分享：石灰+鎂粉復合噴吹脫硫工藝分析
隨著國民經濟對高質量材料需求的不斷加大，冶金行業(yè)迎來了新的發(fā)展預期，同時也面臨新的挑戰(zhàn)。眾所周知，鋼中的硫元素會導致鋼產生熱脆性，并且其生成的夾雜物還會導致鋼的韌性和延展性下降，降低鋼的品質，是鋼中的有害元素之一，并且對鋼的熱加工性能及機械性能都有一定程度上的影響。目前鐵水預處理是改善煉鋼操作、提升鋼種質量的主要手段，復合噴吹已經成為主流的脫硫工藝之一。王世俊等[1]研究了鎂的脫硫原理以及鎂在鐵水中的溶解行為，通過使鎂盡可能多的溶解于鐵水中，從而提升鎂的脫硫能力；孫中強等[2]用鎂和石灰對鐵水預處理的熱力學進行了一系列研究，根據熱力學數據計算了鐵水中硫和氧的活度；戴年建等[3]研究了復合噴吹法脫硫工藝與設備的分析，得出了復合噴吹脫硫工藝具有處理時間短、終點硫含量低以及綜合處理成本最優(yōu)的結論；Irons等[4]對采用鎂蒸汽對鐵水進行脫硫的動力學進行了研究，監(jiān)測硫含量在某一范圍的溶解速度、脫硫率以及鎂氣泡的大小等；王玉彬等[5]對鈣鎂系粉劑復合噴吹鐵水脫硫進行了論述，其中包括脫硫方法的選擇、脫硫扒渣的效果以及冶金效果等；王建[6]通過對噴吹管路和控制系統(tǒng)的優(yōu)化，使得鐵水復合噴吹脫硫系統(tǒng)在實際生產過程中取得了良好的效果，各項指標也均達到預期；孫偉等[7]在鈍化鎂–CaO復合噴吹脫硫的基礎上，改善優(yōu)化了鐵水脫硫的操作方法，利用對脫硫槍槍位的調整以及對脫硫劑配比的優(yōu)化，大幅降低了脫硫劑的消耗量；Wu等人[8]通過對比CaO–MgO、CaO和MgO，研究了CaO–MgO混合物的脫硫能力和抗水化性能；Liu等[9]采用氣渣平衡技術，在1779 K下研究了用MnO和BaO替代CaO對高爐爐渣脫硫能力的影響；付中華等[10]對復合噴吹脫硫效果進行了分析，從原材料條件、動力學因素及扒渣效果等方面，分析了鐵水硫含量、溫度、脫硫劑成分、扒渣操作等各方面不同因素對復合噴吹鐵水脫硫效果的影響。
1. 脫硫工藝操作介紹
鐵水脫硫預處理的基本流程為：向鐵水罐中加入高爐鐵水→扒渣機對鐵水進行預扒渣→對鐵水測溫取樣→復合噴吹法向鐵水罐中噴吹脫硫劑進行脫硫→對鐵水扒渣、測溫、取樣→脫硫后的鐵水進行測溫、取樣→兌入轉爐。
目前復合噴吹工藝已經成為鐵水預處理的主要方法之一，具有脫硫效率快、應用范圍廣、普適性強等特點。復合噴吹的原理是把流動的石灰（CaO）和鎂粉在管道中按照一定比例進行混合，然后將混合好的脫硫劑利用噴槍噴入鐵水中進行脫S的操作[11]。
2. 脫硫工藝分析
2.1 CaO、Mg消耗量和脫硫率
不難理解，隨著脫硫劑消耗量的不斷加大，則脫硫率升高，如圖1~2所示。當脫硫劑的消耗量小時，脫硫速率會隨著鎂粉消耗量的增加而加快；Mg脫硫后生成的MgS和石灰中的CaO發(fā)生反應，生成相對更加穩(wěn)定的CaS，從而使回硫量降低。隨著Mg粉的消耗量繼續(xù)增加，有利于脫硫反應進行，在脫硫過程中未必所有的Mg都能和S發(fā)生反應，這其中可能存在兩個方面的因素：其一，隨著脫硫劑消耗量不斷加大，導致高溫下生成的氣體Mg在鐵水中的分散性下降，從而使一些Mg還沒有和S發(fā)生反應而被帶出鐵水；其二，在某種特定的鐵水情況下，脫硫劑消耗量的增加不會使S的傳質和擴散速度加快，故通過大量增加脫硫劑使脫硫效率提升的方法是不可取的[12]。
2.2 CaO、Mg粉消耗和終點S含量
由圖3和圖4的變化趨勢可以看出，隨著脫硫劑CaO和Mg粉消耗量的增加，終點S的含量明顯減少，脫硫極限在0.001%~0.005%，因為鎂粉脫硫后生成的硫化鎂，其具有極高的不穩(wěn)定性，另外脫硫渣中的硫含量跟鐵水中的硫含量相差約3個數量級，這會使脫硫反應[Mg]+[S]=MgS正向進行的阻力急劇加大，此外CaO進行脫硫時還會與鐵水中的硅元素反應生成2CaO·SiO2，也大大降低了脫硫劑中CaO的含量。最關鍵的是在CaO的粒子的表面會形成一層2CaO·SiO2致密層，使CaO與鐵水中的S元素不能充分接觸，導致脫硫反應的速度下降，影響CaO的脫硫效率[13]。所以在復合噴吹過程中要適量多加入一些石灰，能夠起到提高渣的堿度、增加渣的硫容、提高鎂粉脫硫極限的作用，為冶煉新品種高品質鋼創(chuàng)造條件[14]。
從圖5和圖6可知，初始溫度對終點S含量和脫硫率有很大的影響，初始溫度越高，則終點S含量越低，脫硫率也就越好。根據鎂脫硫理論分析可知，隨著鐵水溫度的增加，鎂的氣化增強，氣泡在鐵水中停留的時間短，不利于鎂與硫反應，然而從實際脫硫分析結果得出，鐵水溫度升高，脫硫率高，如圖6所示。這是因為鎂脫硫反應受硫在鐵水中的傳質和擴散等因素的影響，隨著鐵水溫度的升高，擴散傳質系數也會急劇增加，大大加快了脫硫反應的正向進行[15]。
脫硫劑為石灰+鎂粉（石灰/鎂粉質量比為2.5 : 1），從圖7和圖8可以看出，隨著脫硫劑消耗量的增加，溫降速度呈逐漸加快的趨勢，扒渣量也隨脫硫劑用量的增加而增加。鎂粉脫硫穩(wěn)定性差、波動大、扒渣鐵損大，回硫量為0.003%~0.007%[16]，所以在對一些低硫鐵水進行脫硫時，可以通過添加石灰將鎂粉的用量減少，在保證回硫量與正常爐次相當時添加石灰，可以起到有效減少扒渣量、降低鎂粉噴吹量、節(jié)約成本等作用[17]。同時也要控制好脫硫劑的添加量，以免鐵水溫度下降過快而導致冷凝。
從圖1~4可以看出，達到相同的脫硫率或終點S含量，CaO的消耗量比Mg粉的消耗量要多很多，這充分解釋了石灰–鎂工藝，脫硫起主導作用的是鎂，鎂的噴吹量越高，則相同條件下脫硫率就越高。鎂粉在鐵水中主要和硫發(fā)生以下2個反應：
首先，鎂粉溶解在鐵水中，由于在高溫下鎂和硫具有很強的親和力，因此鐵水中的氣態(tài)鎂和液態(tài)鎂都能與硫快速發(fā)生反應，生成固態(tài)硫化鎂，由于硫化鎂的密度比鐵水的密度小很多，所以硫化鎂會向上漂浮到渣中，其中反應化學式（1）也是鐵水預處理中Mg粉脫硫的主要反應[18]。
石灰（CaO）是廉價的脫硫劑，因為其價格便宜所以石灰被廣泛使用。從圖1和圖3中不難發(fā)現，CaO對脫硫率和S終點含量也有很大的影響，當石灰的消耗量達到160 kg/t時，脫硫率迅速升高，其終點S含量也驟減，CaO脫硫反應通常用下式表示：
從式（3）中可以發(fā)現，鐵水中的氧元素會影響到CaO的脫硫效果。在鐵水預處理過程中，如果氧的活度過高，則式（3）無法繼續(xù)進行。假設鐵水中Si元素的質量分數為0.05%，鐵水中其它元素含量不變，則硫的活度系數fs=2.722。根據式（3）可以計算出用CaO脫硫鐵水在1623 K時鐵水中氧活度的值。通過查詢可知，在1623 K時的鐵水中氧的活度與硫的活度之比為：，則：a[O]=0.0104·a[S]=0.0104fs·w(S)=0.00114，高爐鐵水的氧活度大約為0.7×10-4~5×10-4，因此通過噴吹石灰對鐵水脫硫的這一方法是可行的[19]。
石灰–鎂復合噴吹脫硫工藝增加了鎂氣泡的分散度，降低了鎂氣泡的上浮速度，大大增加鎂硫反應界面，提高了脫硫率。
（1）從脫硫數據分析得出，在CaO+鎂粉復合噴吹脫硫工藝條件下，提高脫硫劑的用量，能提高脫硫效果，但當脫硫率達到80%后繼續(xù)增加脫硫劑的消耗量對脫硫率的提升速度減慢，因此僅依靠增加脫硫劑用量不是提高脫硫效果的最佳途徑。
（2）從終點硫含量變化的數據圖分析可知，石灰+鎂粉復合噴吹脫硫的終點硫質量分數在0.001%~0.005%，增加脫硫劑（CaO+鎂粉）的消耗量可以降低終點硫含量，當終點硫質量分數達到0.003%后脫硫劑的消耗量對其下降速度的影響變弱。
（3）初始溫度越高則終點硫含量越低，脫硫速率越快，這是因為隨著鐵水溫度的升高鐵水中的傳質速率加快，加速了脫硫反應的進行，因此，提高初始溫度有利于復合噴吹的脫硫效果。
（4）復合噴吹脫硫劑消耗量（CaO+鎂粉）對溫降和扒渣量也有一定的影響，隨著脫硫劑消耗量增大，溫降速度會隨之變快，同時扒渣量也會增多，因此要控制脫硫劑的添加量，以免鐵水溫度下降過快而導致冷凝。
文章來源——金屬世界
2.3 初始溫度對終點S含量和脫硫率的影響
2.4 石灰+鎂粉消耗量對溫降和扒渣量的影響
3. 分析與討論
4. 結束語
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