武钢铁水脱硫工艺的选择

武钢铁水脱硫工艺的选择

1国内铁路水预处理国外的钢铁公司通常使用100%脱铁槽，日本的钢铁公司通常使用90%以上的“三脱”（si、p、s）。我国铁水预处理技术主要采用脱硫处理工艺,1999年全国铁水预处理比为23%,很不适应钢的品种质量要求与连铸发展。为适应炼钢生产发展的要求,我国2000～2005年冶金科技指南要求,年产量大于100万t的钢厂应进行铁水预处理,全国铁水预处理比要由20%提高到60%。武钢正在为贯彻和实现国家冶金科技指南的技术方针和目标而努力。近几年来,武钢在优化工艺结构,实现全连铸的进程中,对铁水脱硫预处理给予了高度的重视,不断扩大铁水预处理的能力,2000年武钢三座钢厂共生产钢664.10万t,共预处理脱硫铁水445.21万t,公司铁水脱硫比达到69.98%,为提高钢的质量,开发新的品种,增强产品市场竞争力提供了重要条件。2铁水硫处理技术、生产工艺和硫效果2.1技术设备和生产能力武钢现有三座炼钢厂,均采用转炉—连铸生产工艺,已具有年生产800万t钢和700万t以上铁水全量脱硫预处理的生产力。2.1.1装置设计能力有100t?LD转炉2座,配有铁水罐喷吹式脱硫预处理装置2套,设计年产钢能力170万t和年脱硫铁水能力164万t。2000年产钢133.40万t,预处理脱硫铁水76.35万t,铁水脱硫处理比59.04%。2.1.2脱硫预处理能力有80t?LD转炉三座,配有铁水罐KR机械搅拌式脱硫预处理装置2套(其中新建的1套KR脱硫预处理装置2000年年底已投入生产),年产钢可达240万t,年铁水脱硫预处理能力可达220万t以上(其中新建的2号KR脱硫装置年设计能力为140万t)。2000年产钢226.70万t,预处理脱硫铁水93.44万t,铁水脱硫处理比41.81%。2.1.3国内脱硫废水预处理有250t?LD转炉二座,配有鱼雷罐喷粉式脱硫站一套,设计的年产钢能力为250万t(2吹1条件下),经过配套改造,实际年产钢能力可达400万t以上。设计的年预处理脱硫铁水能力可达350万t以上。2000年产钢303.99万t,预处理脱硫铁水275.42万t,铁水脱硫比97.16%。2.2生产工艺与环境处理效果2.2.1混合脱硫剂的脱硫效果一炼钢厂采用100t铁水罐喷吹式脱硫工艺,采用20%金属Mg加80%?CaO的混合脱硫剂。2000年吨铁铁水脱硫剂消耗为1.93kg。2.2.2kr-ton机械搅拌铁水脱硅二炼钢厂采用100t铁水罐KR机械搅拌式脱硫工艺,采用CaO基脱硫剂,2000年吨铁水脱硫剂消耗为4.69kg。2.2.3铁水脱硫处理三炼钢厂采用320t铁水鱼雷罐喷粉脱硫工艺,主要采用CaC2脱硫剂,约有20%的铁水脱硫处理采用20%金属Mg加80%?CaO混合脱硫剂,2000年吨铁水脱硫剂消耗CaC2为3.25kg,Mg加CaO混合脱硫剂吨铁单耗为0.88kg。需要说明的是,三炼钢厂目前采用这种混合脱硫剂与CaC2料仓能力不足有关,正在研究解决方案。2.2.4钢种的脱硫三座钢厂采用不同的铁水脱硫工艺,均取得较好的脱硫效果,根据钢种需要,采用深浅两种脱硫工艺,深脱硫后[S]≤0.005%(w),最好时可达[S]≤0.002%(w),浅脱硫后[S]≤0.010%(w)。铁水脱硫效率通常可达90%左右。2.2.5各厂铁水脱硫装置在我国我国历史上的运用情况,主要有武钢三座钢厂在不同的时期,不同的位置(距高炉的远近),不同的厂房结构,在设计时选用了不同的铁水脱硫装置,主要是根据其各厂的具体实际情况选定的。在设计说明中均有详细分析比较,在此从略。3优化开采工艺，提高铁水开采能力，显著增加铁水开采处理比例3.1铁水脱硫处理比武钢的铁水脱硫预处理工艺,是第二炼钢厂于20世纪70年代后期从日本新日铁公司引进的KR机械搅拌式,其设计年脱硫能力为47.5～53.5万t,主要用于引进专利硅钢的生产。而一炼钢厂未改造前无铁水脱硫工艺,且其钢产量比重大,故公司的铁水脱硫处理比一直较低,至1996年仅12.42%。随着按铁水全量脱硫预处理设计的第三炼钢厂和第一炼钢厂(淘汰平炉—模铸工艺、改造为转炉—连铸工艺)分别于1996年8月和1999年12月建成投产,武钢的铁水脱硫处理比快速增加,2000年已上升至69.98%,其中三炼钢厂已达97.16%。5年间增加幅度达3.63倍。炼钢系统并预留了“三脱”的场地。1996～2000年武钢铁水脱硫处理量增长及不同脱硫工艺脱硫剂消耗见图1、2。3.2脱硫工艺设计能力如上所述,第二炼钢厂的KR机械搅拌式铁水脱硫装置(1号KR)的设计能力为47.5～53.5万t。经过技术改造和工艺技术进步,铁水脱硫的生产技术水平较设计值有了大幅度的提高,2000年最高处理铁水达到93.4万t,较设计能力平均值提高86.8%,虽然如此,其经脱硫处理的铁水量,仍仅占实际消耗铁水的41.82%,远远满足不了生产高质量钢的要求。经过多次研究,1999年武钢决定扩大二炼钢厂铁水脱硫能力,实现铁水全脱硫处理。在全面分析比较了选用喷吹工艺和现有KR脱硫工艺的优缺点的基础上,决定仍采用KR脱硫工艺,其主要理由是:鉴于二炼钢厂采用KR机械搅拌式脱硫工艺已有20余年,钢厂不但熟练掌握了该项技术,而且在消化引进技术的基础上,有不少创新,生产技术水平和技术经济指标均较原设计能力有大幅度的提高,除脱硫铁水产量增长86.8%外,还自行开发了无碳CaO基脱硫剂取代了CaC2,降低了生产成本。脱硫处理前后铁水温降从过去的40～50℃减至28℃,脱硫效率平均达92.5%,脱硫处理后w([S])≤0.005%的罐次比率在98%以上,实际w([S])≤0.002%时的脱硫剂(CaO基)耗量由8.5kg降至5.00kg以下,目前兑入转炉经深脱硫的铁水硫含量平均值已达0.0027%(质量分数),专用脱硫罐罐龄已达400次以上,主要消耗部件搅拌头使用次数已突破500次,吨铁脱硫处理成本约20元/t·Fe,铁损约3%,这些技术经济指标与国内外相关钢厂铁水脱硫工艺指标相比,表现了较明显的优点。引进KR铁水脱硫处理时与目前二炼钢厂已达到的主要技术指标,如表1。武钢二炼钢厂与德国蒂森钢铁公司在基本相同的条件下:包括脱硫前铁水温度均为1300℃,脱硫剂均为CaO,脱硫处理前w([S])=0.060%,脱硫处理后w([S])=0.005%,但采用不同的脱硫工艺(KR搅拌法和喷吹法)两座钢厂脱硫剂耗量及经济分析如表2。二炼钢厂与国内相关厂在基本相同条件下,即脱硫前铁水温度均为1326.2℃,脱硫剂均为CaO,脱硫前w([S])=0.0239%,脱硫后w([S])=0.0067%,但采用不同脱硫处理工艺(KR搅拌法与喷吹法)有关技术经济指标比较如表3、4。从上述比较可见,KR搅拌法脱硫的动力学条件、脱硫剂单耗、脱硫效率、处理时间等明显优于喷吹法。采用KR法存在的问题是设备比较复杂,尤其是液压搅拌系统需要从国外引进,但二炼钢厂现已有的一些设备如搅拌头的制作,备件、能源介质等均可共用,这样就可节省技改投资。经过充分论证,最终确定新建脱硫年处理能力为140万t的脱硫装置仍选用KR式的脱硫技术。加上原有的1号KR处理能力,全厂铁水脱硫处理能力可达220～230万t。二炼钢厂扩建的2号KR铁水脱硫装置已于2000年年底建成投产。据此二炼钢厂可实现全量铁水脱硫处理,同时武钢公司亦具备了年处理脱硫铁水700万t以上的铁水全量脱硫处理能力。2号KR脱硫装置2001年2月中下旬日产脱硫铁水量已达设计能力。初步评估表明,采用2号KR法脱硫,考虑到在脱硫剂耗量、搅拌头制作及动力等费用的降低,与喷吹法脱硫相比,每年约可降低成本1400万元。预计投产2年内就可收回全部投资。4硫酸处理与评价4.1国内环保试验研究鉴于金属钝化镁铁水脱硫剂具有脱硫能力强、脱硫速度快、单耗低、脱硫后渣量少、铁损少、热损失少、环境污染小等优点,国外早已应用,近几年来国内亦已进行试验和应用。武钢炼钢系统近年来也进行了工业性试验,并取得较明显效果。4.2脱硫剂的消耗和成本如上所述,一炼钢厂目前采用20%Mg加80%CaO铁水脱硫剂。投产以来存在脱硫时间较长。脱硫剂消耗和成本较高等问题。经过论证和考察,决定选用钝化金属镁取代部分20%Mg加80%CaO脱硫剂,该改造方案对现有设备基本可以利用,不做大的改变,仅增加喷吹罐、喷枪及相关配套的称量装置、管道、阀门等少量设备,投资费用较少,不但冶金效果好,而且经济效果明显。4.3脱硫技术及成本根据对乌克兰亚速钢厂等单位的考察,采用钝化金属镁颗粒与一炼钢厂现行采用的20%Mg加80%CaO混合脱硫剂有关技术特性比较,如表5。一炼钢厂已购买乌合资戴斯玛克有限公司的金属纯镁技术脱硫技术,对方对脱硫处理前[S]为0.035%(质量分数)左右,温度1280～1350℃,每罐铁水量为105～116t的前提条件下,提出了采用该工艺的技术保证值,如表6。按此指标测算,脱硫成本约为15元,与一炼钢厂现工艺比较,预计吨铁可降低成本10元左右(不含喷枪寿命提高因素),效益很明显。据初步估算,如按年处理50万t计算,其降低成本费用一年多即可基本收回改造投资。该项改造工程2001年内完成。5影响铁水硫酸效果的分析与控制5.1鱼罐喷吹cac2的脱硫效果一般认为,采用鱼雷罐铁水脱硫工艺的动力学条件较差。从三炼钢厂采用鱼雷罐喷吹CaC2的生产实践来看,影响其脱硫效果的主要因素为铁水温度、脱硫剂耗量、铁水装入量等。图3、4示出了铁水温度、CaC2脱硫剂单耗对鱼雷罐喷吹式铁水脱硫效率的影响。5.2目标值完全达到4.三炼钢厂经鱼雷罐铁水喷吹CaC2脱硫后,一般w[S]可脱至0.005%(深脱)和0.010%(浅脱)以下的目标值,完全达到冶炼要求。但生产中,将鱼雷罐脱硫后的铁水在倒罐站进行倒入铁水罐后,往往出现回硫现象。对此工艺的铁水回硫因素进行分析表明主要与鱼雷罐内口粘渣、结瘤、二次装铁、铁水装入量、脱硫喷吹后是否进行“后搅工艺”、脱硫后铁水等待时间等因素有关。5.2.1鱼罐脱硫后回硫情况统计了三炼钢厂2000年1～6月5800余炉经鱼雷罐脱硫再倒入铁水罐后的铁水回硫情况如图5。其原因主要是此类脱硫工艺动力学条件较差,脱硫剂不可能与全部铁水进行充分反应,存在一定死区。5.2.2周围模拟井桶的渣墙鱼雷罐在周转运行过程中,由于高炉铁水带渣及脱硫后生成的脱硫渣熔点高、粘度大、流动性差,很容易附结在罐壁上,尤其集中在罐口周围,产生形似井桶的渣墙,其示意见图6。井筒形渣墙高约500～1000mm,严重影响脱硫喷吹流场,形成死区。铁水勾兑时重新混合,硫含量回升。为此,根据鱼雷罐粘渣情况及时清理罐口,打掉积渣结瘤。通过研制试用的鱼雷罐铁水稀渣剂有较好的稀释粘渣作用,在铁水脱硫之前投入鱼雷罐口,可随铁水的搅动与铁渣很好地混合,明显降低罐内铁渣的熔点,改善渣子的流动性,便于翻罐倒渣。5.2.3装铁过程会增加铁水温降,造成铁水回硫通常320t容量的鱼雷罐车在高炉装铁水时,是由同一高炉或不同高炉两次出铁装入的。一般情况下,高炉出铁时间间隔约在1～2h内,有时甚至更长。因此将会增加铁水温降。在第二次装铁时,不能使两次出铁的铁水很好地混合,造成鱼雷罐内的铁水温度梯度。在喷粉脱硫搅拌时,脱硫反应只能在上层进行,下层相对静止或搅动缓慢。统计结果显示,两次装铁引起铁水回硫比例大约在73.4%,回硫值在0.003%～0.004%。因此,应积极协调高炉出铁与鱼雷罐装铁节奏,尽可能避免鱼雷罐二次装铁。5.2.4脱硫剂上浮路径小CaC2脱硫剂从倒“T”字形喷枪喷出,喷粉气流沿脱硫罐体纵向喷射。其喷出距离随供气压力,供气量的大小变化,喷气量过大,则容易形成铁水喷溅,喷气量过小则喷射距离缩短。喷射过程中脱硫粉剂是被气体载体(N2)推动着向前运动,气体搅动加速了脱硫反应,脱硫剂在铁水的上浮过程是脱硫反应的继续。喷枪的插入深度应固定,因此,脱硫剂上浮行径随铁水液面的高度变化,铁水量大,则铁水液面高,脱硫剂上浮路径长,有利于提高脱硫效率;反之亦然。鱼雷罐铁水装入量与脱硫剂单耗的对应关系见图7。5.2.5铁水回硫+喷吹时间采用鱼雷罐车喷吹脱硫工艺时,脱硫剂喷吹速度一般为35～40kg/min(设计最大喷吹速度为150kg/min)。浅脱时喷入量较少(600～800kg),喷喷时间较短(15～20min),深脱时喷入量较多(800～1200kg),喷吹时间较长(20～30min)。深脱时脱硫剂得到了充分地搅拌混合,脱硫反应较完全,引起回硫的可能性较小,浅脱则反之。在实际操作中,当计算投放的脱硫剂喷吹完后,采用只吹气(N2)的“脱硫后搅工艺”,使已吹入的脱硫剂得到充分搅拌。在铁水温度许可时,延时3～5min或更长一些时间,这样,可以减少铁水回硫几率。脱硫喷吹时间与脱硫后铁水含硫量的关系如图8。5.2.6铁水面炉渣中硫不充分造成铁水回硫脱硫后铁水含量已达到目标要求(0.002%～0.008%),铁水液面炉渣中富集了大量的硫,若停留时间较长,则渣中硫重新向铁水传质扩散,造成铁水回硫。因此,当停产检修时,应掌握好合适的铁水等待节奏,尽可能缩短铁水停留等待时间,防止渣中硫返回铁水。6铁水脱硫技术(1)铁水脱硫处理是提高钢的质量、扩大钢的品种、优化炼钢工艺流程、提高生产效率等方面的重要手段之一。武钢三座钢厂已具备年处理脱硫铁水700万t以上的生产能力,为武钢实现铁水全量脱硫创造了条件。(2)“九五”期间(1996～2000年)武钢不断扩大铁水脱硫能力,铁水脱硫比有了大幅度的增长,从12.42%提高到69.98%,5年间铁水脱硫比增加幅度达3.63倍。(3)2000年武钢共处理脱硫铁水445.21万t,铁水脱硫比达69.98%,其中第三炼钢厂脱硫比达97.16%。(4)武钢三座钢厂分别采用铁水罐喷吹、铁水罐KR式机械搅拌及鱼雷罐喷吹工艺对