铁水预处理高效脱硫工艺
肖 峰，谢金洋，代定明，尹 文
( 四川德胜集团钒钛有限公司，四川 乐山 610107)
摘要: 随着我国钢铁行业的发展，对钢中硫含量的要求越来越严格，一般要求钢中［S］的质量分数不大于 0.02% ，而一些对硫含量要求更为严格的钢种，则要求成品中硫含量小于 0.005% 。为了进一步提升铁水脱硫能力、降低铁水消耗，本文分析了 KR 预处理工艺过程中铁水温度、脱硫剂单耗、初始硫含量、搅拌时间对脱硫率的影响，针对 KR 工艺优化前存在的问题进行了分析，基于热力学平衡计算，建立了适宜的炉渣碱度、FeO 以及温度的控制方式，更有利于获得碱度合适、流动性较好的炉渣，优化了渣钢反应的动力学条件。通过工艺优化，基于不同的铁水条件，调整装入量在 78 ～ 80 t、优化搅拌头转速、搅拌时间以及搅拌 深 度，KR脱硫剂单耗为 0.123 kg /( t · s) ，下降了 13.38% ，平均搅拌时间缩短了1.04 min，脱硫剂消耗减少了 2.58 kg /t，吨钢脱硫渣量减少了 1.97 kg /t，全天最高脱硫包数 78 包，全月有 9 次单班 KR脱硫完成 27 炉，KR各项工艺指标均得到改善，形成了高效低成本 KR冶炼工艺，降低了冶炼过程渣料消耗量，减少了冶炼成本，实现了 KR高效低成本脱硫。
关键词: KR; 铁水预处理; 脱硫; 搅拌时间; 搅拌深度; 脱硫剂单耗
0 引言
随着我国钢铁行业的发展，对钢中硫含量的要求越来越严格，一般要求钢中 S 的质量分数不大于 0.02% ，而一些对硫含量要求更为严格的钢种，如: 管线钢、船板钢、汽车用板等钢种，则要求成品中硫含量小于 0.005% ［1－7］。高炉 － 转炉 －精炼 － 连铸的传统长流程工艺中硫的控制主要在精炼过程中进行，但是单靠精炼过程很难实现超低硫钢的冶炼，而采用多次造渣的冶炼方式虽可以实现硫的控制，但会增加冶炼成本［8－10］。采用铁水预处理脱硫技术可以较好地解决上述问题，通过预处理将铁水硫含量降低到一个较低的水平，在转炉过程中控制入炉料的硫含量，减少转炉回硫，在精炼过程中进一步脱硫，从而实现超低硫钢冶炼的目标［11－15］。
为了进一步提升铁水脱硫能力、降低铁水消耗，四川德胜钢铁对 KR预处理工艺进行不断和优化与改进，形成了高效低成本 KR冶炼工艺，降低了冶炼过程渣料消耗量，减少了冶炼成本，并结合冶炼实际情况，对 KR脱硫的工艺参数进行了优化，实现了KR高效低成本脱硫。
1 KR脱硫工艺情况
四川德胜钢铁铁水成分如表 1 所示。KR脱硫工序主要流程如图 1 所示，工艺指标见表 2。
KR处理工艺优化前，现场存在的主要问题如下:
(1) 为保证每日消铁量，转炉平均铁水装入量在 82～ 84 t 左右，导致脱硫前净空小，大多只有150 mm左右，导致搅拌速度基本在 80～ 88 r/min，无法提升。
(2) KR脱硫下料管出料处靠近脱硫包边缘，不仅脱硫净空小，而且不能充分将料搅入铁水中，造成脱硫剂浪费，脱后硫不受控，且脱硫效率低。
(3) 渣道清理和渣盘清理较频繁，倾翻车上渣盘一周左右就堆满脱硫剂和渣铁混合物。
为了更好地满足现场冶炼需求，针对 KR脱硫效率影响因素展开研究，以期优化现有 KＲ 工序参数，实现高效脱硫。
2 KR脱硫效果的影响因素
铁水 KR脱硫反应方程式见式(1) ［16］:
［S］+ ( O2－ ) = ( S2－ ) +［O］ ( 1)
上式反应的平衡常数可写为:
根据化学平衡原理分析，脱硫的影响因素主要包括:
(1) 炉渣碱度。渣中碱性氧化物越多，碱度越高，有利于提高硫分配比。
(2) 渣中 FeO。( FeO) 的浓度低时，有利于提高硫分配比。
(3) 熔池温度。钢渣间的脱硫反应属于吸热反应，温度 越 高，反应的平衡常数和硫的分配系数越大。
2． 1 铁水温度对 KR脱硫效果的影响
铁水温度对 KR脱硫效果的影响如图 2 所示。可以看出，在其他因素差距不大的条件下，随着铁水温度从1220 ℃ 上升到1300 ℃，脱硫率从80% 逐渐增加到 90% 以上，因为 KR脱硫的反应是吸热反应，升高温度一方面加快了脱硫反应速度，另一方面提高了脱硫反应限度。此外，更高的温度有利于石灰熔化，可以更快地获得碱度高、流动性好的炉渣，提高渣钢反应的动力学条件。
2. 脱硫剂消耗对 KR脱硫效果的影响
脱硫剂消耗对 KR脱硫的影响如图3所示。可见，吨铁脱硫剂消耗从3 kg 增加到9 kg时，脱硫率明显增加，而从9 kg 再往上继续增加时，铁水脱硫率上升速度较为缓慢，因此脱硫率的用量存在适宜范围。脱硫率加入量过少，无法将硫全部脱除，而脱硫剂加入量过大时，可能会造成熔池温降以及炉渣粘度过大，导致动力学条件恶化，使得成本上升的同时渣量变大，给扒渣带来困难。
2.3 铁水初始硫含量对 KR脱硫效果的影响
铁水初始硫含量对 KR脱硫率的影响见图 4。如图 4 所示，初始硫含量也会对脱硫率产生明显的影响。初始铁水硫含量越高，脱硫效果越好，铁水硫含量高的情况下，有利于提高硫的活度，促进铁水脱硫反应的进行。从图 4 中也可以看出当［S］含量高于 0.15% 后，脱硫率基本保持稳定，此时硫含量的提高对脱硫率的影响逐渐变小。
2.4 搅拌时间对 KR脱硫效果的影响
搅拌时间对 KR脱硫率的影响如图 5 所示。当搅拌时间从 400s 提高到 900s，脱硫率逐渐提高，600～700s 就已经基本达到了最大值。搅拌时间过短，脱硫率偏低且脱硫率的波动较大; 而当搅拌时间大于 700s 后，脱硫率基本稳定，平均在 90% 以上。增长搅拌时间或者提高搅拌速度，均可以达到提高脱硫率的效果，但是也会增加成本，同时导致温降过大， 因此一般将搅拌时间控制 10 min 以上即可。
3 KR脱硫工艺优化及效果
基于脱硫效果影响因素的分析，开展了 KR脱硫工艺优化工作:
(1) 铁水装入量稳定在 78 ～ 80 t 左右，保证脱前净空≥500 mm，当铁水搅起漩涡后加脱硫剂。
(2) 根据搅拌头使用的炉数控制转速，前 60 炉控制在 80～90 r/min，60～100 炉为 90～100 r/min，100～150 炉为 100～110 r/min，150 炉以上为 110～118 r/min。
( 3) 针对不同铁水硫含量控制脱硫时间，如表 3所示。
( 4) 依据铁水脱硫空间动态控制搅拌头插入深度在 3.1 ～ 3.3 m。
通过不断地现场试验与工艺优化，KR工艺各项指标均得到了改善，如表 4 所示。
优化后 KR脱硫剂单耗为 0.123 kg /( t·s) ，比优化前下降了13.38%，KR比例提高了8.52%，平均搅拌时间减少 1.04 min，吨铁 KR脱硫剂消耗减少2.58 kg /t，吨钢脱硫渣量减少1.97 kg /t，全天最高脱硫包数78 包，全月有9 次单班 KR脱硫完成27 炉。
4 结论
(1) 铁水温度升高可以加快脱硫反应速度，并提高反应限度。随着铁水温度从 1 220 ℃ 上升到1 300 ℃，脱硫率从 80% 逐渐增加到 90% 以上。
(2) 吨铁脱硫剂消耗提高有利于提高脱硫率，吨铁脱硫剂消耗从 3 kg 增加到 9 kg 时，脱硫率明显增加，而从 9 kg 再往上继续增加时，铁水脱硫率上升速度较为缓慢。
(3) 初始硫含量也会对脱硫率产生明显影响，初始铁水硫含量越高，脱硫效果越好，当硫含量高于 0.15% 后，脱硫率基本保持稳定。
(4) 增长搅拌时间或者提高搅拌速度，均可以达到提高脱硫率的效果，当搅拌时间从 400 s 提高到 900 s，脱硫率逐渐提高，600 ～ 700 s 就已经基本达到了最大值。搅拌时间过短，脱硫率偏低且脱硫率波动较大，而当脱硫时间大于 700 s 后，脱硫率基本稳定。
(5) 基于不同的铁水条件，通过调整装入量、优化搅拌头转速、脱硫时间以及搅拌头的深度控制，KR各项工艺指标均得到改善，KR脱硫剂单耗0.123 kg /( t·s) ，下降 13.38% ，平均搅拌时间减少1.04 min，脱硫剂消耗减少 2.58 kg /t，吨钢脱硫渣量减少 1.97 kg /t，全天最高脱硫包数 78 包，全月有9 次单班 KR脱硫完成 27 炉。
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