RH下部槽噴粉脫硫系統(tǒng)設(shè)計

劉 安，孫亞飛

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201900)

0 前言

近年來，日本新日鐵、住友金屬等鋼鐵公司結(jié)合RH工藝先后開發(fā)了RH-IJ、RH-PB、RH-PTB等RH噴粉脫硫工藝[1]，相對LF脫硫和LF+RH雙重處理，RH噴粉脫硫具有其特有優(yōu)勢[2-4]。目前，實際應(yīng)用的RH噴粉脫硫工藝多采用頂槍噴粉方式(RH-PTB)[5-11]，該方法是利用頂槍中心的噴粉管向真空槽內(nèi)噴吹脫硫粉劑，由于RH頂槍距離鋼液面有一定高度，載氣及粉劑脫離頂槍噴頭后動能衰減較大，在真空條件下，一部分粒度較小的粉劑會被抽至真空泵系統(tǒng)[12]，造成脫硫劑收得率的下降。若增大脫硫劑的粒度，可以減少粉劑被抽走的概率，但CaO脫硫反應(yīng)速度隨CaO粒度的減小而增大，因此粉劑粒度的增大將降低脫硫反應(yīng)的速度。下部槽噴粉脫硫方法可以較好地解決這一矛盾。由于噴粉專用噴槍插入下部槽內(nèi)部，浸沒在鋼液面以下，粉劑脫離噴槍后直接進(jìn)入鋼液，因此提高了脫硫劑的收得率和脫硫反應(yīng)速度，同時降低了由于粉劑進(jìn)入真空系統(tǒng)而引起設(shè)備故障的概率。

1 RH下部槽噴粉系統(tǒng)組成與工作流程

RH下部槽噴粉脫硫技術(shù)(RH-PB)，通過氣力輸送原理將脫硫粉劑經(jīng)安裝于下部槽的噴槍噴入槽內(nèi)的鋼水之中，進(jìn)行鋼水的脫硫操作。由于伴隨著環(huán)流對鋼水的強(qiáng)烈攪拌，擴(kuò)大了粉劑與鋼液的接觸面積，RH脫硫反應(yīng)速度較快。該法最早由新日鐵名古屋廠開發(fā)研制，利用了設(shè)于真空槽下部的吹氧(OB)噴嘴，依靠載氣向在真空槽內(nèi)的鋼液噴吹脫硫粉劑，實現(xiàn)了鋼液在RH處理中的脫硫[13-14]。

圖1為RH下部槽噴粉裝置示意圖，兩只噴粉槍水平安裝于真空槽下部，距離槽底一定高度，噴粉槍出口低于理論鋼液面；噴槍與兩浸漬管連線夾角呈45°對稱布置[15]。工作時，脫硫粉劑通過載體氣體輸送經(jīng)過噴粉槍直接吹入真空槽內(nèi)的鋼水中。

圖1 RH下部槽噴粉裝置示意圖

寶鋼自主研究開發(fā)的RH下部槽噴粉系統(tǒng)原理簡圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要由儲料倉、噴吹罐、分配器、噴粉槍及氬氣、氮氣閥站站和管線等組成。其工作流程為：料倉(粉劑槽罐車壓送粉劑至料倉)→噴吹罐(料倉卸料進(jìn)入噴吹罐)→分配器(將噴吹罐噴出的粉劑均勻分配給兩支噴槍)→噴槍(噴吹罐壓送粉劑經(jīng)分配器至兩支噴槍噴出)。

圖2 RH下部槽噴粉系統(tǒng)原理圖

2 RH下部槽噴粉系統(tǒng)設(shè)計

2.1 相關(guān)工藝參數(shù)的確定和噴槍設(shè)計

由于下部槽噴粉工藝和設(shè)備僅有國外文獻(xiàn)報道，國內(nèi)沒有相關(guān)研究和工程資料，工藝參數(shù)和系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)計數(shù)據(jù)都需要自行研究和探索。

(1)噴吹強(qiáng)度。噴吹強(qiáng)度的大小直接影響噴粉脫硫的時間，在滿足脫硫粉劑充分反應(yīng)及不出現(xiàn)噴槍阻塞的前提下，應(yīng)盡量增大噴吹強(qiáng)度，以便縮短噴吹脫硫劑的時間，一方面可以減少RH操作的處理周期；另一方面，由于噴吹脫硫劑時，為保證脫硫粉劑能夠順利吹入鋼液，需要噴吹足夠量的載氣，而僅吹保護(hù)氣防止噴槍堵塞需要的氣量相對較少。因此，縮短噴吹脫硫劑的時間同時減少了吹入真空槽內(nèi)的氣體總量，從而減輕了真空泵系統(tǒng)的負(fù)荷。參照頂槍噴粉實踐，噴吹強(qiáng)度取150～200 kg/min，即每支噴槍噴吹強(qiáng)度為75～100 kg/min。

(2)粉氣比與載氣量。粉氣比標(biāo)志著設(shè)備的供粉能力和載氣耗量的大小。粉氣比高時，輸送同樣的粉劑可以減少載氣耗量或縮短噴吹時間。但在相同的條件下，粉氣比低時，如減少載氣流耗量，則粉氣流速下降，有可能出現(xiàn)沉積粉料現(xiàn)象。為降低真空系統(tǒng)的負(fù)荷，本系統(tǒng)采用濃相輸送，設(shè)計時按照噴吹強(qiáng)度ω粉=200 kg/min，粉氣比μS=40，最大載氣量QV=171 Nm3/h。

(3)噴粉槍設(shè)計。用于RH下部槽噴粉工藝的噴粉槍，是RH噴粉脫硫系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，直接影響噴粉脫硫的效果以及噴粉系統(tǒng)的運(yùn)行流暢。此前，國內(nèi)尚無RH下部槽噴粉脫硫裝置，無可供參考的工程資料，寶鋼自行開發(fā)研制了新型噴粉槍，并結(jié)合工業(yè)試驗對材質(zhì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

如圖3所示，RH噴粉槍采用內(nèi)外套管形式，主要由噴槍尾管1、噴槍外管7、噴槍內(nèi)管8、噴槍中段3、安裝法蘭4等組成；安裝法蘭4用于將噴槍固定于下部槽上的安裝口。噴槍外管7與噴槍中段2依靠套管5連接，有密封墊保證密封；噴槍尾管1、噴槍內(nèi)管8及噴槍中段3通過法蘭2連接，由密封墊密封。此種結(jié)構(gòu)形式，槍體各部分為獨立組件，便于局部更換。由于側(cè)噴槍頭部直接接觸鋼液，易損壞，因此當(dāng)噴槍局部損壞時，單獨更換可降低成本，且容易操作。

圖3 RH下部槽噴粉槍結(jié)構(gòu)示意圖

噴粉載氣及粉劑通過粉劑入口，經(jīng)噴槍尾管1、噴槍內(nèi)管8吹入真空槽內(nèi)的鋼液之中。保護(hù)氣通過保護(hù)氣入口，進(jìn)入噴槍中段3、噴槍外管7與噴槍內(nèi)管8之間的環(huán)縫吹入真空槽內(nèi)的鋼液之中。保護(hù)氣的吹入可以降低噴槍槍頭周圍的溫度，保護(hù)噴槍頭部。另外，通過環(huán)縫吹保護(hù)氣可以延長載氣的射流長度，使粉劑深入鋼液內(nèi)部，從而加速脫硫反應(yīng)。

2.2 工業(yè)試驗中的RH相關(guān)設(shè)備改造

該工業(yè)試驗用RH下部槽噴粉法脫硫系統(tǒng)和設(shè)備是通過改造正在生產(chǎn)運(yùn)行的現(xiàn)有的RH真空處理裝置來實現(xiàn)的。噴吹系統(tǒng)中利用了原有的頂槍噴粉法脫硫裝置的噴吹罐，對其他相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了局部改造。

(1)真空槽。為了RH下部槽噴粉槍的安裝，真空槽本體需要進(jìn)行相應(yīng)改動(圖1)，寶鋼RH下部槽噴粉槍的安裝選擇了便于拆卸的法蘭連接形式。槽體開孔后，將保護(hù)管及安裝法蘭焊于槽體之上，噴粉槍安裝法蘭與兩浸漬管連線夾角呈45°對稱布置，同時，下部槽噴槍部位耐火磚做局部修改。

(2)真空槽臺車。為方便安裝，噴粉槍的尾段做了短化設(shè)計，但噴粉槍的安裝不可避免地增大真空槽局部外形尺寸，在安裝、更換真空槽時，噴槍部分與真空槽臺車干涉，因此需對真空槽臺車做局部切除、補(bǔ)強(qiáng)改造。

(3)噴粉管路與保護(hù)氣管路。RH真空處理裝置在正常生產(chǎn)過程中需要在處理位和待機(jī)位之間反復(fù)轉(zhuǎn)換。固定在平臺上的噴吹系統(tǒng)噴粉管線和氣體管線需要與可移動的下部槽噴槍的噴粉和供氣管路連接。在處理位，噴粉管和保護(hù)氣管都需要接通工作；在待機(jī)位，噴粉管不工作，保護(hù)氣管需要接通工作；移槽過程中，噴粉管不工作，保護(hù)氣管需要不間斷工作。通過設(shè)計、安裝一套含有軟管、閥門和快速接頭等管路系統(tǒng)，實現(xiàn)了上述的不同工位的噴粉管和供氣管的連接和切換問題。

3 RH下部槽噴粉脫硫裝置工業(yè)試驗

3.1 RH下部槽噴粉系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

工業(yè)試驗用RH下部槽噴粉脫硫裝置的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 RH下部槽噴粉裝置主要技術(shù)指標(biāo)

3.2 RH下部槽噴粉脫硫裝置的使用效果

表2為RH下部槽噴粉裝置在工業(yè)試驗中的噴吹參數(shù)，噴吹強(qiáng)度大于150 kg/min，完全滿足工藝需要。

表2 RH下部槽噴粉裝置使用情況

工業(yè)試驗階段RH下部槽噴粉系統(tǒng)使用噴吹強(qiáng)度為150～200 kg/min，噴粉脫硫時間3～5 min，在不影響生產(chǎn)節(jié)奏的前提下，以噸鋼2～3 kg的脫硫劑單耗，平均脫硫率>30%。

圖4為工業(yè)試驗完成后，真空槽下線后槽內(nèi)噴槍出口情況及噴粉槍安裝法蘭情況，噴粉槍安裝法蘭情況良好。

圖4 工業(yè)試驗完成后真空槽內(nèi)噴槍口及噴粉槍安裝法蘭情況

浸沒在鋼液中的噴粉槍出口處有局部熔損。在試驗中對噴粉槍進(jìn)行了改進(jìn)，對工況最惡劣的噴粉槍外管分別采用了耐熱不銹鋼、非金屬材料進(jìn)行使用對比。試驗證明采用非金屬材料后基本消除了熔損。

在工業(yè)試驗中還發(fā)現(xiàn)，下部槽噴粉操作加大了鋼液的攪拌，使得脫碳速度加快，脫碳鋼種脫碳時間每個爐次減少約2 min。

如圖5所示，噴粉結(jié)束后浸漬管外觀可見脫硫粉劑對浸漬管耐材及噴補(bǔ)料都有一定的侵蝕作用，浸漬管局部已露磚縫。

圖5 工業(yè)試驗完成后噴粉槍情況

通過工業(yè)試驗驗證，下部槽噴粉設(shè)備技術(shù)取得成功，噴吹系統(tǒng)和噴槍工作穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，可滿足工業(yè)化大生產(chǎn)的要求。

4 RH下部槽噴粉裝置改進(jìn)和優(yōu)化方向

(1)繼續(xù)優(yōu)化噴槍安裝位置。通過模擬和實驗技術(shù)，優(yōu)化噴槍在下部槽上的安裝位置。改善脫硫劑隨鋼水的流動路線、延長停留時間；幫助提高真空槽內(nèi)鋼液的環(huán)流效果。

(2)繼續(xù)優(yōu)化噴槍操作參數(shù)。研究保護(hù)氣在噴粉時和不噴粉時的最佳流量，實現(xiàn)對噴槍的有效保護(hù)；合理調(diào)整噴粉載氣用量。減少RH下部槽噴粉對真空槽內(nèi)真空度的影響。通過軟件和硬件同時防止噴槍保護(hù)氣操作失誤。

(3)改進(jìn)噴槍結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，提高噴槍壽命。改進(jìn)噴槍的內(nèi)管和外管結(jié)構(gòu)尺寸，減少噴槍前端與鋼液的接觸面積，外管采用合適的非金屬耐熱材料，通過一系列措施提高噴槍壽命，以期達(dá)到噴槍與下部槽耐材同期維修更換。

(4)制定相關(guān)操作、處理方法和方案。制定和完善操作、處理方法和方案，應(yīng)對實際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的各種情況。

(5)減少耐材的侵蝕，提高浸漬管管齡。對于CaO-CaF2系脫硫劑，其熔點隨CaF2比例的增加而降低。低熔點的CaF2易于滲透到耐火磚深處，對下部槽和浸漬管耐材侵蝕嚴(yán)重。破壞了耐材中的MgO顆粒，導(dǎo)致其組織松散，骨料被鋼渣溶出，導(dǎo)致磚構(gòu)造上的散裂，而造成剝落性損傷[16]。目前采用RH噴粉脫硫工藝時，浸漬管管齡降低～20爐。因此，需改善耐材以抵抗其侵蝕[17]；或開發(fā)新型RH脫硫劑，減少對耐材的侵蝕。

5 結(jié)束語

本項目研究和工業(yè)試驗證明寶鋼自行研發(fā)的RH下部槽噴粉法在技術(shù)上是可行的，下部槽噴粉法脫硫系統(tǒng)的裝備和技術(shù)可以滿足工藝需要，具備工業(yè)化生產(chǎn)能力。今后可在操作參數(shù)優(yōu)化、降低保護(hù)氣對真空度的影響、控制溫降和減少耐材侵蝕等方面繼續(xù)進(jìn)行深入研究。