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    鐵水預處理工藝模式的選擇


     鐵水預處理順序的選擇

        1 CaO作“三脫”劑

        (1) 脫硅-脫硫-脫磷順序

        ——鐵水溝處鐵鱗脫硅

        鐵水脫硅是放熱反應,鐵水溫度越低,脫硅的效果越好?紤]到鐵水的脫硫溫降和運輸、等待溫降,若將脫硅置于脫硫之后,脫硅時的鐵水溫度將較鐵水溝脫硅更低,鐵水預脫硅工序應盡量置于脫硫之后,而不是在脫硫之前。

        ——脫硫

        反應平衡時 [%S]達10-4數量級,可滿足所有鋼種的要求;溫度的變化對鐵水脫硫效果的影響很小,因此脫硫可考慮提至脫硅之前,在確保脫硫效果的同時使脫硅也處于較好的熱力學條件下。

        ——轉爐內脫硅、脫磷

        有資料表明:鐵水中[%Si]大于0.15時為脫硅期,[%Si]小于0.15時脫磷反應才會開始,脫磷反應是放熱反應,較低溫度的脫磷爐內脫硅的熱力學條件應是最佳的。因此應取消鐵水溝處的高溫脫硅,將其移至脫硫之后的脫磷轉爐內和脫磷一同進行。

        (2) 脫硫-脫硅、磷順序

        “脫硫—脫硅、脫磷”順序的情況下,脫硫反應平衡時量[%S]下降了一個數量級。將脫硅任務放在脫硫之后完成,能明顯改善CaO粉劑脫硫的熱力學條件。

        (3) 脫硅、脫磷-脫硫順序

        在“脫硅、脫磷—脫硫”順序的情況下,脫硫反應平衡時 [%S]為10-3數量級,而在“脫硅—脫硫—脫磷”順序下,[%S]為10-4數量級,在“脫硫—脫硅、脫磷”順序下,[%S]為10-5數量級。顯然“脫硫—脫硅、脫磷”順序下CaO粉劑脫硫反應的熱力學條件更好。

        (4) 同時“三脫”

        機理研究表明:用氮氧復合氣體作載氣噴吹CaO粉同時進行鐵水預處理“三脫”反應時,脫硅、脫磷主要是在噴槍附近的高氧勢區進行的瞬時接觸反應;脫硫則是還原性渣和鐵水之間的持久接觸反應。

        對鐵水預處理脫硅來說,脫磷轉爐頂吹氧加CaO粉劑脫硅的熱力學條件是最優的。

         CaO的脫磷能力受鐵水溫度的影響很大,在其它操作條件允許的情況下,應該盡量在低溫下脫磷。 “脫硫-脫硅、脫磷”順序下,專用脫磷轉爐脫磷時鐵水的溫度較同時“三脫”時低。綜合比較認為:CaO作三脫劑時,脫磷應在脫硫之后,并在專用轉爐內進行最佳。

        噴吹CaO粉劑同時進行鐵水“三脫”的脫硫能力相對最弱。

        從熱力學角度分析原因:同時“三脫”在同一個容器中既要實現氧化脫磷、脫硅,又要完成還原脫硫,兩者都要兼顧,在熱力學上存在著矛盾,工藝上也不好實現。而將脫硅、脫磷和脫硫分階段處理,分別創造氧化和還原的氣氛,顯然比同時“三脫”的熱力學條件更優化。

        由以上計算與分析可知,CaO作三脫劑時的最佳預處理順序為:脫硫-脫硅、脫磷。

        2 鎂粉作脫硫劑,CaO作脫硅、脫磷劑

        從熱力學角度看,理論上“脫硅、脫磷-脫硫”順序下鎂粉能將鐵水中的[%S]降至10-6~10-7數量級,而“脫硫-脫硅、脫磷”順序下鎂粉只能將鐵水中的[%S]降至10-5~10-6數量級。但由圖1可知,溫度對脫硫的影響較小,但對硅磷卻有著很大的影響,高溫不利于脫硅磷,1500℃時,硅、磷含量在0.01%以上,不能滿足要求,此時硫含量為20ppm,滿足要求,因此綜合考慮,鎂粉作脫硫劑,CaO作脫硅、脫磷劑最佳順序為:脫硫-脫硅、脫磷 。

        
        圖1 鎂粉為脫硫劑時溫度對“三脫”效果的影響 
        3 CaC2作脫硫劑,CaO作脫硅、磷劑

        CaC2脫硫的反應式為:CaC2+[S]=CaS(S)+ 2[C],計算結果見表1、2。

        表1 脫硫-脫硅、磷順序反應平衡時[%S]
        



     

     

     

     
     1723K 

     

     

     

     
     1673K 

     

     

     

     
     1623K 

     

     

     

     
     
    [%S] 

     

     

     

     
     2.18×10-6 

     

     

     

     
     1.02×10-6 

     

     

     

     
     4.57×10-7 

     

     

     

     
     


        表2 脫硅、磷-脫硫順序反應平衡時[%S]
        T 

     

     

     

     
     1673K 

     

     

     

     
     1623K 

     

     

     

     
     1573K 

     

     

     

     
     
    [%S] 

     

     

     

     
     1.29×10-6 

     

     

     

     
     5.89×10-7 

     

     

     

     
     2.53×10-7 

     

     

     

     
     


        表3 專用轉爐脫硅脫磷平衡時[%P]
        T 

     

     

     

     
     1673K 

     

     

     

     
     1623K 

     

     

     

     
     1573K 

     

     

     

     
     
    [%P] 

     

     

     

     
     1.35×10-4 

     

     

     

     
     4.33×10-4 

     

     

     

     
     6.16×10-5 

     

     

     

     
     


        比較表1、2可以看出,CaC2作脫硫劑時,不同預處理順序對脫硫效果影響不大,但由表13知,低溫利于脫硅、磷,因此“脫硫-脫硅、脫磷”順序能改善脫硅、脫磷反應的熱力學條件。

        4 蘇打灰作脫硫劑,CaO作脫硅、磷劑

        蘇打灰的主要成分為Na2CO3,用蘇打灰脫硫,工藝和設備簡單,主要缺點是:鐵水中加入蘇打時產生大量的氧化鈉揮發物,操作環境惡劣。此外,渣中氧化鈉侵蝕鐵水包襯,并且因渣的流動性過好,造成機械扒渣困難。Na2CO3與鐵水中[S]的作用,一般認為按下式進行:Na2CO3(l)+[S]+2[C]=Na2S(l)+3CO(g)。經過熱力學計算,不同預處理順序下的結果如表4、5所示。

        表4 脫硫-脫硅脫磷順序反應平衡時[%S]
         T 

     

     

     

     
     1773K 

     

     

     

     
     1723K 

     

     

     

     
     1673K 

     

     

     

     
     1623 K 

     

     

     

     
     
    [%S] 

     

     

     

     
     4.89×10-4 

     

     

     

     
     1.07×10-3 

     

     

     

     
     2.40×10-3 

     

     

     

     
     5.7×10-3 

     

     

     

     
     

      
        表5 脫硅、脫磷-脫硫順序反應平衡時[%S]
        T 

     

     

     

     
     1673K 

     

     

     

     
     1623K 

     

     

     

     
     1573K 

     

     

     

     
     
    [%S] 

     

     

     

     
     3.08×10-3 

     

     

     

     
     7.90×10-3 

     

     

     

     
     1.86×10-2 

     

     

     

     
     


        比較表4、5可知,“脫硫-脫硅、脫磷”順序更具優勢,分析其的有利條件包括:1)在相對較高的溫度下脫硫,Na2CO3脫硫反應是吸熱反應,高溫更有利于Na2CO3脫硫反應的熱力學要求;2)脫硫時鐵水中含有較高的[Si]、[C]、[P],這三種溶質提高了鐵水中硫的活度系數,從而提高鐵水中硫的活度,促進了Na2CO3脫硫反應的進行。

        因此,使用Na2CO3做脫硫劑時,“脫硫-脫硅、脫磷”順序下Na2CO3脫硫反應的熱力學條件更好,能明顯改善脫硅、脫磷反應的熱力學條件。

        預處理容器及方法選擇

        1 預處理脫硫

        有研究用FLUENT軟件計算出260t魚雷罐的速度分布圖,如圖2所示。

        
        圖2 噴頭在中心點時的速度圖 

        
        圖3 鐵水包KR法脫硫的流場示意圖

        由圖2知:魚雷罐內流場極不均勻,漩渦橫向發展,造成的死角多,尤其是魚雷罐兩頭、底部、以及中間部分區域的鐵水流動性較差,在很大程度上惡化了脫硫的動力學條件;由于噴吹的攪拌對上述區域的鐵水影響較小,粉劑不易到達,加之粉劑很快上浮,所以脫硫終了時這部分鐵水的含硫量仍相對較高,影響到整罐鐵水的脫硫效果。

        鐵水包KR法流場如圖3所示,KR攪拌形成了鐵水的循環流動,大大改善了脫硫的動力學條件,減少了脫硫劑的消耗。武鋼生產實踐表明:攪拌時間只需要5分鐘就可使脫硫劑得到充分的利用,脫硫速度快、效果好,鐵水原始硫含量為300ppm時,處理終點硫含量可達10個ppm以下。有文獻認為:較之噴吹法,攪拌法的出現使得脫硫過程中的動力學條件得到了根本性的改善。

        鐵水包噴吹法脫硫流場如圖4所示:

        
        圖4 鐵水包噴吹法脫硫的流場示意圖

        由圖4可知,鐵水罐底部及與噴吹口成90°夾角的區域是噴吹的死區,由于噴吹角度的限制及脫硫劑上浮的原因脫硫劑始終到不了這一區域,該區域內鐵水流動不足,動力學條件較差,使得該這部分鐵水的脫硫效果基本上等于零。脫硫完畢,死區內鐵水的硫就會漸漸擴散到整罐鐵水中,使得鐵水硫量回升。

        鐵水包噴吹法脫硫的基本原理是靠一定壓力和流量的載氣,把脫硫劑噴入到鐵水中脫硫。脫硫劑在上浮的過程中與鐵水的硫進行化學反應,同時載氣和脫硫劑的沖擊與上浮能夠帶動鐵水流動起到攪拌作用,但它們上浮造成的鐵水對流運動是很弱的(動量平衡原理),脫硫劑只有部分與硫反應,導致脫硫劑耗量比KR法大,脫硫效率較低。

        綜合比較,在三種預處理脫硫工藝中,鐵水包KR法脫硫的動力學條件是最優的。在實際生產中的數據也表明, KR法的脫硫效率更高,粉劑消耗更少。

        2 預處理脫硅

        為了提高脫硅反應速度、充分利用脫硅劑,動力學要求必須加強攪拌,以降低擴散層厚度和增加反應界面面積。魚雷罐和鐵水包的容積小,容易產生噴濺,限制了噴吹的強度。特別是魚雷罐車,其形狀是兩頭小中間大,反應空間決定了它的動力學條件較差。而轉爐的熔池大,渣層較薄、渣鐵接觸面積大于魚雷罐和鐵水包;爐容比大,幾乎不存在噴濺問題,可以允許更高的噴吹強度,若加上底吹,可進一步改善了其動力學條件,縮短了處理時間。

        3 預處理脫磷

        圖5、圖6是兩種脫磷方法的曲線圖。

        
        圖5 魚雷罐脫磷曲線 

        
        圖6 轉爐脫磷曲線

        比較兩圖可知,專用轉爐噴CaO粉脫磷只需要10分鐘就能將磷脫至50個ppm以下,而魚雷罐則需要40分鐘左右,說明轉爐脫磷的動力學條件優于魚雷罐,效率更高。

        結論

        (1)通過對不同“三脫”劑、不同處理順序的熱力學計算比較得出最佳鐵水預處理順序為:預處理脫硫-預處理脫硅、脫磷。
        (2)對不同處理容器、不同處理方法的動力學條件比較得出預處理容器應選定為:鐵水包KR脫硫,專用轉爐脫硅、脫磷。
        (3)鐵水預處理模式確定為:高爐鐵水-鐵水包KR法脫硫-專用轉爐脫硅、脫磷。




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