石灰石結(jié)合鎂粉+石灰粉混合噴吹脫硫工藝開發(fā)及應(yīng)用

供稿|叢鐵地，石鳳麗，彭飛，姜學(xué)鋒，劉哲

內(nèi)容導(dǎo)讀

針對(duì)鎂粉混合脫硫存在的扒渣鐵損大、脫硫深度不夠的問題，本文結(jié)合熱力學(xué)分析，在低硫鋼種的鐵水中進(jìn)行石灰石結(jié)合鎂粉+石灰粉混合噴吹脫硫工藝實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，與正常生產(chǎn)過程回硫量相當(dāng)?shù)那闆r下，每爐扒渣量從2.5 t降低至2 t；添加的石灰石、石灰能夠使鎂粉的脫硫極限從0.002%～0.005%降低至0.001%；扒凈渣回硫量從0.003%～0.007%降低至0.003%以下，在穩(wěn)定質(zhì)量的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低了噸鋼成本。

現(xiàn)代鋼鐵冶金流程中的鐵水脫硫工藝主要有噴吹法和攪拌法，這兩種工藝在技術(shù)上都已經(jīng)相當(dāng)成熟。從實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用效果來看，二者是各有優(yōu)缺點(diǎn)[1]。噴吹法主要采用鎂粉或鎂粉+石灰粉混合噴吹工藝，處理周期短，溫降小，易與爐機(jī)匹配，但由于脫硫產(chǎn)生的渣量偏少，渣中硫含量較高，如果扒渣不凈，則易在轉(zhuǎn)爐冶煉過程產(chǎn)生回硫現(xiàn)象。若想扒凈脫硫渣，則會(huì)引起鐵損急劇增加，且脫硫極限為0.002%～0.005%，回硫量為0.003%～0.007%。攪拌法的優(yōu)點(diǎn)是脫硫成本相對(duì)較低，脫硫極限為＜0.001%，回硫量為＜0.003%[2]，但處理周期與處理溫降相對(duì)較大，且在處理前需扒除鐵水渣才能保證脫硫效果，“一站對(duì)一爐”生產(chǎn)模式有難度。

針對(duì)上述問題，本文在鎂粉+石灰粉混合噴吹工藝中添加石灰石和石灰工藝來解決混合噴吹工藝的扒渣鐵損大和脫硫深度不夠的難題。石灰石結(jié)合鎂粉+石灰粉混合噴吹脫硫工藝屬于國(guó)內(nèi)首創(chuàng)方法，它結(jié)合了攪拌法和混合噴吹法的優(yōu)點(diǎn)，以追求成本及處理周期最優(yōu)化為目的，取得了良好的效果。

本鋼脫硫工藝概況

本鋼混合噴吹工藝主要應(yīng)用于硅鋼、管線鋼、汽車板、家電板及部分低硫鋼種的生產(chǎn)。具體鐵水脫硫工藝流程如圖1。

混合噴吹主要設(shè)備為鐵水車、噴粉系統(tǒng)、噴粉槍、扒渣機(jī)、渣罐車，主要參數(shù)如表1所示。

圖1 鐵水脫硫工藝流程

表1 混合噴吹鎂粉脫硫設(shè)備參數(shù)

混合噴吹脫硫熱力學(xué)條件分析

預(yù)處理過程中，以溶于鐵水的[Mg]參與脫硫反應(yīng)為主，生成MgS，該方式是混合噴吹脫硫的主要反應(yīng)形式[3]。當(dāng)鎂單獨(dú)存在時(shí)，脫硫反應(yīng)主要按式(1)進(jìn)行[4]：

式中，ΔGθ為吉布斯自由能，J/mol。

當(dāng)有CaO存在時(shí)，發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng)：

該系統(tǒng)的工作過程是:拉曼放大器的剩余泵浦光經(jīng)過由兩個(gè)波分復(fù)用耦合器構(gòu)成的橋式結(jié)構(gòu)進(jìn)入摻鉺光纖的光學(xué)諧振腔,泵浦摻鉺光纖。由光纖環(huán)形鏡和光纖光柵構(gòu)成的摻鉺光纖激光諧振腔的工作原理如下:當(dāng)光波在諧振腔內(nèi)往返一周所獲得的增益等于腔內(nèi)的總損耗時(shí),激光器就達(dá)到了閾值。設(shè)諧振腔鏡的反射率分別為R1和R2,摻鉺光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng),則閾值條件為:

在1250～1450 ℃下，ΔGθ遠(yuǎn)小于零，說明在噴吹Mg/CaO脫硫劑的情況下，由于CaO的存在，MgS不穩(wěn)定，與CaO反應(yīng)生成MgO和CaS，即脫硫的最終產(chǎn)物是MgO和CaS。

整個(gè)過程的脫硫反應(yīng)為：

當(dāng)溫度為1350 ℃，壓力PMg為0.1 MPa時(shí)，ΔGθ=-216955.68 J/mol。因此，當(dāng)Mg單獨(dú)存在時(shí)，脫硫反應(yīng)的產(chǎn)物是MgS；當(dāng)有CaO存在時(shí)，脫硫產(chǎn)物則是更穩(wěn)定的CaS[4]。

混合噴吹脫硫新工藝開發(fā)及應(yīng)用

降低鎂粉減少扒渣量工藝實(shí)驗(yàn)

鎂粉脫硫穩(wěn)定性差、波動(dòng)大、扒渣鐵損大，回硫量為0.003%～0.007%，較攪拌法高[2]，因此本鋼對(duì)部分低硫鐵水添加石灰石、石灰將鎂粉及扒渣量減量后做回硫標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。具體流程如圖2，實(shí)驗(yàn)方案如表2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中扒渣量與回硫量均值圖及關(guān)系趨勢(shì)圖如圖3，同時(shí)選取正常生產(chǎn)爐次扒渣量與回硫量均值圖及關(guān)系趨勢(shì)圖(圖4)來進(jìn)行對(duì)比。正常爐次和實(shí)驗(yàn)爐次分別取3爐渣樣(撇去渣層表面取中間層渣樣)，對(duì)其含鐵量進(jìn)行分析，對(duì)比結(jié)果如圖5。

對(duì)比圖3和圖4可知，添加石灰石、石灰的爐次回硫量均值為0.00405%，扒渣量均值為2 t；正常生產(chǎn)爐次回硫量均值為0.0042%，扒渣量均值為2.5 t，說明添加石灰石、石灰在保證回硫量與正常爐次相當(dāng)時(shí)，能夠有效降低扒渣量、同時(shí)減少鎂粉噴吹量。正常爐次鐵面渣層呈片狀，均勻分散在鐵面，渣鐵不易分離，扒凈渣帶鐵量增大；實(shí)驗(yàn)爐次鐵面渣層呈松散顆粒狀，集中在中心區(qū)域，渣鐵分離較好，扒凈渣帶鐵量減少。由實(shí)驗(yàn)爐次與正常爐次渣中含鐵量對(duì)比圖5可知，實(shí)驗(yàn)爐次渣中帶鐵量有所降低，這主要是由于添加石灰石、石灰能夠起到如下作用：

圖2 鐵水脫硫?qū)嶒?yàn)流程圖

表2 回硫標(biāo)定實(shí)驗(yàn)方案

圖3 實(shí)驗(yàn)爐次扒渣量與回硫量均值圖及關(guān)系趨勢(shì)圖

(1) 石灰中CaO與MgS反應(yīng)，生成更穩(wěn)定的CaS，減少回硫量；

(2) 提高鐵水渣的堿度，降低渣中脫硫產(chǎn)物的百分含量，利于脫硫反應(yīng)正向進(jìn)行，增加渣的硫容；

(3) 石灰石分解吸熱，使渣鐵界面溫度低于鐵水溫度，利于放熱反應(yīng)式(1)的正向進(jìn)行，且加在表面的石灰石分解產(chǎn)生CO2氣體，覆蓋在渣層表面，減少空氣中的氧氣與部分脫硫產(chǎn)物MgS反應(yīng)，產(chǎn)生回硫；

圖4 正常爐次扒渣量與回硫量均值圖及關(guān)系趨勢(shì)圖

(4) 改變脫硫渣的密度，較改變工藝前松散，有利于扒渣操作，減少鐵水消耗；

(5) 增大渣量，降低鎂蒸汽的逸散，提高鎂粉利用率，降低生產(chǎn)成本。

對(duì)本鋼正常生產(chǎn)爐次與實(shí)驗(yàn)爐次操作成本進(jìn)行比較，其中增減物料及物料單價(jià)如表3所示，按爐產(chǎn)量174 t計(jì)算，實(shí)驗(yàn)爐次平均降低噸鋼成本1.85元。

圖5 實(shí)驗(yàn)爐次與正常爐次爐渣中含鐵量對(duì)比圖

表3 正常生產(chǎn)爐次與實(shí)驗(yàn)爐次操作成本對(duì)比

脫硫極限實(shí)驗(yàn)

混合噴吹的脫硫極限為0.002%～0.005%，回硫量在0.003%～0.007%，主要是因?yàn)槠渥罱K脫硫產(chǎn)物為不穩(wěn)定的MgS，且脫硫渣中含硫量與鐵水中的含硫量相差約三個(gè)數(shù)量級(jí)導(dǎo)致脫硫反應(yīng)式(1)正向進(jìn)行的阻力急劇加大。為了使脫硫產(chǎn)物部分生成更穩(wěn)定的CaS、增大渣量、提高渣的堿度、增加渣的硫容，提高脫硫極限，降低回硫量，本鋼在混合噴吹過程中添加石灰石、石灰進(jìn)行脫硫極限實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 混合噴吹過程中添加石灰石、石灰脫硫極限實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，混合噴吹過程添加石灰石、石灰能夠提高渣的堿度，增加渣的硫容，提高鎂粉脫硫極限，將回硫量控制在0.003%以內(nèi)，為冶煉新品種高品質(zhì)鋼創(chuàng)造條件。

混合噴吹中流態(tài)化石灰脫硫作用實(shí)驗(yàn)

為了保證噴吹脫硫工藝的流暢，供貨廠家會(huì)在石灰表面涂一層硅油，對(duì)石灰進(jìn)行流態(tài)化處理以增強(qiáng)石灰的流動(dòng)性，而硅油的主要成分為環(huán)狀聚二甲基硅氧烷，其化學(xué)式為 (CH3)3SiO[(CH3)2SiO]n-Si(CH3)3，由于其含有硅元素，故本文單獨(dú)噴吹流態(tài)化石灰驗(yàn)證流態(tài)化石灰的脫硫作用，并與添加石灰石和石灰的爐次進(jìn)行對(duì)比使用，結(jié)果如表5所示。

表5 單吹流態(tài)化石灰對(duì)比實(shí)驗(yàn)

從對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知，添加的石灰石和石灰能夠起到脫硫的作用，但混合噴吹的流態(tài)化石灰并沒有起到脫硫作用，這是由于噴吹過程中流態(tài)化石灰表面的硅油與CaO反應(yīng)會(huì)形成一層致密的硅酸二鈣層包裹在石灰表面，阻礙了CaO的脫硫作用，故混合噴吹法的脫硫產(chǎn)物主要是不穩(wěn)定的MgS，未生成更穩(wěn)定的CaS。

結(jié)束語

(1) 添加石灰石、石灰的爐次：回硫量均值為0.00405%，扒渣量均值為2 t；正常生產(chǎn)爐次：回硫量均值為0.0042%，扒渣量均值為2.5 t，表明添加石灰石、石灰在保證回硫量與正常爐次相當(dāng)時(shí)，能夠有效降低扒渣量，提高鎂粉利用率進(jìn)而減少鎂粉噴吹量，從而噸鋼成本降低了1.85元。

(2) 混合噴吹脫硫過程添加石灰石、石灰能夠使得混合噴吹鎂粉脫硫極限達(dá)到0.001%，回硫量控制在0.003%以內(nèi)，為冶煉低硫鋼種創(chuàng)造條件。

(3) 單獨(dú)噴吹流態(tài)化石灰與添加石灰石和石灰脫硫?qū)嶒?yàn)對(duì)比得出，流態(tài)化石灰不具備脫硫能力，這是由于流態(tài)化石灰表面的硅油與CaO反應(yīng)形成一層致密的硅酸二鈣層包裹在石灰表面，阻礙CaO起到脫硫的作用。

(4) 添加石灰石、石灰的爐次，渣層呈松散狀，渣鐵易分離，渣中含鐵量有所降低。