鐵水預處理高效脫硫工藝
肖 峰，謝金洋，代定明，尹 文
( 四川德勝集團釩鈦有限公司，四川 樂山 610107)
摘要: 隨著我國鋼鐵行業的發展，對鋼中硫含量的要求越來越嚴格，一般要求鋼中［S］的質量分數不大于 0.02% ，而一些對硫含量要求更為嚴格的鋼種，則要求成品中硫含量小于 0.005% 。為了進一步提升鐵水脫硫能力、降低鐵水消耗，本文分析了 KR 預處理工藝過程中鐵水溫度、脫硫劑單耗、初始硫含量、攪拌時間對脫硫率的影響，針對 KR 工藝優化前存在的問題進行了分析，基于熱力學平衡計算，建立了適宜的爐渣堿度、FeO 以及溫度的控制方式，更有利于獲得堿度合適、流動性較好的爐渣，優化了渣鋼反應的動力學條件。通過工藝優化，基于不同的鐵水條件，調整裝入量在 78 ～ 80 t、優化攪拌頭轉速、攪拌時間以及攪拌 深 度，KR脫硫劑單耗為 0.123 kg /( t · s) ，下降了 13.38% ，平均攪拌時間縮短了1.04 min，脫硫劑消耗減少了 2.58 kg /t，噸鋼脫硫渣量減少了 1.97 kg /t，全天最高脫硫包數 78 包，全月有 9 次單班 KR脫硫完成 27 爐，KR各項工藝指標均得到改善，形成了高效低成本 KR冶煉工藝，降低了冶煉過程渣料消耗量，減少了冶煉成本，實現了 KR高效低成本脫硫。
關鍵詞: KR; 鐵水預處理; 脫硫; 攪拌時間; 攪拌深度; 脫硫劑單耗
0 引言
隨著我國鋼鐵行業的發展，對鋼中硫含量的要求越來越嚴格，一般要求鋼中 S 的質量分數不大于 0.02% ，而一些對硫含量要求更為嚴格的鋼種，如: 管線鋼、船板鋼、汽車用板等鋼種，則要求成品中硫含量小于 0.005% ［1－7］。高爐 － 轉爐 －精煉 － 連鑄的傳統長流程工藝中硫的控制主要在精煉過程中進行，但是單靠精煉過程很難實現超低硫鋼的冶煉，而采用多次造渣的冶煉方式雖可以實現硫的控制，但會增加冶煉成本［8－10］。采用鐵水預處理脫硫技術可以較好地解決上述問題，通過預處理將鐵水硫含量降低到一個較低的水平，在轉爐過程中控制入爐料的硫含量，減少轉爐回硫，在精煉過程中進一步脫硫，從而實現超低硫鋼冶煉的目標［11－15］。
為了進一步提升鐵水脫硫能力、降低鐵水消耗，四川德勝鋼鐵對 KR預處理工藝進行不斷和優化與改進，形成了高效低成本 KR冶煉工藝，降低了冶煉過程渣料消耗量，減少了冶煉成本，并結合冶煉實際情況，對 KR脫硫的工藝參數進行了優化，實現了KR高效低成本脫硫。
1 KR脫硫工藝情況
四川德勝鋼鐵鐵水成分如表 1 所示。KR脫硫工序主要流程如圖 1 所示，工藝指標見表 2。
KR處理工藝優化前，現場存在的主要問題如下:
(1) 為保證每日消鐵量，轉爐平均鐵水裝入量在 82～ 84 t 左右，導致脫硫前凈空小，大多只有150 mm左右，導致攪拌速度基本在 80～ 88 r/min，無法提升。
(2) KR脫硫下料管出料處靠近脫硫包邊緣，不僅脫硫凈空小，而且不能充分將料攪入鐵水中，造成脫硫劑浪費，脫后硫不受控，且脫硫效率低。
(3) 渣道清理和渣盤清理較頻繁，傾翻車上渣盤一周左右就堆滿脫硫劑和渣鐵混合物。
為了更好地滿足現場冶煉需求，針對 KR脫硫效率影響因素展開研究，以期優化現有 KＲ 工序參數，實現高效脫硫。
2 KR脫硫效果的影響因素
鐵水 KR脫硫反應方程式見式(1) ［16］:
［S］+ ( O2－ ) = ( S2－ ) +［O］ ( 1)
上式反應的平衡常數可寫為:
根據化學平衡原理分析，脫硫的影響因素主要包括:
(1) 爐渣堿度。渣中堿性氧化物越多，堿度越高，有利于提高硫分配比。
(2) 渣中 FeO。( FeO) 的濃度低時，有利于提高硫分配比。
(3) 熔池溫度。鋼渣間的脫硫反應屬于吸熱反應，溫度 越 高，反應的平衡常數和硫的分配系數越大。
2． 1 鐵水溫度對 KR脫硫效果的影響
鐵水溫度對 KR脫硫效果的影響如圖 2 所示?？梢钥闯?，在其他因素差距不大的條件下，隨著鐵水溫度從1220 ℃ 上升到1300 ℃，脫硫率從80% 逐漸增加到 90% 以上，因為 KR脫硫的反應是吸熱反應，升高溫度一方面加快了脫硫反應速度，另一方面提高了脫硫反應限度。此外，更高的溫度有利于石灰熔化，可以更快地獲得堿度高、流動性好的爐渣，提高渣鋼反應的動力學條件。
2. 脫硫劑消耗對 KR脫硫效果的影響
脫硫劑消耗對 KR脫硫的影響如圖3所示?？梢?，噸鐵脫硫劑消耗從3 kg 增加到9 kg時，脫硫率明顯增加，而從9 kg 再往上繼續增加時，鐵水脫硫率上升速度較為緩慢，因此脫硫率的用量存在適宜范圍。脫硫率加入量過少，無法將硫全部脫除，而脫硫劑加入量過大時，可能會造成熔池溫降以及爐渣粘度過大，導致動力學條件惡化，使得成本上升的同時渣量變大，給扒渣帶來困難。
2.3 鐵水初始硫含量對 KR脫硫效果的影響
鐵水初始硫含量對 KR脫硫率的影響見圖 4。如圖 4 所示，初始硫含量也會對脫硫率產生明顯的影響。初始鐵水硫含量越高，脫硫效果越好，鐵水硫含量高的情況下，有利于提高硫的活度，促進鐵水脫硫反應的進行。從圖 4 中也可以看出當［S］含量高于 0.15% 后，脫硫率基本保持穩定，此時硫含量的提高對脫硫率的影響逐漸變小。
2.4 攪拌時間對 KR脫硫效果的影響
攪拌時間對 KR脫硫率的影響如圖 5 所示。當攪拌時間從 400s 提高到 900s，脫硫率逐漸提高，600～700s 就已經基本達到了最大值。攪拌時間過短，脫硫率偏低且脫硫率的波動較大; 而當攪拌時間大于 700s 后，脫硫率基本穩定，平均在 90% 以上。增長攪拌時間或者提高攪拌速度，均可以達到提高脫硫率的效果，但是也會增加成本，同時導致溫降過大， 因此一般將攪拌時間控制 10 min 以上即可。
3 KR脫硫工藝優化及效果
基于脫硫效果影響因素的分析，開展了 KR脫硫工藝優化工作:
(1) 鐵水裝入量穩定在 78 ～ 80 t 左右，保證脫前凈空≥500 mm，當鐵水攪起漩渦后加脫硫劑。
(2) 根據攪拌頭使用的爐數控制轉速，前 60 爐控制在 80～90 r/min，60～100 爐為 90～100 r/min，100～150 爐為 100～110 r/min，150 爐以上為 110～118 r/min。
( 3) 針對不同鐵水硫含量控制脫硫時間，如表 3所示。
( 4) 依據鐵水脫硫空間動態控制攪拌頭插入深度在 3.1 ～ 3.3 m。
通過不斷地現場試驗與工藝優化，KR工藝各項指標均得到了改善，如表 4 所示。
優化后 KR脫硫劑單耗為 0.123 kg /( t·s) ，比優化前下降了13.38%，KR比例提高了8.52%，平均攪拌時間減少 1.04 min，噸鐵 KR脫硫劑消耗減少2.58 kg /t，噸鋼脫硫渣量減少1.97 kg /t，全天最高脫硫包數78 包，全月有9 次單班 KR脫硫完成27 爐。
4 結論
(1) 鐵水溫度升高可以加快脫硫反應速度，并提高反應限度。隨著鐵水溫度從 1 220 ℃ 上升到1 300 ℃，脫硫率從 80% 逐漸增加到 90% 以上。
(2) 噸鐵脫硫劑消耗提高有利于提高脫硫率，噸鐵脫硫劑消耗從 3 kg 增加到 9 kg 時，脫硫率明顯增加，而從 9 kg 再往上繼續增加時，鐵水脫硫率上升速度較為緩慢。
(3) 初始硫含量也會對脫硫率產生明顯影響，初始鐵水硫含量越高，脫硫效果越好，當硫含量高于 0.15% 后，脫硫率基本保持穩定。
(4) 增長攪拌時間或者提高攪拌速度，均可以達到提高脫硫率的效果，當攪拌時間從 400 s 提高到 900 s，脫硫率逐漸提高，600 ～ 700 s 就已經基本達到了最大值。攪拌時間過短，脫硫率偏低且脫硫率波動較大，而當脫硫時間大于 700 s 后，脫硫率基本穩定。
(5) 基于不同的鐵水條件，通過調整裝入量、優化攪拌頭轉速、脫硫時間以及攪拌頭的深度控制，KR各項工藝指標均得到改善，KR脫硫劑單耗0.123 kg /( t·s) ，下降 13.38% ，平均攪拌時間減少1.04 min，脫硫劑消耗減少 2.58 kg /t，噸鋼脫硫渣量減少 1.97 kg /t，全天最高脫硫包數 78 包，全月有9 次單班 KR脫硫完成 27 爐。
參考文獻
［1］吳國平，呂長海． 南 鋼 KＲ 脫 硫 工 藝 研 究［J］． 冶 金 管 理，2022( 05) : 97 ～ 99．
［2］云霞，龐智杰，張胤． KR脫硫生產工藝研究［J］． 包鋼科技，2021，47( 02) : 32 ～ 35．
［3］霍自美． 鐵水預處理 KR脫硫工藝優化實踐［J］． 寬厚板，2015，21( 02) : 26 ～ 29．
［4］李長新． KＲ 鐵水處理全要素脫硫實踐分析［J］． 寬厚板，2020，26 ( 02) : 41 ～ 45．
［5］劉海春． 980 MPa 高強鋼煉鋼生產過程控制［J］． 河北冶金，2018( 5) : 46 ～ 48．
［6］高翔，劉效森，高威，等． X70 管線鋼冶煉生產實踐［J］． 河北冶金，2012( 6) : 35 ～ 38．
［7］谷志敏，王文輝，楊立永，等． 潔凈鋼控制技術的研究與應用［J］．河北冶金，2019( 9) : 40 ～ 44．
［8］甄先鋒，宋永濤，吳志敏，等． KR脫硫噴粉工藝實踐［J］． 特殊鋼，2023，44( 4) : 54 ～ 57．
［9］鋁渣復合脫硫劑在 KR鐵水脫硫過程中的應用［J］． 河北冶金，2017( 5) : 52 ～ 56．
［10］高宇，李陽，巨偉峰，等． 鐵水預脫硫綜合預報模型的研發［J］．河北冶金，2020( 3) : 7 ～ 10．
［11］印傳磊，楊麗梅，田春陽，等． KR鐵水脫硫劑逸散及攪拌器黏渣分析［J］． 鋼鐵，2020，55( 01) : 34 ～ 37 + 71．
［12］朱仁林，李建立，沈家豪，等． KR脫硫渣高溫礦物組成及含硫相的析出行為［J］． 鋼鐵，2021，56( 11) : 72 ～ 77 + 86．
［13］韓偉剛，沙遠洋，陸凱，等． 高爐 － 轉爐界面鐵水包周轉優化潛力分析［J］． 河北冶金，2021( 9) : 11 ～ 16．
［14］蔣成昌，焦英占，王愛軍，等． 邯鋼鐵水預處理脫硫工藝設計及設備分析［J］． 河北冶金，2004( 6) : 34 ～ 36．
［15］陳鵬． 湘鋼煉鋼廠鐵水預處理 KR脫硫工藝實踐［J］． 冶金與材料，2024，44( 08) : 61 ～ 63．
［16］魏壽昆． 冶金過程熱力學［M］． 北京: 科學出版社，2010．