鱼雷罐喷吹脱硫动力学条件改善研究与进展

2014-06-26李明晖欧阳德刚

武汉工程职业技术学院学报 2014年3期

李明晖欧阳德刚

(1.武汉钢铁(集团)公司研究院湖北武汉：430080；2.湖北省冶金工艺模拟工程实验室湖北武汉：430080)

铁水脱硫是高附加值低硫钢(如硅钢、汽车板)生产中不可缺少的技术手段[1]。在众多脱硫工艺中，鱼雷罐喷吹脱硫由于布置紧凑顺、铁水温降低、机械设备简单等优点，特别适用于大批量的铁水预处理。但在实际生产中，由于狭长的内腔形状限制，鱼雷罐喷吹脱硫普遍存在脱硫动力学条件差引起的脱硫剂消耗高、铁水回硫比例大等问题，阻碍了脱硫生产效率的提高，限制了钢铁企业高附加值产品的生产[2-3]。针对上述问题，相关学者就如何改善鱼雷罐喷吹脱硫的动力学条件进行了很多有益的尝试，并在实际生产中取得了一定效果。为此，本文综述了鱼雷罐喷吹脱离动力学条件改善研究与进展情况，为进一步提高鱼雷罐脱硫生产技术经济指标提供参考。

1 鱼雷罐喷吹脱硫技术发展概况

上世纪70年代，鱼雷罐喷吹脱硫技术由德国SKW公司和蒂森公司合作开发成功，并首次应用于工业生产[4]，其具体工艺过程为将一支单孔喷枪与水平方向成60°角倾斜插入鱼雷罐内(简称ATH法)，向铁水深处喷吹脱硫剂，通过脱硫剂与铁水反应实现铁水脱硫。ATH法鱼雷罐喷吹脱硫装置示意图如图1所示[5]。稍后，日本新日铁于1971年在引进ATH法基础上，试验成功鱼雷罐顶喷粉脱硫法，简称TDS法[6]。与ATH法不同的是，在TDS法中，喷枪的插入方式由斜插改为垂直插入，喷口为双孔倒T形结构(见图2)，可以在较小的喷吹压力下，实现载气与脱硫剂之间的完全分离，使脱硫剂被喷射到尽量远处，延长上浮距离和时间，提高反应效率[8]。从上世纪80年代初开始，我国宝钢、武钢、首钢等陆续从国外引进鱼雷罐喷吹脱硫技术，并在当时取得了较好的脱硫技术经济指标。但随着鱼雷罐喷吹脱硫的不断推广应用，其脱硫动力学条件差的弊端也逐渐显露[9-12]，因而，目前新建铁水脱硫生产线中已较少采用鱼雷罐进行喷吹脱硫，呈现“一罐(铁水罐)到底”的发展趋势。但对于已建成的鱼雷罐脱硫产线，由于设备改造成本巨大，如何改善其脱硫动力学条件是目前最为经济有效且亟待解决的难题，也成为制约鱼雷罐脱硫技术生存发展的关键环节。

图1 ATH法鱼雷罐喷吹脱硫装置示意图

图2TDS法喷枪结构示意图

2 改善鱼雷罐喷吹脱硫动力学条件研究现状

2.1 熔池流动状态研究

文献[13-14]通过水模试验详细研究了TDS法和ATH法中的熔池流动状态(如图3所示)，并分析了两种工艺中的不足。TDS法中由于喷枪两侧喷口呈水平方向对称布置，喷吹气体首先形成两支上升流股，而后随着气泡的上浮，两流股相互冲撞融合，最后汇合形成一支上升主流股，驱动熔池内液体循环流动；分析认为，两流股上升过程中的冲撞会消耗部分能量，不利于搅拌动能的充分发挥。ATH法中，虽然喷枪倾斜插入铁水，但由于液体的阻碍作用，气流射入液体后，水平速度迅速减小，并随着气泡的上浮，形成垂直上升的流股；而由于喷口并不位于鱼雷罐熔池中心，导致其流场分布不对称，其中靠近喷口一侧液体循环路径短，循环速度较快；而远离喷口的一侧则循环路径长，循环周期较长，动力学条件较差，不利于整个熔池的搅拌混匀。

图3 不同鱼雷罐喷吹脱硫工艺熔池流动状态

2.2 工艺参数改进研究

影响鱼雷罐喷吹动力学条件的工艺参数主要有喷枪插入深度、喷吹气体流量、铁水深度等。文献[15-17]利用水模试验装置详细研究了工艺参数对鱼雷罐喷吹脱硫动力学条件的影响关系，试验采用熔池混匀时间表征动力学条件，混匀时间越短则动力学条件越优良；结果表明，随着喷枪插入深度的增加和喷吹气体流量的增大混匀时间呈缩短趋势。而对于熔池液面高度对混匀时间的影响关系，喷吹气体流量较小时，熔池越深，喷吹气体对铁水搅拌越困难，动力学条件越差；而随着喷吹气体流量的增大，熔池深度对混匀时间的影响不尽相同。实际生产中，武钢通过大量生产实践获得了鱼雷罐铁水装入量与脱硫剂单耗的对应关系(见图4)，对于320t鱼雷罐铁水装入量以控制在250-270t为宜，并通过控制鱼雷罐铁水装入量(即铁水液面高度)，提高了脱硫生产效率[10]。

图4 铁水装入量与脱硫剂单耗关系

2.3 喷枪结构改进研究

喷枪结构尤其是喷嘴结构直接决定了喷吹气体的上浮状态和方式，因而改变喷枪结构也可以改善鱼雷罐喷吹脱硫的动力学条件。文献[18]通过水模试验研究了不同喷嘴(如图5所示)对鱼雷罐喷吹动力学的影响关系。结果表明，在试验条件下，L型喷嘴的混匀时间均短于倒T2型，斜插式喷吹更有利于鱼雷罐喷吹脱硫中动力学条件的改善，并将水模试验结果应用与宝钢实际生产，取得了一定效果。

图5 不同喷嘴结构条件下鱼雷罐熔池混匀时间与搅拌能密度关系

文献[19]针对鱼雷罐细长形结构熔池浅，两端存在死区导致脱硫铁水回硫的问题，对TDS法中鱼雷罐内铁水流场进行了物理模拟研究。水模实验以混匀时间和与水密度相同小球的循环时间表征鱼雷罐喷射区铁水质量传输效率(如图6所示)，对比分析了喷枪结构与对鱼雷罐内流体流动的改善效果，水模实验结果表明，通过在喷枪下段上增设压制孔，压制喷吹气体流股上浮，促进流股横向移动，可以达到缩短小球循环时间、改善动力学条件的效果，试验方案与试验结果如表1、表2所示。工业性试验结果也表明，采用新型喷枪后，鱼雷罐脱硫后平均回硫量为1.75×10-5，相比原平均回硫量3.52×10-5，下降约50%；同时，回硫量≥5×10-5包次也大幅下降，回硫量波动范围变小。

图6 小球循环时间测量过程示意图

表1 水模试验喷枪的状态及特殊试验条件

表2 原始条件下及不同改进方案优选出的最佳喷吹效果

专利文献[20]根据文献[19]中的水模试验结果，发明了一种鱼雷罐用顶喷脱硫喷枪，其特征在于在鱼雷罐用顶喷喷枪喷口至铁水液面的不同高度上设置一层或几层压制孔，压制孔通过管道与中性搅拌气源连接，如图7所示。增加的压制孔可以在喷吹脱硫过程中起到压制脱硫剂和将脱硫剂带得更远的作用，同时将喷口出来的气流冲散，通过压制孔喷吹中性的搅拌气体，从而向远端的熔体提供较强的搅拌能，达到提高脱硫剂停留时间，改善鱼雷罐喷吹脱硫的反应效果。

图7 增加压制孔喷枪示意图

2.4 熔池引入辅助吹气装置研究

鱼雷罐喷吹脱硫过程中(特别是TDS法)由于喷枪喷口位置距离两端死区距离较远，喷吹气体流股对死区附近铁水搅拌效果较弱，相关学者尝试通过在鱼雷罐罐体加装吹气原件以改善死区的动力学条件。文献[21]据某厂实际鱼雷罐的结构尺寸和操作工艺参数，建立几何模型并划分网格，采用欧拉两流体模型，并用多孔介质模型描述氮气在透气砖中的流动，用数模方法模拟计算了同时采用顶吹喷粉和底部吹气搅拌的鱼雷罐内的铁水流动特性，如图8、图9所示。结果表明：与无透气砖底吹时的鱼雷罐铁水流动特性相比，在鱼雷罐底部安装透气砖进行吹气搅拌，即使是较小的气量，都可改善流场、提高混匀程度和缩短混匀时间，具体数据参见表3。

图8 原始无底吹鱼雷罐流场分布图

表3 距喷枪2650处不同底吹气量条件下相应时间及混匀时间

专利文献[22]根据文献[21]中的数值计算结果，发明了一种鱼雷罐喷吹辅助脱硫装置和工艺，如图10。具体技术方案为：利用顶部喷吹设备的基础上，在鱼雷罐的底部或底侧部对称设置2个透气砖，每个透气砖通过管道与缓冲气罐相通，缓冲气罐的头部或底部通过阀门与氮气或氩气气源相通。喷吹脱硫时，在采用顶喷的同时，还采用氮气或氩气通过设置的透气砖进行喷吹，从而对铁水造成强烈搅动，减小死区，缩短混匀时间，改善鱼雷罐内冶金反应的动力学条件，减少回硫和提高脱硫反应效率。

图10 鱼雷罐喷吹辅助脱硫装置示意图

专利文献[23]为了改善TDS法中鱼雷罐内铁水流场、缩短混匀时间、减少两端死区对脱硫效果的影响，也提出了利用供气砖向鱼雷罐内喷吹惰性气体从而加强铁水搅拌的技术措施。具体为：在鱼雷罐底部和侧部安装透气耐火砖，在喷枪喷吹脱硫的同时，通过上述透气砖向铁水内部喷入惰性气体，如图11所示。该技术通过多方位地补吹气体，增加了鱼雷罐死区的搅拌动能，从而优化了鱼雷罐内部的铁水流场，使铁水内部形成一个良好的循环，扩大了脱硫剂与铁水的反应界面，促进了脱硫剂与铁水的充分反应；相比原工艺，新技术可以使脱硫剂处理时间平均下降36.1%，总喷吹时间最多减少43.3%，脱硫剂消耗减少20%。

图11 鱼雷罐供气砖吹气示意图

3 发展趋势

由上述研究现状分析可知，对于鱼雷罐罐体狭长形状导致的脱硫动力学条件差的问题，相关学者根据喷吹流股距离端部较远，导致对端部死区铁水搅拌效果差等不足，通过水模和数值模拟研究，探明了鱼雷罐喷吹脱硫熔池流动状态，获得了相关工艺参数对脱硫动力学条件的影响规律，开发了包括喷枪中部增设压制孔、罐体增设吹气元件等技术措施，以期缩短喷吹流股至端部距离，减少两端死区影响，进而改善其脱硫动力学条件，并在实际生产中取得了一定效果；但根据相关报道，由于上述技术方案实施复杂以及吹气元件凝铁、堵塞与安全隐患等未能大规模应用于实际生产。因此，对于鱼雷罐喷吹脱硫，采用大工业生产现场简便易行的技术方案，缩短喷吹气体流股至端部死区距离，提高对两端死区附近液体的搅拌效果是改善鱼雷罐喷吹脱硫动力学条件的重要方向。