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KR法铁水脱硫工艺的发展、脱硫的原理及其探讨摘要：介绍了KR法铁水脱硫工艺的发展、脱硫的原理、该工艺的优、缺点及影响脱硫效果的因素，对喷吹和KR脱硫工艺进行了比较，为铁水脱硫装置的选择提供借鉴。
关键词：铁水预处理；脱硫；搅拌；喷吹前言铁水预处理已成为现代化的炼钢生产工艺：铁水预处理—复吹转炉—炉外精炼—全连铸和热装热送．当下用户对钢材质量要求越来越苛刻，一般要求钢中的硫含量控制在0.015%以下，有的甚至要求达到“双零”的超低硫水平，而且考虑到减轻转炉的冶炼任务和减少转炉消耗指标，使各冶炼设备的任务更加单一化、专业化，发挥各自的特长，因此近年来国内新建转炉钢厂都配备了铁水脱硫装置，老厂则经过改造配备了脱硫装置．搅拌法作为一种主流脱硫工艺，在国内许多钢厂得到了很好应用．1搅拌脱硫工艺1．1搅拌脱硫工艺在国内的发展KR搅拌法是日本新日铁广烟制铁所于1965年用于工业生产的铁水炉外脱硫技术［1］，早在1976年武钢二炼钢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70～80t，处理周期约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，处理周期长，所以并没有在国内得到广泛推广．随着时间的推移，搅拌法脱硫工艺经过近二十年的发展，已形成为一种成熟稳定的脱硫工艺，无论消耗指标、运行成本还是处理周期都大大降低．2000年武钢二炼钢在消化了第一套搅拌法脱硫工艺的基础上，联合原武汉钢铁研究设计总院自主设计和建造了第二套搅拌脱硫装置．2001年宝钢集团一钢公司从日本川崎重工引进两套150t搅拌脱硫装置，2002年原武汉钢铁研究设计总院又在昆钢建造了两套55t的搅拌脱硫装置，2003年原上海冶金设计研究院在宝钢集团上钢三厂建造了两套40t的搅拌脱硫装置．2007年在武钢新二炼钢新建两套200t、马钢四炼钢新建两套300t搅拌脱硫装置．韶钢新一钢工程在建两套130t搅拌脱硫装置，这样在国内已形成了300t、200t、150t、130t、80t、55t、40t的搅拌脱硫大、中、小系列．1． 2 搅拌法脱硫工艺的原理所谓搅拌法脱硫工艺，是将浇铸耐火材料并经过烘烤的十字形搅拌头，插入到有一定量铁水的铁水罐中旋转，使铁水形成漩涡，然后将经过称量好的脱硫剂通过振动给料(或旋转给料器)加入到旋转的铁水中．脱硫剂进入铁水罐后，迅速被漩涡卷入铁水中，在不断的搅拌过程中与铁水中的硫充分反应，从而脱硫的．影响脱硫速度的因素主要有二，一为脱硫剂种类，二为动力学条件．研究证明，动力学条件的影响大于脱硫剂种类的影响，搅拌速度高达 120r/min，铁水充分旋转，获得了良好的冶金动力学条件，投入的脱硫剂能够充分的反应，因此脱硫效率高达 95%以上．目前搅拌法脱硫工艺以石灰作为脱硫剂，再配入少许萤石、铝渣作为助熔剂．当铁水中的硅含量在0. 05!以上时，脱硫反应为: 反应生成的CO 气体对铁水起到搅拌作用，更加快了脱硫反应的进行．因为高炉铁水中的硅含量一般均大于0. 05%，因此脱硫反应均为(1)式．在反应式(1)中生成的Ca 2 SiO 4 层将石灰颗粒包住，此层质地紧密，且熔点高，阻碍了铁水中的硫透过它向深部扩散，使脱硫速度变缓，且生成的致密层包住新加入的石灰，增加了石灰的消耗，因此向脱硫剂中配入萤石等助熔剂，生成低熔点物质，从而使铁水中的硫进一步与石灰反应，能提高脱硫效率约 20%［2］．由于降低氧势可以提高脱硫效率，因此部分钢厂向铁水中加入铝渣，通过铝脱氧来降低氧势［3］．1． 3 搅拌法脱硫工艺的优缺点1． 3． 1 搅拌法脱硫工艺的优点1) 脱硫效率高而稳定搅拌法脱硫工艺由于其良好的动力学条件及重现性，使脱硫效率高而稳定，且回硫少，国内某厂，采用搅拌法一个班处理了8 炉铁水，7 炉达到0. 001%，一炉为0. 002%，而采用石灰加镁粉的喷吹法则较难达到这个水平，且回硫情况较严重［4］．2) 脱硫剂搅拌法采用石灰基脱硫剂，运输与储存无需特殊措施，镁基喷吹法脱硫工艺所用镁粉需钝化处理，且运输和储存需有防护措施．3) 运行成本无论是喷吹工艺还是搅拌工艺，主要运行成本为脱硫剂和耐材．搅拌装置的搅拌头经过多年的改进，寿命已经大大提高，目前通常大于250 炉，在武钢高达500 多炉，而喷吹法喷枪的寿命通常在60 多炉;搅拌装置采用石灰基的脱硫剂，来源广泛，价格低廉，而镁基脱硫剂价格很高，且受市场的波动影响较大，通过对国内某厂生产数据的分析，在铁水终点硫≤0. 005%时，搅拌法比喷吹法运行成本低，而当铁水终点硫＞ 0. 005%，喷吹法比搅拌法运行成本低．1． 3． 2 搅拌法脱硫工艺的缺点1) 设备较大，占用面积较多．2) 一次性投资较大．3) 铁水的温降较大．4) 铁损较大．5) 处理周期较长．1． 4 影响搅拌法脱硫效率的因素影响搅拌法脱硫效果的主要因素如下．1) 在进行搅拌脱硫之前，铁水液面上的渣子不能太多，否则将会影响脱硫剂的充分反应．因此在搅拌脱硫之前需进行前扒渣，以扒除70%的渣量为宜，或者采用已成熟的捞渣工艺，韶钢KR 脱硫装置中选用了山东烟台的新型捞渣装置．2) 搅拌桨的转速不能太低，否则达不到良好的动力学条件，脱硫效率降低．通常搅拌作业时的正常转速为 100 ～120 r/s，随着搅拌头的损耗，可适当提高搅拌桨的转速，以保证良好的动力学条件．3) 脱硫剂必须是粉剂，以增加反应面积，使铁水中的硫与石灰充分接触．如果脱硫剂颗粒太大，则脱硫剂无法充分反应，且增加了单耗，直接影响脱硫效果．通常要求脱硫剂＜3 mm．4)脱硫剂主要成分是石灰，因此石灰的质量对脱硫效果影响非常大，主要是石灰中的 CaO 含量、石灰的活性度及石灰中的硫含量．5) 搅拌桨的插入深度要适当，插入深度过深或过浅都会直接影响到脱硫效果，过浅，搅拌时喷溅严重，且铁水罐内下部铁水搅动效果差;过深，则上部的铁水搅动较差．2 搅拌法与喷吹法比较2． 1 脱硫工艺比较两种脱硫工艺的比较见表 1．2． 2 脱硫运行成本估算比较脱硫运行成本估算的比较见表 2．2． 3 两种脱硫方法的分析评价通过对两种脱硫工艺的脱硫效果和运行成本综合比较，可见搅拌法在深脱硫和总成本方面优势突出．对于大中钢铁企业，从长远考虑并结合生产实际，KR 搅拌法铁水预脱硫应是更具有深远价值的选择．3 结论搅拌法脱硫工艺作为一种高效，低成本的脱硫工艺在国内外已得到广泛推广，在国内已经形成由小到大的系列产品．尽管搅拌脱硫设备的一次性投资较大，但脱硫效果好，运行成本低，收回投资快．因此搅拌法脱硫将成为今后的一种主流脱硫工艺，得到更广泛的推广，并有向三脱处理工艺演化的趋势．。
KR法铁水脱硫数值分析本文运用计算机仿真技术对KR法铁水脱硫罐内铁水的流动进行了模拟，并得到了铁水液面的漩涡。
同时，模拟了搅拌头的侵蚀对搅拌效果的影响，得出了搅拌头半径、转速等参数对搅拌效果的一些基本规律。
标签：KR法；多相流模型；数值模拟随着市场对钢种的质量要求越来越高，许多钢厂在炼钢生产之前都采用铁水脱硫工艺对高炉铁水进行处理。
这不仅可以减轻高炉的负担、降低焦比、减少渣量和提高产量，也使得转炉不必为脱硫而采取大量渣量高碱度操作，提高了金属收得率和生产效率[1]。
目前，广泛应用的铁水脱硫工艺主要有KR机械搅拌法和喷吹法。
KR法脱硫虽然一次性投资稍大，但其极好的脱硫动力学条件得到许多钢厂的亲睐。
1建立模型1.1模型的几何尺寸及网格划分铁水罐和十字搅拌头几何尺寸参数如图1中所示。
另外，搅拌头的旋转速度按恒定的120r/min计算。
1.2数学模型1.2.1模型假设条件（1）不考虑温度对铁水物性参数及流动特性的影响；（2）铁水为不可压缩流；（3）不考虑铁水罐内铁水上面铁水渣对流动的影响。
1.2.2数学模型的建立本次数值模拟以铁水罐内铁水和铁水上部空气为研究对象，采用自编译程序对模型进行求解。
KR法脱硫是借助于搅拌头旋转产生的漩涡将脱硫剂卷入铁水中与铁水充分接触反应，达到脱硫目的。
由于多相流模型能很好的处理自由表面流动和分层流动，因此引入多相流模型对铁水液面的波动和漩涡进行模拟。
因此，本次研究所用到的数学模型主要有连续性方程、动量方程、及k-ε方程和多相流模型。
2结果分析2.1模型流场分析图2是图1中模型的计算结果，a图是z=1.8m处x-y平面上的速度矢量图。
从a图中可以看出，十字搅拌头带动罐内铁水按逆时针方向旋转，搅拌头半径范围内速度较大，沿径向速度逐渐减小。
b图是x=0截面上的流速矢量图，由于搅拌头的旋转，铁水沿切向旋转的同时，铁水还往径向流动，遇到铁水罐罐壁处流动受阻，铁水流股分成上、下两个不同方向的流动，并各自形成回流。
对KR法与喷吹法两种铁水脱硫工艺的探讨阐述武钢二炼钢厂投产应用多年的铁水搅拌式脱硫(KR法)装置的概况,简要介绍了国内几家采用喷吹法的应用情况,对两种铁水脱硫工艺进行了分析。
关键词：KR法喷吹法铁水脱硫工艺铁水脱硫是实现现代化炼钢厂优化生产工艺流程即:铁水预处理——顶底复合吹炼转炉——钢水炉外精炼——全连铸和热送热轧的工艺路线的重要环节。
特别是在钢铁市场面临市场激烈竞争的形势下,用户对产品质量,品种的要求不断提高。
硫作为一种有害元素(特殊要求钢种除外),不仅对最终产品的内在质量和机械性能具有显著的影响,而且也增加转炉冶炼的负担和铸坯产生热裂的危险性。
因此,许多炼钢厂即使生产普通碳素钢,也要求入炉铁的含硫量＜0.020%。
又如德国某厂为我国北海油田酸性输气管生产的36×28.4mm的X65钢板,其平均含硫量为0.0008%(质量百分数,标准差为0.00015%。
这说明了铁水脱硫是生产纯净钢的需要,也是市场和企业发展的需要。
1 武钢二炼钢厂KR铁水脱硫装置概况武钢二炼钢厂KR铁水脱硫装置是70年代从新日铁株式会社引进的搅拌式铁水脱硫装置。
设备总重量为650t(不含铁水罐车及渣罐车),国外引进量为270t,占41.5%,其余为国内配套。
当时投资费用为1152万元,其中KR装置为780.86万元。
KR脱硫装置设计年处理量为47.5t,由于铁水进厂次数限制及运输线路的影响,年处理量较低,1990年实际处理量仅28.62万t。
1991年后,通过双罐脱硫改造及改进生产管理组织工作,使处理量逐年提高,到1998年脱硫处理量达到83.9万t,其它指标如脱硫剂耗量、耐材耗量及能耗等也逐年降低,作为脱硫装置的主要消耗部件——搅拌头的寿命已突破500次,单位铁水脱硫成本降为10.17元/t铁。
今年来,武钢二炼钢厂采用Cao+Mg作脱硫剂进行工业试验,也收到初步成效。
目前在国内,只有武钢二炼钢厂采用KR法进行铁水脱硫。
KR法铁水脱硫主体设备介绍及有关计算采用 KR法铁水脱硫工艺，是在炼钢过程中，通过使用脱硫剂来对铁水中的硫化物进行脱除。
这种工艺可将硫化物去除率提高到95%以上。
因此, KR法铁水脱硫工艺在国内外得到广泛的应用。
铁水采用干法脱硫工艺时，将吸收剂用压缩空气从吸收塔顶部吹入，并在脱硫剂中迅速地被吸收，达到脱除硫化物的目的。
KR法铁水脱硫工艺与传统的加药法有很大不同。
因为它需要一套独立
的设备供多个设备之间进行互联，并同时存在一定距离的压力差和温度等约束条件。
同时该吸附剂组分本身也具有一定的毒性，所以一般不允许用普通的容器盛装。
1、 KR法烟气净化塔
由于目前国内很多采用干法脱硫工艺的公司，都在新建或改造 KR法铁水脱硫工艺，因此对于 KR法烟气净化系统来说，需要设计一套完整的烟气净化系统。
在这种情况下, KR法烟气净化系统是其中最重要的设备。
根据 KR法的特点，一般所说的烟气净化塔主要包括塔体上盖）和塔体下盖三部分。
塔体包括隔膜除尘器、喷淋塔、循环水泵和排灰管道等设备及管道防腐等措施。
烟道上装有引风机，当有少量二氧化硫进入烟道时，可利用引风机上的导风板导出二氧化硫气体（脱硫塔内烟气浓度不能超过10 mg/m3)至吸收剂仓，再由吸收剂仓送入吸附罐内，达到脱除气体的目的。
当 KR法烟气净化系统中有一套循环水泵和排灰管道时，这两个设备必须单独运行。
2、铁水加药系统
铁水加药系统主要由以下三部分组成：铁水净化塔、加药系统。
净化塔位于铁水加药系统第二层（图3),该段设计流量为2 m/h,高度2.5 m (见图4)。
净化塔主要由塔体（底部进气口和上部出气口）、底座（上部塔体和下部塔体）和塔内容器（见图5)组成。
净化塔和加药系统连接在一起，净化塔内容器为铁制管式结构，在吸收塔底部设有2个可调节开口板安装旋转阀，上部设置10个调节开孔；吸收塔和加药系统之间设有3台空压机和1台压缩空气机组；加药系统主要由加药泵、加药阀和过滤器等组成。
加药泵采用双柱式离心泵，其性能指标：扬程为8 m;扬程
为16 m;压力为0.85 MPa;流量为30m3/h;压力系数为0.8;过滤器规格：滤片用球墨铸铁；流量≤16m3/h;压力≤0.7 MPa。
3、硫磺回收系统
硫磺回收系统是由两台硫磺回收机和一台硫磺冷凝器组成的。
硫磺冷凝器用来控制硫磺的冷凝程度。
冷凝器采用一种双层隔板结构，中间隔板与两边隔板之间用不锈钢薄板隔开，采用多组冷却循环来实现冷凝过程中热量回收。
冷凝水温度控制在10~15℃。
在冷却循环中，冷凝器从下部排出，冷却循环结束后从上部排出。
废酸洗系统是将废酸和少量碱性废水经过滤后用离心分离器分离除去，出水返回酸洗塔进行酸洗处理，达到排放标准后排入污水处理站进行达标排放。
4、脱硫剂回收站
回收站主要是将吸收塔内的脱硫剂回收到生产现场，再由压缩空气将其吹入到脱硫塔内，在吸附过程中完成吸收反应，并产生高温。
脱硫剂的回收需要一个高温炉，根据设计和生产的要求，温度设置为200~250℃。
根据目前铁水的温度，回收站的工作温度为250℃。
一般情况下回收站所用的设备都应是耐腐蚀、防腐性能较好、结构简单的新型设备，同时应具有优良的运行性能和操作性能。
回收站主要由炉体、进料槽和吸收塔三部分组成。
回收站使用一台立式储罐储存脱硫剂，储罐的结构是由两部分组成:1部分为塔体;2部分为进料槽。
两部分都设有压力变送器，以保证吸收塔内脱硫剂不会从储罐逸出。
5、气体回流装置
采用干气浮原理对气体进行回流处理。
通过向回流塔内送回一系列气体来达到减少空气阻力、提高效率的目的。
本装置主要由一台单通道回流阀组（见图3)和一台双通道回流阀组（见图4)组成，回流阀组的作用是将一系列进入吸收塔内的气体进行分流。
回流阀组用四个可活动的叶片与单通道回流阀组相连接。
单通道回流阀组内气体由进料弯头进入吸收塔内气体在其阻力下进行
分流，该分流阀组采用的材质是铸铁，其压力等级为0.5 MPa~1.0 MPa;双通道回流阀组内气体由进料弯头进入吸收塔内气体分别从两个分流阀组分别排出塔外。
双通道回流阀组内气体由进料弯头进入吸收塔内气体分别从两个分流阀组分别排出塔外气体分别在两个分流阀组上进行分流；双通道回流阀组内气体依次通过两个分流阀组返回塔外气体分别在各个分流阀组上进行分流。
该系统由四台双通道回流阀组组成，其中两台回流阀组各设一个回流通道，另外两台回流阀组各设一个回流通道。
6、除氧机的构造及作用
在 KR法铁水脱硫过程中，要把煤气的热量转化为化学能传给烟气，使烟气从脱硫塔底部进入除氧机。
除氧机由主机、风管、管道及阀门组成。
主机又可分为两部分：内室和外室；内室主要由气体喷嘴，喷嘴的作用是把煤气中的氧气，按一定方式混合成饱和的、低浓度的气液两相。
喷阀用来控制压缩空气中气液的比例。
喷管处有泄气装置，防止将煤气喷出或排放在系统以外。
管道的上部有橡胶、聚四氟乙烯波纹管及钢制管道组成。
