鐵水預(yù)處理脫硫系統(tǒng)工藝設(shè)備技術(shù)改造

朱欣林，劉 威，趙 濱

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司長(zhǎng)材事業(yè)部，安徽馬鞍山 243000）

前言

硫元素是鋼中常見的雜質(zhì)元素，對(duì)鋼材的性能有諸多影響，不僅容易造成鋼的熱脆現(xiàn)象，還會(huì)對(duì)鋼材的力學(xué)性能、抗侵蝕性能和焊接性能造成影響，所以在生產(chǎn)過程中需要對(duì)其進(jìn)行控制。鐵水預(yù)處理是對(duì)鐵水進(jìn)行預(yù)脫硫的重要手段，目前主要有攪拌法（KR 法）和噴吹法兩種工藝方法，其中噴吹法又分為單噴金屬鎂和混噴石灰加鎂粉的復(fù)合噴吹法，兩種工藝在技術(shù)上都已經(jīng)相當(dāng)成熟［1］。

馬鋼長(zhǎng)材事業(yè)部煉鋼一分廠（以下簡(jiǎn)稱煉鋼一分廠）配有2座鐵水預(yù)處理站：1#鐵水預(yù)處理系統(tǒng)采用混噴石灰加鎂粉工藝，2#鐵水預(yù)處理系統(tǒng)采用單噴金屬鎂粉工藝。

在實(shí)際使用過程中，2#鐵水預(yù)處理站單噴鎂粉的工藝方式運(yùn)行不穩(wěn)定，噴吹效果不理想，脫硫過程中反應(yīng)強(qiáng)烈并常伴有較大噴濺，不僅制約鐵水預(yù)處理的效率，還對(duì)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和人員安全性造成影響，需要對(duì)其進(jìn)行技術(shù)改造。

1 脫硫工藝分析

1.1 單噴鎂粉脫硫工藝簡(jiǎn)析

單噴鎂粉型鐵水預(yù)處理工藝是用氮?dú)廨斔玩V粉，通過噴槍將鎂粉噴入鐵水罐，鎂粉與鐵水進(jìn)行反應(yīng)，達(dá)到脫硫的目的。此設(shè)備運(yùn)行時(shí)純鎂粉與鐵水會(huì)產(chǎn)生劇烈反應(yīng)，并且由于鎂粉本身的流動(dòng)性較差，使得鎂粉在管道內(nèi)輸送時(shí)的速率不均勻，常出現(xiàn)鎂粉間斷性流量較大現(xiàn)象。以上問題疊加，經(jīng)常導(dǎo)致噴槍末端發(fā)生噴爆現(xiàn)象，造成較大規(guī)模鐵水噴濺，故障率高，鐵水損耗大。

1.2 混噴石灰加鎂粉脫硫工藝簡(jiǎn)析

混噴石灰加鎂粉鐵水預(yù)處理工藝是用氮?dú)廨斔土鲬B(tài)化的石灰粉和鎂粉混合物，使混合物進(jìn)入鐵水內(nèi)部進(jìn)行脫硫造渣?；旌狭耸液?，鎂粉純度下降，且以流動(dòng)性能優(yōu)良的流態(tài)化石灰為輔助輸送鎂粉，輸送速率更加穩(wěn)定，反應(yīng)更加平穩(wěn)。相比之下，混噴石灰加鎂粉工藝方式脫硫過程更加穩(wěn)定，更有利于現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)順行。混噴石灰加鎂粉鐵水預(yù)處理工藝流程簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 混噴石灰加鎂粉鐵水預(yù)處理工藝流程簡(jiǎn)圖

2 熱力學(xué)條件分析

采用單噴鎂粉進(jìn)行鐵水預(yù)處理時(shí)，Mg元素與鐵水中的S 元素發(fā)生反應(yīng)，生成MgS，達(dá)到脫硫的目的［2］。

當(dāng)采用混噴石灰加鎂粉進(jìn)行鐵水預(yù)處理時(shí)，由于鐵水中存在石灰（CaO），在鐵水溫度條件下，S 元素與Ca 元素的親和力比S 元素與Mg 元素的親和力更強(qiáng)，所以生成的MgS 會(huì)進(jìn)一步與CaO 反應(yīng)生成MgO與CaS，即脫硫的最終產(chǎn)物是MgO與CaS［3］。

采用單噴鎂粉進(jìn)行鐵水預(yù)處理時(shí)，脫硫反應(yīng)的產(chǎn)物是MgS；采用混噴石灰加鎂粉進(jìn)行鐵水預(yù)處理時(shí)，脫硫產(chǎn)物是更穩(wěn)定的CaS［4］。相比較之下，混噴具有更穩(wěn)定的鐵水深脫硫效果，且由于鈍化鎂粉價(jià)格相對(duì)高昂，所以采用混噴工藝還能夠降低生產(chǎn)成本。

3 設(shè)備改造升級(jí)及自動(dòng)控制

經(jīng)過對(duì)兩種預(yù)處理工藝方式的對(duì)比分析，決定對(duì)2#鐵水預(yù)處理站單噴鎂粉脫硫工藝進(jìn)行改造，將其改成鎂粉加石灰混噴的脫硫工藝，完成國(guó)產(chǎn)化的混噴型鐵水預(yù)處理系統(tǒng)。

3.1 設(shè)備升級(jí)改造

為最大限度節(jié)約升級(jí)改造成本，本次設(shè)備升級(jí)改造并不是推倒重建，而是在充分利用原設(shè)備基礎(chǔ)的前提下，進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與優(yōu)化，大幅節(jié)約改造成本并縮短改造工期。

（1）設(shè)計(jì)了噴槍安裝過渡結(jié)構(gòu)，在不改變?cè)瓏姌屔翟O(shè)備的前提下，實(shí)現(xiàn)混噴型噴槍快速更換。

（2）設(shè)計(jì)了鎂粉與石灰原料大倉Y型分支結(jié)構(gòu)，利用原有進(jìn)口一站大倉，單獨(dú)增設(shè)小罐分配器，直接旁路分支鋪設(shè)安裝相應(yīng)調(diào)節(jié)閥、控制器、噴吹管等設(shè)備。

（3）根據(jù)混噴工藝，進(jìn)行工藝設(shè)備國(guó)產(chǎn)化選型，充分選用國(guó)產(chǎn)設(shè)備代替進(jìn)口設(shè)備，降低改造成本，整體系統(tǒng)升級(jí)，國(guó)產(chǎn)化備件使用率達(dá)到95%。

（4）原先兩套脫硫的液壓站分布在相應(yīng)的扒渣操作間，造成扒渣間空間位置狹小，且扒渣機(jī)回轉(zhuǎn)軸承因空間布局限制，無法快速檢修，一旦發(fā)生回轉(zhuǎn)故障，需花費(fèi)數(shù)日進(jìn)行平臺(tái)拆除方可進(jìn)行檢修。本次改造將扒渣間液壓站移位，上、下平臺(tái)貫通，增設(shè)龍門橫梁，設(shè)置活動(dòng)蓋板，這樣在扒渣機(jī)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障時(shí)，打開活動(dòng)蓋板，利用龍門橫梁吊裝提升扒渣機(jī)后，即可直接進(jìn)行在線修復(fù)，為今后設(shè)備檢修維護(hù)帶來便捷。

3.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)改造

根據(jù)混噴型工藝要求，原單噴型設(shè)備需要進(jìn)行更新改造。為節(jié)約成本，充分研究原有基礎(chǔ)可利用率，最終僅將噴槍座和舊鎂粉倉進(jìn)行了拆除，整個(gè)噴槍升降傳動(dòng)裝置程序改進(jìn)后繼續(xù)使用，增建鎂粉分配器和石灰分配器，根據(jù)空間布局采用大弧彎鋪設(shè)噴吹管路，減少輸送阻力，根據(jù)總體的升級(jí)改造設(shè)計(jì)方案要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求和經(jīng)驗(yàn)積累，建立趨于完善的國(guó)產(chǎn)設(shè)備模型及工藝操作模型，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化升級(jí)改造。

（1）基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：采用西門子Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)CPU、噴槍變頻器、ET-200M 遠(yuǎn)程站之間的通信，2 臺(tái)操作員工作站通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信。

（2）噴槍自動(dòng)控制：采用S120 變頻器對(duì)噴槍電機(jī)進(jìn)行變頻控制，設(shè)置1只噴槍位置編碼，用于噴槍槍位檢測(cè)和高低速以及行程控制。

（3）鐵水車自動(dòng)控制：采用SEW 變頻控制，站內(nèi)和站外分別設(shè)置減速限位和到位限位，用于鐵水車的準(zhǔn)確定位和到位停產(chǎn)控制。鐵水車?yán)密圀w油缸可以實(shí)現(xiàn)傾翻操作。

（4）加料和噴吹料位控制：從大倉往2#站進(jìn)行加料控制，通過1#站石灰和鎂粉大倉的料位信息，控制2#站分配器罐的加料。噴吹過程中對(duì)石灰和鎂粉分配器重量設(shè)置最低重量保護(hù)。分配器往噴吹管道下料采用孔板結(jié)構(gòu)，為防止孔板堵料，對(duì)孔板增加自動(dòng)吹掃控制。部分加料控制程序見圖2。

圖2 加料控制程序（部分）

（5）噴吹自動(dòng)化控制：輸入進(jìn)站鐵水溫度、鐵水重量、鐵水進(jìn)站硫含量、出站目標(biāo)硫含量，在HMI 中點(diǎn)擊計(jì)算后，系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)算出脫硫所需的鎂粉量。在一鍵下槍噴吹控制邏輯中，石灰下料的速率值參與聯(lián)鎖提槍，當(dāng)噴吹完所需要的鎂粉數(shù)量后，噴槍自動(dòng)提槍至等待位，進(jìn)行5次脈沖模式吹掃后，再自動(dòng)提到最高位完成本爐鐵水的脫硫噴吹。部分噴吹控制程序見圖3。

圖3 噴吹控制程序（部分）

3.3 改造后工藝參數(shù)調(diào)試

系統(tǒng)設(shè)備建設(shè)完成后進(jìn)入調(diào)試階段，根據(jù)前期計(jì)算出的輸送氣體壓力和噴槍出口壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)試，制定初調(diào)和終調(diào)方案。初調(diào)時(shí)采用空罐噴吹，分別按照單吹石灰、單吹鎂粉、混噴鎂粉加石灰的步驟逐步進(jìn)行調(diào)試。檢查空罐混噴時(shí)的走料平穩(wěn)性滿足要求后，進(jìn)行滿罐調(diào)試，此為終調(diào)即正常生產(chǎn)狀態(tài)的調(diào)試。帶載荷后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了部分調(diào)整和修正，完成關(guān)鍵核心參數(shù)氮?dú)庵鬏斔瓦M(jìn)口壓力、噴槍出口壓力、石灰分配器壓力、鎂粉分配器壓力以及噴槍高度的工藝技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)。在噴吹主管道為DN25 的條件下，各參數(shù)工藝技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)為：氮?dú)庵鬏斔瓦M(jìn)口壓力為1～1.2 MPa，噴槍出口壓力為350 kPa，石灰分配器壓力為340 kPa，鎂粉分配器壓力為320 kPa，噴槍高度為距罐底300～500 mm。經(jīng)過1個(gè)月的試運(yùn)行，混噴壓力穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)噴吹過程中金屬反應(yīng)平穩(wěn)，給料均勻無噴濺，脫硫效果滿足工藝技術(shù)要求。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

4.1 設(shè)備運(yùn)行情況

改造后的2#鐵水預(yù)處理站已投入運(yùn)行1 年，與1#鐵水預(yù)處理控制系統(tǒng)相比更加簡(jiǎn)單。通過對(duì)調(diào)節(jié)閥的持續(xù)優(yōu)化，使石灰與鎂粉分配器氮?dú)庠O(shè)定壓力與實(shí)際壓力差值控制在±5 kPa 以內(nèi)，石灰和鎂粉分配器的設(shè)定壓力與實(shí)際壓力對(duì)比情況見圖4。從圖4 可以看出，整個(gè)噴吹過程壓力穩(wěn)定。改造后設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)且故障率低，取得的效果超出了預(yù)期目標(biāo)。

圖4 分配器設(shè)定壓力與實(shí)際壓力對(duì)比圖

4.2 脫硫效果對(duì)比

2#鐵水預(yù)處理站由單噴鎂粉改造成混噴鎂粉加石灰工藝對(duì)鐵水進(jìn)行脫硫后，脫硫效率更快、效果更好，改造前、后鐵水脫硫數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

表1 改造前、后鐵水脫硫數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1可看出，改造前、后相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)對(duì)比差別較為明顯，采用混噴鎂粉加石灰工藝使得脫硫后鐵水中S含量更低，比單噴鎂粉時(shí)降低了25%，每罐鐵水處理周期減少3 min，同時(shí)鎂粉用量也減少了0.07 kg/t鐵，分廠每月鐵水處理量約4.5 萬t。按照目前鎂粉價(jià)格34 000 元/t，流態(tài)化石灰價(jià)格1 000 元/t計(jì)算，則改造后每年降低脫硫劑使用成本47.52 萬元；同時(shí)由于改造后脫硫過程平穩(wěn)，處理過程中可減少鐵水噴濺量7.5 kg/t鐵，按照差價(jià)200 元/t鋼計(jì)算，每年可創(chuàng)造效益81 萬元，則改造后每年可創(chuàng)造效益128.52 萬元。

5 結(jié)論

改造后的2#鐵水預(yù)處理站操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需要。

（1）實(shí)現(xiàn)了由單噴鎂粉脫硫向混噴鎂粉加石灰脫硫工藝的轉(zhuǎn)變，操作控制系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，噴吹過程壓力更加穩(wěn)定，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)且故障率低，設(shè)備維護(hù)成本降低，取得了較好效果。

（2）采用混噴鎂粉加石灰工藝，脫硫后鐵水中S 含量更低，每罐鐵水處理周期減少，鎂粉用量降低，節(jié)約了脫硫成本。