摘 要：介紹了單噴顆粒鎂、復合噴吹、KR 法脫硫工藝在馬鋼鐵水預處理中的應用實踐，對三種脫硫工藝在脫硫率、回硫、溫降、扒渣鐵損、耗時、成本和對轉(zhuǎn)爐冶煉影響及原材料設備要求進行比較，分析了各自優(yōu)缺點，并對降低脫硫成本和不同條件下鋼廠采用適宜的脫硫工藝提出建議。

關鍵詞：脫硫工藝，實踐比較，效果分析

        鐵水脫硫即可減輕高爐、轉(zhuǎn)爐的冶金負荷，提高其技術(shù)經(jīng)濟指標，也為開發(fā)高品質(zhì)鋼種創(chuàng)造基本條件，成為冶煉低硫潔凈鋼必不可少的技術(shù)手段。近 30 年來，鐵水脫硫技術(shù)發(fā)展迅速，現(xiàn)已有十幾種處理方法，其中應用最廣泛且最具代表性的主要是噴吹法（如單噴顆粒鎂、復合噴吹石灰加鎂粉）和 KR 法機械攪拌法。

        馬鋼為開發(fā)生產(chǎn)薄板用鋼、汽車板、家電板、硅鋼、管線鋼、冷鐓鋼等高端產(chǎn)品需求，自 2002 年分別引進了單噴顆粒鎂、復合噴吹、KR 法三種脫硫工藝作為鐵水預處理手段，現(xiàn)年處理鐵水量 780 萬噸，占總鐵水量的 57.7％，通過實踐運行，三種脫硫工藝在冶煉低硫、超低硫鋼時均發(fā)揮有效保證作用，本文就此對三種脫硫方式應用效果各自特點及影響因素作分析比較。

1 三種脫硫工藝原理及特點

        單噴顆粒鎂和復合噴吹屬于典型噴吹法，即利用惰性氣體（N 2 、Ar）作載體將脫硫粉劑（CaO、CaC 2 、Mg）由噴槍噴入鐵水中，載氣同時起到攪拌鐵水的作用，使噴吹氣體、脫硫劑和鐵水三者之間充分混合進行脫硫。單噴主要特點是單一顆粒鎂通過帶汽化室噴槍噴入鐵水中進行脫硫，國內(nèi)主要引用烏克蘭技術(shù)和北京冶金設備院自主創(chuàng)新技術(shù)兩家。復噴主要特點是將流態(tài)化石灰和鎂粉按一定比例在管道中混合，通過噴槍噴入鐵水中進行脫硫的技術(shù)，現(xiàn)國內(nèi)各大鋼廠普遍采用，主要引進達涅利公司技術(shù)（原加拿大霍高文公司技術(shù)），不論單噴、復噴，都主要利用 Mg 脫硫：

Mg(s)→Mg(l)→Mg(g)→[Mg]

[Mg]+[S]→MgS(s)

Mg(g)+[S]→MgS(s)

        KR 機械攪拌法是將澆注耐火材料并經(jīng)過烘烤的十字形攪拌頭浸入鐵水包熔池一定深度，借其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的漩渦，將經(jīng)過稱重的脫硫劑由給料器加入到鐵水里，使氧化鈣粉劑在不斷地攪拌過程中與鐵水中硫充分接觸反應，達到脫硫的目的，是由日本新日鐵公司發(fā)明采用的，特點是動力學條件優(yōu)越，主要利用 CaO 脫硫：

CaO+[S] +[C]= CaS (S) +CO

3CaO+[S] +[O]→CaS+Ca 2 SiO 4

CaO (S) +[S] →CaS (S) +[O]

3CaO (S) +2[S] +［Si］→CaS (S) +2CaO·SiO 2

2 脫硫效果與成本

        根據(jù)所煉鋼種需要，馬鋼采用“深脫”和“淺脫”兩種處理方式，深脫后鐵水終點 w（s）≤0.002% ，淺脫后鐵水終點 w（s）≤0.008% ，處理工藝為高爐出鐵→高爐魚雷罐→轉(zhuǎn)爐鐵水罐→（扒渣）→脫硫→扒渣→轉(zhuǎn)爐。不同的原始硫條件下，三種脫硫工藝技術(shù)指標和工序成本如表 1 和表 2，以目標深脫硫為例。

        現(xiàn)鎂粉價格 16000 元/t；流態(tài)化石灰 1200 元/t；石灰 750 元/t；渣中含鐵平均按 30％計算，鐵水 2400 元/t；溫降按 0.10 元/℃計算；單噴噴槍每支 2.2 萬,壽命 800 分鐘，每次 10min,每罐鐵水 120 噸,復噴噴槍每支 1.4 萬, 壽命 500 分鐘，每次 10min,每罐鐵水 120 噸,; KR 法攪拌頭及槍身每支 13 萬,4000min，每次 15min，每罐 270t 鐵水，。

3 脫硫效果分析比較

        3.1 脫硫率：首先三種脫硫工藝均可將不同含量鐵水硫脫至小于 0.002%以下，達到深脫硫目標， 脫硫率幾乎無差別，其次在目標硫一定的條件下， 脫硫率和脫硫劑消耗隨原始硫增高而增加和上升，鐵水原始硫一定，脫硫率和脫硫劑消耗隨目標硫的降低而增加和上升。反之依然，如圖 1.第三考慮到成本、時間、效率等因素，根據(jù)鋼種對硫的要求，采用淺脫、深脫兩種方式是科學合理的，特別是在轉(zhuǎn)爐冶煉低硫鋼、超低硫鋼(要求轉(zhuǎn)爐出鋼硫 w（s）≤0.008%以下)，應選用鐵水硫含量小于 0.020%以下深脫硫后供轉(zhuǎn)爐冶煉是經(jīng)濟有效的。

        3.2 回硫率：是指鐵水脫硫后終點硫含量與轉(zhuǎn)爐冶煉終點鋼水硫含量或一倒樣相比較而得出回硫指標，其影響因素十分復雜，[文獻 1]，為比較三種脫硫工藝的回硫情況，轉(zhuǎn)爐采用了脫硫后終點硫相同的鐵水加全廢鋼工藝，并使用質(zhì)量成分一樣造渣料，分別做了三組實驗對比如表 3

        可以看出: 回硫量程度單噴要大于復噴和 KR 法，復噴和 KR 法基本無差別，主要原因是單噴渣量少而薄，難以扒除干凈，少量殘余渣中含有濃度很高 MgS，雖量少但影響很大，兌入轉(zhuǎn)爐發(fā)生回硫反應（MgS）+[O]=(MgO)+[S],硫又重新回到鋼中，現(xiàn)有一種在扒渣時加粘渣劑和發(fā)泡劑，利于扒渣干凈，減少回硫程度效果很好，而復噴和 KR 法噴入大量石灰渣量較大，使渣鐵易分離， 扒渣凈率相對高，避免了扒渣不凈而造成回硫，脫硫后渣各組分質(zhì)量分數(shù)/%見表 4.同時應注意到，隨著鐵水原始硫增加或目標硫降低， 三種脫硫工藝的回硫量都是增加的，但單噴回硫程度明顯高于復噴和 KR 法。如圖 2。

3.3 溫度損失

        通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，相同條件下單噴溫降最低，復噴溫降要高于單噴 3℃～4℃，KR 法溫度損失最大，要高于單噴、復噴 12～22℃；主要原因在于復噴有 3～4 倍于 Mg 粉的流態(tài)化石灰，KR 法則完全依靠石灰脫硫，石灰量大，達到 8～20kg/t 鋼左右，要吸收大量的熱，是導致溫度損失的主要原因之一,鎂粉脫硫是放熱反應，加上鎂粉脫硫劑噴入量少，對溫降影響不大；同時 KR 法由于攪拌激烈，動力學條件好加速鐵水散熱，而噴吹法相對攪拌程度不如 KR 法激烈，導致 KR 法溫降最大。

        由鐵水脫硫平衡硫隨溫度的變化可知：從熱力學角度來講，在鐵水溫度范圍內(nèi)，溫度的變化對鐵水脫硫效率幾乎沒有影響，[文獻 2]鎂脫硫、石灰脫硫均為放熱反應，溫度高不利，但從動力學角度來講，高溫有利動力學條件的改善,在鐵水溫度低于 1300℃對脫硫率、扒渣、回硫有極大負面影響，從生產(chǎn)實踐來看，鐵水溫度在 1300℃～1400℃范圍為佳,因為溫度高增大傳質(zhì)系數(shù),改善動力學條件,對提高脫硫率、扒渣是有利的[文獻 3]圖 3。

3.4 扒渣

        扒渣就意味著鐵損，不論何種脫硫工藝中鐵水損失主要有三部分。一是噴吹過程中，由于噴吹參數(shù)不合理或反應激烈引起的鐵水噴濺，解決辦法主要是調(diào)整合理的噴吹參數(shù)和保證鐵水面離罐沿足夠凈空高度（≥500mm）；二是扒渣過程中引起鐵水波動使鐵水從罐嘴溢出，與個人操作水平有關，但也在所難免，目前采用辦法是，改進渣耙結(jié)構(gòu)，要求渣耙到罐嘴時停留一下，起到過濾鐵水的作用；三是渣中包裹的金屬鐵液，分析渣中Ｗ（Fe）可達 30%以上,說明渣中含鐵量很高，是鐵損的主要原因，渣量越大，鐵損越大，單噴由于渣量少，含鐵量也低，鐵損相對較小，KR 法由于噴吹大量 CaO 使渣量很大，含鐵量也高，鐵損相對最大（扒渣量 15～25kg/t），復噴介于兩者之間。

3.5 脫硫時間

        由兩部分組成，即噴吹時間和扒渣時間，噴吹時間與原始 S、目標 S，各工藝速率有關，馬鋼鐵水預處理工藝中單噴鎂速率在 5～7kg/min，復噴鎂速率 7～9 kg/min，KR 法石灰速率 250～270 kg/min，噴吹時間關系為：相同的條件下,單噴與復噴時間差不多,KR 法攪拌時間要長 7～12 min，扒渣時間主要渣量有關，單噴＜復噴＜KR 法，整個脫硫工序時間單噴、復噴為 23～25min，KR 法為 36～40min；值得注意的是：KR 法在攪拌脫硫前，必須扒除含高 SiO 2 的高爐渣，因為 KR 法攪拌脫硫動力學條件好，高爐渣卷入鐵水中與石灰生成很薄又致密的 2 CaO·SiO 2 膜層并降低脫硫堿度，阻脫硫反應繼續(xù)進行,因而降低了 CaO 的脫硫效率和速度，扒除與未扒除高爐渣的脫硫率在相同條件下相差 5%～10%,[文獻 4] 而噴吹法主要利用Mg 脫硫,自下而上反應,是否扒除高爐渣對脫硫效果影響不大,相應大大地縮短脫硫時間和減少了鐵損.

3.6 脫硫成本

        主要由脫硫劑消耗、扒渣鐵損、鐵水溫降、噴槍消耗四大部分組成，其他成本如氮氣、壓縮空氣、輔助材料消耗等，三種工藝使用量差不多，不再考慮。對三種脫硫工藝而言, 單噴鎂顆粒成本費用最低，比復噴和 KR 法噸鋼低 4 元左右，復合噴吹和 KR 法成本費用幾乎一樣，從表 2 可看出，脫硫劑和鐵損消耗占三種工藝總成本 80%以上，是降本的重點；如果溫降按 0.10 元/℃計算成本費用, KR 法是單噴、復噴 2 倍以上；從攪拌頭、噴槍消耗來看，KR 法的攪拌頭由于一次性處理鐵水量大的優(yōu)點，具有運行成本低的優(yōu)勢。

3.7 對設備與原材料的要求

        單噴采用一套鎂粉儲料罐和噴吹罐，設備簡單，基建投入低，但對顆粒鎂粒度、阻燃時間等要求較高；復噴用石灰、鎂粉各一套儲料罐和噴吹罐組成，設備投資稍大，對流態(tài)化石灰質(zhì)量要求高，噴槍結(jié)構(gòu)簡單；KR 法設備重量大且復雜，除了一套儲料罐和稱重倉外，還有二套儲料罐和給料器組成，所需石灰企業(yè)內(nèi)部即可生產(chǎn)要求不高并供應穩(wěn)定；投資費用KR 法將近是復噴和單噴的一倍。

3.8 對轉(zhuǎn)爐冶煉的影響

        主要是通過回硫、鐵損、溫降三方面影響轉(zhuǎn)爐煉鋼。單噴由于渣量少，不宜扒凈，高MgS 渣兌到轉(zhuǎn)爐，易產(chǎn)生回硫，特別是在鐵水原始硫高而又需要冶煉低硫鋼時命中率受到影響, 現(xiàn)使用粘渣劑來解決扒渣不凈造成回硫的問題,效果很好。KR 法鐵損、溫降最大，熱量不足時鋼水過氧化嚴重，對轉(zhuǎn)爐降低鋼鐵料消耗、提高廢鋼比極為不利，同時 KR 法攪拌器使用到 200 多爐以后，由于攪拌器磨損損壞嚴重，[文獻 5] 攪拌鐵水形成漩渦作用減弱，動力學條件變差，罐底鐵水存在死區(qū)不能充分與石灰接觸，也將直接影響最終脫硫效果。而復噴在上述三方面均有優(yōu)勢，無明顯弱點,近期發(fā)展很快。

4 結(jié)論

        4.1 馬鋼為開發(fā)高端產(chǎn)品的需要,采用了單噴、復噴、KR 法三種脫硫工藝,均能達到深脫硫效果,滿足低硫鋼的生產(chǎn)要求.各具特點：單噴在扒渣鐵損、溫降、成本方面有優(yōu)勢, KR 法則脫硫效果穩(wěn)定、采用廉價的石灰供應有優(yōu)勢, 復噴介于二者之間.

        4.2 根據(jù)所煉鋼種需要，馬鋼采用“深脫”和“淺脫”兩種處理方式，深脫后鐵水終點[S]≤0.002％，淺脫后鐵水終點[S]≤0.008％,對于冶煉超低硫鋼（成品硫≤0.008％），應選用鐵水溫度大于 1300℃及含[S]≤0.020％的鐵水脫硫，效果很好。

        4.3 建議對于大高爐，大轉(zhuǎn)爐生產(chǎn),由于鐵水溫度高，脫硫比例大易采用 KR 法，穩(wěn)定脫硫效果。對于中小高爐，鐵水溫度相對較低，易采用噴吹法,其工藝設備簡單,占地少,適合老廠改造, 投資省。

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