法。在这几种方法中在实际生产当中运用的最多的还是KR法, 下面重要介绍下KR法。
1.3.1 KR法的发展
铁水预处理逐渐已成为现代化的主要炼钢生产工艺, 现在用户对钢材质量要求越来越苛刻, 一般要求钢中的硫含量控制在0.015％以下, 有的甚至要求达到”双零”的超低硫水平, 考虑到减轻转炉的冶炼任务和减少转炉原料的消耗, 使各冶炼设备发挥各自的作用, 因此近年来国内新建转炉钢厂都配备了铁水脱硫装置, 老厂也经过改造配备了脱硫装置[7]。KR法作为一种主流脱硫工艺, 在国内许多钢厂得到了广泛应用。
1.3.2 KR脱硫工艺在国内的发展
KR搅拌法是日本新日钢铁厂于1965年用于工业生产的铁水炉外脱硫技术, 早在1976年武钢二炼钢就从日本新日铁引进了国内第一台搅拌脱硫装置, 单罐处理能力为70—80t, 处理周期约85min, 采用CaC2基作为脱硫剂, 由于当时该套装置的消耗指标及运行成本均比较高, 处理周期也长, 因此这套装置并没有在国内得到推广。搅拌法脱硫工艺随着时间的推移经过近二十年的发展, 已形成为一种成熟稳定的脱硫工艺, 在消耗指标、 运行成本、 处理周期上都大大的降低了。
在 武钢二炼钢对第一套搅拌法脱硫工艺进行消化改进, 联合原武汉钢铁研究设计总院自主设计和建造了第二套搅拌脱硫装置。 宝钢集团一钢公司从日本川崎重工引进两套150t搅拌脱硫装置, 原武汉钢铁研究设计总院又在昆钢建造了两套55t的搅拌脱硫装置, 原上海冶金设计研究院在宝钢集团上钢三厂建造了两套40t的搅拌脱硫装置[7]。武钢在 新二炼钢新建两套200t、 马钢四炼钢新建两套300t搅拌脱硫装置。韶钢新一钢工程在建两套130t搅拌脱硫装置, 这样在国内已形成了300t、 200t、 150t、 130t、 80t、 55t、 40t大、 中、 小系列的搅拌脱硫。
搅拌法脱硫工艺的原理就是将用耐火材料烧铸烘烤而成的十字形搅拌头, 插人到铁水罐中进行旋转, 使铁水形成运动的漩涡, 然后将脱硫剂经过振动给料加入到旋转的铁水中。脱硫剂被漩涡卷入铁水中, 在搅拌过程中与铁水中的硫充分接触反应, 从而达到脱硫的效果。影响脱硫速度的因素主要有脱硫剂种类和动力学条件。现在的搅拌法脱硫工艺大多数是用石灰作为脱硫剂, 再配入少许萤石、 铝渣作为助熔剂。当铁水中的硅含量在0.05％以上时, 脱硫反应为:
2CaOfs+[s]+1／2[si]=(ca2s)(B)+1／2(Ca2SiO4) (1.1)
当铁水中的硅含量很低时, 脱硫反应为:
CaO+[S]+[S]=(Ca2S) +(CO) (1.2)
反应生成的CO气体对铁水起到搅拌作用, 更加快了脱硫反应的进行。因为高炉铁水中的硅含量一般均大于0．05％, 因此脱硫反应均为(1.1)式。在反应式(1.1)中生成的Ca2SiO4层将石灰颗粒包住, 此层质地紧密, 且熔点高, 阻碍了铁水中的硫透过它向深部扩散, 使脱硫速度变缓, 且生成的致密层包住新加入的石灰, 增加了石灰的消耗, 因此向脱硫剂中配入萤石等助熔剂, 生成低熔点物质, 从而使铁水中的硫进一步与石灰反应, 能提高脱硫效率约20％。部分钢厂向铁水中加入铝渣, 从而降低氧势, 达到提高脱硫效率。
1.3.3 搅拌法脱硫工艺的优缺点
1.3.3.1 搅拌法脱硫工艺的优点
①脱硫效率高而稳定
KR法脱硫工艺脱硫效率高且稳定, 而且回硫少, 动力学条件及重现性都非常的良好。国内某厂, 采用KR搅拌法一个班处理了8炉铁水, 7炉达到0.001％, 1炉为0.002％, 采用石灰加镁粉的喷吹法则达不到这个水平, 且还会产生回硫[7]。
②脱硫剂
采用脱硫剂是石灰基脱硫剂, 运输与储存都不需特殊装置和措施, 镁基喷吹法脱硫工艺所用镁粉需钝化处理, 且运输和储存需有防护措施[7]。
③运行成本
预处理的主要运行成本为脱硫剂和耐材。搅拌法的搅拌装置的搅拌头经过多年的改进, 寿命已经大大提高, 当前一般大于250炉, 有的寿命高达500多炉, 而喷吹法的喷枪寿命一般在60多炉; 搅拌装置采用石灰基的脱硫剂, 来源广泛, 价格低廉, 而镁基脱硫剂价格很高, 且受市场的波动影响较大, 经过对国内某厂生产数据的分析, 在铁水终点硫≤0.005％时, 搅拌法比喷吹法运行成本低, 而当铁水终点硫>0.005％, 喷吹法比搅拌法运行成本低[7]。
1.3.3.2 搅拌法脱硫工艺的缺点
①设备较大, 占用面积较多。
②一次性投资较大。
③铁水的温降较大。
④铁损较大。
⑤处理周期较长。

1.4 铁水预脱硅
铁水预处理”三脱”中的硅是一个比较稳定的物质, 在铁水中硅含量过高或过低都会对铁水带来影响, 并将损害炼钢技术经济指标, 从而增加生产成本。因此, 为了提高钢材的质量, 世界各国都在预处理过程中增加了脱硅工序。脱去铁水中的硅能减少转炉冶炼的渣量、 提高炼钢技术经济指标。转炉需要较低量的硅含量, 那么就需要在转炉冶炼前对铁水中的硅进行处理。当铁水中的硅含量在1.15%时脱硫剂首先与硅起作用, 就会影响脱硫, 脱硅就去处脱硫的影响。因此脱硅不但是对减少渣量有关, 而且对脱硫脱磷也有联系, 为进一步提高钢材质量打好基础。经过近十年的发展, 脱硅也逐渐成为了铁水预处理的必要环节了, 为提高铁水纯度提供很大帮助。

1.5 铁水预脱磷
磷是钢中的有害元素,在晶界容易产生偏析,引起钢的低温脆性和回火脆性。高级优质钢对钢中磷含量的要求很严格,低温用钢、 抗氢致裂纹钢、 海洋用钢都要求[P]小于0.01%或0.005%, 铁水预处理脱磷具有低温的有利条件,常见的铁水脱磷剂要求要有高碱度、 高氧化性, 采用铁水预处理脱磷,既减轻了转炉脱硅、 脱磷任务,实现少渣或无渣炼钢,改进了转炉炼钢的技术经济指标,又为冶炼低磷优质钢、 实现全连铸、 连铸连轧提供经济的技术保障, 铁水预脱磷处理分为还原脱磷和氧化脱磷,当前,各钢厂普遍采用氧化脱磷工艺[8]。脱磷方法根据脱磷剂不同分为铁水罐法、 SARP法、 转炉法、 ORP法和NRP法等。

1.6 铁水预脱钒
提钒过程是铁水中的铁、 钒、 碳、 硅、 锰、 钛、 磷、 硫等元素的氧化反应过程。主要方法就是向转炉喷吹氧气把钒氧化为高价的钒氧化合物, 从而制取钒渣的物理化学过程。

1.7铁水预处理的设备
铁水预处理过程是从高炉出铁水到转炉炼钢中间这个过程, 主要设备由铁水罐车、 电动渣罐车、 扒渣机、 搅拌系统升降小车、 定位夹紧装置、 升降导轨及框架、 升降小车卷扬装置、 搅拌头、 除尘烟罩提升装置、 液压驱动装置、 脱硫剂输送装置、 测温取样装置以及电气自动化控制设备等, 设备的先进与否直接影响到铁水预处理的效果。
扒渣在铁水预处理中是一个重要的环节, 它为转炉炼钢去处铁渣, 使炼钢在少渣的环境中运行, 冶炼高质量的钢材, 同时对转炉起保护作用。
扒渣是除去铁水预处理后在铁水表面产生的高硫渣,是控制入炉铁水含硫量的关键环节, 经过多年的生产实践, 扒渣设备也是迅速的发展着, 下面重要介绍扒渣设备。
1)气动扒渣机
全气动小车走行式扒渣机的动力源是利用压缩空气来完成,在扒渣小车上按装着上下摆动的扒渣臂装置、 扒渣板位置微调装置、 扒渣臂夹紧装置和扒渣臂旋转装置, 扒渣机行走、 回转、 扒渣等所有动作的完成都经过气缸气体的运动, 该扒渣机是从日本引进的KR法铁水脱硫装置的扒渣机, 再结合中国国情进行改进, 是国内使用较早的铁水罐除渣设备[9]。平面图见图1.1。
图 1.1 气动扒渣机
气动扒渣机具有结构简单、 造价低、 重量轻等优点。气动扒渣机的气体工作介质采用氮气,氮气的可压缩性较强,扒渣时不好控制, 且操作不平稳,扒渣时耙头下砸力大,使得渣铁不易分离,从而造成扒渣时间比较长、 扒渣还不那么彻底,且铁损大等缺点[9]。
2)液压扒渣机
经过对气动扒渣机缺点的研究,消化引进国外液压扒渣机技术的基础上, 自主设计制造了液压扒渣机,主要有液压小车行走式扒渣机形式与气动小车行走扒渣机两种形式,所有的动作主要靠液压驱动, 设备主要部分由液压站、 扒渣臂上下摆动装置、 小车行走装置、 扒渣板初始位置微调装置、 电气控制系统、 扒渣机左右摆动装置等组成, 液压小车行走式扒渣机行走系统采用液压马达驱动, 经过比例阀控制油缸来完成扒渣、 左右旋转、 初始位置调整等动作, 液压扒渣机具有结构形式牢固,工作稳定且操作性好、 扒渣力度大等优点,但缺点是设备占地面积大,液压设备要求高[9]。结构见图1.2。

图1.2 液压扒渣机
3)小车式三抓扒渣机
山东烟台盛达利公司为了降低铁损和提高清渣效率开发了一种扒渣方法, 就是小车式三抓扒渣机, 其特点是具有三个能打开和合拢的扒渣抓板,操纵渣耙在合拢状态下进
图1.3 小车式三抓扒渣机
入铁水液面一定深度扒渣,然后再使两个活动渣耙向两边打开,聚拢渣子后将其扒出, 具体操作方法是:首先将回转式捞渣机的渣耙浸入铁水包中渣聚集较多的位置, 然后操纵两渣耙打开呈一条直线,向包口水平运动,运动中操纵两渣耙逐渐合拢聚渣,最后将渣从包口扒出,或者利用扒渣机的升降功能将渣夹住后捞出 [9]。此扒渣机的特点是既能够扒渣也能够用于捞渣。其结构如图1.3所示。

1.8 国内外脱硫剂的研究成果
脱硫剂经过几十年的研究发展, 种类变得越来越多, 如今国外多数工业上使用的脱硫剂主要有: 苏打(Na2CO3)、 电石(CaC2)、 石灰(CaO)、 金属镁以及以它们为基础的复合脱硫剂。
中国攀钢采用CaC2 50%～55%+CaO 30%～45%+CaF2 4%～10%+焦炭 1%～5%, 原始硫0.078%左右, 脱硫率大于70%。
德国创造的钙镁混合脱硫法由CaC266%～86%+干煤粉(挥发份不小于15%)+细镁粉10%～30%组成, 由镁粉和电石组成使脱硫效果大大的增加。现在CaC2、 Mg作为复合脱硫剂的基本组成, 应用相当广泛。当然CaC2和Mg粉可单独顺序使用,也可混合使用。
美国LTV公司在[S]不小于0.045%和[S]不大于0.007%时采用CaC2, 在其间采用Mg粉。北美地区镁基脱硫剂基本上采用Mg+CaC2(或CaO),其中Mg为10%～90%。喷入方法有联合顺序喷入和混合喷入。联合顺序喷入一般有二支喷枪,最多三支喷枪,每支喷枪喷入一种脱硫剂。如一支喷(CaC2+CaO)作为载剂,一支喷Mg, 载剂: 镁为3∶1或4∶1。脱硫剂用量0.686kg/t、 喷吹时间3.4min,原始[S]为0.030%时,可将硫脱至0.015%。脱硫剂用量1.267kg/t,喷吹时间6.3min,可将硫脱至0.005%。
土耳其伊兹密尔钢铁厂用的脱硫剂组成为Mg 48%～52% + MgO 1%+Al30%～40% + SiO25%～10%, 脱硫剂粒度0.2～1.0mm, 脱硫剂用量0.427kg/t, 喷吹时间6～8min。
中国主要是对CaO基脱硫剂进行研究, 主要研究它的石灰活性和添加剂。东北大学与鞍钢第三炼钢厂对活性度的联合研究下, 发现活性石灰的脱硫率一般不小于90%, 而普通石灰脱硫率小于70%,而且随着活性石灰用量的增加脱硫率也会随着增加,用量从6kg/t增至10.5kg/t, 脱硫率从81%增至92%～97%。宝钢与东北大学对粗晶粒的石灰石在加食盐下煅烧制得的石灰对脱硫的影响进行了实验, 不加食盐煅烧的石灰活性度比没有加食盐的高,而且脱硫率平均提高24.02%。经研究认为: 加食盐煅烧后的活性石灰中CaO(n)结构数量增加, 石灰颗粒的缺陷多, 比表面积大,钢铁研究总院对脱硫剂的添加物进行了深入研究, 除CaF2外对添加CaCO3、 天然碱、 CaCl2进行了对比,在脱硫剂用量1%的情况下, 吹炼8min, 加CaCl2的为63%, 加天然碱的脱硫率最高(73%),加CaCO3的为44%[10]。用量为1.5%时,加天然碱的脱硫率为87%。天然碱的主要成份为Na2CO3 82%、 Na2SO4 5%、 SiO2 3.2%。之因此加入天然碱后脱硫率较高, 是由于Na2CO3脱硫能力比CaO、 CaCl2和CaCO3都要高。

1.9 研究本课题的目的及意义
研究铁水预处理主要目的是为了降低铁水中的有害元素(硫、 硅和磷)含量, 为转炉炼钢提供较纯的铁水, 最终生产出合格的高质量的钢材。
如今, 中国的钢铁产量和生产能力持续递增, 而随着炼钢技术的发展和国内外的激烈竞争, 对钢材的质量和生产的技术都提出了很高的要求。
开展铁水预处理研究的意义是增加优质钢材产量、 提高钢材质量、 提高企业经济效益、 促使企业发展, 这是当下中国冶金行业在高产能的情况下面临的亟需解决的问题。传统的高炉炼铁—转炉炼钢工艺很难满足钢中P、 S含量达到”双零”的要求。铁水预处理包括三脱: 脱硫、 脱磷、 脱硅。铁水预处理脱磷的主要目的是为了冶炼低磷钢和超低碳钢, 以用于一些特殊场合。研究表明, 进行预处理脱磷必然先脱硅, 碳也会有一定程度的降低。预处理虽然会造成热量一定程度的减少, 但由能够使转炉炼钢只有较少的渣, 转炉就避免了用于化渣的热量, 两者几乎能够相抵消,在日本、 美国、 西欧一些钢铁工业比较发达的国家的铁水预处理技术发展非常快, 铁水预处理量基本上在70%~80%以上, 有的企业已达100％[10]。

1.10 本课题的任务
为提高川威KR法铁水预处理脱硫的效果, 降低脱硫剂的消耗, 在现有工艺条件下, 研究脱硫剂各组分对脱硫效率和综合成本的影响。根据川威集团的铁水主要为钒钛铁水的实际情况, 并结合现场的操作条件, 经过调整脱硫剂成分, 进行现场试验, 得到优化的铁水脱硫方案。

2 铁水脱硫的热力学

2.1 铁水脱硫预处理的经济指标
2.1.1 脱硫效率(η( s) )
η( s) =( [s]前-[s]后) /[s]前×100% ( 2.1)
式中: [s]前——预处理前铁水含硫量, ％
[s]后——预处理后铁水成品含硫量, ％
经过公式脱硫效率反映出脱硫工艺对铁水脱硫的直接影响, 在工艺操作中起着很重要的作用, ηs值越大, 说明脱硫效果就越好, ηs值的大小与原始含硫量有关系, 如脱硫前原始硫很高, 那么ηs值较大, 因此不能说明成品硫就很低。但公式中没有脱硫剂的使用量, 因此该公式不能反映出脱硫剂的脱硫效果。
2.1.2 脱硫剂效率(Ks)
Ks=d[s] ／dw ( 2.2)
式中: w—脱硫剂的消耗量, kg/t铁
假设在脱硫反应过程中, 脱硫剂的效率不变, 则: Ks=[S]前-[S]后 ／W ( 2.3)
脱硫剂效率Ks的意义是单位脱硫剂的脱硫量, 虽然不能准确地表述出脱硫剂的脱硫能力的大小, 但在实际生产操作中有着实际意义。在掌握脱硫数据的情况下, 就能够按照要求加入所需要的脱硫剂的数量。
2.1.3 脱硫剂的反应率ηM
铁水中加入的脱硫剂, 并不是所有的脱硫剂都参与了脱硫反应并起到了脱硫作用, 为了便于比较脱硫工艺中脱硫剂参与脱硫反应的程度, 可用脱硫剂的理论消耗量和实际消耗量的比值来表示脱硫剂的反应率
ηM=QT／QP×100% ( 2.4)
式中: QT——脱硫剂的理论消耗量, kg/t铁
QP——脱硫剂的实际消耗量, kg/t铁
例如: 用电石粉的脱硫剂的反应率
CaC2+[S]= CaS+2C
ηCaC2=1000×﹙[S]前 －[S]后 ﹚×64/32／Q CaC2 ×K CaC2 ( 2.5)
式中: 64—CaC2的分子量
32 — S的分子量
Q CaC2—电石粉的单耗, kg/t铁
K CaC2—电石粉中CaC2的含量, ％
2.1.4 脱硫分配比﹙Ls﹚
脱硫的产物必须进入渣中, 从而使钢中的硫减少, 其反应式简化为: [S]=﹙S﹚。
炉渣的脱硫能力, 一般见硫在渣—铁中的分配比的大小来表示, Ls=( S) /[S] ( 2.6)
式中:
Ls—硫在渣—铁中分配比
(S)—渣中硫的含量, ％
[S]—铁中硫的含量, ％
Ls值的大小说名了炉渣脱硫能力的强弱, 越大则脱硫能力越强, 一般而言, 像高炉渣由于FeO低, Ls可达100, 电炉还原期Ls可达30～50, 而转炉渣仅为5～10。

2.2 脱硫剂的种类
实际生产中, 铁水预脱硫常见的脱硫剂有4种: 石灰粉系、 碳化钙系、 钝化镁系、 苏打粉系。脱硫剂是决定脱硫率和脱硫成本的主要因素。选择脱硫剂主要需要考虑成本、 脱硫效率、 环境保护、 资源、 脱硫产物形态、 对罐体耐火材料的侵蚀和安全等众多因素。这4种脱硫剂特点的对比见表2.1。
表 2.1 铁水预脱硫熔剂的比较
脱硫剂
优点
缺点
石灰粉系
价格便宜,脱硫对罐体耐材侵蚀少,
扒渣容易
脱硫效率低,温降大, 铁损大易受潮失效
碳化钙系
脱硫效率高, 渣量少, 温降小易于防止回硫
易受潮, 易产生爆炸, 对运输, 贮存和使用要求高,高温时, 脱硫效率低, 要
求喷入铁水的深度大, 价格高
钝化镁系
脱硫能力强, 耗量少渣量少, 铁损低温降小
脱硫效率低, 温差大, 污染环境
苏打系
价格便宜
渣很稀, 扒渣困难
从表2.1可看出, 使用一种脱硫剂, 都达不到完全满意的效果。随着工业铁水预脱硫技术的发展, 现在企业主要倾向于CaO-Mg基熔剂和CaC2-Mg基熔剂两种脱硫剂方案。

2.3 脱硫剂的反应特点
2.3.1 电石粉﹙CaC2﹚
碳化钙脱硫反应为
CaC2+[S]= CaS+2C
ΔG°=-359245+109.5t j/mol
用CaC2脱硫有如下特点:
①在高碳铁水中, CaC2分解出的Ca离子与铁水中的硫有极强的亲和力。因此CaC2有很强的脱硫能力故用量少, 渣量也较少。
②用CaC2脱硫反应是一个放热反应, 有利于减少铁水温度降低。
③用电石粉脱硫形成电石粉, 同时