KR法与喷吹法在铁水预脱硫中应用的比较

来源：中国脱硫脱硝资讯网作者：佚名发布日期：2008-5-27 17:13:43

关键词: 电力脱硫

随着社会经济和钢铁工业的高速发展，社会对钢铁质量的要求越来越高、越来越苛刻，产品的种类也急剧增加，尤其是高品质高附加值钢种的需求不断在增大。面对钢铁市场日趋激烈的竞争，经济高效的铁水预处理脱硫，作为现代钢铁工业生产典型优化工艺流程：“高炉炼铁—铁水预处理—转炉炼钢—炉外精炼—连铸连轧”的重要环节之一，已经被广泛的应用于实际生产。
近30年来铁水脱硫技术迅速发展，现已经有十几种处理方法，其中应用最广且最具代表性的主要是喷吹法和KR机械搅拌法。它们在技术上都已相当成熟，从两种工艺在实际生产中的应用效果来看，二者是互有长短。虽然喷吹法发展迅速，目前在实际生产中应用更广泛，可KR法在这几年中又有了新发展，呈现出强劲的势头。那么，这两种工艺模式各有什么优劣势？哪种更具有应用前景呢？在国内外冶金界始终没有较统一的看法。为此，本文着重就两种工艺模式的发展、应用和运营成本作了比较，尤其是它们对整个流程影响的比较，希望能对技术人员及企业技术的选择提供参考。KR法与喷吹法的工艺及特点字串5

在进行比较前，先了解两种方法的工艺及特点是很有必要的，不仅有利于理解两种方法的实质，也是深刻理解对两种脱硫模式分析比较的前提。
KR机械搅拌法，是将浇注耐火材料并经过烘烤的十字形搅拌头，浸入铁水包熔池一定深度，借其旋转产生的漩涡，使氧化钙或碳化钙基脱硫粉剂与铁水充分接触反应，达到脱硫目的。其优点是动力学条件优越，有利于采用廉价的脱硫剂如CaO，脱硫效果比较稳定，效率高(脱硫到≤0.005)，脱硫剂消耗少，适应于低硫品种钢要求高、比例大的钢厂采用。不足是，设备复杂，一次投资较大，脱硫铁水温降较大。
喷吹法，是利用惰性气体（N₂或Ar）作载体将脱硫粉剂（如CaO，CaC₂和Mg）由喷枪喷入铁水中，载气同时起到搅拌铁水的作用，使喷吹气体、脱硫剂和铁水三者之间充分混合进行脱硫。目前，以喷吹镁系脱硫剂为主要发展趋势，其优点是设备费用低，操作灵活，喷吹时间短，铁水温降小。相比KR法而言，一次投资少，适合中小型企业的低成本技术改造。喷吹法最大的缺点是，动力学条件差，有研究表明，在都使用CaO基脱硫剂的情况下，字串9
KR法的脱硫率是喷吹法的四倍。
KR法与喷吹法的发展及现状
从前面分析二者的方法和特点可以知道，它们互有长短、各具特色，这也决定了它们的发展历程和现状必然是不同的。进一步了解它们的发展和现状，将更有利于理解各自技术的特点。
从时间上来看，喷吹法的研发及应用要早于机械搅拌法。喷吹法主要有原西德Thyssen的ATH(斜插喷枪)法、新日铁的TDS(顶吹法)和英国谢菲尔德的ISID法，早在1951年，美国钢厂就已成功地运用浸没喷粉工艺喷吹CaC2粉进行铁水脱硫。直至今日，尽管两种脱硫工艺方法在技术上都已相当成熟，全世界绝大多数钢铁厂广泛采用仍是铁水喷粉脱硫工艺。机械搅拌法有原西德DO(Demag-Ostberg)法、RS(Rheinstahl)法和赫歇法,日本新日铁的KR(KambaraReactor)法和千叶的NP法，其中，以KR法工艺技术最成熟、应用最多。KR法搅拌脱硫是日本新日铁广钿制铁所于1963年开始研究，1965年才实际应用于工业生产，之后迅猛的发展趋势表明，它具有投入生产使用较早的喷吹法无可比拟的某种优势。
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在冶金工业中喷吹这种形式应用非常广泛，比如在转炉及精炼工艺中的各种顶吹、底吹和复吹技术等。当铁水预处理时，使用喷吹法把脱硫剂加入铁水中进行脱硫，这显然是可行的且易于人们接受。最早脱硫剂是以氧化钙基为主，辅助添加CaC₂，而且喷吹过程也很难获得较好的动力学条件，这时主要面临两个问题：一是，如何保证CaC₂的安全存贮运输和脱硫剂的脱硫效果；二是，怎样解决因动力学不足导致的脱硫效率低下，不能实现深脱硫的问题。
第一个问题侧重于开发使用更具有脱硫效率且安全的脱硫剂，于是出现了镁基复合喷吹法，脱硫效果有所改善却成效不大，而且镁粉在运输、储存、使用中同样存在很多的安全隐患，给生产带来诸多不便。然而，新型脱硫剂——钝化颗粒镁的开发成功，使纯镁喷吹脱硫技术得以实现，达到了真正高效安全的工艺目标，目前，镁系脱硫剂已经成为世界铁水预处理中的主导脱硫材料。针对第二个问题，如何才能获得更好的动力学条件呢？从工艺模式着手，技术人员研发出了具有实际应用价值的机械搅拌脱硫法，其中以KR法为典型，在根本上改善了脱硫过程中的动力学条件，并可以在脱硫剂中不加CaC₂而主要采用CaO，避免了生产中使用CaC₂而带来的不便和危险。然而，在工业应用时却又出现许多技术难题，比较突出的如，搅拌头的使用寿命较短；单工位操作设备导致更换搅拌头的同时无法进行铁水脱硫等。可最终这些难点还是被陆续攻破，解决了搅拌头的寿命问题，使其从原来的几十炉提高到现在的几百炉，而且摸索出了氧化钙基脱硫剂应该有一个最佳的指标要求，可以达到最理想的脱硫效果。目前，KR法已经完全可以达到深脱硫的要求，即把铁水中的硫脱至小于0.005-0.001。同时，双工位布置形式的出现克服了单工位的不足，使生产的连续化程度得以提高。很长时间，KR法成本问题（尤其是前期投资）加上其过程时间较长，以及不适应于大型铁水罐，故发展缓慢；直至二十世纪后期，其投资降低后，加上运行费用低廉，所以又受到了重视。KR法与喷吹法的比较字串4

从铁水脱硫工艺倍受人们的重视以来，KR法与喷吹法技术一直处于发展之中，目前虽仍需完善可也已趋近于成熟，这样两者之间才更具备可比性，本文主要从以下几文面进行具体比较。

1技术与设备
在喷吹法中，单吹颗粒镁铁水脱硫工艺因其设备用量少、基建投入低、脱硫高效经济等诸多优势而处于脱硫技术的主要发展趋势之一，可在相当长的时间我国都是引进国外的技术和设备。到2002年10月国内才首次开发出铁水罐顶喷单一钝化颗粒金属镁脱硫成套技术设备，整套装置中，除重要电器元器件采用进口或合资的外，其余机电产品100实现了国产化，包括若干最关键的技术设备。喷吹技术和设备的国产化直接降低了建设投资和运行操作的成本，从前期的一次性投资来看，要比KR法略有优势。
虽然搅拌法的技术专利也是国外拥有，可从其设备和技术本身而言并没有难点，机械构成是常规的机械传动和机械厂提升；加料也采用的是常规大气压下的气体粉料输送系统，可以说在系统的机、电、仪、液等方面的技术应用都是十分成熟。尽管如此，KR法设备仍然是重量大且较复杂，可它的优势是运营操作费用低廉，由此所产生的经济效益完全可弥补前期的一次性高额投资。根据有关推算，一般3～5年即可收回所增加的投资。2000年武汉钢铁设计研究院针对武钢二炼钢厂的情况，对KR法和喷吹法两种方案的投资进行了估算，KR法的投资估算比喷吹法投资估算多200万元。字串4

2脱硫效果
实际生产过程中的铁水脱硫效果，不仅与设备有关，而且受脱硫剂、操作工艺水平、时间及温度等诸多因素影响，本文主要考虑的是纯镁喷吹法和CaO基KR法。一般对铁水预处理的终点硫含量要求是不高于50ppm，工厂生产和实验研究结果表明，喷吹法因其脱硫剂Mg的较强脱硫能力，KR法由于其表现出色的动力学条件，在可以接受的时间内（一般≤15min），它们都能达到预处理要求的目标值。国内各大钢厂的具体脱硫数据可见表1。在喷吹法中，复合脱硫剂使用CaO比例越高，脱硫效果越差，使用纯镁时脱硫率最高；KR法使用CaO脱硫剂，脱硫率只是略低于喷吹纯镁。表1．国内各大钢厂不同预脱硫工艺的比较工艺方法处理容器脱硫剂脱硫剂消耗/kg·t^-1脱硫率η_S/最低硫/ppm纯处理时间/min处理温降/℃铁损/kg·t^-1钢厂机械搅拌法-KR法100t铁水罐CaO4.6992.50≤20528－武钢二炼CaO基喷吹法280t混铁车CaO基4.30756018.425.5－宝钢一炼CaC₂ CaO喷吹法140t铁水罐50CaO 50CaC₂7.8581.7940－31－攀枝花Mg CaO混合喷吹100t铁水罐20Mg 80CaO1.6887.73－719.0713.27武钢一炼Mg CaO复合喷吹300t铁水罐Mg CaO(1:3)Mg0.31CaO1.0579.2221.3<10－－宝钢Mg CaO复合喷吹160t铁水罐Mg CaO(1:2～3)Mg0.45CaO1.4890≤507.558～14－本钢纯Mg喷吹100t铁水罐Mg0.33≥95≤105～88.127.1武钢一炼3温降字串9

铁水温降的消极影响是降低了铁水带入转炉的物理热，主要体现在转炉吃废钢的能力下降，导致转炉冶炼的能耗和物料消耗升高，直接影响了冶炼的经济成本。KR法因动力学条件好，铁水搅拌强烈，而且CaO的加入量较大，导致温降也大，目前国内KR法工艺应用较成熟的武钢可以使温降控制在28℃左右。相比之下，镁基的脱硫温降都比较小（参照表1），主要原因有以下三点：喷吹法动力学条件差，铁水整体搅拌强度不大，热量散失少；金属镁的脱硫反应过程是个放热反应；镁的利用率高，脱硫粉剂加入量少。
4铁损
铁水预处理脱硫过程的铁损主要来自于两部分：脱硫渣中含的铁和扒渣过程中带出的铁水。由于两种工艺模式的不同，实际渣中含铁和扒渣带出铁量都有较大的差别，目前没有公开发表的详细对比数据。一方面，较少的脱硫剂产生的脱硫渣少，则渣中含铁量也低，由此颗粒镁喷吹脱硫的铁损要少一些；另外，颗粒镁喷吹脱硫的渣量少，扒净率相对低，而KR法的脱硫渣扒净率相对高。就扒渣的铁损而言，由于还取决于高炉渣残留量及扒渣过程，综合考虑看KR法与喷吹法区别不大。究竟哪个是主要因素，与各钢厂的实际操作有很大的关系，通过换算，得出具体数据可见表2。可见，喷吹法时，采用脱硫剂的CaO含量越高，则扒渣铁损越大；而KR法使用CaO作为主要脱硫剂成分，其铁损只是略高于喷吹镁脱硫铁损。
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5脱硫剂

铁水预处理过程中，脱硫剂是决定脱硫效率和脱硫成本的主要因素之一。根据日本新日铁曾做的计算，脱硫剂的费用约为脱硫成本的80以上，所以，脱硫剂种类的选择是降低成本的关键。然而，选择时必须得结合考虑不同工艺方法的特点。
基于动力学条件和脱硫效率，目前喷吹法主要采用的是镁基脱硫剂，KR法采用的是石灰脱硫剂。根据理论计算，在1350℃，镁脱硫反应的平衡常数可达3.17×10³，平衡时的铁水含硫量可达1.6×10^-5，大大高于CaO的脱硫能力。然而，上文已经把两种脱硫剂在各自工艺中的脱硫效果进行了对比，表明，结合实际生产工艺后它们都能达到用户对脱硫的最高要求。
在脱硫方式选择时还要考虑脱硫剂的一个因素，就是脱硫剂的来源问题。一般而言，大部分钢铁生产企业都要使用石灰石，要么有自己的石灰厂，要么有稳定的协作供货渠道，来源稳定，成本稳定，而且供货及时，不用考虑仓储问题。虽然我国的金属镁资源丰富，可是相对钢铁企业来说，获得搅拌法所需的CaO基脱硫剂更为容易，钝化颗粒镁就不具备这些有利因素。字串4

6运行成本估算、比较
近年来，国内也有少部分学者对单条铁水预处理脱硫工艺的生产成本做过计算，考虑的主要是粉剂消耗。实际上，生产过程的工艺成本还应包括：铁损、喷枪或搅拌头、温降对废钢比的影响等。
由于数据采集有限，加上市场上物料价格的波动，只能做到粗略估算，但其反应出的运行成本趋势应该是可取的。在计算中，所采用的数据主要引自武钢发表的文章，因为在国内武钢是最早采用KR法脱硫工艺，同时又使用喷吹法脱硫工艺的钢铁企业，尽量用同一钢厂的数据会使计算结果更具可比性。由于武钢数据有限，又参考了不同企业、不同生产线的数据，考虑到技术进步，在估算过程中，各参数一般选取各生产线中耗量最小的数值。估算结果见表2。表2．脱硫工艺运行成本比较项目喷吹法KR法脱硫剂种类CaOMg/CaO=1/4MgCaO单耗(kg/t)8.281.680.4834.69单价(元/kg)0.604.08180.60脱硫剂成本(元/t)4.976.858.6942.81纯处理时间min16.495.855温降数值(℃)23.9819.078～1028温降成本(元/t/℃)5.134.081.935.99铁损扒渣铁损(kg/t)7.576.853.964.24铁损成本(元/t)13.6312.337.137.63铁渣渣量(kg/t)29.617.655.6716.76渣子运费(元/t)0.830.490.050.47喷枪或搅拌头费用(元/t)5.081.761.520.27喷吹N₂费用(元/t)0.080.030.020搅拌头电费(元/t)0000.04总费用(元/t)29.7225.1819.3417.21字串6

比较发现，在喷吹法中，钝化颗粒镁的脱硫成本最低；KR法脱硫（CaO作脱硫剂）的脱硫成本比喷吹钝化颗粒镁还要低，KR法脱硫在后期运行成本的优势很明显的体现出来。

7对流程的影响
国内对喷吹法和搅拌法的比较，主要偏重于技术和成本等方面，很少提到采用不同脱硫工艺时对后续工艺流程或者整个炼钢流程的影响。钢铁制造流程是一类有不同功能但又相互联系、相互关联、相互支撑、相互制约的多种工序和多种装置及相关设施构成的、工序串联并集成运行的复杂过程系统。理论上来说，采用不同的脱硫工艺必然对整个流程也有影响。
采用喷吹法脱硫，由于镁是最强的脱硫剂之一，一般用于深脱硫处理，正是在此过程中存在一些问题，可能影响到流程的紧凑连续性。钝化颗粒镁在喷入铁水后，由于金属镁密度小，沸点低，在铁水中一部分很快气化，一部分溶入铁水中，而未溶解的部分浮向铁水表面的渣中便失去了脱硫能力。实际生产中，大部分钝化颗粒镁无法充分反应而滞留到渣中，要深脱硫就得增大脱硫剂的量，一方面造成了脱硫成本的增加，另一方面使得脱硫渣量增多。镁脱硫渣稀且硫含量高，扒渣难度大，如果扒除不尽就会直接造成转炉中严重回硫，不仅影响转炉工况，还会给后面的精炼工序带来压力。实际生产，铁水包里的镁脱硫渣像一层膜分布在液面，不加增稠剂情况下基本无法扒尽；同时，由于喷吹角度的限制及脱硫剂不能下沉等原因，使得脱硫剂始终到不了一部分区域，称之为死区，当铁水脱硫操作完成后，死区内铁水的硫就会渐渐扩散到整罐铁水中，使得铁水硫量回升，造成返硫现象，所以国内一般使用喷吹钝化颗粒镁只进行限量脱硫。字串5
采用机械搅拌法时，一般使用CaO基脱硫剂，尽管高炉渣碱度对CaO基脱硫剂的脱硫效果影响较大，脱硫前铁水必须彻底除去高炉渣，否则脱硫效果差，并且脱硫剂的利用率仍需继续研究加以提高，但其脱硫效果稳定，脱硫渣状态也有利于扒渣作业。一方面，借助搅拌法的动力学优势，采用廉价的CaO基脱硫仍能达到稳定的深脱硫效果，从而可减少处理成本投入。另一方面，虽然该工艺产生的脱硫渣量较大，但扒渣净率相对高，避免扒渣不尽而造成的回硫，顺畅了转炉和精炼工序。对于大型钢厂大量铁水处理而言，机械搅拌法基本不存在死区，脱硫高效稳定，比喷吹法更具有流程优势。国内外对KR法脱硫的认可度越来越高，尤其是近几年在大中型钢铁企业得到广泛应用，发展迅猛，喷吹法的技术进展趋于平缓。
通过对两种脱硫工艺的技术设备、脱硫效果、温降、铁损、成本及对流程的影响等多方面的综合比较，可见KR法在深脱硫、总成本和流程影响方面优势突出。对于大中钢铁企业，从长远考虑并结合生产实际，KR法铁水预脱硫应该是更具有深远价值的选择。
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