馬鋼300轉爐煉鋼鐵水預處理工藝選型

鐵水預處理技術可以經濟有效地生產清潔鋼（如w（s）0.05%，w（p）0.005%）。這是鋼鐵工業生產流的一個重要組成部分。馬鞍山鋼鐵股份有限公司(以下簡稱馬鋼)原煉鋼系統建有3座鐵水脫硫預處理裝置,分別采用單噴顆粒鎂、鎂粉和石灰混噴兩種鐵水預處理脫硫工藝,脫硫率可以達到80%以上,能夠滿足一般品種鋼生產的需要。馬鋼新區300t轉爐煉鋼系統一期工程設計能力為年產鋼567萬t,鐵水采用魚雷罐運輸,鐵水單元主體設備為2座鐵水倒罐站和2座鐵水預處理站,馬鋼最終產品主要為汽車板、高檔家電板和高級別管線等。為保證產品質量,鐵水預處理的建設和工藝設備選型至為關鍵。通過多方認證、比較,最終選擇采用KR攪拌法進行鐵水預處理,并于2005年開始設計,2007年3月熱試、投入生產。1鐵水預處理技術的選擇1.1鐵水包脫硫工藝的比較隨著鐵水預處理技術的不斷發展,國內鐵水預處理方式主要為攪拌法(KR)和噴吹法,基于馬鋼新區鐵水預處理以鐵水全脫硫為主的工藝目的,為了做好預處理工藝選型,重點對鐵水脫硫進行了對比分析。1)動力學條件比較。噴吹法由于載氣與鎂的密度和總質量遠小于鐵水,它們上浮產生的鐵水對流運動較弱,罐底與噴吹口成90°夾角區域為死區;而KR法因攪動產生鐵水旋渦運動,故動力學條件遠好于噴吹法。KR攪拌法流場如圖1所示(圖中圓點和箭頭分別代表脫硫劑和鐵水運動方向)。由圖1可看出,KR攪拌形成了鐵水的循環流動,在鐵水包中無死區,這大大改善了脫硫的動力學條件,減少了脫硫劑的消耗。生產實踐表明:攪拌時間只需要5min就可使脫硫劑可以得到充分的利用,脫硫速度快、效果好,鐵水初始w(S)=300×10-6時,處理終點w(S)可達10×10-6以下。文獻認為:較之噴吹法,攪拌法的出現使得脫硫過程中的動力學條件得到了根本性的改善。綜合比較,在幾種預處理脫硫工藝中,鐵水包KR法脫硫的動力學條件是最優的。2)熱力學條件比較。噴吹鎂粉脫硫,隨著鐵水溫度的升高,鎂的氣化速度加快,形成的氣泡較大,鐵水黏度降低,鎂的氣泡上浮速度較快,從而降低鎂在鐵水中的停留時間,導致鎂脫硫劑的利用率降低,而石灰基脫硫劑隨著鐵水溫度的升高,越利于石灰熔化,有助于提高石灰脫硫的利用率,尤其在鐵水溫度大于1400℃的情況下,KR攪拌法的熱力學條件優于噴吹法。3)脫硫效果比較。攪拌法(KR)和噴吹法鐵水預處理脫硫效果比較如表1所示。KR攪拌法脫硫深度可達痕跡(脫后鐵水w(S)≤0.001%),且脫硫穩定性高;噴吹法深脫硫后鐵水w(S)最低只能達到0.002%~0.005%,且脫硫效果穩定性差,波動大。KR攪拌法形成的脫硫渣量大且以CaS為主,CaS熔點2400℃呈固態,相對密度在1.2~1.4,渣鐵分離較好,扒渣容易,鐵損小,轉爐回硫量小;噴顆粒鎂法脫硫渣以MgS為主,盡管熔點也在2000℃以上,但因其渣量少溫度高,渣稀致渣鐵界面不清晰;同時MgS相對密度在2.8左右,脫硫渣在鐵水的嵌入深度較深,脫硫渣鐵分離不好,扒渣困難。若要將脫硫渣扒干凈,則鐵損增加,同時轉爐回硫控制也不穩定。因KR攪拌法石灰脫硫劑熔解要吸熱加上用量大,故其處理周期與處理溫降相對較大;而噴吹法脫硫劑是顆粒鎂,脫硫反應為放熱反應,加之用量少,其處理周期與處理溫降相對較小。4)投資及運行成本。噴吹法采用1套鎂粉儲料罐和噴吹罐,設備簡單,基建投入少,總投資約1000萬元,但對顆粒鎂粒度、阻燃時間要求較高;KR攪拌法工藝裝備復雜,占地面積大,與噴吹法比較,投資增加近1倍,但冶金效果和成本具有較明顯的優勢。1.2關于鐵水預處理的確定KR攪拌脫硫工藝和噴吹法脫硫工藝均為成熟的脫硫工藝,KR攪拌法在動力學條件方面更優。選擇何種鐵水預處理方式還要根據鋼鐵企業的具體情況而定。馬鋼最終選擇KR攪拌法,還基于以下幾方面的考慮:1)KR攪拌法使用的脫硫劑主要為石灰粉,第四鋼軋總廠建有3座石灰窯為煉鋼和精煉提供石灰,此過程中產生的副產品粉灰恰好可以作為攪拌法的原材料,既減少了外排的壓力同時節省了購買預處理原材料的費用。2)考慮到KR攪拌法對深脫硫的效果比噴吹法要好,能夠將鐵水中硫脫至痕跡,脫除率非常高,給低硫品種鋼的冶煉奠定了基礎。3)KR攪拌法使用的原料相對較多,脫硫后的渣比較容易上浮積聚,便于扒除,從而減少帶入轉爐的鐵水脫硫后的鐵水渣,轉爐吹煉過程回硫現象得到遏制,為低硫品種鋼的生產創造了有力條件。綜合考慮,馬鋼新區300t轉爐煉鋼系統采用KR攪拌法進行鐵水預處理。建設2座預處理站,每個站內設1個攪拌處理工位和2個扒渣工位。其主要功能是對鐵水進行脫硫處理,為轉爐提供硫含量適合的鐵水,同時預留有“脫硅”、“脫磷”功能。圖2為馬鋼新區鐵水預處理脫硫工藝流程。2生產技術指標的對比2007年3月,KR鐵水預處理裝置熱試、投產以后,取得良好的脫硫效果,脫硫率超過92%,達到國內先進企業水平。但成本較高,主要表現在脫硫劑加入量過多,鐵損大。表2為生產初期KR主要生產技術指標的對比。在后續的生產中,通過設備不斷改進和工藝優化逐步解決了脫硫劑單耗高、攪拌頭壽命低、扒損大等問題,并針對鐵水原始硫含量和鋼種成品硫要求對脫硫工藝進行了優化,在穩定質量的基礎上進一步降低了成本。2.1存在的問題及解決方案投產初期,攪拌頭壽命在全部深脫硫的情況下為2000min、260次左右,壽命偏低,對生產有一定的影響,與國內先進水平(450次)相比差距較大,因此提高攪拌頭壽命的工作非常必要。通過分析,造成攪拌頭壽命低的主要原因有:1)耐材質量不穩定。少數攪拌頭的生產制作過程中存在缺陷,在現場使用初期就發生大面積耐材剝落現象。另外有部分攪拌頭制作精度差,上線后振動嚴重,被迫提前下線。2)冷熱交替促使攪拌頭的耐材產生剝落。鐵水預處理生產屬間斷性作業,有時間隔幾小時,有時間隔幾天。由于生產缺乏連續性,攪拌頭經常處于“急冷急熱”的狀態,耐火材料制作的攪拌頭經常出現塊狀剝落的現象,造成攪拌頭使用壽命低。針對以上影響攪拌頭壽命的因素,主要從優化組織生產,改善攪拌頭使用工況入手來提高其壽命。基于目前脫硫能力要強于轉爐生產能力,在保證轉爐生產的前提下,實施單座KR站飽和生產、周期性輪換的預處理生產方式。一方面保證攪拌頭連續使用,保證其良好的使用狀態。另一方面,通過合理安排設備檢查、檢修,大幅度降低了設備故障率,從而減少頻繁轉站對攪拌頭使用壽命產生的影響。同時,在處理過程進行“甩渣”操作,也對提高攪拌頭壽命起到了一定作用。通過上述措施,攪拌頭壽命穩定在3200min以上,平均使用次數達到400次以上。2.2檢出限、操作不當,降低了鐵水到灰渣的脫硫率鐵損作為衡量預處理的重要技術經濟指標,直接體現該工序成本控制的好壞。處理過程鐵損主要體現在扒損。通過對操作過程分析,造成扒損大的主要原因有:1)低硫鋼種生產時為減少轉爐吹煉過程“回硫”,扒渣亮面要求高,扒渣量大,扒損也相應增加;2)扒渣操作不當,在扒渣過程中夾帶的鐵水較多。對于第1個原因,不能降低標準,減少扒損只能從操作方法上入手,即摸索科學、標準的扒渣操作方法。通過幾年的實踐和不斷優化改進,操作方法不斷優化,并形成操作標準,在渣鐵分離、高效扒渣方面取得了突破性進展。表3為扒渣操作改進前后的實際效果。扒渣操作改進前后,脫硫率指標基本持平,但是扒損指標差異比較大,通過扒渣操作的改進,實現標準化操作,有效地降低了鐵水扒損。圖3為近幾年鐵水脫硫預處理過程鐵損情況。2.3設備及物料管理重點加料系統下料不暢時常制約鐵水預處理的連續生產,每當溫度驟降或梅雨季節,“堵料”現象尤為嚴重。“堵料”事故個別是由于設備原因造成,主要原因可能與原料特性和輸送介質有關聯。脫硫劑輸送不暢給生產造成嚴重的影響,處理堵料額外地增加了工作量。要解決“堵料”問題要從設備管理、物料管理和操作管理三方面下手:1)設備管理重點在于保證設備狀態的正常,在管道備件選用上一定要杜絕管道部件內壁脫落現象發生;2)物料管理重點在于保證脫硫劑按照一定顆粒度要求進行配比,避免物料粒度過細;同時減少輸送氣體的水汽含量;3)操作管理方面要注重各個料倉儲、運、投量合理搭配,只有各個料倉分工明確,物料連續使用才能夠保證輸料順暢。2.4鐵水預處理的工藝優化KR鐵水預處理脫硫率超過90%,可以將鐵水w(S)降至0.001%以下,但極低的硫含量也必須付出成本增加的代價,而且不同品種對硫的要求也不同,沒必要全部進行深脫硫處理。因此,有必要根據鐵水原始硫含量和不同鋼種對硫的要求,制定、優化處理工藝,對鐵水脫硫分級處理。分4種工藝路徑、5種鐵水原始硫情況制定了不同的鐵水預處理工藝。表4為KR原設計工藝技術參數,表5和表6為兩個工藝優化的實例。通過工藝優化、鐵水分級脫硫處理的實施,脫硫劑消耗大幅度下降(見圖4)。2.5鐵水脫硫系統近2年來,通過持續開展淺脫硫工藝和分級處理工藝的研究和優化以及標準化作業,脫硫劑消耗和鐵損指標得到大幅度的改善,2012年脫硫劑用量降至6.4kg/t,鐵損降至6.1kg/t。同時,釋放了KR脫硫的產能,單座脫硫站就能夠很好地滿足目前兩座轉爐生產對鐵水預處理的需要。表7為馬鋼四鋼軋與國內同類廠家脫硫處理消耗指標比較(統計時間2012年10月—2013年1月,1號KR站)。按鎂粉價格17000元/t,石灰300元/t,鐵水2400元/t,渣中平均w(Fe)按30%計算,對KR法和噴吹法鐵水脫硫處理操作成本進行了比較,如表8所示。假設年處理鐵水550萬t(其中60%淺處理,40%深處理),與國內鋼廠3消耗指標進行對比,KR脫硫實際年生產運行成本比噴吹法低3000萬元以上。3kr鐵水預處理裝置的脫硫效果1)通過對2種主要的鐵水預處理方法(KR攪拌法和噴吹法)脫硫熱力學、動力學、脫硫成本、投資成本分析,并綜合考慮原材料資源條件,馬鋼300t轉爐煉鋼系統選擇了KR鐵水預處理工藝,以鐵水脫硫為主