鐵水預(yù)脫硫噴吹系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、鐵水預(yù)脫硫噴吹系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)翟興華摘要根據(jù)鐵水預(yù)脫硫工藝和噴吹技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r,結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),從鐵水預(yù)脫硫噴吹系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度出發(fā),對(duì)鐵水預(yù)脫硫工藝、脫硫劑噴吹方式、操作方式、粉氣比大小及噴吹控制方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)做一些有益的探討。實(shí)踐表明,鐵水預(yù)脫硫噴吹系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)取得了良好的效果。關(guān)鍵詞脫硫噴吹優(yōu)化設(shè)計(jì)Optimum Design of Injection System for Predesulphurization of Hot MetalZhai Xinghua(Wuhan Iron & Steel Design Research Institute)AbstractBased on the

2、development status of desulphurizatin process of hot metal and injection technology, putting emphasis on the design of predesulphurization and injection system, this paper gives discussions on some aspects, such as predesulphurization process of hot metal, injection methods of desulphurizing agents

3、,operation patterns, ratio of powder and gas, and the optimum design of injection control. It is proved by practice that the optimum design has brought good effects.Keywordsdesulphurizationinjectionoptimum design1前言隨著噴粉技術(shù)的出現(xiàn),鐵水外部脫硫迅速發(fā)展;由于噴粉冶金克服了反應(yīng)表面面積小,即渣金屬界面小的問題,以及硫從渣金屬界面向渣整體界面移動(dòng)困難的兩大難點(diǎn),以噴粉技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起

4、來的現(xiàn)代外部脫硫工藝在將鐵水硫含量降至很低水平方面非常有用。由于我國(guó)從平爐改造到轉(zhuǎn)爐煉鋼比較晚,鐵水爐外脫硫到70年代才逐漸發(fā)展起來,脫硫工藝設(shè)計(jì)存在許多不足之處,基本上都是在原有的基礎(chǔ)上加以改進(jìn),沒有大的突破和創(chuàng)新。80年代初寶鋼首次引進(jìn)新日鐵的TDS(頂噴)法,在此基礎(chǔ)上,鞍鋼、武鋼、太鋼、攀鋼等廠也建立了爐外噴吹脫硫站。TDS法是新日鐵于1971年在ATH法基礎(chǔ)上改進(jìn)而成,一般適用于混鐵車脫硫,鐵水罐脫硫技術(shù)還需進(jìn)一步完善,以適合我國(guó)一些鋼鐵企業(yè)進(jìn)行煉鋼工藝改造的需要。本文根據(jù)鐵水預(yù)脫硫工藝及噴吹技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),從鐵水預(yù)脫硫噴吹系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度出發(fā),做一些有益的探討。2鐵水預(yù)脫硫工

5、藝的選擇在實(shí)際操作中,鐵水外部脫硫常用的工藝有4種,這4種工藝是:(1)蘇打或碳酸鈉(Na2CO3)工藝;(2)石灰/煅燒石灰(帶添加劑或不帶添加劑的CaO)工藝(3)碳化鈣工藝;(4)鈍化鎂工藝。這4種脫硫工藝的對(duì)比見表1。從表1可看出,任何一種工藝單獨(dú)應(yīng)用都達(dá)不到全滿意的效果。最近工業(yè)鐵水外部脫硫技術(shù)的發(fā)展主要傾向于兩種工藝:(1)CaO-Mg基混合工藝;(2)CaC2-Mg基混合工藝。實(shí)踐證明,CaO和鎂基試劑混合使用及碳化鈣和鎂基試劑混合使用比單獨(dú)使用效果好,其原因在于:表1鐵水預(yù)脫硫工藝比較脫硫劑優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)蘇打或碳酸鈉價(jià)格便宜、且無需使用昂貴的設(shè)備1.脫硫過程是吸熱過程。2.硅酸鈉渣對(duì)

6、各種耐火材料具有強(qiáng)腐蝕作用。3.脫硫后渣流動(dòng)性好,扒渣困難。4.脫硫效率低。5.污染環(huán)境。石灰/煅燒石灰價(jià)格便宜、來源廣泛1.脫硫動(dòng)力慢,易產(chǎn)生固態(tài)反應(yīng)物及固體產(chǎn)品。2.需使用精細(xì)粒度(50m)的石灰。3.渣量大,鐵損高。碳化鈣1.價(jià)格便宜,易于獲得。2.鐵水溫度高時(shí),脫硫效率很高。1.碳化鈣的運(yùn)輸必須保存在惰性氣體內(nèi)。2.需使用防爆儀器,投資高。3.鐵水溫度低時(shí)脫硫效果差。4.渣量大,鐵損高。鈍化鎂1.脫硫能力強(qiáng)、耗量少。2.渣量少、鐵損低。3.溫降低。1.高溫時(shí),鎂的蒸汽壓力很高,脫硫效率低。2.要求噴入鐵水包的深度大。3.價(jià)格高。(1)鎂在混合物中不僅充當(dāng)一種脫硫劑,還在熔池內(nèi)起攪拌作用

7、。(2)在鎂粒中摻入一定量的CaO或CaC2,可控制鎂的揮發(fā)速度,防上鎂的揮發(fā)損失。日新制鋼公司吳廠第二煉鋼車間1用CaO-Mg系脫硫劑進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果證明CaO-Mg系脫硫劑比CaO系脫硫劑脫硫效率顯著提高,最大可達(dá)86%;鐵水溫度下降的幅度非常小,約為0.40.8/min;渣量也明顯減少。新日鐵公司八幡廠2采用CaO-Mg系脫硫劑進(jìn)行試驗(yàn)也證明CaO-Mg系脫硫劑不但比CaO系脫硫劑效率顯著提高,而且可獲得高的脫硫速度;對(duì)鐵水中的S從0.012%降至0.002%處理的過程中溫度下降12,與使用CaO系脫硫劑相比大幅度抑制了溫降。在相同脫硫條件下,CaO-Mg基混合工藝不但比CaC2-Mg基混

8、合工藝少產(chǎn)生大約15%的渣,而且考慮到鐵損和基建投資的情況下,CaO-Mg基混合工藝比CaC2-Mg混合工藝更便宜。綜上所述，在相同的脫硫條件下，CaO-Mg基混合工藝優(yōu)于CaC2-Mg基混合工藝。但是,由于我國(guó)各個(gè)鋼廠的環(huán)境條件和內(nèi)部要求不同,每個(gè)鋼廠應(yīng)根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇最經(jīng)濟(jì)和最可靠的工藝。 3鐵水預(yù)脫硫噴吹方式的選擇對(duì)于CaO-Mg基或CaC2-Mg基混合工藝而言,脫硫劑噴吹方式可分為復(fù)合噴吹和混合噴吹。在我國(guó)一些鋼廠為了節(jié)省基建投資,常常選用混合噴吹,實(shí)際上,這是企業(yè)的一種短期行為。鐵水爐外脫硫的費(fèi)用,除基建投資外,脫硫劑的耗量和脫硫效果也是很重要的因素。雖然復(fù)合噴吹設(shè)備占地面積大

9、,但它能有效地將因偏析影響脫硫效率的可能性降至最低點(diǎn)。從它與應(yīng)用混合脫硫劑的混合噴粉脫硫技術(shù)使用效果上看,將270t鐵水硫含量從0.055%降至0.003%時(shí),復(fù)合噴粉鎂的消耗量減少11%,當(dāng)硫含量降至0.014%時(shí),其鎂消耗量減少16%,使用情況見表2。表2脫硫效果比較項(xiàng)目復(fù)合噴粉脫硫混合噴粉脫硫1.目標(biāo)硫0.003%鎂/kg.t-10.5190.584終點(diǎn)誤差0.00160.00182.目標(biāo)硫0.014%鎂/kg.t-10.3150.375終點(diǎn)誤差0.00330.00464鐵水預(yù)脫硫操作方式的選擇從理論上看,脫硫過程可分為孕育期、脫硫期及脫硫后期三個(gè)階段。在孕育期硫含量并無變化,但要造成鐵

10、水的強(qiáng)烈攪拌,在脫硫期內(nèi)鐵水硫含量急劇降低,脫硫后期硫含量的降低變慢。利用CaO-Mg基混合工藝脫硫時(shí),鎂脫硫劑沸點(diǎn)低,以氣相和鐵水中的硫反應(yīng),故脫硫速度快,但早期加入將很快損失,脫硫后期因鎂溶解度增加也會(huì)降低其脫硫效率;CaO脫硫劑在鐵水中呈固態(tài),要以細(xì)粉末狀加入,脫硫效率比鎂低,價(jià)格也較低,粗略估算1kg鎂的脫硫效果相當(dāng)于15kgCaO。根據(jù)脫硫機(jī)理及脫硫劑的特點(diǎn),噴吹操作時(shí),將噴射過程分成三個(gè)階段:第一階段:先用CaO進(jìn)行預(yù)噴吹,噴入CaO以形成強(qiáng)烈的旋渦,完成融體和渣的脫氧,建立起鐵水包中的環(huán)流運(yùn)動(dòng)。第二階段:用選定的Mg(深脫硫)和CaO(淺脫硫)的噴吹速度進(jìn)行主噴吹。第三階段:主噴

11、吹完成后,以高氣體量噴入一段時(shí)間CaO,以清除夾雜,完成脫硫過程。在第二階段噴入最大量的鎂(深脫硫時(shí)),在此階段結(jié)束時(shí),鎂量減至最小,控制噴入物及輸送氣體流速,使鐵水包中形成的旋渦在鐵水包邊沿高度允許的情況下保持最高,這樣可使脫硫劑效果最好而且處理時(shí)間最短。上述操作方式僅對(duì)于CaO-Mg基復(fù)合噴吹而言,主要目的是在提高脫硫效果的同時(shí)最大限度的降低鎂的消耗量,以利于降低操作成本。對(duì)于CaO(CaC2)基或其它噴吹工藝不可機(jī)械模仿,可根據(jù)上述脫硫過程的機(jī)理,通過改變噴吹過程的一些參數(shù)(如:噴吹壓力,二次風(fēng)流量,噴吹量等)確定自己既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)的操作方式。5鐵水預(yù)脫硫粉氣比大小的確定粉氣比的大小通常要

12、直接受到噴粉設(shè)備的影響。從工藝操作要求角度出發(fā),在保證一定攪拌力的前提下,應(yīng)盡可能減少載氣,增大粉氣比。運(yùn)載氣體能增快脫硫劑的上浮速度,在氣量大的情況下,還會(huì)出現(xiàn)脫硫劑尚未發(fā)揮作用就被氣泡帶到液面上去致粉劑接觸富硫鐵水的機(jī)會(huì)少。另外,載氣量大時(shí),噴槍粉氣出口速度較大,造成氣流和氣泡對(duì)鐵水?dāng)嚢枇?qiáng),易出現(xiàn)鐵水噴濺現(xiàn)象。但載氣量過小,不但容易堵塞,還會(huì)因攪拌力不夠影響脫硫效果。對(duì)于任一套脫硫系統(tǒng)都有其合適的粉氣比范圍,通常情況下,對(duì)于混鐵車脫硫,每立方米載氣的適宜載粉量約為1550kg;對(duì)于鐵水罐脫硫,由于易產(chǎn)生噴濺,每立方米載氣的適宜載粉量約為2040kg。6鐵水預(yù)脫硫噴吹控制方式鐵水脫硫劑的噴

13、吹量有三種控制方式:旋轉(zhuǎn)給料閥控制、間接控制和計(jì)量閥直接控制(見表3)。表3噴吹量的三種控制方式項(xiàng)目旋轉(zhuǎn)給料 間接控制計(jì)量閥 噴吹率轉(zhuǎn)子速度被控制保持恒定噴吹量由罐壓流化風(fēng)量和二次風(fēng)量由閥位控制罐壓保持恒定流化風(fēng)量保持恒定二次風(fēng)量噴吹率控制根據(jù)噴吹量單獨(dú)控制輸送方式稀相稀相濃相濃相6.1旋轉(zhuǎn)給料閥控制一些噴吹系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)給料閥或螺旋給料器的轉(zhuǎn)子速度來控制噴吹量。寶鋼80年代引進(jìn)的第一套新日鐵的TDS脫硫噴吹系統(tǒng),采用旋轉(zhuǎn)給料閥控制噴吹量,因維修費(fèi)用高、能耗高、難以實(shí)現(xiàn)濃相輸送而終被淘汰。6.2間接控制在噴吹罐與輸送管之間不設(shè)任何機(jī)械給料裝置,脫硫劑噴吹量主要取決于:(1)噴吹罐與輸粉管之間的壓

14、差,受噴吹罐出口布置及橫截面積的影響。(2)噴吹罐底部流化氣量。(3)二次風(fēng)流量。噴吹罐壓的控制是容易的,但只限于控制范圍,不適于大量氣體排空或充壓的快速反應(yīng)。實(shí)際控制過程中,噴吹量波動(dòng)大,不易迅速準(zhǔn)確地控制噴吹量,給生產(chǎn)帶來很大困難。罐壓一定時(shí),調(diào)節(jié)噴吹罐底部流化氣量和二次風(fēng)量也可以控制噴吹量。實(shí)際控制過程中,氣量的變化往往導(dǎo)致粉氣比及輸送管內(nèi)的物料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變,這些因素又導(dǎo)致鐵水脫硫過程不易控制。6.3計(jì)量閥直接控制3通過調(diào)整截面積,使用特殊的計(jì)量閥可直接控制噴吹罐和輸送管道之間的脫硫劑量,該計(jì)量閥由開關(guān)閥及調(diào)節(jié)閥組成。噴吹過程中,罐壓和流化氣量均保持恒定。計(jì)量閥根據(jù)稱重信號(hào)及本身壓降的自

15、適應(yīng)來準(zhǔn)確調(diào)節(jié)噴粉量。由于目前國(guó)內(nèi)還沒有生產(chǎn)噴吹調(diào)節(jié)計(jì)量閥的廠家,采用計(jì)量閥直接控制需引進(jìn)國(guó)外閥門及相關(guān)技術(shù),這在一定程度上增加了設(shè)備投資,國(guó)內(nèi)的用戶應(yīng)根據(jù)自己的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和煉鋼工藝系統(tǒng)的要求合理的選擇噴吹控制方式。 7鐵水預(yù)脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例武鋼一煉鋼鐵水脫硫(MgO+CaO)工藝。(1)工藝流程見圖1。圖1武鋼一煉鋼鐵水脫硫站工藝流程圖(單系列)(2)脫硫站考慮了1個(gè)槽罐車的卸料位置,2條卸料管線。為了保證工藝一天要求的脫硫劑量,設(shè)計(jì)采用料倉(cāng)2個(gè)，噴吹罐2個(gè),每個(gè)噴吹罐提供的脫硫劑量可滿足一個(gè)鐵水罐脫硫站處理需要。(3)為了節(jié)省投資,根據(jù)武鋼要求,一期工程采用(MgO+CaO)混合噴吹工藝,予

16、留MgO噴吹設(shè)施位置,二期工程考慮采用(MgO+CaO)復(fù)合噴吹工藝。(4)噴吹罐設(shè)計(jì)時(shí)采用計(jì)量閥直接控制式噴吹系統(tǒng),氮?dú)鉂庀噍斔?但由于武鋼要求設(shè)備全部國(guó)產(chǎn)化,最后改為改進(jìn)型壓差控制式噴吹系統(tǒng)。采用罐壓、二次風(fēng)流量、流化風(fēng)量聯(lián)合控制方式,最大限度的克服了舊有壓差式噴吹控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)。(5)根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)及武鋼的實(shí)際情況,采用了合理的操作方式。(6)工藝采用兩個(gè)鐵水罐脫硫臺(tái)位,為了提高生產(chǎn)的可靠性,任一噴吹系統(tǒng)對(duì)應(yīng)兩個(gè)鐵水罐脫硫臺(tái)位。(7)此工程于1998年12月投產(chǎn),由于MgO供應(yīng)不到位,投產(chǎn)初期全部采用CaO脫硫,由于噴吹系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化,工藝配置合理,脫硫效率80%,最高達(dá)到91%,脫硫后鐵水各項(xiàng)指標(biāo)全部達(dá)到甚至超過設(shè)計(jì)指標(biāo)。8結(jié)語我國(guó)鋼鐵企業(yè)目前處于經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型時(shí)期,提高產(chǎn)品質(zhì)量及技術(shù)含量,建立效益性企業(yè)已刻不容緩。轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝建立鐵水脫硫站,提高鋼坯質(zhì)量已迫在眉睫。鐵水預(yù)脫硫噴吹系