铁水喷粉脱硫发表评论(0)编辑词条

　　铁水喷粉脱硫       (desulphurization of hotmetal by injection)

　　以惰性气体或压缩空气为载气向铁水中喷射脱硫粉剂，以降低铁水含硫量的铁水预脱硫方法。粉剂与载气形成的流态化流股高速射入熔体，混合、搅拌条件充分，为铁水与粉剂间的物理化学反应提供了良好的动力学条件，故脱硫迅速有效。这种工艺设备简单、投资少、操作灵活、处理铁水量大且维修方便，故在各国得到了广泛应用。

　　本法的工业性试验始于1940年，但实用则是20世纪60年代以后发展起来的。

　　原理       喷粉脱硫反应是在铁水--熔渣界面进行的。脱硫粉剂借助插入式喷枪高速喷入铁水中后，由于流股的强烈搅拌作用，铁水与粉剂迅速反应，生成的富硫熔渣因密度小而上浮，经过一段时间即可用专门的除渣装置将其排除。射流与铁水的相互作用如图1所示。根据射流在金属熔池内的流体力学、物理化学和传热传质等方面的特点不同，可在反应器内大致形成如下几个区域：(1)气粉射流区：它是由动能较大的气粉流从喷嘴喷出时排开金属液而形成的，但在其中也会卷入一些金属液滴和渣滴。(2)粉粒侵入区：它在气粉射流区的下部，是由动能较大的粉粒侵入金属液而形成的。(3)气体液体卷流区：气泡上浮时带动金属液体运动，在这里发生强烈的传质过程和搅拌作用。(4)气泡逸出区：它是由上浮的气泡排开熔池表面的渣层而造成的。(5)渣层：熔池表面有渣覆盖的部分。(6)金属液水平流区：气--液流上升到顶面以后，气体逸出后液体形成表面流呈放射状向四周散开，在这里发生熔渣一金属界面的传质过程。(7)循环区：水平流在熔池壁面附近向下流动，在熔池下部又向中心流动，再次被气液流抽引而发生循环运动。喷射后形成的大量气泡，产生“气泡泵”作用，铁水被不断抽引、提升，而粉剂则在此过程中与铁水相互接触并完成脱硫反应，然后成渣上浮，使铁水得以净化。

　　工艺方法       最常见的喷粉脱硫方法是瑞典斯堪的纳维亚喷枪公司于1972年研制的SL法。此外，1969年德国奥古斯特蒂森冶金公司(August Thyssen-Hutte AG)开发的ATH法和新日本钢铁公司1971年开发的混铁车顶喷粉脱硫法，即TDS法也是有代表性的喷粉脱硫方式。喷粉脱硫法除用于混铁车外也常用于敞口铁水罐的脱硫处理。

铁水喷粉脱硫

　　SL法        主体装置是喷粉罐，(图2)粉剂从贮料仓引入喷粉罐。氮气(也可用其他惰性气体或压缩空气)通过三条管路送气：一是从喷粉罐顶部送入，目的在于维持足够顶压迫使粉料下移排出(小型罐亦有将此系统取消的)；一是作为松动气(流化气)由装设在罐下部的流化器引入(流化器由微孔塑料或多孔金属板制成)，目的在于维持粉剂呈局部流态化状态，以保证粉剂稳顺地从喉口流出：一是助吹(引射)气，旨在消除输送脉冲，同时也可增加喷射气流的搅拌能，以强化脱硫反应。粉剂的喷出量一般通过电子秤及时显示。喷枪可采用中空钢管，外套耐火材料袖砖或采用整体喷枪，整个系统多处设有压力、流量的控制装置及显示仪表。此法的优点是设备简单、投资少、操作方便、使用灵活，故问世后很快在各国推广开来，成为应用最多的喷粉脱硫方式。

铁水喷粉脱硫

　　ATH法        在265t混铁车内斜插一根内径为2．5cm的喷枪，(图3)枪表面涂上耐火材料，每分钟吹入108kg碳化钙系复合脱硫剂，处理时间约8min。输送气体压力为0．6MPa。喷枪倾斜角为60。 ，粉剂浓度约为40～60kg／m3    。

铁水喷粉脱硫

　　TDS法       在250t或300t混铁车内垂直插入一支内径为2．5cm的双孔喷枪，(图4)插入深度为1．0～1．5m，喷枪外面裹有耐火材料。处理时间为10min，供粉速度为40～70kg／min。用N2 输送，气体流量5～10m3  ／min，粉剂浓度约为8～10kg／m3  。

铁水喷粉脱硫

　　工艺操作与条件         喷粉脱硫的操作程序是先送气、粉，再将喷枪插入铁水并达到指定深度，到规定时间(料将送完)时提枪，枪离液面后即刻停止送气(但停气不可超前，否则会灌枪)。然后静止数分钟，使反应充分进行并使脱硫产物成渣上浮，最后除渣。常用的脱硫剂有石灰、碳化钙、苏打粉、金属镁4类(见铁水脱硫剂)。这几种粉剂的脱硫能力均很强，处理一般炼钢铁水，在反应平衡时铁水含硫均可满足任何低硫钢种的炼钢要求。但实际上处理过程受各种动力学条件制约，使脱硫效果受到很大影响。由于脱硫属二相反应，因此在工艺操作中加强搅拌，改善铁水中硫扩散条件，扩大反应界面，设法延长脱硫剂与铁水接触路径与时间以及使脱硫剂与喷吹气体分离等措施，都有助于提高脱硫效率。

　　脱硫剂种类及性状       对碳化钙来说，多数学者认为其脱硫反应的限制性环节是铁水中硫通过铁水侧的边界层向CaC2 颗粒表面扩散，即液相扩散。因此，加强搅拌和细化颗粒(但也不可过细，一般在0．1mm左右为宜)可改善脱硫效果。加入反应促进剂也是提高CaC2脱硫率的有效手段。常用的促进剂是石灰石粉。在高温下石灰石按CaCO3→CaO+CO2↑，CO2 +C=2CO↑反应生成气泡，不仅加强了铁水搅拌，促进铁水中硫向脱硫剂微粒扩散，同时使载气的气泡分裂、释放出被封闭在气泡中的脱硫剂，又能防止脱硫剂凝聚，进一步增大反应界面，由此可使CaCO3 利用率提高约1倍。此外，CaCO3 分解形成的细小、多孔的活性CaO也有很强的脱硫能力。

　　CaO(石灰的主成分)有较强脱硫作用，但在铁水含硅条件下，易形成高熔点2CaO•SiO2 致密薄壳限制其内部CaO继续脱硫，致使CaO利用率只达5％～12％。在石灰中添加萤石(主成分CaF2 )可降低CaO熔点，且阻止2CaO•SiO2 的形成，故对改善脱硫有利。但CaF2 本身的脱硫作用很小，过多引入势必使有效CaO量减少，因此其量应随石灰含SiO2 多少而增减。此外，含CaF2 渣对罐衬有侵蚀作用，且含caF2 渣黏度低，不易扒净，故添加量一般不宜超过15％；碳粉能使反应界面保持还原性气氛，有利于脱硫反应的进行．加少量金属铝，在石灰颗粒表面会形成低熔点的CaO--Al2O3--FeO系熔渣层，S 2- 容易通过此层进一步与内部活度大的CaO反应，故有利于提高石灰利用率；石灰粉中配加一定量石灰石粉，也会大大改善脱硫效果，故多用CaO～Al，CaO--CaF2--C系或CaO--CaCO3--CaF2 --C系复合粉剂。由于配加石灰石时其热分解放出气体可能引起喷溅且使铁水降温，在确定其配比时应予考虑。石灰粒度亦有适宜范围。粉细则表面积大，有助于加速脱硫反应；但过细则易吸潮影响喷吹性能，同时超细微粒易被裹在气泡中带走，反而不利脱硫。图5示出了日本川崎钢铁公司300t混铁车试验结果。脱硫剂配比为石灰：石灰石：碳粉：萤石=60：25：12：3。采用3种粒度：-28目，-60目，-200目。由图可见，粒度适当(-60目)时脱硫率最高。

铁水喷粉脱硫

　　为提高石灰粉的流动性和防止细粉凝聚，川崎钢铁公司对石灰进行表面喷涂硅油处理，收到了良好效果；有的厂家对石灰进行表面钝化处理(使之形成活性小的CaCO3 薄层)以提高其抗潮性，对喷吹操作有一定好处。但这类处理将提高粉剂成本，故有条件现用现烧时则无此必要。

　　喷枪结构及插入深度         喷枪不仅要有一定寿命，而且喷头形状要能保证脱硫剂与铁水接触良好，并使载气能与脱硫剂很好的分离。此外，还应结构简单、便于更换维修。

　　喷枪按喷头形状可分为单孔、多孔、倒T形和倒Y形等喷枪。一般小容量圆桶形铁水罐可采用单孔喷枪(图6)。它是由空心钢棒和外套袖砖组成。在钢棒与袖砖之间留有绝热间隙，以减少对钢棒的传热。在喷枪的头部装一镶嵌块以承受袖砖的重量，使枪头砖不产生应力，以防止掉落。为了便于更换喷嘴可以在枪头砖内加一钢喷嘴或铜喷嘴。

　　对于80t以上的较大型铁水罐，为更好地组织流股也可采用直管多孔喷头(常用三孔，夹角120。 )；对于大型鱼雷式混铁车来说，由于其形状细长，为克服搅拌不均和消除死角，一般采用水平多孔喷头；对600t 级大型混铁车则一般采用平行的双枪直管双孔喷头。试验表明(图7)，随喷孔数目增加和铁水流速加快，脱硫剂单耗减少，但喷孔数目过多时易发生喷孔堵塞事故。

　　喷枪管径既应保证不发生粉剂堵塞，又要有足够喷粉速度。管径过大则气流速度变小，使输粉效果不佳；过小则易造成堵塞。适宜值应保证出口气流速度达到音速。中国常用的喷枪内径为16～70mm(出口处6～42mm)。

铁水喷粉脱硫

铁水喷粉脱硫

　　喷枪插入铁水的深度对脱硫效果也有很大影响。为使脱硫剂向更大范围扩散并延长其上浮时间，插入深些有利，但过深易引起喷溅且不安全，并会降低喷枪寿命。插入液面下深度一般以60％～85％为宜。

　　载气种类及压力       常用氮气作载气。有制氧能力的工厂可用制氧副产物N2 或用氩气和氦气为气源，但后两者成本高；亦可采用经过脱湿的压缩空气。实验室实验及工业性应用的结果表明，在送粉浓度较高的条件下，空气作为载气带入O2 有限，且氧迅速与铁水中Si及C或外加碳反应，其放出的热量将部分补偿脱硫过程铁水的温降，对脱硫有利。故以空气为载气时脱硫效果不一定比用N2 时差。

　　载气作为粉剂的输送气体，其总压力必须大于喷枪最大插入深度的铁水压力、粉剂一气泡分离压力以及系统管道压力损失三者之和，否则会引起铁水灌枪。为确保安全，应设置压力下限报警或下限自动连锁提枪装置。

　　固气比         固气比为单位时间内送粉量与载气量之比。载气流量应满足固气比的设定要求，并能保证形成流态化段。固气比小时，气流对铁水的搅拌作用强，但过小易引起喷溅；固气比增大可减少气耗，但此时由于粉一气混合不佳，喷粉过程易出现脉动，使粉剂利用率变差甚至堵枪，故固气比也存在一个最佳值。输送石灰粉剂时，此值一般为10～25(kg／kg)。

　　喷粉速度       喷入速度过小，会使处理时间拖长。在一定粉剂单耗范围内，随吹入速度提高，脱硫率增大。这主要是由于搅拌作用增强了。喷入速度过大时，粉剂与铁水难以及时反应，会使脱硫率降低，故对应一个生产条件，喷粉速度有一最佳值，此值主要取决于设备的最佳固气比。

　　铁水温度       脱硫为吸热反应，温度高对反应有利。但就石灰系脱硫而言，因属于固液二相反应，反应处于不同速度范围时温度的影响程度不同。德国厄特斯(F．Oeters)等认为，石灰粒在低硫铁水([S]<0．04％，1300℃)中停留时，形成的反应层较薄，此时硫通过液侧边界层向石灰颗粒表面扩散，即“液相扩散”，是整个反应的限制性环节；在高硫铁水([S]>0．08％，1300℃)时，石灰粒在铁水中停留会形成较厚的反应层，此时硫通过生长着的CaS层和致密的2CaO•SiO2 层向粒内部扩散，即“固相扩散”，是限制性环节；在[S]=0．04％～0．08％的过渡性区域，其脱硫速度的限制性环节是两个因素的迭加。研究指出，在液相扩散为限速环节时，脱硫活化能为48．6kJ／mol，1400℃下的脱硫速度为1300℃时的1．25倍；而反应处于固相扩散范围时，活化能约为335kJ／mol，1400℃下的脱硫速度为1300℃时的2．14倍。由此可见，不管处在哪一速度范围，提高温度都是有益的。但高硫时升温效果更为明显；低硫时加强搅拌更有意义。

　　对于石灰系脱硫，温度的影响明显，故应尽量保持铁水的较高温度；对于碳化钙脱硫，温度的影响虽仍属正效应，但效果不甚明显，而采用苏打脱硫时，为减少挥发损失，处理温度就不宜过高。

　　喷枪工作状态       按工作状态，喷枪可分为悬臂式与固定式两种。前者喷枪头部距铁水包底约0．3～0．4m，在喷粉时振动厉害，易使气粉流股不稳定，并使耐火材料发生裂纹。为避免此缺点可采用固定式喷枪。这种喷枪的枪头一直插到铁水包底部，喷孔则开在喷枪的侧面距包底约0．2～0．3m处。当铁水包容量大于50t 时，最好采用固定式喷枪。

　　喷枪用耐火材料      喷粉脱硫作业环境恶劣，故喷枪所用耐火材料需具备良好的耐激冷激热性、良好的耐熔渣化学侵蚀和铁水冲刷性能，还具有较高的高温机械性能，以便能经受强烈的振动而不发生裂纹和断裂。对耐火材料的物理性能测定结果表明，石墨同时具有上述几方面优良性能，但其缺点是高温下易氧化；氧化物类(Al2O3 ,MgO，稳定ZrO2 等)虽有较好的耐蚀和抗氧化性，但抗热震性能不太好，因此选用某种氧化物材质并在其中加入适量的石墨，可形成兼备耐蚀性能和抗热震性能的优质材料。较合适的喷枪用耐火材料通常是Al2O3--C系材料。

　　在Al2O3 --C系耐火材料中加入硅粉和碳粉，在高温(约1300℃)下能形成SiC，使Al2O3和石墨很好地结合起来，可提高制品强度。此外，高温时制品表面会形成能阻止材料继续氧化的SiO2 保护层，可提高材料的抗氧化性能。

　　20世纪80年代以来，广泛采用以高强度Al2O3--C系耐火材料浇铸成型的整体喷枪。Al2O3--C系耐火材料的结合剂可用热塑性特种树脂、沥青、纯铝酸钙水泥等。为了防止喷枪发生裂纹，可在钢管外包金属网并焊上许多金属柱栓。为增加喷枪强度还可加入钢纤维。

　　采用修补法可以延长喷枪寿命，喷枪修补料可用磷酸盐为结合剂。

　　应用价值与发展前景        20世纪80年代以来，铁水脱硫技术在各国迅速发展。中国除宝山钢铁(集团)公司引进混铁车顶喷粉法脱硫法外，攀枝花钢铁公司、宣化钢铁公司、天津第二炼钢厂等企业也先后建起铁水包喷粉设备，容量大小不等但都取得了较好的经济效益，同时也为炼钢环节提高钢质、扩大品种等创造了条件。炼铁生产中，铁水含硫升高和波动大是经常会遇到的问题。有些厂家原料碱金属含量高，为避免高炉内碱金属循环形成结瘤，不敢采用较高炉渣碱度操作，由此也使铁水含硫升高，采用喷粉脱硫，则可使高炉摆脱碱金属的困扰。

　　就资源条件而论，在中国发展碳化钙系及镁系脱硫剂的难度较大；苏打是重要的化工原料，且用于脱硫时污染问题难得解决，不宜大量单纯用于铁水脱硫，所以石灰系复合粉剂的开发和应用更具有广阔的前景。