鐵水預處理工藝的熱力學計算與工藝選擇

鐵水預處理技術對現(xiàn)代鋼鋼公司尤為重要。它已成為滿足低硫或極低硫鋼的需求的重要因素。它是鋼鐵工具精煉過程優(yōu)化不可或缺的重要因素。特別是隨著特殊裝置的開發(fā)和進步，形成了一個先進的“三脫”預處理技術。新一代鋼廠應大膽采用全量鐵水“三脫”預處理工藝,以建立起高效低成本的潔凈鋼生產(chǎn)工藝平臺,增強產(chǎn)品競爭力,加快大型轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)節(jié)奏,提高生產(chǎn)效率,以實現(xiàn)緊湊、高效、節(jié)能的循環(huán)型經(jīng)濟發(fā)展模式。鐵水預處理的選擇需要考慮效果、成本、效率等因素。1鐵水預處理技術的選擇1.1cao作為溶劑的“三脫”工藝1.1.1鐵水脫硫工序cao-pcr(1)鐵水溝鐵鱗脫硅反應式為:通過計算平衡常數(shù)得出不同溫度下反應平衡時的硅含量見表1。表1數(shù)據(jù)表明,鐵水脫硅是放熱反應,脫硅反應時鐵水溫度越低,脫硅的效果就越好?？紤]到鐵水的脫硫溫降和運輸、等待溫降,若將脫硅置于脫硫之后,脫硅時的鐵水溫度將較鐵水溝脫硅更低,鐵水預脫硅工序應盡量置于脫硫之后。(2)脫硫反應式為:計算結(jié)果見表2。當反應達到平衡時硫質(zhì)量分數(shù)可達10-4數(shù)量級,此水平可滿足所有鋼種的要求,這說明CaO粉劑是一種較理想的脫硫劑。另外,由鐵水脫硫平衡硫隨溫度的變化可知:從熱力學角度來講,在鐵水溫度范圍內(nèi),溫度的變化對鐵水脫硫效果幾乎沒有影響,因此脫硫工序在鐵水“三脫”中可考慮提至脫硅之前,從而在脫硫效果不受影響的情況下使脫硅也處于較好的熱力學條件下。(3)有資料表明,鐵水中w(Si)>0.15%時為脫硅期,w(Si)<0.15%時脫磷反應才會開始,脫硅反應式為:[Si]+2[O]=(SiO2)脫磷反應式為:3CaO(S)+2[P]+5[FeO]=3CaO·P2O5(S)+5[Fe],計算結(jié)果如表3所示。由表3可知:脫硅、脫磷反應是放熱反應,在較低溫度的脫磷爐內(nèi)脫硅的熱力學條件應是最佳的。因此應取消在鐵水溝高溫脫硅,將其移至脫硫之后的脫磷轉(zhuǎn)爐內(nèi)和脫磷一同進行。1.1.2脫硫反應平衡過程中硫含量的變化此法的脫硫反應式同上,計算結(jié)果見表4。比較表4與表2可知:在“脫硫→脫硅、脫磷”法的情況下,脫硫反應平衡時硫含量下降了一個數(shù)量級。將脫硅任務放在脫硫之后完成,能明顯改善CaO粉劑脫硫的熱力學條件。1.1.3s+[o]求解此法脫硫反應為:CaO+[S]=CaS+[O],計算結(jié)果如表5。比較表5、表4及表2可知:“脫硫→脫硅、脫磷”法下CaO粉劑脫硫反應的熱力學條件最好。1.1.4脫磷轉(zhuǎn)爐頂吹氧加cao機理研究表明:用氮氧復合氣體作載氣噴吹CaO粉劑同時進行鐵水預處理“三脫”反應時,脫硅、脫磷主要是在噴槍附近的高氧勢區(qū)進行的瞬時接觸反應;脫硫則是還原性渣與鐵水之間的持久接觸反應。脫硅反應式為:[Si]+O2=SiO2(S);脫磷反應式為:3CaO(S)+2[P]+5{O2}=3CaO·P2O5(S);脫硫反應為:CaO+[S]=CaS+[O]。計算結(jié)果如表6。比較表1、表3與表6可知,脫磷轉(zhuǎn)爐頂吹氧加CaO粉劑脫硅的熱力學條件是最優(yōu)的;CaO的脫磷能力受鐵水溫度的影響很大,在其它操作條件允許的情況下,應該盡量在低溫下脫磷。在“脫硫※脫硅、脫磷”法下,專用脫磷轉(zhuǎn)爐脫磷時鐵水的溫度較同時“三脫”時低。綜合比較認為:CaO作“三脫”劑時,脫磷應在脫硫之后,并在專用轉(zhuǎn)爐內(nèi)進行最佳。比較表2、4、5、6可知,噴吹CaO粉劑同時進行鐵水“三脫”的脫硫能力最弱。同時“三脫”在同一個容器中既要實現(xiàn)氧化脫磷、脫硅,又要完成還原脫硫,在熱力學上存在著矛盾,工藝上也不好實現(xiàn)。而將脫硅、脫磷和脫硫分階段處理,分別創(chuàng)造氧化和還原氣氛,要比同時“三脫”的熱力學條件更優(yōu)。由以上計算與分析可知,CaO作“三脫”劑時的最佳預處理法為:脫硫→脫硅、脫磷。1.2脫硅、脫磷劑的脫硫脫硅法脫硫→脫硅、磷法與脫硅、磷→脫硫法的脫硫反應式均為:[Mg]+[S]=MgS(S),計算結(jié)果見表7、8。對比表7與表8可知:“脫硅、脫磷→脫硫”法脫硫能力稍強,但由圖1可知,溫度對脫硫的影響較小,對脫硅、脫磷卻有很大的影響,高溫不利于脫硅、磷,1500℃時,硅、磷質(zhì)量分數(shù)在0.01%以上,不能滿足要求,w(S)=20.8×10-6,可滿足要求。綜合考慮,鎂粉作脫硫劑,CaO作脫硅、脫磷劑最佳法為:脫硫→脫硅、脫磷。通過對CaC2及Na2CO3作脫硫劑的熱力學計算,也得出了相同的結(jié)論:“脫硫→脫硅、脫磷”法的脫硫反應熱力學條件更好。2鐵水預處理設備和方法的選擇2.1鐵水包噴吹脫硫工藝的脫硫機理文獻用FLUENT軟件計算的260t魚雷罐流場矢量圖、速度分布圖如圖2所示:由圖2可知:魚雷罐內(nèi)流場極不均勻,漩渦橫向發(fā)展,造成的死角多,尤其是魚雷罐兩頭、底部、以及中間部分區(qū)域的鐵水流動性較差,在很大程度上惡化了脫硫的動力學條件;由于噴吹對上述區(qū)域鐵水的攪拌作用較小,粉劑不易到達,加之粉劑很快上浮,所以脫硫終了時這部分鐵水的含硫量仍相對較高,影響到整罐鐵水的脫硫效果。武漢鋼鐵(集團)公司第二煉鋼廠(以下簡稱武鋼)是國內(nèi)為數(shù)不多采用KR法進行鐵水脫硫預處理的廠家。武鋼使用經(jīng)過烘烤的澆鑄耐火材料所做的十字型攪拌頭,插入85t鐵水罐中旋轉(zhuǎn),攪拌頭的轉(zhuǎn)矩達到8200N·m,設有3個不同檔位,最大轉(zhuǎn)速120r/min,使鐵水產(chǎn)生漩渦,可獲得良好的動力學條件,經(jīng)過稱量的脫硫劑由給料器加入到鐵水表面,并被漩渦卷入鐵水中,脫硫劑在不斷地攪拌過程中與鐵水中的硫發(fā)生化學反應,達到脫硫的目的。由圖3可看出,KR攪拌形成了鐵水的循環(huán)流動,這大為改善了脫硫的動力學條件,減少了脫硫劑的消耗。武鋼的生產(chǎn)實踐表明:攪拌時間只需要5min就可使脫硫劑得到充分的利用,脫硫速度快、效果好,鐵水原始硫質(zhì)量分數(shù)為300×10-6時,處理后可達10×10-6以下。文獻認為:較之噴吹法,攪拌法使得脫硫過程中的動力學條件得到了根本性的改善。鐵水包噴吹法脫硫流場如圖4所示。由圖4可知,鐵水罐底部及與噴吹口處成90°夾角的區(qū)域是噴吹的死區(qū),由于噴吹角度的限制及脫硫劑上浮的原因脫硫劑始終到不了這一區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)鐵水流動不足,動力學條件較差,使得該這部分鐵水的脫硫效果基本上等于零。脫硫完畢,死區(qū)內(nèi)鐵水的硫就會漸漸擴散到整罐鐵水中,從而導致“回硫”。鐵水包噴吹法脫硫的基本原理是靠一定壓力和流量的載氣,通過壓力管道把脫硫劑送進噴槍,最終從噴槍的噴眼噴入鐵水中脫硫。脫硫劑在上浮的過程中與鐵水的硫進行化學反應,同時載氣和脫硫劑的沖擊與上浮帶動鐵水流動起到攪拌作用,但是氣體和脫硫粉劑的比重和總質(zhì)量與鐵水比差之甚遠,它們上浮造成的鐵水對流運動是很弱的。在上浮過程中,脫硫劑只有部分參與脫硫的反應,當上浮到鐵液表面時仍然有一部分脫硫劑沒有參與反應。由于鐵水對流運動較弱,部分脫硫劑將浮在鐵液面難以利用,最后和脫硫渣一起被扒入渣罐,導致脫硫劑耗量比KR法大。綜合比較,在3種預處理脫硫工藝中,鐵水包KR法脫硫的動力學條件是最優(yōu)的。在實際生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)也表明,KR法的脫硫效率更高,粉劑消耗更少。2.2魚罐和鐵水罐和魚罐的配比對為了提高脫硅反應速度、充分利用脫硅劑,動力學要求必須加強攪拌,以降低擴散層厚度和增加反應界面面積。從此角度看,使用轉(zhuǎn)爐做反應容器比魚雷罐和鐵水罐要優(yōu)越得多。因為魚雷罐和鐵水包的容積小,在脫硅、磷反應時容易產(chǎn)生噴濺,限制了噴吹的強度,特別是魚雷罐,其形狀是兩頭小中間大,反應空間決定了它的動力學條件遠不如轉(zhuǎn)爐。相比之下,轉(zhuǎn)爐的熔池大,渣層較薄、渣鐵接觸面積大于魚雷罐和鐵水包;爐容比大,幾乎不存在噴濺問題,可以允許更高的噴吹強度,有條件的轉(zhuǎn)爐還可以加上底吹,進一步改善爐內(nèi)鐵水的動力學反應條件,縮短處理時間。2.3轉(zhuǎn)爐脫磷動力學條件圖5、圖6是兩種脫磷方法的曲線圖。比較圖5、6可知,將磷脫至w(P)=50×10-6,專用轉(zhuǎn)爐只需要10min,而魚雷罐則需40min,轉(zhuǎn)爐脫磷的動力學條件優(yōu)于魚雷罐,效率更高。3鐵水預處理操作成本的比較3.1與消除污染的成本比較表9給出了兩種脫硫工藝不同粉劑的成本比較。由表9可知,KR法(CaO作脫硫劑)成本最低。3.2鐵、硅的脫硅成本高爐出鐵場使用燒結(jié)礦粉每噸鐵脫硅成本為36.14元,魚雷罐噴粉脫磷,每噸鐵脫硅、脫磷成本為43.33元。因此,高爐出鐵場先脫硅再由魚雷罐噴粉每噸鐵脫硅、脫磷的總成本為79.47元。專用轉(zhuǎn)爐脫硅、脫磷每噸鐵成本為23.03元。顯然,專用轉(zhuǎn)爐脫硅、脫磷成本優(yōu)勢明顯。4鐵水預處理的容器、方法和操作成本(1)通過對不同熔劑、不同處理法的熱力學計算比較得出最佳鐵