RH下部槽喷粉脱硫系统设计

刘 安，孙亚飞

(宝钢工程技术集团有限公司，上海 201900)

0 前言

近年来，日本新日铁、住友金属等钢铁公司结合RH工艺先后开发了RH-IJ、RH-PB、RH-PTB等RH喷粉脱硫工艺[1]，相对LF脱硫和LF+RH双重处理，RH喷粉脱硫具有其特有优势[2-4]。目前，实际应用的RH喷粉脱硫工艺多采用顶枪喷粉方式(RH-PTB)[5-11]，该方法是利用顶枪中心的喷粉管向真空槽内喷吹脱硫粉剂，由于RH顶枪距离钢液面有一定高度，载气及粉剂脱离顶枪喷头后动能衰减较大，在真空条件下，一部分粒度较小的粉剂会被抽至真空泵系统[12]，造成脱硫剂收得率的下降。若增大脱硫剂的粒度，可以减少粉剂被抽走的概率，但CaO脱硫反应速度随CaO粒度的减小而增大，因此粉剂粒度的增大将降低脱硫反应的速度。下部槽喷粉脱硫方法可以较好地解决这一矛盾。由于喷粉专用喷枪插入下部槽内部，浸没在钢液面以下，粉剂脱离喷枪后直接进入钢液，因此提高了脱硫剂的收得率和脱硫反应速度，同时降低了由于粉剂进入真空系统而引起设备故障的概率。

1 RH下部槽喷粉系统组成与工作流程

RH下部槽喷粉脱硫技术(RH-PB)，通过气力输送原理将脱硫粉剂经安装于下部槽的喷枪喷入槽内的钢水之中，进行钢水的脱硫操作。由于伴随着环流对钢水的强烈搅拌，扩大了粉剂与钢液的接触面积，RH脱硫反应速度较快。该法最早由新日铁名古屋厂开发研制，利用了设于真空槽下部的吹氧(OB)喷嘴，依靠载气向在真空槽内的钢液喷吹脱硫粉剂，实现了钢液在RH处理中的脱硫[13-14]。

图1为RH下部槽喷粉装置示意图，两只喷粉枪水平安装于真空槽下部，距离槽底一定高度，喷粉枪出口低于理论钢液面；喷枪与两浸渍管连线夹角呈45°对称布置[15]。工作时，脱硫粉剂通过载体气体输送经过喷粉枪直接吹入真空槽内的钢水中。

图1 RH下部槽喷粉装置示意图

宝钢自主研究开发的RH下部槽喷粉系统原理简图如图2所示。该系统主要由储料仓、喷吹罐、分配器、喷粉枪及氩气、氮气阀站站和管线等组成。其工作流程为：料仓(粉剂槽罐车压送粉剂至料仓)→喷吹罐(料仓卸料进入喷吹罐)→分配器(将喷吹罐喷出的粉剂均匀分配给两支喷枪)→喷枪(喷吹罐压送粉剂经分配器至两支喷枪喷出)。

图2 RH下部槽喷粉系统原理图

2 RH下部槽喷粉系统设计

2.1 相关工艺参数的确定和喷枪设计

由于下部槽喷粉工艺和设备仅有国外文献报道，国内没有相关研究和工程资料，工艺参数和系统及设备设计数据都需要自行研究和探索。

(1)喷吹强度。喷吹强度的大小直接影响喷粉脱硫的时间，在满足脱硫粉剂充分反应及不出现喷枪阻塞的前提下，应尽量增大喷吹强度，以便缩短喷吹脱硫剂的时间，一方面可以减少RH操作的处理周期；另一方面，由于喷吹脱硫剂时，为保证脱硫粉剂能够顺利吹入钢液，需要喷吹足够量的载气，而仅吹保护气防止喷枪堵塞需要的气量相对较少。因此，缩短喷吹脱硫剂的时间同时减少了吹入真空槽内的气体总量，从而减轻了真空泵系统的负荷。参照顶枪喷粉实践，喷吹强度取150～200 kg/min，即每支喷枪喷吹强度为75～100 kg/min。

(2)粉气比与载气量。粉气比标志着设备的供粉能力和载气耗量的大小。粉气比高时，输送同样的粉剂可以减少载气耗量或缩短喷吹时间。但在相同的条件下，粉气比低时，如减少载气流耗量，则粉气流速下降，有可能出现沉积粉料现象。为降低真空系统的负荷，本系统采用浓相输送，设计时按照喷吹强度ω粉=200 kg/min，粉气比μS=40，最大载气量QV=171 Nm3/h。

(3)喷粉枪设计。用于RH下部槽喷粉工艺的喷粉枪，是RH喷粉脱硫系统的关键设备之一，直接影响喷粉脱硫的效果以及喷粉系统的运行流畅。此前，国内尚无RH下部槽喷粉脱硫装置，无可供参考的工程资料，宝钢自行开发研制了新型喷粉枪，并结合工业试验对材质和结构进行了优化改进。

如图3所示，RH喷粉枪采用内外套管形式，主要由喷枪尾管1、喷枪外管7、喷枪内管8、喷枪中段3、安装法兰4等组成；安装法兰4用于将喷枪固定于下部槽上的安装口。喷枪外管7与喷枪中段2依靠套管5连接，有密封垫保证密封；喷枪尾管1、喷枪内管8及喷枪中段3通过法兰2连接，由密封垫密封。此种结构形式，枪体各部分为独立组件，便于局部更换。由于侧喷枪头部直接接触钢液，易损坏，因此当喷枪局部损坏时，单独更换可降低成本，且容易操作。

图3 RH下部槽喷粉枪结构示意图

喷粉载气及粉剂通过粉剂入口，经喷枪尾管1、喷枪内管8吹入真空槽内的钢液之中。保护气通过保护气入口，进入喷枪中段3、喷枪外管7与喷枪内管8之间的环缝吹入真空槽内的钢液之中。保护气的吹入可以降低喷枪枪头周围的温度，保护喷枪头部。另外，通过环缝吹保护气可以延长载气的射流长度，使粉剂深入钢液内部，从而加速脱硫反应。

2.2 工业试验中的RH相关设备改造

该工业试验用RH下部槽喷粉法脱硫系统和设备是通过改造正在生产运行的现有的RH真空处理装置来实现的。喷吹系统中利用了原有的顶枪喷粉法脱硫装置的喷吹罐，对其他相关设备进行了局部改造。

(1)真空槽。为了RH下部槽喷粉枪的安装，真空槽本体需要进行相应改动(图1)，宝钢RH下部槽喷粉枪的安装选择了便于拆卸的法兰连接形式。槽体开孔后，将保护管及安装法兰焊于槽体之上，喷粉枪安装法兰与两浸渍管连线夹角呈45°对称布置，同时，下部槽喷枪部位耐火砖做局部修改。

(2)真空槽台车。为方便安装，喷粉枪的尾段做了短化设计，但喷粉枪的安装不可避免地增大真空槽局部外形尺寸，在安装、更换真空槽时，喷枪部分与真空槽台车干涉，因此需对真空槽台车做局部切除、补强改造。

(3)喷粉管路与保护气管路。RH真空处理装置在正常生产过程中需要在处理位和待机位之间反复转换。固定在平台上的喷吹系统喷粉管线和气体管线需要与可移动的下部槽喷枪的喷粉和供气管路连接。在处理位，喷粉管和保护气管都需要接通工作；在待机位，喷粉管不工作，保护气管需要接通工作；移槽过程中，喷粉管不工作，保护气管需要不间断工作。通过设计、安装一套含有软管、阀门和快速接头等管路系统，实现了上述的不同工位的喷粉管和供气管的连接和切换问题。

3 RH下部槽喷粉脱硫装置工业试验

3.1 RH下部槽喷粉系统主要技术参数

工业试验用RH下部槽喷粉脱硫装置的主要技术指标见表1。

表1 RH下部槽喷粉装置主要技术指标

3.2 RH下部槽喷粉脱硫装置的使用效果

表2为RH下部槽喷粉装置在工业试验中的喷吹参数，喷吹强度大于150 kg/min，完全满足工艺需要。

表2 RH下部槽喷粉装置使用情况

工业试验阶段RH下部槽喷粉系统使用喷吹强度为150～200 kg/min，喷粉脱硫时间3～5 min，在不影响生产节奏的前提下，以吨钢2～3 kg的脱硫剂单耗，平均脱硫率>30%。

图4为工业试验完成后，真空槽下线后槽内喷枪出口情况及喷粉枪安装法兰情况，喷粉枪安装法兰情况良好。

图4 工业试验完成后真空槽内喷枪口及喷粉枪安装法兰情况

浸没在钢液中的喷粉枪出口处有局部熔损。在试验中对喷粉枪进行了改进，对工况最恶劣的喷粉枪外管分别采用了耐热不锈钢、非金属材料进行使用对比。试验证明采用非金属材料后基本消除了熔损。

在工业试验中还发现，下部槽喷粉操作加大了钢液的搅拌，使得脱碳速度加快，脱碳钢种脱碳时间每个炉次减少约2 min。

如图5所示，喷粉结束后浸渍管外观可见脱硫粉剂对浸渍管耐材及喷补料都有一定的侵蚀作用，浸渍管局部已露砖缝。

图5 工业试验完成后喷粉枪情况

通过工业试验验证，下部槽喷粉设备技术取得成功，喷吹系统和喷枪工作稳定，达到设计指标，可满足工业化大生产的要求。

4 RH下部槽喷粉装置改进和优化方向

(1)继续优化喷枪安装位置。通过模拟和实验技术，优化喷枪在下部槽上的安装位置。改善脱硫剂随钢水的流动路线、延长停留时间；帮助提高真空槽内钢液的环流效果。

(2)继续优化喷枪操作参数。研究保护气在喷粉时和不喷粉时的最佳流量，实现对喷枪的有效保护；合理调整喷粉载气用量。减少RH下部槽喷粉对真空槽内真空度的影响。通过软件和硬件同时防止喷枪保护气操作失误。

(3)改进喷枪结构和材质，提高喷枪寿命。改进喷枪的內管和外管结构尺寸，减少喷枪前端与钢液的接触面积，外管采用合适的非金属耐热材料，通过一系列措施提高喷枪寿命，以期达到喷枪与下部槽耐材同期维修更换。

(4)制定相关操作、处理方法和方案。制定和完善操作、处理方法和方案，应对实际生产中可能出现的各种情况。

(5)减少耐材的侵蚀，提高浸渍管管龄。对于CaO-CaF2系脱硫剂，其熔点随CaF2比例的增加而降低。低熔点的CaF2易于渗透到耐火砖深处，对下部槽和浸渍管耐材侵蚀严重。破坏了耐材中的MgO颗粒，导致其组织松散，骨料被钢渣溶出，导致砖构造上的散裂，而造成剥落性损伤[16]。目前采用RH喷粉脱硫工艺时，浸渍管管龄降低～20炉。因此，需改善耐材以抵抗其侵蚀[17]；或开发新型RH脱硫剂，减少对耐材的侵蚀。

5 结束语

本项目研究和工业试验证明宝钢自行研发的RH下部槽喷粉法在技术上是可行的，下部槽喷粉法脱硫系统的装备和技术可以满足工艺需要，具备工业化生产能力。今后可在操作参数优化、降低保护气对真空度的影响、控制温降和减少耐材侵蚀等方面继续进行深入研究。