铁水预处理i.doc

东北大学毕业设计（论文） 东北大学继续教育学院教务处

毕业设计(论 文)开题报告
GRADUATE DESIGN (THESIS) OPENING REPORT

设计（论文）题目 铁水预处理简析

学 生 刘钊
教学中心 山东莱钢
专 业 冶金工程
指导教师 付贵勤

二〇一一年 七 月 二十二 日
摘 要
统的转炉炼钢工艺在同一熔池中进行脱硅、脱磷、脱硫、脱碳等许多热力学条件相互矛盾的反应，极不合理，使一些化学反应难以充分进行，限制了钢质量的进一步提高。因而，迫切需要对这种传统的钢铁冶金工艺进行改革，使其合理化、最优化。20 世纪 80 年代，近海石油的开采、汽车工业和大型建筑工程对钢材质量特别是钢中磷、硫含量的苛刻要求，使得在日本钢铁企业形成一系列以铁水预处理为基础的“高炉炼铁--- 铁水预处理--- 转炉炼钢--- 炉外精炼--- 连铸”的钢铁冶金优化工艺，从而率先开创了纯净钢冶炼的先河。因此，改革传统钢铁冶金工艺的出路之一就是采用铁水预处理，即走“高炉炼铁--- 铁水炉外预处理(脱硅、脱磷脱硫)--- 转炉少渣炼钢(脱碳、升温)--- 钢水炉外精炼(去气体、去夹杂、合金化等)--- 连铸连轧或热装热送”的钢铁冶金优化工艺道路。这一新工艺尽管从工艺步骤上看增加了工序，但从钢铁生产的连续性看并不影响生产率，其化学冶金学意义在于各分工序创造了最佳的冶金反应环境。这样，高炉的主要任务是分离脉石、还原铁矿石，铁水预处理则主要完成脱硅、脱磷、脱硫，转炉进行脱碳、升温，钢水炉外精炼去气体、去夹杂、合金化等。铁水脱硫预处理技术，对于优化钢铁产品的生产工艺，减轻高炉和转炉的冶炼负荷，提高钢材质量，扩大生产品种，生产高附加值新产品具有重要作用。
关键词：铁水预处理 脱硫 脱磷 脱硅
Abstract
The converter steelmaking process in the same bath for desilication, dephosphorization, desulfurization, decarbonization and many other thermodynamic conditions of conflicting reactions, is extremely unreasonable, so that some chemical reactions are difficult to adequately, limit the further increase of the quality of steel. Therefore, the urgent need for the traditional iron and steel metallurgy technology reform, make its rationalization, optimization. Nineteen eighties, offshore oil drilling, the automobile industry and the large construction project on steel quality especially phosphorus, sulfur content of the stringent requirements, so that in the Japanese iron and steel enterprises to form a series of hot metal pretreatment based" blast furnace molten iron pretreatment, converter steelmaking - refining - continuous casting -" iron and steel metallurgical process optimization, which initiates the clean steel smelting precedent. Therefore, the reform of traditional iron and steel metallurgy technology is one of the ways to use the hot metal pretreatment, go namely " blast furnace, hot metal pretreatment ( desilication, dephosphorization and desulfurization ) - less slag steelmaking in converter ( CO2, temperature of molten steel refining ) - ( to gas, removing inclusions, alloying, casting and rolling or ) hot delivery and hot charging of" iron and steel metallurgy process optimization of road. This new technology from the process steps despite increases in iron and steel production process, but from the continuity of the watch does not affect the productivity, its chemical metallurgy significance lies in the process of creating the best environment of metallurgical reaction. In this way, the blast furnace is the main task of gangue separation, reduction of iron ore, the pretreatment of hot metal desiliconization, mainly to complete dephosphorization, desulfurization, decarbonization, converter for temperature, molten steel refining to gas, removing inclusions, alloying. Pretreatment technology of hot metal desulphurization, to the optimization of steel production process, reduce the blast furnace and converter smelting load, improve the quality of steel products, expand the production of varieties, the production of high value-added new products plays an important role in.
Key words: the pretreatment of hot metal desulphurization and dephosphorization of desilication

1. 铁水预处理概念
铁水预处理是指高炉铁水在进入炼钢炉之前预先脱除某些杂质的预备处理过程。包括预脱硫、预脱硅和预脱磷，简称铁水“三脱”。
铁水预脱硫则是指铁水在进入炼钢炉前的脱硫处理过程，又称为炉外脱硫。它是铁水预处理中最先发展成熟的工艺。
铁水预处理对于优化钢铁冶金工艺、提高钢的质量、发展优质钢种、提高钢铁冶金企业的综合效益起着重要作用。已发展成为钢铁冶炼中不可缺少的工序。
铁水预处理是目前工艺技术结构调整、增铁节焦、扩大纯净钢冶炼品种、改善钢材质量、提高钢铁产品竞争力和附加值的最有效途径。
对一般钢种来说除了易切削钢之外，硫是有害元素。降低钢水的含硫量是保证钢材质量的关键之一。由于转炉脱硫的局限性，铁水脱硫预处理已成为转炉炼钢生产的重要工序。铁水脱硫预处理技术，对于优化钢铁产品的生产工艺，减轻高炉和转炉的冶炼负荷，提高钢材质量，扩大生产品种，生产高附加值新产品具有重要作用。国外钢厂一般采用 100 %铁水脱硫预处理，日本的钢铁企业，铁水“三脱”脱 Si、P、S 预处理比已超过90 %。我国铁水预处理技术主要采用脱硫处理工艺，1999 年全国铁水预处理比为23 %,很不适应钢的品种质量要求与连铸发展。为适应炼钢生产发展的要求，我国 2000～2005 年冶金科技指南要求，年产量大于 100 万 t 的钢厂应进行铁水预处理，全国铁水预处理比要由 20 %提高到60 %。
3.1脱硫剂的选择
3.1.1常用的脱硫剂
实际生产中，铁水预脱硫常用的脱硫剂有 4种： 1 石灰粉系; 2 碳化钙系; 3 钝化镁系; 4苏打粉系。脱硫剂是决定脱硫率和脱硫成本的主要因素。选择脱硫剂需要考虑脱硫效率、成本、资源、环境保护、对罐体耐火材料的侵蚀、脱硫产物形态和安全等因素。
这4 种脱硫剂特点的对比见表1。
表 1 铁水预脱硫熔剂的比较
脱硫剂
优点
缺点
石灰粉系
价格便宜
脱硫对罐体耐材侵蚀少
扒渣容易
脱硫效率低
温降大，铁损大易受潮
碳化钙系
脱硫效率高，渣量少，温降小易于防止回硫
易受潮，易产生爆炸，对运输，贮存和使用要求高失效
钝化镁系
脱硫能力强，耗量少渣量少，铁损低温降小
高温时，脱硫效率低，要求喷入铁水的深度大，价格高
脱硫效率低，温差大，污染环境
苏打系
价格便宜
渣很稀，扒渣困难

从表1可看出，任何一种脱硫剂单独使用时，都达不到完全满意的效果。近期工业铁水预脱硫技术的发展，主要倾向于两种脱硫剂方案：1 CaO- Mg基熔剂; 2 CaC - Mg基熔剂。
实践证明，氧化钙和镁基熔剂共同使用或碳化钙和镁基熔剂共同使用比单独使用效果好，其原因在于： 1 镁在熔剂中不仅充当一种脱硫,还在熔池内起搅拌作用; 2 溶剂中一定量的 CaO 或 CaC，可控制镁的挥发速度,阻止镁的挥发损失。在相同脱硫条件下，CaO - Mg基脱硫剂不但比 CaC - Mg 基脱硫剂少产生大约 15 %的渣，而且铁损低、工艺投资小。因此，CaO - Mg基脱硫剂得到更普遍的使用。
3.1.2如何选择脱硫剂
现在的问题是选择什么脱硫剂最好?　
过去普遍采用钙系脱硫剂，即CaO+CaF2十C或CaO十CaC2十CaF2。至于镁，人们早就认识到镁是一种很强的脱硫剂，镁进入铁水后立即汽化并与铁水中的硫产生化学反应，反应区流体搅拌强烈，脱硫反应的动力学条件比其他方法单纯固液两相反应条件要好，从热力学角度看，镁和硫在铁水中的溶度积随温度下降而下降，所以处理后铁水在运送过程中还有二次脱硫作用，镁可以防止铁水回硫。但是由于其价格昂贵和易燃易爆的化学特性，一般不敢问津。早期曾经将镁制成镁焦、镁铝、镁白云石等以块状物加入铁水中，近年来又开发了喂丝法，都取得了很好的脱硫效果，但在大规模铁水预处理工艺中并未得到广泛应用。
20世纪70年代，原苏联乌克兰亚速钢厂采用喷吹法将纯镁粒喷入铁水罐中脱硫获得成功，到了20世纪80年代，技术发展对钢的纯净度要求越来越高，人们又注意到镁的高效脱硫功能，镁剂喷吹脱硫开始兴起。在西方，由于已建了大量喷钙系粉剂脱硫的铁水预处理设施，不可能拆除另建，但为了满足对钢质愈来愈高的要求，一般都是在原有的喷吹系统上增设镁粒喷吹罐，与原有的粉剂配合使用，按脱硫程度的不同调节镁的加入比例和方式，或将镁粒以一定比例混入钙系粉剂中仍利用原有的喷吹系统进行喷吹，形成所谓复合镁脱硫喷吹工艺。
　　铁水预处理喷吹法现有三种工艺：钙系脱硫剂工艺、复合镁脱硫剂工艺和纯镁粒脱硫剂工艺，其中复合镁工艺是从钙系脱硫剂工艺中演化而来的，就其工艺方法和工艺设备而言两者没有区别，但由于使用的脱硫剂不同效果却大不一样，尤其对于铁水深脱硫([s]≤0．005％)来说钙系脱硫剂就显得力不从心，即使勉强达到，也是以大消耗量、大渣量、更长的处理周期和铁水更大的温度损失及金属损失为代价得来的，长的处理周期和过高的处理成本使钙系脱硫剂在铁水深脱硫领域基本被淘汰。而复合镁脱硫剂则能满足铁水不同程度的脱硫要求，处理周期短，综合成本低，因而得到广泛采用。然而复合镁脱硫剂工艺与纯镁粒脱硫剂工艺相比又逊一筹，纯镁粒脱硫剂工艺脱硫剂消耗最少，载气耗量最小，产生的渣量和烟气量也最小，不产生毒害物质，处理周期最短，铁水温降最小，金属损失亦最少，操作更简便，脱硫深度是其他方法所不及的，不论“深脱硫([s]≤0．005％)或“浅脱硫”([s]≤0．02％)其综合成本都是最低的。乌克兰方面曾把纯镁脱硫工艺与美国、德国采用的复合镁剂脱硫工艺的技术经济指标进行了比较，比较条件是同样处理100t铁水，铁水原始含硫量为0．040％，
4.脱硫喷吹方式的选择
4.1脱硫预处理喷吹方式的选择
对于CaO-Mg基或CaC2-Mg基混合工艺而言，脱硫剂喷吹方式可分为复合喷吹和混合喷吹。
　　在我国一些钢厂为了节省基建投资，常常选用混合喷吹，实际上这是企业的一种短期行为。铁水炉外脱硫的费用，除基建投资外，脱硫剂的耗量和脱硫效果也是很重要的因素。
　　虽然复合喷吹设备占地面积大，但它能有效地将因偏析影响脱硫效率的可能性降至最低点。从它与应用混合脱硫剂的混合喷粉脱硫技术使用效果上看，将270t铁水硫含量从0.055%降至0.003%时，复合喷粉镁的消耗量减少11%，当硫含量降至0.014%时，其镁消耗量减少16%。
4.2脱硫预处理方法
铁水预处理脱硫的方法多种多样，但现在普遍采用喷吹法，因为这种工艺设备简单、运行成本低、处理时间短、处理能力大、反应效率高以及易于控制等，特别适应转炉冶炼的生产要求。
目前铁水脱硫预处理方法主要有：鱼雷罐车喷吹法、铁水罐喷吹法等。其中铁水罐喷吹脱硫以技术新、铁水处理量大、脱硫效率高、操作灵活、处理速度快、去渣彻底、成本低而得到了普遍应用。国内的许多钢铁企业如鞍钢、太钢、梅钢、酒钢、马钢先后采用了该项技术，并取得了良好的效果。铁水罐喷吹脱硫又分为复合喷吹和混合喷吹。混合喷吹需要一个喷粉罐，脱硫剂事先混合好，系统易于操作和维护，设备简单，操作俺全，占地面积小，设备投资低。复合喷吹需要两个喷粉罐，两种脱硫剂通过同一喷枪喷入铁水中，控制系统复杂，对设备的可靠性能和自动控制水平要求较高，对现场安全防护措施要求严格，投资较高。虽然复合喷吹设备、控制、安全、占地面积以及投资要求高，但它可使操作者更好地控制喷吹过程，有效地将因偏析影响脱硫效率的可能性降至最低点，另外它还具有脱硫到相同的目标值，比使用混合喷吹所用的脱硫剂消耗量减少 10 %以利用 CaO - Mg基脱硫剂、铁水罐熔剂复合喷吹工艺时，镁脱硫剂沸点低，以气相和铁水中的硫反应，故脱硫速度快，但早期加入将很快损失，在脱硫后期因镁溶解度增加也会降低其脱硫效率;CaO脱硫剂在铁水中呈固态，要以细粉未加入，脱硫效率比镁低，价格也低，经测算1kg镁的脱硫效果相当于15 kgCaO。为了在提高脱硫效果的同时最大限度的降低镁的消耗量，以利于降低操作成本，根据脱硫机理及脱硫剂的特点，喷吹操作时，将喷射过程分为 3个阶段：
第一阶段:先用 CaO 进行预喷吹 ,喷入 CaO以形成强烈的旋涡，完成熔体和渣的脱氧，建立起铁水罐中的环流运动。
第二阶段:用选定的钝化镁 深脱硫 和 CaO浅脱硫 的喷吹速度进行主喷吹。
第三阶段:主喷吹完成后，以高气体量喷入一段时间CaO以清除杂质、防止回硫,完成脱硫过程。 在喷吹过程中，要控制喷入物及输送气体流速，使铁水罐中形成的旋涡在铁水罐边沿高度容许的情况下保持最高，这样可使脱硫剂效果最好而且处理时间最短。
5.铁水脱硫预处理工艺在炼钢的应用
举例：近两年来，在鞍钢优化工艺结构，实行全连铸，建设薄板工程的进程中，对铁水脱硫预处理给予了高度的重视，相继建成了两座采用 CaO - Mg基脱硫剂、铁水罐熔剂复合喷吹工艺的铁水脱硫站。
5.1主要设备及工艺参数
1铁水罐车。 2 测温Π取样枪升降装置。 3 喷枪升降装置。 4 镁卸料漏斗。 5 11 m 渣罐车。 6 镁粉运输车。 7 石灰槽罐车。 8 铁水扒渣机。 94t电葫芦。 10 喷吹系统。
5.1　工艺流程
铁水罐脱硫工艺操作流程如图1。

5.3脱硫前铁水条件
铁水温度: ≥1280 ℃;铁水带渣量 ≤1.5 %; w（c） 4.0 %～4.3 %;w（si） 0.3 %～0.6 %;w(Mn) 0.15 %～0.25 %;w(p) 0.13 %～0.2 %;
S 大高炉铁水，或 ≤0.07 % 小高W(s) ≤0.05 %炉铁水
5.4 脱硫剂配比:
m (CaO) ∶m(MgO)= 3～5 ∶1，其中，CaO 实际用量 kg =CaO× kg +40 kg
5.5 脱硫剂喷吹速度:
CaO，30～35 kgΠmin;Mg，5～8 kgΠmin
P=1100～1200 kPa
5.6氮气工作压力:
P=1100～1200 kPa
喷枪插入铁水深度:1200～1500 mm
5.7 铁水脱硫作业周期时间:
铁水脱硫作业周期时间平均为25min,见表2。
表 2 铁水脱硫作业周期时间
序号
操 作
计划时间/min
1
将铁水罐车开到脱硫位
0.50
2
测温取样分析并输入PLC
3.5
3
喷枪插入铁水中
0.10
4
脱硫剂喷入铁水中
5.0
5
喷枪升到中间位
0.25
6
提升并吹清喷枪
1.0
7
倾斜铁水罐（根据需要开始向配料中装料）
0.50
8
扒渣
9.00
9
铁水罐转回水平位
0.50
10
获得测温取样数据
0.50
11
铁水罐车开到吊装位
0.50
12
另一包铁水就位
3.00

处理周期时间
24.35
6.　脱硫剂
采用的脱硫剂是流化态石灰和钝化镁,它们的性能和指标如下:
6.1 流化态石灰
物理性能: ①流动性:动态堆积角 ≤5°。②防水性:在室温下,置于不中 1 h不水解。流化态石灰的化学成分和粒度组成见表3。
表 3

石灰的化学成分

Cao
mgo
Sio2
S
L
CO2
W/%
.> 90
<1.0
<1.0
<0.025
<3.0
<0.5
注：石灰的粒度组成为〈0.045mm的占88%大于0.045小于0.9mm的占12%
6.2钝化镁
钝化镁的理化指标和粒度组成见表4。
表 4
钝化镁的理化指标
材料
活性镁
1000 oC阻燃时间
纯镁
98.9%~99.5%

钝化镁
〉90%
24s
注：钝化镁粒度组成0.15mm以上占95%
6.3脱硫处理效果
自钢厂脱硫站投产以来，随着设备的逐步正常运行，生产操作的熟练，脱硫效果日趋明显，满足了转炉炼钢的要求。以流化态石灰和钝化镁为脱硫剂，在铁水初始 wS 为0.014 %～0.034 %的情况下，经过铁水预处理脱硫后，终点 w S 为0.008 %～0.026 %，脱硫剂单耗镁粉平均为 0.16kgΠt 铁水、石灰为 1.20 kgΠt 铁水，处理时间平均为960s，脱硫效率平均为32.64 %，喷吹处理过程温降平均为15 ℃。在实际生产中，目标 wS 最低可达到0.001 %,脱硫效率可以达到80 %以上。通过生产实践我们发现:脱硫效率的高低与铁水温度高低、喷粉时间的长短、喷枪深度、钝化镁的质量密切相关，但是决定因素是脱硫剂的耗量。脱硫效率的高低与脱硫剂的耗量相关性最大。

参考文献
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