武鋼鐵水脫硫工藝的選擇

武鋼鐵水脫硫工藝的選擇

1國內(nèi)鐵路水預(yù)處理國外的鋼鐵公司通常使用100%脫鐵槽，日本的鋼鐵公司通常使用90%以上的“三脫”（si、p、s）。我國鐵水預(yù)處理技術(shù)主要采用脫硫處理工藝,1999年全國鐵水預(yù)處理比為23%,很不適應(yīng)鋼的品種質(zhì)量要求與連鑄發(fā)展。為適應(yīng)煉鋼生產(chǎn)發(fā)展的要求,我國2000～2005年冶金科技指南要求,年產(chǎn)量大于100萬t的鋼廠應(yīng)進行鐵水預(yù)處理,全國鐵水預(yù)處理比要由20%提高到60%。武鋼正在為貫徹和實現(xiàn)國家冶金科技指南的技術(shù)方針和目標而努力。近幾年來,武鋼在優(yōu)化工藝結(jié)構(gòu),實現(xiàn)全連鑄的進程中,對鐵水脫硫預(yù)處理給予了高度的重視,不斷擴大鐵水預(yù)處理的能力,2000年武鋼三座鋼廠共生產(chǎn)鋼664.10萬t,共預(yù)處理脫硫鐵水445.21萬t,公司鐵水脫硫比達到69.98%,為提高鋼的質(zhì)量,開發(fā)新的品種,增強產(chǎn)品市場競爭力提供了重要條件。2鐵水硫處理技術(shù)、生產(chǎn)工藝和硫效果2.1技術(shù)設(shè)備和生產(chǎn)能力武鋼現(xiàn)有三座煉鋼廠,均采用轉(zhuǎn)爐—連鑄生產(chǎn)工藝,已具有年生產(chǎn)800萬t鋼和700萬t以上鐵水全量脫硫預(yù)處理的生產(chǎn)力。2.1.1裝置設(shè)計能力有100t?LD轉(zhuǎn)爐2座,配有鐵水罐噴吹式脫硫預(yù)處理裝置2套,設(shè)計年產(chǎn)鋼能力170萬t和年脫硫鐵水能力164萬t。2000年產(chǎn)鋼133.40萬t,預(yù)處理脫硫鐵水76.35萬t,鐵水脫硫處理比59.04%。2.1.2脫硫預(yù)處理能力有80t?LD轉(zhuǎn)爐三座,配有鐵水罐KR機械攪拌式脫硫預(yù)處理裝置2套(其中新建的1套KR脫硫預(yù)處理裝置2000年年底已投入生產(chǎn)),年產(chǎn)鋼可達240萬t,年鐵水脫硫預(yù)處理能力可達220萬t以上(其中新建的2號KR脫硫裝置年設(shè)計能力為140萬t)。2000年產(chǎn)鋼226.70萬t,預(yù)處理脫硫鐵水93.44萬t,鐵水脫硫處理比41.81%。2.1.3國內(nèi)脫硫廢水預(yù)處理有250t?LD轉(zhuǎn)爐二座,配有魚雷罐噴粉式脫硫站一套,設(shè)計的年產(chǎn)鋼能力為250萬t(2吹1條件下),經(jīng)過配套改造,實際年產(chǎn)鋼能力可達400萬t以上。設(shè)計的年預(yù)處理脫硫鐵水能力可達350萬t以上。2000年產(chǎn)鋼303.99萬t,預(yù)處理脫硫鐵水275.42萬t,鐵水脫硫比97.16%。2.2生產(chǎn)工藝與環(huán)境處理效果2.2.1混合脫硫劑的脫硫效果一煉鋼廠采用100t鐵水罐噴吹式脫硫工藝,采用20%金屬Mg加80%?CaO的混合脫硫劑。2000年噸鐵鐵水脫硫劑消耗為1.93kg。2.2.2kr-ton機械攪拌鐵水脫硅二煉鋼廠采用100t鐵水罐KR機械攪拌式脫硫工藝,采用CaO基脫硫劑,2000年噸鐵水脫硫劑消耗為4.69kg。2.2.3鐵水脫硫處理三煉鋼廠采用320t鐵水魚雷罐噴粉脫硫工藝,主要采用CaC2脫硫劑,約有20%的鐵水脫硫處理采用20%金屬Mg加80%?CaO混合脫硫劑,2000年噸鐵水脫硫劑消耗CaC2為3.25kg,Mg加CaO混合脫硫劑噸鐵單耗為0.88kg。需要說明的是,三煉鋼廠目前采用這種混合脫硫劑與CaC2料倉能力不足有關(guān),正在研究解決方案。2.2.4鋼種的脫硫三座鋼廠采用不同的鐵水脫硫工藝,均取得較好的脫硫效果,根據(jù)鋼種需要,采用深淺兩種脫硫工藝,深脫硫后[S]≤0.005%(w),最好時可達[S]≤0.002%(w),淺脫硫后[S]≤0.010%(w)。鐵水脫硫效率通?？蛇_90%左右。2.2.5各廠鐵水脫硫裝置在我國我國歷史上的運用情況,主要有武鋼三座鋼廠在不同的時期,不同的位置(距高爐的遠近),不同的廠房結(jié)構(gòu),在設(shè)計時選用了不同的鐵水脫硫裝置,主要是根據(jù)其各廠的具體實際情況選定的。在設(shè)計說明中均有詳細分析比較,在此從略。3優(yōu)化開采工藝，提高鐵水開采能力，顯著增加鐵水開采處理比例3.1鐵水脫硫處理比武鋼的鐵水脫硫預(yù)處理工藝,是第二煉鋼廠于20世紀70年代后期從日本新日鐵公司引進的KR機械攪拌式,其設(shè)計年脫硫能力為47.5～53.5萬t,主要用于引進專利硅鋼的生產(chǎn)。而一煉鋼廠未改造前無鐵水脫硫工藝,且其鋼產(chǎn)量比重大,故公司的鐵水脫硫處理比一直較低,至1996年僅12.42%。隨著按鐵水全量脫硫預(yù)處理設(shè)計的第三煉鋼廠和第一煉鋼廠(淘汰平爐—模鑄工藝、改造為轉(zhuǎn)爐—連鑄工藝)分別于1996年8月和1999年12月建成投產(chǎn),武鋼的鐵水脫硫處理比快速增加,2000年已上升至69.98%,其中三煉鋼廠已達97.16%。5年間增加幅度達3.63倍。煉鋼系統(tǒng)并預(yù)留了“三脫”的場地。1996～2000年武鋼鐵水脫硫處理量增長及不同脫硫工藝脫硫劑消耗見圖1、2。3.2脫硫工藝設(shè)計能力如上所述,第二煉鋼廠的KR機械攪拌式鐵水脫硫裝置(1號KR)的設(shè)計能力為47.5～53.5萬t。經(jīng)過技術(shù)改造和工藝技術(shù)進步,鐵水脫硫的生產(chǎn)技術(shù)水平較設(shè)計值有了大幅度的提高,2000年最高處理鐵水達到93.4萬t,較設(shè)計能力平均值提高86.8%,雖然如此,其經(jīng)脫硫處理的鐵水量,仍僅占實際消耗鐵水的41.82%,遠遠滿足不了生產(chǎn)高質(zhì)量鋼的要求。經(jīng)過多次研究,1999年武鋼決定擴大二煉鋼廠鐵水脫硫能力,實現(xiàn)鐵水全脫硫處理。在全面分析比較了選用噴吹工藝和現(xiàn)有KR脫硫工藝的優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上,決定仍采用KR脫硫工藝,其主要理由是:鑒于二煉鋼廠采用KR機械攪拌式脫硫工藝已有20余年,鋼廠不但熟練掌握了該項技術(shù),而且在消化引進技術(shù)的基礎(chǔ)上,有不少創(chuàng)新,生產(chǎn)技術(shù)水平和技術(shù)經(jīng)濟指標均較原設(shè)計能力有大幅度的提高,除脫硫鐵水產(chǎn)量增長86.8%外,還自行開發(fā)了無碳CaO基脫硫劑取代了CaC2,降低了生產(chǎn)成本。脫硫處理前后鐵水溫降從過去的40～50℃減至28℃,脫硫效率平均達92.5%,脫硫處理后w([S])≤0.005%的罐次比率在98%以上,實際w([S])≤0.002%時的脫硫劑(CaO基)耗量由8.5kg降至5.00kg以下,目前兌入轉(zhuǎn)爐經(jīng)深脫硫的鐵水硫含量平均值已達0.0027%(質(zhì)量分數(shù)),專用脫硫罐罐齡已達400次以上,主要消耗部件攪拌頭使用次數(shù)已突破500次,噸鐵脫硫處理成本約20元/t·Fe,鐵損約3%,這些技術(shù)經(jīng)濟指標與國內(nèi)外相關(guān)鋼廠鐵水脫硫工藝指標相比,表現(xiàn)了較明顯的優(yōu)點。引進KR鐵水脫硫處理時與目前二煉鋼廠已達到的主要技術(shù)指標,如表1。武鋼二煉鋼廠與德國蒂森鋼鐵公司在基本相同的條件下:包括脫硫前鐵水溫度均為1300℃,脫硫劑均為CaO,脫硫處理前w([S])=0.060%,脫硫處理后w([S])=0.005%,但采用不同的脫硫工藝(KR攪拌法和噴吹法)兩座鋼廠脫硫劑耗量及經(jīng)濟分析如表2。二煉鋼廠與國內(nèi)相關(guān)廠在基本相同條件下,即脫硫前鐵水溫度均為1326.2℃,脫硫劑均為CaO,脫硫前w([S])=0.0239%,脫硫后w([S])=0.0067%,但采用不同脫硫處理工藝(KR攪拌法與噴吹法)有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟指標比較如表3、4。從上述比較可見,KR攪拌法脫硫的動力學條件、脫硫劑單耗、脫硫效率、處理時間等明顯優(yōu)于噴吹法。采用KR法存在的問題是設(shè)備比較復雜,尤其是液壓攪拌系統(tǒng)需要從國外引進,但二煉鋼廠現(xiàn)已有的一些設(shè)備如攪拌頭的制作,備件、能源介質(zhì)等均可共用,這樣就可節(jié)省技改投資。經(jīng)過充分論證,最終確定新建脫硫年處理能力為140萬t的脫硫裝置仍選用KR式的脫硫技術(shù)。加上原有的1號KR處理能力,全廠鐵水脫硫處理能力可達220～230萬t。二煉鋼廠擴建的2號KR鐵水脫硫裝置已于2000年年底建成投產(chǎn)。據(jù)此二煉鋼廠可實現(xiàn)全量鐵水脫硫處理,同時武鋼公司亦具備了年處理脫硫鐵水700萬t以上的鐵水全量脫硫處理能力。2號KR脫硫裝置2001年2月中下旬日產(chǎn)脫硫鐵水量已達設(shè)計能力。初步評估表明,采用2號KR法脫硫,考慮到在脫硫劑耗量、攪拌頭制作及動力等費用的降低,與噴吹法脫硫相比,每年約可降低成本1400萬元。預(yù)計投產(chǎn)2年內(nèi)就可收回全部投資。4硫酸處理與評價4.1國內(nèi)環(huán)保試驗研究鑒于金屬鈍化鎂鐵水脫硫劑具有脫硫能力強、脫硫速度快、單耗低、脫硫后渣量少、鐵損少、熱損失少、環(huán)境污染小等優(yōu)點,國外早已應(yīng)用,近幾年來國內(nèi)亦已進行試驗和應(yīng)用。武鋼煉鋼系統(tǒng)近年來也進行了工業(yè)性試驗,并取得較明顯效果。4.2脫硫劑的消耗和成本如上所述,一煉鋼廠目前采用20%Mg加80%CaO鐵水脫硫劑。投產(chǎn)以來存在脫硫時間較長。脫硫劑消耗和成本較高等問題。經(jīng)過論證和考察,決定選用鈍化金屬鎂取代部分20%Mg加80%CaO脫硫劑,該改造方案對現(xiàn)有設(shè)備基本可以利用,不做大的改變,僅增加噴吹罐、噴槍及相關(guān)配套的稱量裝置、管道、閥門等少量設(shè)備,投資費用較少,不但冶金效果好,而且經(jīng)濟效果明顯。4.3脫硫技術(shù)及成本根據(jù)對烏克蘭亞速鋼廠等單位的考察,采用鈍化金屬鎂顆粒與一煉鋼廠現(xiàn)行采用的20%Mg加80%CaO混合脫硫劑有關(guān)技術(shù)特性比較,如表5。一煉鋼廠已購買烏合資戴斯瑪克有限公司的金屬純鎂技術(shù)脫硫技術(shù),對方對脫硫處理前[S]為0.035%(質(zhì)量分數(shù))左右,溫度1280～1350℃,每罐鐵水量為105～116t的前提條件下,提出了采用該工藝的技術(shù)保證值,如表6。按此指標測算,脫硫成本約為15元,與一煉鋼廠現(xiàn)工藝比較,預(yù)計噸鐵可降低成本10元左右(不含噴槍壽命提高因素),效益很明顯。據(jù)初步估算,如按年處理50萬t計算,其降低成本費用一年多即可基本收回改造投資。該項改造工程2001年內(nèi)完成。5影響鐵水硫酸效果的分析與控制5.1魚罐噴吹cac2的脫硫效果一般認為,采用魚雷罐鐵水脫硫工藝的動力學條件較差。從三煉鋼廠采用魚雷罐噴吹CaC2的生產(chǎn)實踐來看,影響其脫硫效果的主要因素為鐵水溫度、脫硫劑耗量、鐵水裝入量等。圖3、4示出了鐵水溫度、CaC2脫硫劑單耗對魚雷罐噴吹式鐵水脫硫效率的影響。5.2目標值完全達到4.三煉鋼廠經(jīng)魚雷罐鐵水噴吹CaC2脫硫后,一般w[S]可脫至0.005%(深脫)和0.010%(淺脫)以下的目標值,完全達到冶煉要求。但生產(chǎn)中,將魚雷罐脫硫后的鐵水在倒罐站進行倒入鐵水罐后,往往出現(xiàn)回硫現(xiàn)象。對此工藝的鐵水回硫因素進行分析表明主要與魚雷罐內(nèi)口粘渣、結(jié)瘤、二次裝鐵、鐵水裝入量、脫硫噴吹后是否進行“后攪工藝”、脫硫后鐵水等待時間等因素有關(guān)。5.2.1魚罐脫硫后回硫情況統(tǒng)計了三煉鋼廠2000年1～6月5800余爐經(jīng)魚雷罐脫硫再倒入鐵水罐后的鐵水回硫情況如圖5。其原因主要是此類脫硫工藝動力學條件較差,脫硫劑不可能與全部鐵水進行充分反應(yīng),存在一定死區(qū)。5.2.2周圍模擬井桶的渣墻魚雷罐在周轉(zhuǎn)運行過程中,由于高爐鐵水帶渣及脫硫后生成的脫硫渣熔點高、粘度大、流動性差,很容易附結(jié)在罐壁上,尤其集中在罐口周圍,產(chǎn)生形似井桶的渣墻,其示意見圖6。井筒形渣墻高約500～1000mm,嚴重影響脫硫噴吹流場,形成死區(qū)。鐵水勾兌時重新混合,硫含量回升。為此,根據(jù)魚雷罐粘渣情況及時清理罐口,打掉積渣結(jié)瘤。通過研制試用的魚雷罐鐵水稀渣劑有較好的稀釋粘渣作用,在鐵水脫硫之前投入魚雷罐口,可隨鐵水的攪動與鐵渣很好地混合,明顯降低罐內(nèi)鐵渣的熔點,改善渣子的流動性,便于翻罐倒渣。5.2.3裝鐵過程會增加鐵水溫降,造成鐵水回硫通常320t容量的魚雷罐車在高爐裝鐵水時,是由同一高爐或不同高爐兩次出鐵裝入的。一般情況下,高爐出鐵時間間隔約在1～2h內(nèi),有時甚至更長。因此將會增加鐵水溫降。在第二次裝鐵時,不能使兩次出鐵的鐵水很好地混合,造成魚雷罐內(nèi)的鐵水溫度梯度。在噴粉脫硫攪拌時,脫硫反應(yīng)只能在上層進行,下層相對靜止或攪動緩慢。統(tǒng)計結(jié)果顯示,兩次裝鐵引起鐵水回硫比例大約在73.4%,回硫值在0.003%～0.004%。因此,應(yīng)積極協(xié)調(diào)高爐出鐵與魚雷罐裝鐵節(jié)奏,盡可能避免魚雷罐二次裝鐵。5.2.4脫硫劑上浮路徑小CaC2脫硫劑從倒“T”字形噴槍噴出,噴粉氣流沿脫硫罐體縱向噴射。其噴出距離隨供氣壓力,供氣量的大小變化,噴氣量過大,則容易形成鐵水噴濺,噴氣量過小則噴射距離縮短。噴射過程中脫硫粉劑是被氣體載體(N2)推動著向前運動,氣體攪動加速了脫硫反應(yīng),脫硫劑在鐵水的上浮過程是脫硫反應(yīng)的繼續(xù)。噴槍的插入深度應(yīng)固定,因此,脫硫劑上浮行徑隨鐵水液面的高度變化,鐵水量大,則鐵水液面高,脫硫劑上浮路徑長,有利于提高脫硫效率;反之亦然。魚雷罐鐵水裝入量與脫硫劑單耗的對應(yīng)關(guān)系見圖7。5.2.5鐵水回硫+噴吹時間采用魚雷罐車噴吹脫硫工藝時,脫硫劑噴吹速度一般為35～40kg/min(設(shè)計最大噴吹速度為150kg/min)。淺脫時噴入量較少(600～800kg),噴噴時間較短(15～20min),深脫時噴入量較多(800～1200kg),噴吹時間較長(20～30min)。深脫時脫硫劑得到了充分地攪拌混合,脫硫反應(yīng)較完全,引起回硫的可能性較小,淺脫則反之。在實際操作中,當計算投放的脫硫劑噴吹完后,采用只吹氣(N2)的“脫硫后攪工藝”,使已吹入的脫硫劑得到充分攪拌。在鐵水溫度許可時,延時3～5min或更長一些時間,這樣,可以減少鐵水回硫幾率。脫硫噴吹時間與脫硫后鐵水含硫量的關(guān)系如圖8。5.2.6鐵水面爐渣中硫不充分造成鐵水回硫脫硫后鐵水含量已達到目標要求(0.002%～0.008%),鐵水液面爐渣中富集了大量的硫,若停留時間較長,則渣中硫重新向鐵水傳質(zhì)擴散,造成鐵水回硫。因此,當停產(chǎn)檢修時,應(yīng)掌握好合適的鐵水等待節(jié)奏,盡可能縮短鐵水停留等待時間,防止渣中硫返回鐵水。6鐵水脫硫技術(shù)(1)鐵水脫硫處理是提高鋼的質(zhì)量、擴大鋼的品種、優(yōu)化煉鋼工藝流程、提高生產(chǎn)效率等方面的重要手段之一。武鋼三座鋼廠已具備年處理脫硫鐵水700萬t以上的生產(chǎn)能力,為武鋼實現(xiàn)鐵水全量脫硫創(chuàng)造了條件。(2)“九五”期間(1996～2000年)武鋼不斷擴大鐵水脫硫能力,鐵水脫硫比有了大幅度的增長,從12.42%提高到69.98%,5年間鐵水脫硫比增加幅度達3.63倍。(3)2000年武鋼共處理脫硫鐵水445.21萬t,鐵水脫硫比達69.98%,其中第三煉鋼廠脫硫比達97.16%。(4)武鋼三座鋼廠分別采用鐵水罐噴吹、鐵水罐KR式機械攪拌及魚雷罐噴吹工藝對