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1、鐵水預(yù)處理的意義
當今鋼鐵工業(yè)仍然是以高爐轉(zhuǎn)爐長流程工藝為主流，鋼產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的70%，但其工藝在不斷發(fā)展，隨著分步煉鋼的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)爐煉鋼工序已分解成鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐冶煉、爐外精練三個階段，將煉鋼的各種化學反應(yīng)由過去在一個轉(zhuǎn)爐內(nèi)進行而分解到三個階段來完成，各種化學反應(yīng)在其最佳的條件下進行，結(jié)果是提高了生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本，獲得了質(zhì)量更加純凈的鋼，滿足了各種工業(yè)對鋼質(zhì)的更高要求。
鐵水預(yù)處理除特殊要求脫硅脫磷或提取一些特殊元素如釩鈦和鈮外，一般主要是對鐵水脫硫。鐵水在進入轉(zhuǎn)爐冶煉前進行脫硫具備最佳的反應(yīng)條件，因為：
1)鐵水中含有大量Si、C、Mn等還原性好的元素，其還原性有利于脫硫反應(yīng)，(強脫硫劑Ca、Mg等燒損少);
2)鐵水中C、Si能大大提高S在鐵水中的活度系數(shù)，致使硫較易脫到低的水平;
3)鐵水中氧含量低，硫的分配系數(shù)相應(yīng)有所提高，有利于脫硫;
4)在鐵水預(yù)處理脫硫過程中，鐵水成分的變化比煉鋼或鋼水處理過程中鋼水成分的變化對最終鋼種影響要小;
5)鐵水處理溫度較低，對處理裝置的壽命有利。
此外，鐵水爐外脫硫可以減輕高爐的負荷，降低焦比，減少渣量和提高生產(chǎn)率。國外一些鋼鐵廠的經(jīng)驗證明：高爐鐵水爐外脫硫，則高爐渣堿度可以從1.25降至1.06，焦比降低36kg/t鐵，生產(chǎn)率提高13%，鐵水爐外脫硫費用僅占低堿度運行所節(jié)省費用的83%，其費用約為3.65美元/t鐵，噸鐵還能節(jié)省0.8美元。
同時對轉(zhuǎn)爐煉鋼也是有利的，使用低硫鐵水不需要大量加入石灰，不需造高堿度渣從而減少了渣量，高爐低堿度渣操作還降低了鐵水中的Si含量，也進一步降低煉鋼的堿度和渣量，節(jié)省了造渣劑用量，節(jié)省了吹氧量并獲得平穩(wěn)的吹氧操作，所有這些都最終導(dǎo)致煉鋼過程金屬收得率的提高，與傳統(tǒng)煉鋼操作相比，鋼渣堿度可以從4降到3，石灰加入量減少20kg/t鋼，渣量減少25kg/t鋼，金屬收得率提高約0.6%，噸鋼節(jié)省成本總計3.41美元。
工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對鋼質(zhì)要求越來越高，尤其對鋼中硫含量要求特別嚴格，鋼的性能在硫含量0.013%處是一個拐點，一些高性能的純凈鋼要求硫含量要降到0.01%-0.001%以下，這個脫硫任務(wù)主要靠鐵水預(yù)處理來完成。由于技術(shù)上(質(zhì)量)和經(jīng)濟上(成本)的原因，在當今傳統(tǒng)的高爐轉(zhuǎn)爐冶煉工藝中，鐵水預(yù)處理脫硫已普遍成了一個必不可少的工序。世界主要產(chǎn)鋼國家長流程中鐵水預(yù)處理比例早巳達到90%-100%，在2000年全國煉鋼連鑄生產(chǎn)技術(shù)工作會議上，對煉鋼連鑄工藝優(yōu)化提出了明確目標，鐵水預(yù)處理比例2000年要達到25%，2001年達到30%，2005年要超過50%，也就是說全國大多數(shù)長流程鋼鐵廠在最近若干年內(nèi)都要上鐵水預(yù)處理設(shè)施。那么上什么樣的鐵水預(yù)處理設(shè)施才能達到處理效果好、操作簡便、設(shè)備簡單、環(huán)保條件好而且投資又最省呢?這就需各廠結(jié)合實際認真研究。
2、鐵水預(yù)處理的最佳工藝是噴吹工藝，而脫硫劑是純鎂粒最好
鐵水預(yù)處理脫硫的方法多種多樣，但現(xiàn)在普遍采用噴吹法，因為這種工藝設(shè)備簡單、運行成本低、處理時間短、處理能力大、反應(yīng)效率高以及易于控制等，特別適應(yīng)轉(zhuǎn)爐冶煉的生產(chǎn)要求。
現(xiàn)在的問題是選擇什么脫硫劑最好?過去普遍采用鈣系脫硫劑，即CaO+CaF2十C或CaO十CaC2十CaF2。至于鎂，人們早就認識到鎂是一種很強的脫硫劑，鎂進入鐵水后立即汽化并與鐵水中的硫產(chǎn)生化學反應(yīng)，反應(yīng)區(qū)流體攪拌強烈，脫硫反應(yīng)的動力學條件比其他方法單純固液兩相反應(yīng)條件要好，從熱力學角度看，鎂和硫在鐵水中的溶度積隨溫度下降而下降，所以處理后鐵水在運送過程中還有二次脫硫作用，鎂可以防止鐵水回硫。但是由于其價格昂貴和易燃易爆的化學特性，一般不敢問津。早期曾經(jīng)將鎂制成鎂焦、鎂鋁、鎂白云石等以塊狀物加入鐵水中，近年來又開發(fā)了喂絲法，都取得了很好的脫硫效果，但在大規(guī)模鐵水預(yù)處理工藝中并未得到廣泛應(yīng)用。
20世紀70年代，原蘇聯(lián)烏克蘭亞速鋼廠采用噴吹法將純鎂粒噴入鐵水罐中脫硫獲得成功，到了20世紀80年代，技術(shù)發(fā)展對鋼的純凈度要求越來越高，人們又注意到鎂的高效脫硫功能，鎂劑噴吹脫硫開始興起。在西方，由于已建了大量噴鈣系粉劑脫硫的鐵水預(yù)處理設(shè)施，不可能拆除另建，但為了滿足對鋼質(zhì)愈來愈高的要求，一般都是在原有的噴吹系統(tǒng)上增設(shè)鎂粒噴吹罐，與原有的粉劑配合使用，按脫硫程度的不同調(diào)節(jié)鎂的加入比例和方式，或?qū)㈡V粒以一定比例混入鈣系粉劑中仍利用原有的噴吹系統(tǒng)進行噴吹，形成所謂復(fù)合鎂脫硫噴吹工藝。
鐵水預(yù)處理噴吹法現(xiàn)有三種工藝：鈣系脫硫劑工藝、復(fù)合鎂脫硫劑工藝和純鎂粒脫硫劑工藝，其中復(fù)合鎂工藝是從鈣系脫硫劑工藝中演化而來的，就其工藝方法和工藝設(shè)備而言兩者沒有區(qū)別，但由于使用的脫硫劑不同效果卻大不一樣，尤其對于鐵水深脫硫([s]≤0.005%)來說鈣系脫硫劑就顯得力不從心，即使勉強達到，也是以大消耗量、大渣量、更長的處理周期和鐵水更大的溫度損失及金屬損失為代價得來的，長的處理周期和過高的處理成本使鈣系脫硫劑在鐵水深脫硫領(lǐng)域基本被淘汰。而復(fù)合鎂脫硫劑則能滿足鐵水不同程度的脫硫要求，處理周期短，綜合成本低，因而得到廣泛采用。然而復(fù)合鎂脫硫劑工藝與純鎂粒脫硫劑工藝相比又遜一籌，純鎂粒脫硫劑工藝脫硫劑消耗最少，載氣耗量最小，產(chǎn)生的渣量和煙氣量也最小，不產(chǎn)生毒害物質(zhì)，處理周期最短，鐵水溫降最小，金屬損失亦最少，操作更簡便，脫硫深度是其他方法所不及的，不論“深脫硫([s]≤0.005%)或“淺脫硫”([s]≤0.02%)其綜合成本都是最低的。烏克蘭方面曾把純鎂脫硫工藝與美國、德國采用的復(fù)合鎂劑脫硫工藝的技術(shù)經(jīng)濟指標進行了比較，比較條件是同樣處理100t鐵水，鐵水原始含硫量為0.040%，其結(jié)果如表1。
從表1可以看出，純鎂噴吹比復(fù)合鎂噴吹其鎂的利用率要高10%-15%，而噴吹成本降低了1.01-1.57美元/t鐵水。武鋼一煉鋼廠平改轉(zhuǎn)投產(chǎn)初期鐵水預(yù)處理采用的是復(fù)合鎂噴吹工藝(原工藝)，后來又改為純鎂噴吹工藝(新工藝)，他們對這兩種工藝的對比曾發(fā)表在“2002年全國煉鋼連鑄生產(chǎn)技術(shù)會議文集“中(P.64-P，67)，比較結(jié)果如表2。[next]
通過考核工藝處理62罐鐵水與原工藝相比，新工藝脫硫劑單耗降低，處理工序時間縮短，N2消耗減少，有效降低了鐵水脫硫生產(chǎn)成本。
對復(fù)合鎂工藝和純鎂工藝的化學反應(yīng)機理仍在研究中，現(xiàn)在對這兩種工藝還存在不同的認識，但從國內(nèi)外的生產(chǎn)實踐中仍能看出純鎂噴吹工藝越來越引起重視，國內(nèi)一些鋼鐵廠前幾年引進的一批復(fù)合鎂脫硫噴吹裝備近年來紛紛改造成純鎂噴吹就值得我們思考;
此外在純鎂噴吹的諸多優(yōu)勢中尤其突出的是該工藝設(shè)備簡單，裝備重量輕，工程量不大，工程投資在相同條件下比其他噴吹法低約40%，所用鎂?？芍苯訌膶I(yè)生產(chǎn)廠購得而省去了粉劑加工系統(tǒng)，所以近來在鐵水預(yù)處理新建或改造工程中都特別受到青睞。根據(jù)有關(guān)報道，目前國內(nèi)已有七、八家鋼鐵廠上了鐵水純鎂噴吹脫硫設(shè)備，處理能力已超過1000萬t/a，還有一些廠家(包括已上了復(fù)合鎂噴吹設(shè)備的廠家)正在醞釀上鐵水純鎂噴吹脫硫設(shè)備。
3，純鎂粒噴吹脫硫技術(shù)及其展望
純鎂粒噴吹技術(shù)的核心是要在要求的時間內(nèi)向鐵水噴入規(guī)定的鎂量，達到要求的脫硫值而不產(chǎn)生噴濺。這就要求控制好供氣強度，所謂供氣強度就是向1噸鐵水1分鐘噴人的氣體量(Nm3/t·min)，一般鐵水預(yù)處理的供氣強度為0.03 Nm3/ t·min，但在噴吹鎂粒時要把鎂汽化產(chǎn)生的氣體量計算在內(nèi)。
為了保證噴吹過程的穩(wěn)定性和噴口的暢通，宜采用高壓噴吹，即噴嘴出口壓力要高于噴嘴出口處的臨界壓力，在以氮氣為載體的鐵水預(yù)處理條件下，噴吹鎂粒的臨界壓力約為噴口外部壓力(鐵水靜壓力+大氣壓力)的1.7倍。低于臨界壓力噴吹時，鐵水的波動使噴口處的壓差△P處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可以攪亂整個供氣系統(tǒng)不能穩(wěn)定，即出現(xiàn)脈沖現(xiàn)象，甚至造成噴口或系統(tǒng)堵塞。高于臨界壓力的噴吹，流股不受外界△p的干擾，因而能實現(xiàn)無脈沖的穩(wěn)定噴吹。
理論計算氣泡在鐵水中的上浮速度隨氣泡直徑增大而加快，以噴槍插入深度2.65m為例，若氣泡直徑為0.2-5cm范圍，其上浮時間在5-23s之間，即使有汽化室也只能延緩0.5s時間，生產(chǎn)實踐中鎂的有效利用率僅為50%—60%，可見鐵水深度的影響至關(guān)重要，為了提高鎂的利用率，噴槍插入鐵水的深度應(yīng)在2m以上，即鐵水罐容量不應(yīng)小于65t。
鎂作為脫硫劑的最佳反應(yīng)溫度范圍在1200℃-1400℃之間，隨著溫度升高其脫硫效率隨之下降。鐵水純鎂噴吹脫硫操作的最佳流程位置應(yīng)在轉(zhuǎn)爐兌鐵水罐中，鐵水來自混鐵車或混鐵爐，兌鐵水前先向罐底加入一定量的碎石灰和碎焦碳，鐵水裝入后在表面形成覆蓋層，作為反應(yīng)產(chǎn)物Mes的吸附劑，噴吹結(jié)束，扒除覆蓋渣，鐵水便可兌入轉(zhuǎn)爐。選擇這一流程位置的最大優(yōu)點是可以根據(jù)轉(zhuǎn)爐冶煉鋼種確定鐵水的脫硫值，借助噴吹設(shè)備的專家系統(tǒng)給出噴鎂量，便可精確獲得質(zhì)量符合要求的鐵水直接供給轉(zhuǎn)爐。
在設(shè)備安裝就緒后，通過熱試過程調(diào)準各種參數(shù)，正常生產(chǎn)時參數(shù)不用再調(diào)，只要給出一罐鐵水的重量、成分、溫度和處理后的硫含量，便可自動完成噴吹過程，鐵水脫硫程度不同，所噴鎂量不同，最終只反應(yīng)在噴吹時間的長短上，所以噴吹操作的控制非常簡單。
我國要從鋼鐵大國過渡到鋼鐵強國，必須加快鋼鐵工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，推進品種、工藝、裝備的快速優(yōu)化，以滿足二十一世紀對鋼質(zhì)的更高要求，擔負主要脫硫任務(wù)的鐵水預(yù)處理是其重要一環(huán)，而鎂作為高效脫硫材料必將成為脫硫劑的主流。國外用于鋼鐵脫硫的鎂每年有5萬多噸，占鎂消費總量的14%以上，近幾年以5.1%的速度增長，在所有鎂的消費領(lǐng)域中增長速度僅次于鑄件。我國鎂資源非常豐富，多年來鎂出口量居世界第一位，所以我國鋼鐵工業(yè)采用鎂作為脫硫劑的前景是很廣闊的，由于純鎂噴吹技術(shù)的諸多優(yōu)點，在鐵水預(yù)處理領(lǐng)域必將成為首選。國內(nèi)采用純鎂噴吹工藝的廠家現(xiàn)在大都是購買烏克蘭的專有技術(shù)，也有個別廠家是自主開發(fā)的，其基本原理都是源于噴射冶金技術(shù)，只不過在設(shè)備配置上各有各的專利，隨著對純鎂噴吹技術(shù)的安全性不再心存疑慮而使該技術(shù)不斷得到推廣，相信今后還會涌現(xiàn)出更多各具特色的純鎂噴吹設(shè)備和技術(shù)。
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