国内外铁水脱硫预处理技术发展概况.doc

国内外铁水脱硫预处理技术发展概况 吴义生,高广才,宫玉秀,金庆珍 山东省冶金工业总公司,山东 济南 250014 摘 要本文较详细地介绍了铁水脱硫预处理熔剂的研究与应用效果和主要铁水预处理工艺,并阐述了铁水脱硫预处理的目的、作用和经济性。 关键词铁水预处理;脱硫;熔剂 中图分类号TF535.2 文献标识码B 文章编号1004-4620200002-0008-04 Development Condition of Desulphurization Pretreatment Technique of Hot Metal in the World WU Yi sheng,GAO Guang cai,GONG Yu xiu,JIN Qing zhen Shandong Metallurgical Industrial General Corporation,Jinan 250014,China AbstractThis paper introduces the study and application effect of pretreating flux for desulphurization of hot metal,main pretreating processes of hot metal and also discusses the aim,action and economicness for desulphurization pretreatment of hot metal. Keywordshot metal pretreatment;desulphurization;flux 1 前言 20世纪50～60年代世界上有的钢厂由于铁水含硫高大于0.08,而对铁水脱硫进行了研究和应用。70年代由于二次世界石油危机使生产成本大幅提高,世界钢产量1978年突破7亿t后到1982年下降到6.46亿t,这时,汽车工业为减重节能对钢材性能提出了更高要求。因此,70～80年代以降低成本、提高质量和开发品种为主的新工艺、新技术得到广泛研究和迅速应用,连铸和炉外精炼技术发展很快。在西欧60年代后期〔1〕、日本70年代初期对铁水预处理研究工作的基础上,于70年代后期用于生产,80年代在发达国家获得广泛应用,并成为钢铁生产中必不可少的工序〔2〕、完善钢铁生产工艺最有效的技术之一〔3〕、生产低硫磷〔Ｓ〕、〔Ｐ〕不大于0015和超低硫磷钢〔Ｓ〕、〔Ｐ〕不大于0.005的必要手段,是实现经济炼钢的必要前提〔4〕。 我国武钢、太钢、宝钢、攀钢和宣钢〔3〕等非常重视铁水预处理技术,70年代后期就引进了这一技术并进行了研究,80年代陆续投入生产。以后又有十几个钢铁企业做了大量工作,但由于长期以来突出产量,忽视质量品种,直到1998年我国铁水预处理比才达22左右。我们由钢铁大国向钢铁强国的转变过程中,铁水预处理技术必然会获得应有的地位,取得重大发展。 2 铁水脱硫预处理用熔剂的研究和应用现状 脱硫剂主要有石灰CaO基脱硫剂、苏打Na2CO3脱硫剂、电石CaC2基脱硫剂和镁基Mg脱硫剂。从其脱硫热力学研究得出,在1350℃时的脱硫反应平衡常数从大到小依次为CaC2→Na2O→Mg→CaO。 2.1 CaC2基脱硫剂的特点和应用 CaC2脱硫能力很强,但极易吸收水份而生成乙炔C2H2,容易爆炸。其运输储存需保护性气氛,使用中必须采取安全措施。动力学研究表明,CaC2脱硫反应速度的限制性环节是CaC2颗粒和铁水界面的铁水一侧界面层硫的扩散速度,因而要加入促进剂。常用促进剂有CaCO3和MgCO3,促进剂在铁水中分解，生成大量CO2气泡,一方面搅动铁水,加快硫的扩散,一方面CO２气泡冲破载气N2气泡,释放出携带的大量CaC2粉末,从而提高了CaC2的利用率。试验表明,加入CaCO3可提高CaC2利用率1倍。 但加入CaCO3后,生成的CO2具有氧化性,对脱硫不利,为此加入碳,使CO2还原成CO。实验表明,加入10碳,可提高CaC2的利用率6.7,使脱硫命中率达95左右。法国敦克尔刻索拉克钢铁公司采用该类脱硫剂,用量3kg/t,终〔Ｓ〕小于0.010,脱硫率ηs大于75。采用CaC2 60CaO 20C 5脱硫剂,用量2.55kg/t,终〔Ｓ〕达0.0069,脱硫率大于80,处理时间15～40min。我国攀钢采用CaC2 50～55CaO 30～45CaF2 4～10焦炭 1～5,原始硫0.078左右,脱硫率大于70,也属该类。 CaC2干煤粉Mg 脱硫剂是CaC2基脱硫剂的另一种复合形式。德国发明的钙镁混合脱硫法其脱硫剂组成为CaC266～86干煤粉挥发份不小于15细镁粉10～30，可以获得很好的脱硫效果。Ca2C、Mg作为复合脱硫剂的基本组成,应用最为广泛。CaC2和Mg粉可单独顺序使用,也可混合使用。美国LTV公司在〔Ｓ〕不小于0.045和〔Ｓ〕不大于0.007时采用CaC2,在其间采用Mg粉。 2.2 镁基脱硫剂的特点与应用 镁具有较强的脱硫能力,但镁的熔点和沸点较低651℃和1107℃,加入铁水中生成镁气泡对铁水起到搅拌作用,脱硫速度很快,另外镁在铁水中有一定溶解度可防止回硫，但镁蒸汽压大1350℃时063MPa,加入铁水中时会发生爆炸式反应造成喷溅，同时还价格高、成本高。因而,一般应加入一定的添加物,常用添加物有Al2O3、CaO、CaF2等,将Mg制成Mg 10～90 含Mg 10～90的混合物,以克服上述不利因素,又充分发挥其脱硫速度快、效果好的优势,同时提高镁的利用率。 镁铝脱硫剂,加入20Al,可使Mg的蒸发降至23/min,增加铝含量可进一步降低Mg的蒸发速度,其 达到最大蒸发速度的温度也会显著提高〔7〕,从而提高安全性。如北美地区镁基脱硫剂基本上采用MgCaC2或CaO,其中Mg为Mg 10～90 。喷入方法有联合顺序喷入和混合喷入。联合顺序喷入一般有二支喷枪,最多三支喷枪,每支喷枪喷入一种脱硫剂。如一支喷CaC2CaO作为载剂,一支喷Mg,载剂镁为3∶1或4∶1。脱硫剂用量0.686kg/t、喷吹时间3.4min,原始〔Ｓ〕为0.030时,可将硫脱至0.015。脱硫剂用量1267kg/t,喷吹时间6.3min,可将硫脱至0.005。德国Alexander Rhombeng等指出,欧洲和北美目前主要采用CaC2或CaOMg脱硫剂〔1〕。在CaC2用量2.0kg/t和Mg用量0.1kg/t,CaO用量1.5kg/t和Mg用量0.4kg/t时,喷吹时间大约需10min,铁水温降10℃左右,铁损9kg/t左右,脱硫效果很好。 镁基脱硫剂的另一复合形式是Mg焙烧白云石。俄罗斯伊利奇乌里乌波尔钢铁公司用该脱硫粉剂制成镁芯丝加入铁水,在镁单耗0.61～0.75kg/t时,脱硫率稳定在60～68,终点硫达0.01的占90,其中达0.003的占20〔8〕。土耳其伊兹密尔钢铁厂用的脱硫剂组成为Mg 48～52 MgO 1Al30～40 SiO25～10，脱硫剂粒度0.2～1.0mm,脱硫剂用量0.427kg/t,喷吹时间6～8min。 镁粒包衣用天然气做载气脱硫。包衣材料通常是Na、K等氯化盐。乌克兰亚速钢厂使用效果很好,镁利用率提高了25,终点〔Ｓ〕不大于0.01时,镁消耗平均降低15,向渣中加入白云石、石灰、铁鳞等时,可进一步提高Mg的利用率,加入石灰筛下物2～3kg/t时镁的利用率可再提高15。 2.3 CaO基脱硫剂的特点与应用 在1350℃时,CaO脱硫反应的平衡常数为6.489,平衡时铁水中硫含量为0.0037,脱硫能力比CaC2、Na2CO3和Mg弱。但由于资源丰富、价格便宜、安全、无污染和对耐材侵蚀较轻仍受到一定的关注。除在CaC2和Mg基脱硫剂中常有一定的加入量外,也可单独使用。 CaO熔点较高1870℃,在铁水温度下为固态,影响脱硫速度,所以常需加入CaF2。CaF2加入量以10为佳,继续增加其脱硫速度和脱硫率变化不大CaF2本身无脱硫能力,加入CaF2后使脱硫剂降低熔点变为液态,另F-对CaO表面致密脱硫层有破坏作用,促进了脱硫。加铝提高脱硫效率原因类似,加铝后使CaO颗粒表面形成的2CaOSiO2致密层含S大于0.08时变为3CaOAl2O3或12CaO7Al2O3,其熔点较低分别为1535℃和1415℃,使铁水中S扩散至CaO比较容易,从而促进了脱硫速度。日本做过实验,加Al后脱硫率提高30。韦尔顿钢铁公司在喷吹石灰镁脱硫剂前,喷吹铝混合剂铝石灰萤石等,脱硫效果明显。美国钢铁公司加里厂在喷吹石灰镁脱硫剂前,加入23kg/t铝条可以减少所需镁量。这均表明用石灰脱硫时,加入铝可促进脱硫,其另一原因是铝是强脱氧剂,加Al后硫的活度提高。 CaO脱硫率低、脱硫速度慢,发达国家单独使用逐渐减少。我国对CaO基脱硫剂研究较多,一方面侧重于添加剂,一方面侧重于石灰活性。东北大学与鞍钢第三炼钢厂对活性度的研究表明,活性石灰的脱硫率不小于90,而普通石灰脱硫率小于70。活性石灰用量增加脱硫率增加,用量从6kg/t增至10.5kg/t,脱硫率从80增至93～96。东北大学与宝钢对粗晶粒石灰石加食盐煅烧制得的石灰对脱硫的影响进行了实验,比不加食盐煅烧的石灰活性度高,脱硫率平均提高23.92〔９〕。经研究认为活性石灰中CaOn结构数量增加,加食盐煅烧后石灰颗粒较大的缺陷多,比表面积大。钢铁研究总院对添加物进行了研究〔10〕,除CaF2外对添加CaCl2、CaCO3、天然碱进行了对比,在脱硫剂用量1的情况下,吹炼8min,加天然碱的脱硫率最高73,加CaCl2的为63,加CaCO3的为44。用量为1.5时,加天然碱的脱硫率为87。天然碱的主要成份为Na2CO3 82、Na2SO4 5、SiO2 3.2。由于Na2CO3脱硫能力高于CaO、CaCl2和CaCO3,所以加入天然碱后脱硫率较高。 Na2CO3有很强的脱硫能力,1350℃时脱硫反应平衡常数与CaC2相当。由于在1250℃以上易挥发形成白色浓雾,脱硫产物Na2S会被空气氧化成SO2和Na2O,Na2O被还原生成Na蒸汽在空气中燃烧又形成大量烟雾,造成污染、堵塞管道,加剧侵蚀。Na2CO3分解吸热量大,生成的Na2O进入渣中使渣变稀,不易扒渣,所以Na2CO3已不单独作为脱硫剂使用。目前基本以CaC2、Mg和CaO基脱硫剂为主,发展的趋势是MgCaC2或CaO复合脱硫剂,无Mg、CaC2和CaO基趋于减少。 3 铁水脱硫工艺的进展 3.1 脱硫动力学条件的改善 铁水脱硫最初用铺撒法,以后开发了机械搅拌法。该法种类较多,其中搅拌器法效果最好。武钢最早引进的是KR法搅拌器是外敷耐火材料的十字型叶轮。以后又开发了吹气搅拌法,其中主要是顶吹法。当前主要采用喷射法ATH、TDS、IRSID、ISID,近几年又开发了喂丝法。其思路之一是改善其动力学条件,缩短扩散路径,改善限制性环节。 喷射法是利用惰性气体为载体将脱硫粉剂喷入铁水中,使细小的脱硫剂尽可能均匀的分散在铁水中,载气形成气泡搅动铁水,从而大大提高脱硫速度、脱硫率和脱硫剂利用率。 喂丝法是将炉外精炼的喂丝法移植到铁水脱硫中来的,主要用于镁基脱硫剂,一方面可避免爆炸式的脱硫反应造成的喷溅,一方面可提高镁的利用率。 3.2 脱硫粉剂的应用 为了加快脱硫速度、缩短脱硫时间、提高脱硫率和脱硫剂利用率,脱硫剂基本上全部用粉剂0.1～1.2mm,并且用插入式喷枪和较深铁水容器铁水包,将脱硫剂喷入铁水深处,使脱硫剂与铁水较充分地混合,脱硫剂在铁水中有较长的滞留时间。喂丝法也是使用镁基脱硫粉剂,喂丝机将芯线插入铁水中,随包裹材料熔化将镁粉加入铁水中。 3.3 脱硫设备更加合理 80年代初以前,脱硫基本上是在鱼雷罐中进行的,鱼雷罐狭长熔池浅,喷入脱硫粉剂不易与铁水均匀混合,容易造成死角、粉剂在铁水中滞留时间短,造成脱硫不稳定,脱硫率和脱硫剂利用率低,铁水温降大。之后脱硫移入铁水包或混铁车。在铁水包中喷枪插入深度在铁水深度的2/3以上。 3.4 联合顺序喷粉和混合喷粉脱硫 脱硫粉剂采取每种单独加入还是混合后加入也成为关注的内容。单独顺序加入一般用2～３支喷枪,每支喷枪的喷吹系统都是独立的。美LTV公司从成本降低角度出发,在〔Ｓ〕不小于0.045和小于0.007时单独喷CaC2粉,中间含量喷镁粉。有的企业一支枪喷CaC2或CaO或二者混合物,而且作为载剂先行喷入铁水,另一支枪喷Mg粉。这种方法的好处是便于控制,脱硫程度可以预测。 混合喷吹是将脱硫粉剂预先混合或者通过双管喷枪后混合,前者一套喷吹系统,后者二套喷吹系统。这种方法的优点是节约时间40以上,脱硫剂节省5,占地面积小。 3.5 脱硫过程动态控制 为实现经济脱硫和提高脱硫效果,克虏伯Polyins公司开发了自动化控制系统。该系统配有补偿功能的计量和控制装置,它可根据铁水、脱硫剂、喷枪等实际条件及处理目标等参数对脱硫操作自动控制,还可使铁水脱硫和转炉冶炼实现最佳配合。 4 铁水预处理在转炉炼钢中的作用及其发展前景 4.1 脱硫预处理在转炉炼钢中的作用 4.1.1 提高钢材性能和扩大转炉冶炼钢种 汽车用钢、海上采油平台用钢、石油管线钢、硅钢等要求更高的性能,原工艺不能满足要求,采用铁水预处理可以提高钢的纯洁度和性能。采用铁水预处理对新品种开发也起着重要推动作用,厚船板钢、抗氢致裂纹钢、IF钢,转炉冶炼高碳钢、高锰钢、高铬钢、焊条钢、合金钢、不锈钢、航空用钢、无缝钢管用钢、防腐钢及钢轨钢等用铁水预处理后开发了许许多多新钢种,大大扩大了转炉冶炼钢种的范围。通过铁水预处理保证了钢性能的稳定性、均匀性。如报道指出为防止普通钢板坯内裂纹和提高表面质量,规定〔Ｓ〕小于0.02;为防止结构钢各向异性,要求〔Ｓ〕不大于0.011。 4.1.2 保证连铸和连铸坯质量 过多的非金属夹杂物影响连铸顺利进行,有时会造成漏钢。同时容易引起铸坯内裂纹的产生,严重影响铸坯表面质量,降低连铸坯收得率、轧材合格率和成材率。因此国内外大型企业连铸钢水用铁水基本上全部经脱硫处理如宝钢。 4.1.3 提高竞争能力的需要 80年代初期,欧洲钢铁企业为提高质量和竞争力规定,大批量生产〔Ｓ〕不大于0.02,小批量生产〔Ｓ〕不大于0.010,优质钢〔Ｓ〕不大于0.005。1994～1995年要求进一步提高70的产品〔Ｓ〕不大于0.015,50的产品〔Ｓ〕不大于0.010,28的产品〔Ｓ〕不大于0.005,10％左右的产品〔Ｓ〕不大于0.002〔11〕。日本80年代中期后,产品实物质量已达到相当高的水平。上述质量水平的钢,无疑必需进行铁水预处理,日本六大钢铁企业转炉钢厂均配备了三脱设备有报道14个厂配备了三脱。美国钢铁工业在困难时期就是靠与日六大钢合作,提高了技术水平摆脱困境的。 4.1.4 铁水预处理有较好的经济效益 美国内陆板材公司在分析了现场条件下从高炉到钢包各阶段脱硫费用后发现,转炉中脱硫费用最高,铁水脱硫费用最低。 采用铁水脱硫后,高炉铁水含硫可以放宽要求,从而高炉炉渣碱度可以降低,如从1.2降到1.06,焦比可降36kg/t,生产率提高13。宣钢使用结果是焦比降低20kg/t,增产5,一级品率从20增至80～90％,吨铁效益10元以上。冷水江铁焦总厂采用铁水脱硫后,经济效益100万元/a以上。 用处理后的铁水炼钢,可减少熔剂加入量,进行少渣或无渣炼钢,减少了熔剂消耗,也减少了铁损,炉衬寿命提高;缩短吹炼时间,可提高生产率。SRP工艺表明,熔剂消耗几乎减少一半。NKK福山厂渣量从100kg/t减至30kg/t,冶炼周期缩短 2～3 min。 炼钢成本计算表明,采取铁水脱硫后吨钢成本降低3.41美元。 上述反映出直接经济效益,从采用铁水预处理后产品质量提高增加竞争力,扩大市场占有率、提高企业生存和发展能力来说其作用和意义更具根本性。高附加值产品的开发,适应能力的增强,对企业发展注入了新的活力。 4.2 铁水预处理已成为转炉炼钢生产必不可少的工序 从欧洲1995年对钢中硫含量的规定和日本、美国等发达国家的实物质量及规定看出,普通钢硫含量都在0.015或0.02以下,结构钢在0.011以下,相当数量50左右的钢硫含量在0.01以下,〔Ｓ〕不大于0.005的比例也接近了30。这表明即便是冶炼普通钢时铁水也需脱硫预处理,不难看出西方及发达国家铁水预处理应用的广泛程度。 连铸比的提高推动了铁水预处理的应用,现在已形成共识,连铸钢水用铁水必须脱硫处理,宝钢已经做到。1996年世界连铸比已达72.6,发达国家连铸比基本都达90以上。其他许多连铸比不太高的国家也在大力应用铁水预处理。这充分表明,是否进行铁水预处理已成为钢铁生产现代化程度、钢铁强国、钢铁企业水平的重要标志之一。 我国太钢、武钢、宝钢、攀钢、宣钢等十分重视铁水预处理,研究与应用已走在其他企业的前面,他们的产品质量、高附加值产品开发也属国内前列。在结构调整已成为当务之急的今天,国内许多企业都把铁水预处理作为工艺结构、产品结构调整的重点,从报道看,另有十几个企业已在应用、在建或处于试验阶段。可以预见,近几年国内将会有更大的发展,我国铁水预处理及炉外精炼必将成为工艺结构调整的重点,使我国由钢铁大国变为钢铁强国。 参考文献 〔1〕李顶宜。钙镁系粉剂铁水脱硫技术及经济分析［J］。钢铁,1997.1120～23 〔2〕提高铁水和钢水之良策［N］。世界金属导报,1999.1.19 〔3〕吴仁林。我国铁水预处理技术的现状和展望［J］。河北冶金,1990.2１ 〔4〕欧阳守忠。铁水脱硫预处理方法及其有关新技术的发展［J］。炼钢,1995.361 〔5〕吴引淳。铁水脱硫的热力学与动力学浅析［J］。炼钢,1996.144 〔6〕耿文范。铁水炉外脱硫技术的发展概况［J］。钢铁,1991.1068 〔7〕北美铁水预处理脱硫进展［N］。世界金属导报,1996.8.20 〔8〕铁水用含镁包芯丝脱硫［N］。世界金属导报,1998.12.8 〔9〕朱英雄,冯启成,夏卓明,等。加食盐煅烧的石灰石特性及铁水脱硫［J］。炼钢,1998.221 〔10〕谢效方,单玲珍,等。CaO基粉剂的铁水脱硫试验［J］。钢铁,1989.912 〔11〕杨天钧,高征铠,等。铁水炉外脱硫的新进展［J］。钢铁,1999.165～69