铁水预处理工艺的热力学计算与工艺选择

铁水预处理工艺的热力学计算与工艺选择

铁水预处理技术对现代钢钢公司尤为重要。它已成为满足低硫或极低硫钢的需求的重要因素。它是钢铁工具精炼过程优化不可或缺的重要因素。特别是随着特殊装置的开发和进步，形成了一个先进的“三脱”预处理技术。新一代钢厂应大胆采用全量铁水“三脱”预处理工艺,以建立起高效低成本的洁净钢生产工艺平台,增强产品竞争力,加快大型转炉生产节奏,提高生产效率,以实现紧凑、高效、节能的循环型经济发展模式。铁水预处理的选择需要考虑效果、成本、效率等因素。1铁水预处理技术的选择1.1cao作为溶剂的“三脱”工艺1.1.1铁水脱硫工序cao-pcr(1)铁水沟铁鳞脱硅反应式为:通过计算平衡常数得出不同温度下反应平衡时的硅含量见表1。表1数据表明,铁水脱硅是放热反应,脱硅反应时铁水温度越低,脱硅的效果就越好。考虑到铁水的脱硫温降和运输、等待温降,若将脱硅置于脱硫之后,脱硅时的铁水温度将较铁水沟脱硅更低,铁水预脱硅工序应尽量置于脱硫之后。(2)脱硫反应式为:计算结果见表2。当反应达到平衡时硫质量分数可达10-4数量级,此水平可满足所有钢种的要求,这说明CaO粉剂是一种较理想的脱硫剂。另外,由铁水脱硫平衡硫随温度的变化可知:从热力学角度来讲,在铁水温度范围内,温度的变化对铁水脱硫效果几乎没有影响,因此脱硫工序在铁水“三脱”中可考虑提至脱硅之前,从而在脱硫效果不受影响的情况下使脱硅也处于较好的热力学条件下。(3)有资料表明,铁水中w(Si)>0.15%时为脱硅期,w(Si)<0.15%时脱磷反应才会开始,脱硅反应式为:[Si]+2[O]=(SiO2)脱磷反应式为:3CaO(S)+2[P]+5[FeO]=3CaO·P2O5(S)+5[Fe],计算结果如表3所示。由表3可知:脱硅、脱磷反应是放热反应,在较低温度的脱磷炉内脱硅的热力学条件应是最佳的。因此应取消在铁水沟高温脱硅,将其移至脱硫之后的脱磷转炉内和脱磷一同进行。1.1.2脱硫反应平衡过程中硫含量的变化此法的脱硫反应式同上,计算结果见表4。比较表4与表2可知:在“脱硫→脱硅、脱磷”法的情况下,脱硫反应平衡时硫含量下降了一个数量级。将脱硅任务放在脱硫之后完成,能明显改善CaO粉剂脱硫的热力学条件。1.1.3s+[o]求解此法脱硫反应为:CaO+[S]=CaS+[O],计算结果如表5。比较表5、表4及表2可知:“脱硫→脱硅、脱磷”法下CaO粉剂脱硫反应的热力学条件最好。1.1.4脱磷转炉顶吹氧加cao机理研究表明:用氮氧复合气体作载气喷吹CaO粉剂同时进行铁水预处理“三脱”反应时,脱硅、脱磷主要是在喷枪附近的高氧势区进行的瞬时接触反应;脱硫则是还原性渣与铁水之间的持久接触反应。脱硅反应式为:[Si]+O2=SiO2(S);脱磷反应式为:3CaO(S)+2[P]+5{O2}=3CaO·P2O5(S);脱硫反应为:CaO+[S]=CaS+[O]。计算结果如表6。比较表1、表3与表6可知,脱磷转炉顶吹氧加CaO粉剂脱硅的热力学条件是最优的;CaO的脱磷能力受铁水温度的影响很大,在其它操作条件允许的情况下,应该尽量在低温下脱磷。在“脱硫※脱硅、脱磷”法下,专用脱磷转炉脱磷时铁水的温度较同时“三脱”时低。综合比较认为:CaO作“三脱”剂时,脱磷应在脱硫之后,并在专用转炉内进行最佳。比较表2、4、5、6可知,喷吹CaO粉剂同时进行铁水“三脱”的脱硫能力最弱。同时“三脱”在同一个容器中既要实现氧化脱磷、脱硅,又要完成还原脱硫,在热力学上存在着矛盾,工艺上也不好实现。而将脱硅、脱磷和脱硫分阶段处理,分别创造氧化和还原气氛,要比同时“三脱”的热力学条件更优。由以上计算与分析可知,CaO作“三脱”剂时的最佳预处理法为:脱硫→脱硅、脱磷。1.2脱硅、脱磷剂的脱硫脱硅法脱硫→脱硅、磷法与脱硅、磷→脱硫法的脱硫反应式均为:[Mg]+[S]=MgS(S),计算结果见表7、8。对比表7与表8可知:“脱硅、脱磷→脱硫”法脱硫能力稍强,但由图1可知,温度对脱硫的影响较小,对脱硅、脱磷却有很大的影响,高温不利于脱硅、磷,1500℃时,硅、磷质量分数在0.01%以上,不能满足要求,w(S)=20.8×10-6,可满足要求。综合考虑,镁粉作脱硫剂,CaO作脱硅、脱磷剂最佳法为:脱硫→脱硅、脱磷。通过对CaC2及Na2CO3作脱硫剂的热力学计算,也得出了相同的结论:“脱硫→脱硅、脱磷”法的脱硫反应热力学条件更好。2铁水预处理设备和方法的选择2.1铁水包喷吹脱硫工艺的脱硫机理文献用FLUENT软件计算的260t鱼雷罐流场矢量图、速度分布图如图2所示:由图2可知:鱼雷罐内流场极不均匀,漩涡横向发展,造成的死角多,尤其是鱼雷罐两头、底部、以及中间部分区域的铁水流动性较差,在很大程度上恶化了脱硫的动力学条件;由于喷吹对上述区域铁水的搅拌作用较小,粉剂不易到达,加之粉剂很快上浮,所以脱硫终了时这部分铁水的含硫量仍相对较高,影响到整罐铁水的脱硫效果。武汉钢铁(集团)公司第二炼钢厂(以下简称武钢)是国内为数不多采用KR法进行铁水脱硫预处理的厂家。武钢使用经过烘烤的浇铸耐火材料所做的十字型搅拌头,插入85t铁水罐中旋转,搅拌头的转矩达到8200N·m,设有3个不同档位,最大转速120r/min,使铁水产生漩涡,可获得良好的动力学条件,经过称量的脱硫剂由给料器加入到铁水表面,并被漩涡卷入铁水中,脱硫剂在不断地搅拌过程中与铁水中的硫发生化学反应,达到脱硫的目的。由图3可看出,KR搅拌形成了铁水的循环流动,这大为改善了脱硫的动力学条件,减少了脱硫剂的消耗。武钢的生产实践表明:搅拌时间只需要5min就可使脱硫剂得到充分的利用,脱硫速度快、效果好,铁水原始硫质量分数为300×10-6时,处理后可达10×10-6以下。文献认为:较之喷吹法,搅拌法使得脱硫过程中的动力学条件得到了根本性的改善。铁水包喷吹法脱硫流场如图4所示。由图4可知,铁水罐底部及与喷吹口处成90°夹角的区域是喷吹的死区,由于喷吹角度的限制及脱硫剂上浮的原因脱硫剂始终到不了这一区域,该区域内铁水流动不足,动力学条件较差,使得该这部分铁水的脱硫效果基本上等于零。脱硫完毕,死区内铁水的硫就会渐渐扩散到整罐铁水中,从而导致“回硫”。铁水包喷吹法脱硫的基本原理是靠一定压力和流量的载气,通过压力管道把脱硫剂送进喷枪,最终从喷枪的喷眼喷入铁水中脱硫。脱硫剂在上浮的过程中与铁水的硫进行化学反应,同时载气和脱硫剂的冲击与上浮带动铁水流动起到搅拌作用,但是气体和脱硫粉剂的比重和总质量与铁水比差之甚远,它们上浮造成的铁水对流运动是很弱的。在上浮过程中,脱硫剂只有部分参与脱硫的反应,当上浮到铁液表面时仍然有一部分脱硫剂没有参与反应。由于铁水对流运动较弱,部分脱硫剂将浮在铁液面难以利用,最后和脱硫渣一起被扒入渣罐,导致脱硫剂耗量比KR法大。综合比较,在3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。在实际生产中的数据也表明,KR法的脱硫效率更高,粉剂消耗更少。2.2鱼罐和铁水罐和鱼罐的配比对为了提高脱硅反应速度、充分利用脱硅剂,动力学要求必须加强搅拌,以降低扩散层厚度和增加反应界面面积。从此角度看,使用转炉做反应容器比鱼雷罐和铁水罐要优越得多。因为鱼雷罐和铁水包的容积小,在脱硅、磷反应时容易产生喷溅,限制了喷吹的强度,特别是鱼雷罐,其形状是两头小中间大,反应空间决定了它的动力学条件远不如转炉。相比之下,转炉的熔池大,渣层较薄、渣铁接触面积大于鱼雷罐和铁水包;炉容比大,几乎不存在喷溅问题,可以允许更高的喷吹强度,有条件的转炉还可以加上底吹,进一步改善炉内铁水的动力学反应条件,缩短处理时间。2.3转炉脱磷动力学条件图5、图6是两种脱磷方法的曲线图。比较图5、6可知,将磷脱至w(P)=50×10-6,专用转炉只需要10min,而鱼雷罐则需40min,转炉脱磷的动力学条件优于鱼雷罐,效率更高。3铁水预处理操作成本的比较3.1与消除污染的成本比较表9给出了两种脱硫工艺不同粉剂的成本比较。由表9可知,KR法(CaO作脱硫剂)成本最低。3.2铁、硅的脱硅成本高炉出铁场使用烧结矿粉每吨铁脱硅成本为36.14元,鱼雷罐喷粉脱磷,每吨铁脱硅、脱磷成本为43.33元。因此,高炉出铁场先脱硅再由鱼雷罐喷粉每吨铁脱硅、脱磷的总成本为79.47元。专用转炉脱硅、脱磷每吨铁成本为23.03元。显然,专用转炉脱硅、脱磷成本优势明显。4铁水预处理的容器、方法和操作成本(1)通过对不同熔剂、不同处理法的热力学计算比较得出最佳铁