KR法和单喷法脱硫工艺在迁钢的应用实践

2018-07-26宿忠山赵俊花

中国钢铁业 2018年6期

宿忠山孙亮赵俊花

硫是钢中的有害杂质，危及钢材的质量，极易造成钢的热脆性，钢材中过高的硫含量还会影响其韧塑性以及成形性能[1]。因此，在钢材生产中应尽量去除硫和磷等有害杂质，铁水脱硫就成了现代钢铁企业不可或缺的关键工序。应用广泛的铁水脱硫工艺主要有颗粒镁喷吹法（简称单喷法）、镁基复合喷吹法（简称复喷法）和 KR（Kanbara Reactor）法三种[2]。首钢股份公司迁安钢铁公司（简称迁钢公司）采用 KR 法和单喷法脱硫工艺，主要生产电工钢、汽车板、焊瓶钢、管线钢和集装箱等高附加值钢种。本文重点介绍了KR 法和单喷法脱硫工艺原理，并就 2种脱硫工艺在迁钢公司的应用情况进行对比。

1.KR法和单喷法脱硫工艺原理

KR 法是日本新日铁广畑制铁所于1965年用于工业生产的铁水炉外脱硫技术[3]。1976年，武钢第二炼钢厂就从日本新日铁引进了国内第一台搅拌法脱硫装置，单罐处理能力为 70吨-80吨，脱硫周期约为85min，采用 CaC2基作为脱硫剂。由于当时该套装置的消耗指标及运行成本均较高，且脱硫周期长，所以并没有在国内得到广泛推广。

KR法是将浇注耐火材料并经过烘烤的十字形搅拌头浸入铁水包熔池一定深度，借其旋转产生的漩涡，将脱硫剂（氧化钙粉剂）由给料器加入到铁水中，使脱硫剂在不断地搅拌过程中与铁水中的硫充分接触反应，达到脱硫的目的[4]。

单喷法脱硫是利用载气（氮气或氩气）将含有CaO、Mg和CaF2的粉状脱硫剂，配合相应的孔板直径及气体压力，将脱硫剂经喷枪加入铁水中，喷枪底端与钢包底部的距离一般为100mm-300mm，通过吹入的载气和镁基脱硫剂反应，达到搅拌铁水，铁水中硫元素与加入的脱硫剂发生化学反应，生成脱硫产物，经上浮和扒渣去除，达到脱硫目的。

2.脱硫工艺对比

2.1 脱硫剂消耗

脱硫剂的消耗成本占脱硫成本的28%-40%，因此，降低脱硫剂消耗是各钢铁企业追求的目标。迁钢公司KR法脱硫使用 KR 脱硫剂（CaO+CaF2），单喷法脱硫使用颗粒镁（钝化镁和涂层镁）。由于两者工艺和脱硫效率等不同，脱硫剂消耗存在差异。单喷法脱硫剂价格为11623.93元/吨，迁钢公司KR法脱硫剂为自产物料，价格相对较低，为283.95元/吨，运行成本低。以铁水初始硫含量约为0.036%为例，对二种脱硫工艺在不同目标硫含量下的脱硫剂消耗和成本对比情况，见表1。

2.2 脱硫周期

脱硫周期主要由钢包进站时间、前脱硫扒渣时间、KR法纯搅拌/单喷法纯喷吹时间、测温取样时间、后脱硫扒渣时间和成分分析时间和钢包出站时间等组成。其中，占比最大的是脱硫扒渣时间、KR法纯搅拌/单喷法纯喷吹时间和扒渣间隔时间。因此，如何缩短这3个时间是缩短脱硫周期的主要研究方向。

2.2.1 脱硫扒渣时间。

影响脱硫扒渣时间的主要因素有以下几个方面：（1）铁水带渣量以及铁渣状态；（2）铁水扒渣次数；（3）操作工熟练程度；（4）设备状态。

为了提高扒渣效率，从管理、设备和技术等方面采取了以下措施：（1）管理方面。开展扒渣操作竞赛，设定扒渣指标激励岗位操作；（2）设备方面。严格执行设备包机到人，减少因设备故障导致扒渣时间延长；（3）技术方面。由于铁水温度不同，铁水中脱硫产物上浮的时间不同。

为此，研究了不同铁水温度下的扒渣情况，以减少后续冶炼过程中转炉回硫量，研究结果如下：a.当铁水脱硫后温度高于1230℃时，实行二次扒渣，即测温取样后先初次扒渣，将铁水中大部分渣扒除，然后镇静3min -5min，避免扒渣机搅动铁水，渣和铁混合在一起，使铁水中脱硫渣充分上浮，与铁水分离彻底，再进行二次扒渣，将铁水渣扒除干净。b.当铁水脱硫后温度低于1230℃ 时，先镇静3min-5 min，待脱硫渣充分上浮，并与铁水分离充分后，再进行二次扒渣操作。

2.2.2 KR 法纯搅拌/单喷法纯喷吹时间。

KR法纯搅拌/单喷法纯喷吹时间在很大程度上取决于脱硫剂的加入量，迁钢公司KR法加料速率为 50 kg/min-120kg/min，单喷法喷吹速率为7kg/min-11kg/min，受加料速率和加料量影响，从统计对比看，在相同目标硫含量条件下，单喷法喷吹时间在12min-23min之间，较 KR法长2min-12 min。见表2。

2.2.3 扒渣间隔时间。

迁钢公司脱硫扒渣次数受品种和铁水初始硫含量和铁渣状态影响较大，冶炼汽车板、硅钢和高级别管线钢等品种钢时，采用间歇式多次扒渣操作，严格控制后续转炉冶炼回硫量，每次扒渣结束后等待3min-5min再进行下次扒渣。受脱硫工艺影响，单喷法脱硫后续转炉冶炼回硫量高于KR法，因此，在冶炼低硫品种时，单喷法主要通过尽量多地扒渣，来减少后续转炉冶炼回硫量，脱硫结束目标硫含量越低，此问题越突出，导致扒渣次数和扒渣时间间隔多于KR 法。

综上所述，由于单喷法的纯喷吹时间和扒渣间隔时间均大于KR 法，因此，根据目标硫含量不同，单喷法脱硫周期比 KR 法长 5min-34 min。见表3。

2.3 脱硫率及一次脱硫命中率

从迁钢公司这两种脱硫工艺看，KR法脱硫和单喷法脱硫均能成功地将铁水硫含量降低至0.003% 以下，但用单喷法将铁水硫含量降至0.001% 以内较困难，KR法可相对轻松实现。KR法脱硫工艺因其强大的动力学条件，而具有脱硫速度快和效率高优点，使得其脱硫率高于单喷法。迁钢公司KR法脱硫率为93.87%-97.19%，明显高于单喷法脱硫率的73.42%-88.51%。见图1。

表1 KR 法和单喷法脱硫工艺在不同目标硫含量下的消耗和成本

表2 不同目标硫含量下 KR 法纯搅拌时间和单喷法纯喷吹时间对比 min

图1 迁钢公司KR 法和单喷法脱硫率对比

另外，迁钢公司KR法一次脱硫命中率在 97% 以上，单喷法一次脱硫命中率在 91% 左右。KR 法较单喷法在脱硫率及一次脱硫命中率有着明显优势，比单喷法脱硫率平均高出18.61%[5]。

2.4 扒渣量

扒渣量主要受以下三面影响：（1）在铁水喷吹/搅拌过程中铁/渣溅出钢包造成损失，分析喷溅物发现，喷溅物中铁含量高达70%以上，为解决这一问题，主要根据铁水条件和钢包状态，通过调整喷吹/搅拌参数以及合适的钢包净空（300~500 mm），以减少喷溅物，净空控制主要通过加高包沿或调整出铁量，迁钢公司在钢包包嘴以外部分进行了加高300mm包壁的改造。（2）铁水扒渣过程中铁/渣会存在一定的波动，引起铁水随着渣一起涌出钢包包口，主要是通过规范扒渣操作，在扒渣全过程中做到先快后慢，加强钢包包口维护，减少扒渣量。（3）铁水渣本身包裹部分金属液滴，此项无法消除，对渣中铁含量进行分析，发现其达 30% 以上，表明铁水渣中铁含量很高。

在上述三点，后两点是扒渣量的主要组成部分。见表4。

由表4可见，不同目标硫含量下KR法和单喷法的扒渣量在12.11kg/t-22.48kg/t之间，扒渣量主要受脱硫结束硫含量和钢包包口状态影响，脱硫结束硫含量越低，扒渣量越大。

一般来讲，脱硫剂单耗少，扒渣量就少，其规律应该是单喷法小于 KR 法。但迁钢公司由于单喷法在倒罐站加入部分石灰基脱硫剂以及其后续冶炼过程中回硫量大，单喷法扒渣次数比KR 法要多，综合导致实际铁水扒渣量单喷法大于 KR 法0.65kg/t-7.48 kg/t。

2.5 温降

表3 不同目标硫含量下KR法和单喷法脱硫周期对比 min

表4 不同目标硫含量下 KR 法和单喷法扒渣量对比 kg/t

表5 迁钢公司 KR 法和单喷法转炉冶炼回硫量对比 %

表6 迁钢公司 KR 法和单喷法铁水脱硫运行成本对比元/t

对历史数据进行统计分析的结果表面，相同目标硫含量下，KR法处理过程温降比单喷法高5℃-7℃，主要原因是KR法脱硫剂加入量大，吸热也多，加上动力学强劲，加速了脱硫过程中热量损失，单喷法脱硫剂加入量少，且镁和硫为放热反应，同时其动力学劣于 KR 法，因此，处理过程温降较 KR 法小。迁钢公司倒罐站铁水初始温度约为1345℃，单喷法处理过程温降为17℃-26 ℃，KR 法处理过程温降为24℃-36℃。见图2。

图2 迁钢公司KR 法和单喷法处理过程温降对比

3.转炉冶炼回硫量

铁水脱硫后如何稳定控制后续转炉冶炼回硫量非常重要，从生产和理论分析看，单喷法的转炉冶炼回硫量大于KR法，究其原因，一方面是镁基脱硫生成的脱硫产物MgS容易在铁水静置和扒渣过程中发生反应，造成回硫；另一方面是镁基脱硫渣子黏度低，渣量少，硫含量高，扒渣难度大，残留在渣中的硫很容易回到铁水中。同时，受动力学条件影响，喷吹的角度受限，脱硫剂不能很好下沉，脱硫过程形成的“死区”，也造成回硫现象；KR法采用CaO基脱硫，形成的脱硫产物CaS稳定，不易发生逆向反应，同时由于 KR 法脱硫渣量大、渣子黏度大，渣子状态类似散沙，容易扒除，所以在后续转炉冶炼过程中基本不会发生回硫现象。见表5。

4.运行成本

脱硫成本主要由温降损失、喷枪或搅拌头和喷补料耐材、扒渣量、脱硫剂消耗以及转炉冶炼回硫量五部分组成。温降损失按0.15元/℃（按照平均温降计算）考虑，其他的辅助材料、风、水、电和气等消耗基本相当。迁钢公司主要生产低硫品种，以铁水初始硫含量0.0349%、脱硫结束目标硫含量0.003%为例进行KR法和单喷法铁水脱硫运行成本对比，单喷法比KR法运行成本高14.80元/t。KR法脱硫优势明显，大中型钢铁企业宜选用 KR 法脱硫工艺。见表6。