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
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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。
所谓KR脱硫法,主是将浇铸耐火材料并经过烘烤的十字形搅拌头,插入有定量铁水的铁水罐中旋转,使铁水产生漩涡。
经过称量的脱硫剂由给料器加入到铁水表面,并被漩涡卷入铁水中,脱硫剂在不断地搅拌过程中与铁水中的硫产生化学反应,达到脱硫的目的。
由于搅拌头的转矩达到820kg。
m,转速120r/min,铁水获得良好的动力学条件,因而脱硫剂可以得到充分的利用,脱硫效率高。
当铁水原始硫量为0.03%时,处理终点硫量可达0.001%(w)。
当然不管什么方法脱硫,都必须对铁水条件、脱硫剂条件、搅拌或喷吹条件、脱硫剂加入条件等提出合适的技术标准,才能提高其脱硫效果。
武钢二炼钢厂KR铁水脱硫装置在生产过程中正确运用这些技术标准,使入炉铁水硫含量平均值不断降低,达到平均值为0.0027%(w),已超过国内较先进钢厂的0.006%(w)水平和新日铁及台湾中钢的0.007%(w)水平。
为保证管线钢、高牌号无取向硅钢的生产发挥了重要作用。
2 关于喷吹法铁水脱硫工艺武钢二炼钢厂为了实现铁水全脱硫,准备再上一座年处理量为140万t的铁水脱硫站。
通过我们到国内一些使用喷吹法钢厂的考察以及与外商进行的技术交流,对喷吹法工艺有了一些了解。
喷吹法铁水脱硫工艺的工业应用也是产生于70年代,由于连铸生产技术的发展和市场对较高质量钢种的需求,促使炼钢厂要求降低铁水中的含硫量,因此,各种经济适用的铁水炉外处理方法也就应运而生。
喷吹法由于设备相对简单,一次性投资比搅拌法要低,因此在国内与国外应用较多,但是,存在着以下一些问题。
2.1 铁水动力学条件差喷吹法脱硫的基本原理是靠一定压力和流量的氮气,通过管道把脱硫剂输送进喷枪,并从喷枪底侧的两喷眼中喷射出,靠脱硫剂上浮与铁水中的硫进行化学反应。
在氮气和脱硫剂上浮过程中,能够带动铁水在铁水罐中作对流运动,但这种垂直的浮力不可能使铁水形成环流运动,所以,喷吹法与KR法比较,铁水流动的动力学条件明显较差,因而带来以下问题。
2.1.1 铁水返硫现象普遍喷枪在喷吹过程中,由于喷吹角度的限制及脱硫剂不能下沉等原因,使得脱硫剂始终到不了一部份区域,如铁水罐底部及与两眼成90°夹角区域(图1),我们称为死区。
由于铁水动力学条件差,使得该区域的铁水得不到流动,因此该区域内的铁水脱硫效果基本上等于零。
当此罐铁水脱硫操作完成后,所取得的硫样一般不是真量,时间一长,死区内铁水的硫就会渐渐扩散到整罐铁水中,使得铁水硫量回升,造成返硫现象。
这也是喷吹法的脱硫效率低于KR法的主要原因。
图1 喷吹时,脱硫剂难到达的死区2.1.2 脱硫剂耗量高在脱硫工作开始后,脱硫剂从喷枪喷射进铁水中,就会迅速上浮,在上浮过程中,一部份脱硫剂与铁水中的硫进行了反应,还有一部份脱硫剂没有参与反应就浮到铁水面上,由于铁水的动力学条件差,这一部份脱硫剂就会浮在铁水面上而下不去了,靠铁水对流可能会被利用一些,但多数浮在铁水面上的脱硫剂难能利用,最后和脱硫渣一起被扒到渣罐中,这就是造成脱硫剂耗量增高的原因。
2.2 脱硫剂输入量的控制技术不成熟为了克服上述的脱硫剂浮在铁水面上而造成脱硫剂的消耗过高,一个理想的办法就是在每一个单位时间里,对输入铁水中的脱硫剂的量进行控制,使得脱硫剂在上浮的过程中,全部与铁水中的硫进行反应,不使有多余的脱硫剂没获得反应的条件就上浮到铁水面上来。
另一方面,单位时间里的脱硫剂输入量又不能太小,输入量太小又会使脱硫时间延长,氮气耗量增加。
脱硫剂输入量与铁水罐中铁水重量、铁水温度、前硫量、后硫量等因素有关。
因此,对脱硫剂输入量进行有效的控制,是整个喷吹法脱硫工艺的核心内容。
脱硫剂输入方法一般是:当流态化了的脱硫剂通过流化罐底部一个可调节的小孔流到输送管中,再由氮气送进喷枪乃至铁水中,改变这个小孔的截面面积,就可以改变脱硫剂的输入量。
武钢三炼钢厂的脱硫剂输入就是采用这一方法,整个控制部份叫“电动喉口”,由计算机控制的伺服气缸来改变喉口的截面积。
这一部份是从美国引进的,由于喉口是一橡胶筒状体,在使用过程中经过不断的挤压,极易磨损。
并由此造成控制失灵以及脱硫剂被堵塞,这也成了武钢三炼钢厂脱硫站最感头疼的问题。
武钢一炼钢厂脱硫剂输入与三炼钢厂不同,一炼钢的小孔是不可调节的,而是改变流化罐中的气压来改变脱硫剂的输入量,因为气压本身波动较大,加上这种控制方法并不精密,因此使用过程中也不理想。
德国“KUTTNER”公司的铁水喷吹脱硫技术在国际这一领域内处于领先地位,我们在同他们技术交流中,对他们这种控制脱硫剂输入量的控制阀提出询价,而他们表示这个控制阀是他们的核心技术,专利产品,不单独出售,只有购买整套脱硫设备才能随整套设备提供。
比较起来,KR法就可以免去这样复杂的控制方式,只需将脱硫剂一次称量,一次投入铁水面上通达搅拌就可达到理想的脱硫效果。
3 两种工艺经济技术分析1999年3月份,我们和德国“KUTTNER”公司进行技术交流中,德方专家提供一份德国蒂森钢厂使用该公司脱硫装置的经济技术指标资料,其中,采用CaO作为脱硫剂与二炼钢厂有可比性,在前提条件相同的情况下(即铁水温度均为1300℃,脱硫剂均用CaO,前硫均为0.06%(w),后硫均达0.005%(w)),蒂森厂与二炼钢厂脱硫剂耗量及经济分析如下:表1 德国蒂森厂与武钢二炼钢厂脱硫剂耗量与经济分析另外,我们在国内考察中,国内B厂是采用国产设备建成的喷吹脱硫装置,由于建成时间早,在许多指标上(如脱硫剂单耗、温损、脱硫效果、喷枪寿命)都比晚建成的、同样是国产设备的国内A厂要相差甚远,唯一喷枪的价格比较低,国内B厂的喷枪靠自己制作,每根价格为5000元,而国内A厂喷枪要外购,每根价格为15万元到2万元之间。
虽然国内A厂脱硫站新近建成,许多指标会随着时间的推移而好转,但是,代表国产设备的喷吹法工艺与二炼钢厂KR法还是有一定的可比性,下面一系列表中,国内A厂数据取自1999年3月份中某一阶段的平均值,国内B厂的数据取自考察报告,均未经以上两厂确认,仅供参考。
下面一系列表是在前提条件相同的情况下,即铁水温度均为1326.2℃,脱硫剂均用CaO,脱前硫均为0.0239%(w),后硫均达0.0067%(w)的情况下,武钢二炼钢厂与国内A厂以及国内B厂进行的经济分析。
表2 脱硫剂耗量与经济分析表3 搅拌头与喷枪费用比较表4 喷吹与搅拌耗时比较表5 喷吹和搅拌在纯处理时所用动力费比较4 关于KR法与喷吹法两种铁水脱硫装置的一次性投资情况针对武钢二炼钢厂准备再上一套年处理量为140万t的全国产化设备的铁水脱硫站,武汉钢铁设计研究院在做可行性研究时,对KR法和喷吹法各做了一个方案,并对两种铁水脱硫方案的一次性投资也进行了估算。
两种方案的共同点是拆去一座混铁炉,并在其旧址上建脱硫站,利用主厂房、行车及除尘装置等设备设施可以节省投资。
工艺平面布置为一个喷吹(搅拌)位、二个扒渣位、一个吊罐位,按吊—扒—喷(搅)—扒—吊次序排列。
设计一套并预留一套脱硫剂储料及喷吹系统。
两种方案的不同点在于,喷吹法方案是在喷吹位设计二根喷枪(一用一备),由升降装置控制其升降。
而KR法是在搅拌位设计一根搅拌头,除了升降装置控制其升降外,还有搅拌头旋转装置。
搅拌头旋转装置能使铁水获得良好的动力条件。
其速度控制较复杂,一般有两种方式,一种是液压控制,另一种是机电控制。
液压控制是由变量泵配定量油马达组成的恒扭矩调速系统,它能使搅拌头的转速由“0”—低速—高速,或者从高速—低速—“0”的调速过程中,扭矩始终保持恒定。
武钢二炼钢厂现有的KR脱硫装置就是采用的这种液压控制方式,武汉钢铁设计研究院做的方案也是采用这种方式由于需采用大量的液压元件,而且有些原件必须引进,投资价格较高。
机电控制是由电机配减速机,并且电机采用变频调速技术来实现搅拌头的恒扭矩调速。
由于变频调速技术发展到今天,已经是成熟的技术,而且采用电机的变频调速,投资价格较低廉。
武汉钢铁设计研究院对KR法和喷吹法两种方案的投资进行了估算。
KR法的投资估算比喷吹法投资估算多200万元。
5 结论(1)武钢二炼钢厂在全脱硫改造中,如果采用KR法,则在脱硫剂耗量、搅拌头(喷枪)制作费及动力费三个方面要比采用喷吹法每年增加的经济效益为1392.68万元。
(2)除了以上明显的经济效益外,在脱硫效率、处理时间等方面,KR法明显优于喷吹法。
■出师表两汉：诸葛亮先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。
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宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。
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