镁基脱硫剂铁水炉外脱硫的工艺研究★

2018-01-17徐阳，李晶，包莹，隋然

山西冶金 2017年6期

徐阳，李晶，包莹，隋然

（兰州工业学院材料工程学院，甘肃兰州 730050）

镁基深脱硫技术以高效低耗的脱硫效果成为铁水预处理的重要手段，并得以推广和应用，运用科学合理的操作方法可以达到降低粉剂消耗、缩短喷吹时间和减少温降等目的，从而提高脱硫率和镁的利用率[1-7]。因此，对工业生产的铁水预处理中使用Mg/CaO复合脱硫处理的脱硫数据进行分析，进而得到脱硫率与喷吹镁量、初始硫与脱硫剂喷吹速度这些工艺参数之间的关系，从而为实际生产提供一定的指导意义。

1 生产工艺

1.1 生产工艺流程

铁水炉外脱硫工艺流程如图1所示。

图1 脱硫工艺流程

1.2 喷吹系统设备

铁水预处理主要由喷吹系统、扒渣系统、除尘系统等组成。喷吹系统主要设备有储粉罐、喷粉罐、喷枪等，粉料输送采用流态化送料，载气为氮气。

1.3 喷吹方式和有关参数

本脱硫工艺采用复合喷吹方式，粉剂选择流化石灰粉和钝化镁粉，深脱硫以镁粉为基数。有关喷吹工艺参数及脱硫效果见表1。

表1 复合喷吹工艺参数及脱硫效果

2 脱硫数据分析

2.1 脱硫速率常数

影响脱硫速度大小的因素主要是反应速率常数k（见表2）。采用一级反应处理的方法对数据进行处理：ln（C0/C）=kt。式中：C0为初始硫质量分数，C为任意时刻硫的质量分数。

表2 脱硫速率常数

根据现场数据计算得出的速率常数k在0.264～0.324之间，是一个波动很小的范围，所以可以得出k为表观速率常数。也可以根据范特霍夫规则来验证k为表观速率常数，而不是真实速率常数。对于脱硫反应：[Mg]+[S]=MgS（S），根据范特霍夫规则：温度每升高10℃，反应速率大约增至原来速率的2～4倍。显然计算出来的速率常数k随温度变化（每升高10℃）的速度远远小于2～4倍。因此，可以得出反应速率常数不是化学反应的真实速率常数，而是表观速率常数。根据脱硫过程表现出的一级反应特征，可以判断脱硫过程是由扩散控制的一个过程[8-9]，扩散过程为限速环节。

2.2 初始硫含量对脱硫率的影响

图2是初始硫对脱硫率影响的关系图，从图2中可以看出：曲线的相关系数接近于1，曲线具有很好的拟合性。随着铁水初始硫含量的增加，脱硫率越高，其脱硫效果越好。这是因为铁水初始硫含量越高，硫的活性越大，硫的扩散越快，脱硫反应越容易进行，脱硫率越高[4]，脱硫效果也就越好。

图2 初始硫与脱硫率关系曲线

2.3 m（Mg）/m（CaO）的比值对脱硫率的影响

金属镁的脱硫能力很强，反应速度很快。但由于镁容易汽化挥发，所以必须控制它的挥发速度，进而减缓反应速度，有必要在纯镁中配加一定量的石灰粉，制成复合脱硫剂。

图 3 是 m（Mg）/m（CaO）比值与脱硫率的关系图，从图3中可以看出：曲线的相关系数接近于1，曲线具有较好的拟合性。在复合脱硫剂中，随着Mg所占的比率增加，脱硫率越高，其脱硫效果越好。这表明在一定的喷吹条件下，金属镁比CaO的脱硫能力强。因为CaO在复合脱硫剂中主要起分散和稀释的作用，主要参与脱硫的还是镁粉，只有少部分CaO参与脱硫反应。因此，在实际生产过程中，为了既降低企业成本又能够提高脱硫效果，适当提高金属镁的配比，以最经济的脱硫剂消耗，最合理的脱硫生产周期来满足炼钢的需求。

图 3 m（Mg）/m（CaO）与脱硫率关系曲线

2.4 脱硫剂喷吹速率对脱硫率的影响

图4是粉剂喷吹速率与脱硫率的关系图，从图4中可以看出：曲线的相关系数接近于1，曲线具有较好的拟合性。随着喷吹速率的增加，脱硫率越高，其脱硫效果越好。

图4 喷粉速率与脱硫率关系曲线

因为在一定条件下，粉剂喷吹速率增加，也就是单位时间内进入铁水的量增多，参与脱硫反应的量也随着增多，因而脱硫速率加快。但是，喷吹速率也不是无限制的增加，需要控制在一定范围内。因为喷吹速率过大，也就是单位时间内喷粉量过大，粉剂在铁水中分散性不好，脱硫反应也就不充分，从而降低镁的利用率；相反喷吹速率过小，镁的利用率提高了，但是会延长喷粉时间，增加铁水温降，降低生产率。所以，采用合适的喷吹速率至关重要，它既能提高Mg的利用率，又能缩短脱硫时间。

2.5 镁的利用率对脱硫率的影响

图5是镁的利用率与脱硫率的关系图，从图5中可以看出：曲线的相关系数接近于1，曲线具有较好的拟合性。镁的利用率越高，脱硫率越大。Mg的利用率计算公式如下：

式中：η 为 Mg的利用率，%；M 为铁水质量，t；△（%S）为脱硫量；Q为喷入的Mg的质量，kg。

图5 Mg的利用率与脱硫率关系曲线

在工业试验中，镁的平均利用率为34%左右。在当前工业生产中，Mg的利用率也是很低的，一般只能达到35%～50%左右。

由于Mg的利用率与镁气泡在铁水中的停留时间密切相关，Mg在铁水中的停留时间越长，参与反应就越充分，Mg的利用率也就越高。而Mg气泡在熔池中停留时间主要由熔池的深度和气泡的尺寸两部分决定，如果在铁水包直径一定时，Mg气泡在铁水中上升的时间也是一定的。

铁水中脱硫率高，Mg的利用率也就越高，二者相辅相成。因此可采用降低铁水温度和增加喷枪插入深度等措施来提高镁的利用率。

2.6 铁水温度对脱硫率的影响

温度对[S]在铁水中的扩散和传质影响较大，温度升高，扩散传质系数增加，从反应的动力学条件看，高温也有利于脱硫。但是铁水温度过高，镁气泡上升速度过快，不利于气相脱硫；同时铁水温度过高，[Mg]的溶解度降低，也不利于液相脱硫，所以可以适当提高铁水温度。

从以上脱硫的生产数据来看，铁水温度对脱硫率的影响没有明显的规律，温度对脱硫效果的影响还有待于进一步研究。2.7 铁水温降的影响

从表1中可看出每罐铁水在脱硫前后的温降均在5～15℃之间。这是因为尽管喷入的石灰粉对铁水有冷却作用，喷吹的同时铁水自然降温，但由于镁粉部分与铁水中的氧反应生成MgO，而这个反应是放热反应，从而部分地弥补了铁水的自然温降，所以采用镁基脱硫剂，既可以减少温降，也可以节约能源。

综上所述，对现场数据进行回归分析后，得到脱硫率（Y）与喷吹镁量（X1）、初始硫（X2）与脱硫剂喷吹速度（X3）之间的回归方程为：

此式说明Y与X1、X2和X3因素在一定程度上是正比关系，即喷吹镁量越多、初始硫含量越大和脱硫剂喷吹速度越大，都可以提高脱硫效果，尤其是初始硫含量的系数明显高于其他两个影响因素的系数，这说明初始硫含量对脱硫率的贡献最大。其他两个因素只能在一定范围内成立，因为喷吹镁量越多、喷吹速度越大，容易引起喷溅，使脱硫过程不易控制。