马钢300转炉炼钢铁水预处理工艺选型

马钢300转炉炼钢铁水预处理工艺选型

铁水预处理技术可以经济有效地生产清洁钢（如w（s）0.05%，w（p）0.005%）。这是钢铁工业生产流的一个重要组成部分。马鞍山钢铁股份有限公司(以下简称马钢)原炼钢系统建有3座铁水脱硫预处理装置,分别采用单喷颗粒镁、镁粉和石灰混喷两种铁水预处理脱硫工艺,脱硫率可以达到80%以上,能够满足一般品种钢生产的需要。马钢新区300t转炉炼钢系统一期工程设计能力为年产钢567万t,铁水采用鱼雷罐运输,铁水单元主体设备为2座铁水倒罐站和2座铁水预处理站,马钢最终产品主要为汽车板、高档家电板和高级别管线等。为保证产品质量,铁水预处理的建设和工艺设备选型至为关键。通过多方认证、比较,最终选择采用KR搅拌法进行铁水预处理,并于2005年开始设计,2007年3月热试、投入生产。1铁水预处理技术的选择1.1铁水包脱硫工艺的比较随着铁水预处理技术的不断发展,国内铁水预处理方式主要为搅拌法(KR)和喷吹法,基于马钢新区铁水预处理以铁水全脱硫为主的工艺目的,为了做好预处理工艺选型,重点对铁水脱硫进行了对比分析。1)动力学条件比较。喷吹法由于载气与镁的密度和总质量远小于铁水,它们上浮产生的铁水对流运动较弱,罐底与喷吹口成90°夹角区域为死区;而KR法因搅动产生铁水旋涡运动,故动力学条件远好于喷吹法。KR搅拌法流场如图1所示(图中圆点和箭头分别代表脱硫剂和铁水运动方向)。由图1可看出,KR搅拌形成了铁水的循环流动,在铁水包中无死区,这大大改善了脱硫的动力学条件,减少了脱硫剂的消耗。生产实践表明:搅拌时间只需要5min就可使脱硫剂可以得到充分的利用,脱硫速度快、效果好,铁水初始w(S)=300×10-6时,处理终点w(S)可达10×10-6以下。文献认为:较之喷吹法,搅拌法的出现使得脱硫过程中的动力学条件得到了根本性的改善。综合比较,在几种预处理脱硫工艺中,铁水包KR法脱硫的动力学条件是最优的。2)热力学条件比较。喷吹镁粉脱硫,随着铁水温度的升高,镁的气化速度加快,形成的气泡较大,铁水黏度降低,镁的气泡上浮速度较快,从而降低镁在铁水中的停留时间,导致镁脱硫剂的利用率降低,而石灰基脱硫剂随着铁水温度的升高,越利于石灰熔化,有助于提高石灰脱硫的利用率,尤其在铁水温度大于1400℃的情况下,KR搅拌法的热力学条件优于喷吹法。3)脱硫效果比较。搅拌法(KR)和喷吹法铁水预处理脱硫效果比较如表1所示。KR搅拌法脱硫深度可达痕迹(脱后铁水w(S)≤0.001%),且脱硫稳定性高;喷吹法深脱硫后铁水w(S)最低只能达到0.002%~0.005%,且脱硫效果稳定性差,波动大。KR搅拌法形成的脱硫渣量大且以CaS为主,CaS熔点2400℃呈固态,相对密度在1.2~1.4,渣铁分离较好,扒渣容易,铁损小,转炉回硫量小;喷颗粒镁法脱硫渣以MgS为主,尽管熔点也在2000℃以上,但因其渣量少温度高,渣稀致渣铁界面不清晰;同时MgS相对密度在2.8左右,脱硫渣在铁水的嵌入深度较深,脱硫渣铁分离不好,扒渣困难。若要将脱硫渣扒干净,则铁损增加,同时转炉回硫控制也不稳定。因KR搅拌法石灰脱硫剂熔解要吸热加上用量大,故其处理周期与处理温降相对较大;而喷吹法脱硫剂是颗粒镁,脱硫反应为放热反应,加之用量少,其处理周期与处理温降相对较小。4)投资及运行成本。喷吹法采用1套镁粉储料罐和喷吹罐,设备简单,基建投入少,总投资约1000万元,但对颗粒镁粒度、阻燃时间要求较高;KR搅拌法工艺装备复杂,占地面积大,与喷吹法比较,投资增加近1倍,但冶金效果和成本具有较明显的优势。1.2关于铁水预处理的确定KR搅拌脱硫工艺和喷吹法脱硫工艺均为成熟的脱硫工艺,KR搅拌法在动力学条件方面更优。选择何种铁水预处理方式还要根据钢铁企业的具体情况而定。马钢最终选择KR搅拌法,还基于以下几方面的考虑:1)KR搅拌法使用的脱硫剂主要为石灰粉,第四钢轧总厂建有3座石灰窑为炼钢和精炼提供石灰,此过程中产生的副产品粉灰恰好可以作为搅拌法的原材料,既减少了外排的压力同时节省了购买预处理原材料的费用。2)考虑到KR搅拌法对深脱硫的效果比喷吹法要好,能够将铁水中硫脱至痕迹,脱除率非常高,给低硫品种钢的冶炼奠定了基础。3)KR搅拌法使用的原料相对较多,脱硫后的渣比较容易上浮积聚,便于扒除,从而减少带入转炉的铁水脱硫后的铁水渣,转炉吹炼过程回硫现象得到遏制,为低硫品种钢的生产创造了有力条件。综合考虑,马钢新区300t转炉炼钢系统采用KR搅拌法进行铁水预处理。建设2座预处理站,每个站内设1个搅拌处理工位和2个扒渣工位。其主要功能是对铁水进行脱硫处理,为转炉提供硫含量适合的铁水,同时预留有“脱硅”、“脱磷”功能。图2为马钢新区铁水预处理脱硫工艺流程。2生产技术指标的对比2007年3月,KR铁水预处理装置热试、投产以后,取得良好的脱硫效果,脱硫率超过92%,达到国内先进企业水平。但成本较高,主要表现在脱硫剂加入量过多,铁损大。表2为生产初期KR主要生产技术指标的对比。在后续的生产中,通过设备不断改进和工艺优化逐步解决了脱硫剂单耗高、搅拌头寿命低、扒损大等问题,并针对铁水原始硫含量和钢种成品硫要求对脱硫工艺进行了优化,在稳定质量的基础上进一步降低了成本。2.1存在的问题及解决方案投产初期,搅拌头寿命在全部深脱硫的情况下为2000min、260次左右,寿命偏低,对生产有一定的影响,与国内先进水平(450次)相比差距较大,因此提高搅拌头寿命的工作非常必要。通过分析,造成搅拌头寿命低的主要原因有:1)耐材质量不稳定。少数搅拌头的生产制作过程中存在缺陷,在现场使用初期就发生大面积耐材剥落现象。另外有部分搅拌头制作精度差,上线后振动严重,被迫提前下线。2)冷热交替促使搅拌头的耐材产生剥落。铁水预处理生产属间断性作业,有时间隔几小时,有时间隔几天。由于生产缺乏连续性,搅拌头经常处于“急冷急热”的状态,耐火材料制作的搅拌头经常出现块状剥落的现象,造成搅拌头使用寿命低。针对以上影响搅拌头寿命的因素,主要从优化组织生产,改善搅拌头使用工况入手来提高其寿命。基于目前脱硫能力要强于转炉生产能力,在保证转炉生产的前提下,实施单座KR站饱和生产、周期性轮换的预处理生产方式。一方面保证搅拌头连续使用,保证其良好的使用状态。另一方面,通过合理安排设备检查、检修,大幅度降低了设备故障率,从而减少频繁转站对搅拌头使用寿命产生的影响。同时,在处理过程进行“甩渣”操作,也对提高搅拌头寿命起到了一定作用。通过上述措施,搅拌头寿命稳定在3200min以上,平均使用次数达到400次以上。2.2检出限、操作不当,降低了铁水到灰渣的脱硫率铁损作为衡量预处理的重要技术经济指标,直接体现该工序成本控制的好坏。处理过程铁损主要体现在扒损。通过对操作过程分析,造成扒损大的主要原因有:1)低硫钢种生产时为减少转炉吹炼过程“回硫”,扒渣亮面要求高,扒渣量大,扒损也相应增加;2)扒渣操作不当,在扒渣过程中夹带的铁水较多。对于第1个原因,不能降低标准,减少扒损只能从操作方法上入手,即摸索科学、标准的扒渣操作方法。通过几年的实践和不断优化改进,操作方法不断优化,并形成操作标准,在渣铁分离、高效扒渣方面取得了突破性进展。表3为扒渣操作改进前后的实际效果。扒渣操作改进前后,脱硫率指标基本持平,但是扒损指标差异比较大,通过扒渣操作的改进,实现标准化操作,有效地降低了铁水扒损。图3为近几年铁水脱硫预处理过程铁损情况。2.3设备及物料管理重点加料系统下料不畅时常制约铁水预处理的连续生产,每当温度骤降或梅雨季节,“堵料”现象尤为严重。“堵料”事故个别是由于设备原因造成,主要原因可能与原料特性和输送介质有关联。脱硫剂输送不畅给生产造成严重的影响,处理堵料额外地增加了工作量。要解决“堵料”问题要从设备管理、物料管理和操作管理三方面下手:1)设备管理重点在于保证设备状态的正常,在管道备件选用上一定要杜绝管道部件内壁脱落现象发生;2)物料管理重点在于保证脱硫剂按照一定颗粒度要求进行配比,避免物料粒度过细;同时减少输送气体的水汽含量;3)操作管理方面要注重各个料仓储、运、投量合理搭配,只有各个料仓分工明确,物料连续使用才能够保证输料顺畅。2.4铁水预处理的工艺优化KR铁水预处理脱硫率超过90%,可以将铁水w(S)降至0.001%以下,但极低的硫含量也必须付出成本增加的代价,而且不同品种对硫的要求也不同,没必要全部进行深脱硫处理。因此,有必要根据铁水原始硫含量和不同钢种对硫的要求,制定、优化处理工艺,对铁水脱硫分级处理。分4种工艺路径、5种铁水原始硫情况制定了不同的铁水预处理工艺。表4为KR原设计工艺技术参数,表5和表6为两个工艺优化的实例。通过工艺优化、铁水分级脱硫处理的实施,脱硫剂消耗大幅度下降(见图4)。2.5铁水脱硫系统近2年来,通过持续开展浅脱硫工艺和分级处理工艺的研究和优化以及标准化作业,脱硫剂消耗和铁损指标得到大幅度的改善,2012年脱硫剂用量降至6.4kg/t,铁损降至6.1kg/t。同时,释放了KR脱硫的产能,单座脱硫站就能够很好地满足目前两座转炉生产对铁水预处理的需要。表7为马钢四钢轧与国内同类厂家脱硫处理消耗指标比较(统计时间2012年10月—2013年1月,1号KR站)。按镁粉价格17000元/t,石灰300元/t,铁水2400元/t,渣中平均w(Fe)按30%计算,对KR法和喷吹法铁水脱硫处理操作成本进行了比较,如表8所示。假设年处理铁水550万t(其中60%浅处理,40%深处理),与国内钢厂3消耗指标进行对比,KR脱硫实际年生产运行成本比喷吹法低3000万元以上。3kr铁水预处理装置的脱硫效果1)通过对2种主要的铁水预处理方法(KR搅拌法和喷吹法)脱硫热力学、动力学、脱硫成本、投资成本分析,并综合考虑原材料资源条件,马钢300t转炉炼钢系统选择了KR铁水预处理工艺,以铁水脱硫为主