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转炉冶炼及洁净钢生产技术 1 脱C 脱P 升温溅渣护炉品种钢冶炼 不锈钢 硅钢等 转炉炼钢的任务 2 3 炉内多相 多种反应存在以下矛盾 脱C与脱P的矛盾 脱C使FeO还原造成回P 脱P与脱S的矛盾 氧化有利于脱P但不利于脱S 脱C与脱 O 的矛盾 C O 积为常数 C O 4 转炉冶炼技术进步 提高转炉生产技术水平 缩短供氧时间 提高终点命中 提高作业率 降低冶炼成本 提高钢水质量 高速吹炼工艺 底吹工艺 终点控制技术 负能炼钢技术 洁净钢生产技术 复吹转炉长寿技术 任务技术目标工艺技术 提高供氧强度促进钢渣平衡减少喷溅减少后吹不倒炉直接出钢减少倒炉次数提高炉龄加快生产节奏减少事故处理时间实现负能炼钢节约铁合金 N2 O2提高煤气回收量改善渣钢平衡提高终点控制精度降低钢中杂质量 5 高速吹炼的理论依据 图1氧气射流与熔池的作用 1 射流氧气向 火点 边界扩散 2 在 火点 边界上氧分子解离以原子态溶入钢水 O2 2 O 1 3 在 火点 边界层上 溶入钢水的氧原子向钢液内扩散 4 扩散到钢液内的氧与碳反应 生成CO O C CO 2 上述分析表明 强化转炉冶炼的基本条件是 较高的供氧强度 保证足够的反应面积 即冲击面积和冲击深度 加快熔池传质 提高氧气扩散速度 氧气转炉冶炼过程中 高速氧气射流直接冲击钢水液面形成凹坑 称为 火点 温度高达2700 如图1所示 氧气射流中的氧通过以下动力学途径进入熔池 6 氧枪设计和使用 氧枪的直径 孔数 喉囗尺寸 中心夹角和马赫数等参数一旦确定 氧枪出囗射流的特性 射流长度 直径 衰减等 也确定 则吹炼时射流的冲击面积 冲击深度和熔池搅拌特性也已确定 这些参数是在确定的供氧压力和氧气流量的条件下设计出来的 生产中往往调整压力和流量这是不对的 带来吹炼的不稳定 直接影响到熔池脱碳与化渣速度 因此高速吹炼的第一项工作是重新设计喷头参数 而不是随意调整氧压和流量 7 熔池最大冲击深度 通常 氧气射流对熔池的最大冲击深度取熔池深度的54 57 为宜 如表2所示 提高冲击深度有利于提高熔池脱碳速度 可以有效地改善炉底上涨的状况 表2氧气射流对熔池冲击深度 8 氧枪枪位与熔池冲击深度的关系 表3 299氧枪喷头对熔池冲击深度的模拟试验结果 通过实验证明 随着枪位的降低和工作氧压的提高 氧气射流对熔池最大冲击深度增加 综合考虑保护炉底和加快脱碳速度 9 表4氧枪枪位与氧气射流对熔池冲击面积的关系 氧枪冲击面积 10 底吹技术及应用效果 首钢3 炉6559炉底枪蘑菇头及透气冷测情况 11 促进钢 渣反应平衡 如图5所示 在不同终点温度条件下 复吹转炉终点碳氧积基本保持在0 0022 0 0028之间 钢水温度与钢中碳 氧含量的波动值远远小于顶吹转炉波动值 从图6中可见 采用复吹工艺 不仅降低了渣中FeO含量 也使熔池温度与炉渣氧化性的波动减小 从另一方面证明复吹转炉比顶吹转炉吹炼更加平稳 图5终点温度与 C O 积的关系 图6终点温度与终渣 FeO 的关系 12 碳氧平衡 图8顶吹与复吹转炉的终点 C O 关系对比 由图中可以看出 随着碳含量降低 钢水氧含量逐渐升高 复吹与顶吹相比 氧含量平均降低约100 10 6 钢水 C O 积平均为0 0023 平均比顶吹转炉降低23 13 终点碳 温控制 复吹转炉终点碳的平均值为0 064 波动范围为0 017 0 22 方差为0 0251 而顶吹转炉的终点碳平均值为0 069 波动范围为0 0047 0 76 方差为0 0474 复吹转炉终点温度的平均值为1674 3 波动范围为1640 1720 均方差为13 41 顶吹转炉终点温度平均值为1676 8 波动范围为1640 1740 均方差为16 21 14 提高熔池脱碳速度 采用复吹工艺 提高了熔池搅拌强度 促进碳氧反应 使吹炼后期脱碳速度明显加快 图8复吹转炉熔池含碳量的变化 图9复吹转炉熔池脱碳速度 15 复吹转炉钢水质量 O 含量控制 采用复吹工艺后 钢中 O 含量平均比顶吹转炉降低104 10 6 如图1所示 氧含量随终点温度和碳含量的变化波动在290 760 10 6的范围 终点钢水 O 含量分布 16 终渣改变 采用复吹工艺后 加强后期熔池搅拌 为石灰充分熔解创造了良好的动力学条件 终渣完全熔化 不仅提高了炉渣脱硫 脱磷能力 同时也使钢渣保持平衡 降低钢 渣的氧化性 照片2a顶吹终渣岩相结构照片2b复吹终渣岩相结构 17 转炉自动控制技术 18 副枪终点动态控制技术 副枪终点动态控制技术是20世纪60年代中期由日本新日铁公司开发成功 并于70年代在国外大型转炉普遍采用 控制原理 在转炉吹炼末期 通过副枪测定炉内钢水成分 温度 校正静态模型的计算误差 并根据监测值预报终点 通常采用副枪终点动态控制技术碳的控制精度为 0 015 温度为 12 碳温同时命中率 85 技术特点 在正常生产情况下 副枪通过PLC控制 具有手动 自动和计算机三种控制模式 手动控制时 每一单独功能和动作通过操作面板实现 自动控制时 操作人员一旦确定操作模式 整个吹炼过程由计算机按程序自动控制 在计算机控制模式下 可实现转炉全自动吹炼 19 炉气分析动态控制技术 为降低副枪测试成本 同时实现转炉全自动吹炼 引进 开发了国内第一套转炉炉气分析动态控制系统 引进的达涅利SDM炉气分析动态控制系统包括 在转炉烟道上安装气体取样器 烟气处理 质谱仪分析等系统 可实时在线准确地分析炉气成分 并通过模型连续计算转炉吹炼过程中熔池成分与温度的变化 主要工艺参数 气体分析种类 N2 CO CO2 Ar H2 O2分析周期 6sec 20 炉气分析转炉动态控制技术开发 图2本钢转炉炉气分析系统示意图 21 炉气分析转炉动态控制技术开发 转炉烟气是由转炉炉气 炉内碳氧反应产物 和吸入的空气在烟道内进行二次燃烧后形成的混合气相产物 根据质谱仪分析得出的吹炼过程烟气成分变化曲线 如图3所示 通过模型可以计算出熔池脱碳速度和碳含量 温度的变化曲线 如图4 图5所示 图3吹炼期间烟气成分的变化曲线 图5模型计算的熔池温度变化 图4模型计算的熔池碳含量变化 22 铁水脱硫技术 23 铁水脱硫技术的进步与发展 目前主要有三种脱硫技术被采用 1 石灰搅拌法CaO s O CaS s O 2 石灰和镁混合喷吹法Mg g S CaO s CaS MgO S 3 纯镁喷吹法Mg g S MgS S 24 钢材对硫含量的要求 除易切削钢外 硫是钢中有害杂质 影响钢材的加工性能和使用性能 具体要求是 普通钢 连铸生产铸坯时 铸坯内部裂纹和表明质量均与硫含量有关 则要求硫含量 0 02 结构钢 为实现均匀的机械性能 减少各向异性 则要求硫含量 0 01 称此为低硫钢 极低硫钢 石油管和天然气输送管等 要求提高输油管抗H2S腐蚀能力 要控制钢中 S 0 0005 超纯净钢 超纯净 高均匀度和细晶化是21世纪钢铁产品质量发展的主要技术方向 为了提高钢材的各种性能 延长服役寿命 提高强度 要求钢材的杂质含量 S P N H T O 0 006 25 铁水脱硫对炼钢的意义 可以稳定 高质量的生产各类高品质钢材和特殊钢 减轻炼钢和精炼的冶金任务 提高生产率 降低石灰消耗 减少渣量 提高炉衬寿命 缩短冶炼时间 减少氧气消耗 提高金属收得率 降低钢的成本 26 铁水脱硫对高炉冶炼的意义 扩大高炉对原材料的适应范围 由于对铁水硫含量的放宽 冶炼用石灰 焦炭消耗量减少 高炉产量提高蒂森统计 高炉R由1 25减至1 06 S由0 021 提高至0 043 采用炉外脱硫 高炉焦比下降36kg t 生产量提高13 27 喷吹法脱硫技术 喷吹法是通过一根喷枪插入铁水中 依靠载气将镁粒和石灰吹入铁水中 喷吹法脱硫历史比较长 在我国六 七十年代就有很多研究和应用 当时主要喷吹CaC Na2O CaO等等 由于喷吹法需要载气输送 因此需要一套喷吹系统 脱硫剂储料和给料系统及喷枪升降系统 在使用搅拌法之前 喷吹法成为我国主要的脱硫方法 因为脱硫反应是脱硫剂和铁水之间的界面反应 只有两相接触并使脱硫剂熔化才能发生脱硫反应 只有通过喷枪插入铁水中尽量深的位置 将脱硫剂输送至铁水内部 使脱硫剂有更多的时间与铁水接触 用此办法来解决脱硫反应所需要的条件 28 喷吹法虽然已有多年的历史 但其发展主要是在脱硫剂的选择上 表1是在标准状态下 在1350 时 一些脱硫剂的脱硫反应平衡常数K和平衡硫含量 S 的计算结果 表1不同脱硫剂的脱硫反应平衡常数K和 S 平衡的计算值 1350 从表1看出 当脱硫反应达到平衡时 CaO可使铁水硫含量降低到0 004 以下 而其它三种脱硫剂则在更低的水平 Na2O由于其大量挥发而污染环境 且易发生回硫现象目前已不再使用 CaC2价格贵 脱硫成本增加 同时需要增设C2H2检测仪和防暴措施 喷粉系统的所有电气设备都得选用防暴型 使投资 不同脱硫剂的脱硫反应平衡常数K和 S 平衡的计算值 29 喷吹法脱硫剂效果比较 目前喷吹法主要有CaO和Mg单喷及CaO和Mg的复合喷吹 目前单吹CaO已不在使用 在CaO Mg复合喷吹和单喷镁的比较中 CaO Mg复合喷吹时效果不很理想 原因是喷进的镁粒被大量CaO粉剂所包裹 减少了镁与铁液接触的面积 使镁的利用率降低 同时CaO脱硫置换出的 O 会与Mg反应使镁消耗增加 其最终效果不如单喷镁好 某厂实验结果表明 两种脱硫工艺的目标一次命中率 脱硫率基本相同 复喷的温降要高于单喷2 3 工序时间多2min左右 同等条件下吨铁成本单喷比复喷低4 4元 t 见表3所示 30 Mg喷吹法脱硫工艺 Mg耗量一般在吨铁0 3 0 7Kg 温降小于15 且渣量小 铁损小脱硫周期一般在24 30分钟适合低温铁水 溶解度随铁水的温度下降而提高溶于铁水 因镁脱硫反应与渣无关 所以镁脱硫不受高炉渣的影响 31 采用纯镁脱硫需要解决的问题 镁粒随载气一同进入铁液中 主要存在以下三种情况 1 动能较大的颗粒 能突破气 液界面而侵入金属液中 并在以后的运动或上浮过程中 汽化并溶解于铁液中和硫发生脱硫反应 2 动能较小的镁粒 没有克服表面张力的阻碍作用 附着在气泡膜上随气泡上浮 或溶解或被带出铁液进入大气 3 动能很小的镁粒 它们悬浮在气泡中 并且随着气泡一起穿出渣面进入大气 32 采用纯镁脱硫需要解决的问题 1 溶解度降低镁在铁水中的溶解度取决于铁水温度和镁的蒸汽压 如下式 lg Mg 7000 T lgpmg 5 1 2 在两个大气压下 相当于铁水液面下2m处的压力 镁的溶解度可增大一倍 由于铁水包液面一般在1 5 1 8m之间 因此镁的溶解度有所降低 33 2 镁的利用率降低 按化学当量计算 每脱硫1Kg只需0 75Kg镁 如100吨铁水从初始含硫量0 05 脱到0 01 只要0 3Kg t镁就够了 实际大约需要0 5Kg t镁 镁的利用率为60 同样条件 对于50吨铁水包 实际大约需要0 7Kg t镁 镁的利用率为42 34 3喷吹法脱硫剂颗粒进入铁液中的条件 脱硫剂颗粒侵入金属液中时必须克服界面张力 正面阻力和浮力 颗粒侵入金属液中所必须的最小速度 临界速度 与铁液表面张力 m1 2成正比 与颗粒比重和直径dp1 2成反比 见下式 2 式中 vl临界速度m s 1为铁液密度kg cm3 p为颗粒密度kg cm3 dp为颗粒直径mm 喷吹时动能较大的颗粒 能突破气 液界面而侵入金属液中 动能较小的颗粒 可能无法克服表面张力的阻碍作用 会附着在气泡膜上随气泡上浮 而动能很小的镁粒 它们会悬浮在气泡中 并且随着气泡一起穿出渣面进入大气 35 常用三种脱硫剂进入铁液的临界速度与颗粒直径的关系如图2所示 图2脱硫剂进入铁液的临界速度与颗粒直径的关系Fig 2RelationbetweenvlanddsforthecaseofCaO CaC2andMg 36 讨论 从图2看出 在喷吹脱硫剂颗粒直径为0 5mm时 CaC2颗粒需要的喷枪出口速度为45m s CaO颗粒需要的速度为65m s Mg颗粒则需要的速度为90m s 同种颗粒的直径越小 所需要的喷吹速度越大 所有脱硫剂当颗粒直径小于0 2mm时 其所需要的速度迅速增加 当颗粒直径小于0 1mm时 其所需要的速度难以满足 此时大量颗粒被载气带出 脱硫剂消耗会明显增加 37 4脱硫剂颗粒在铁液中的上浮速度分析 脱硫剂颗粒在铁液中的上浮速度可以由下式计算出 式中 vs上浮速度m s 计 颗粒与铁液密度差kg m3 l铁液密度kg m3 ds颗粒直径mm 计算结果见图3所示 从图3看到 颗粒进入铁液后会迅速上浮 其上浮速度与颗粒直径成正比 与颗粒比重成反比 上浮速度计算 38 图3脱硫剂上浮速度与颗粒直径的关系Fig3Relationbetweenthediametersofsolidparticles ds andrisingupvelocity vs 喷吹镁脱硫剂时 镁颗粒侵入铁液后会迅速汽化变成气泡 因此在图3的计算中 要将镁颗粒变成镁气泡后 然后计算镁气泡的上浮速度 39 镁气泡直径与颗粒直径的关系如下式所示 镁气泡的上浮速度由下式算出 上式中 vg上浮速度m s PMg镁气泡蒸汽压Pa 105 ds颗粒直径mm h喷吹深度m 镁气泡的上浮速度与镁颗粒直径成正比 与喷吹深度成反比 因此要提高镁脱硫效果 提高镁脱硫剂的利用率 就要减小镁气泡的上浮速度 也就要减小镁粒的直径 但减小镁粒直径会使镁粒难以侵入铁液中 这是一个矛盾的问题 解决问题的办法是要提高喷枪出口速度 镁气泡直径与镁颗粒直径的关系如下式所示 40 5镁脱硫剂在铁液中的停留时间分析 在所有脱硫剂中 镁脱硫剂是很特殊的一种 其特点是进入铁液后 存在溶化 汽化 上浮 溶解的过程 在这过程中镁颗粒和铁水之间可以实现气 液反应和液 液反应 镁脱硫剂不存在渣 铁之间的持续反应 因此 镁粒在铁液中的总停留时间成为影响镁脱硫效果的决定性因素 镁脱硫剂的特殊性 镁粒在铁液中的总停留时间包括溶化 汽化 上浮三个环节的时间 可由下式算出 计算结果如图4所示 镁粒在铁液中的总停留时间 41 图4镁粒在铁液中的总停留时间与喷吹深度和镁粒直径的关系Fig4RelationofstayingtimeMgparticlesinthemelt diametersofMgparticles ds andtheinjectiondepth h 42 讨论 从图4看出 镁粒在铁液中的总停留时间 与镁粒直径ds成反比与喷吹深度h成正比 如当喷吹深度为2 5m 颗粒直径1mm时 镁粒在铁液中停留时间 为9 01秒 当采用小的铁水包脱硫时 喷吹深度更小 停留时间会更短 如当喷吹深度为1 5m 镁粒在铁液中停留时间 只有5 15秒 这也是为什么小铁水包采用镁脱硫效果不如大铁水包的主要原因 讨论 43 6镁粒完全溶解时间分析 镁在铁水中的溶解度取决于铁水温度和镁的蒸汽压 如下式 lg Mg 7000 T lgpmg 5 1式中T是绝对温度 PMg是该温度下镁的蒸汽压 镁的溶解度随压力的增加而增加 在一个大气压下 1200 1300 和1400 时 镁的溶解度分别为0 45 0 22 和0 12 镁粒在铁液中的溶解时间与镁粒直径成正比 与喷吹深度成反比 按下式计算 gr镁粒完全溶解时间s 计算结果如图5所示 44 图5镁粒完全溶解时间与喷吹深度和镁粒直径的关系Fig5RelationofdissolvingtimeofMg gr withparticlesize ds andinjectiondepth h 45 Mg完全反应条件 Mg在铁水中有溶解 汽化 上浮过程 Mg上浮速度可由下式给出 Mg在铁水中的停留时间可由下式给出 Mg在铁水中的完全溶解时间Mg完全反应条件是 46 当镁颗粒直径ds为1mm 喷吹深度h为2 5m时 镁粒完全溶解时间 gr为9 21秒 为9 01秒 计算结果表明 gr 即溶解时间大于停留时间 说明此时镁颗粒来不及溶解就上浮了 这样就不会有溶解镁与铁水硫之间的反应 Mg S MgS s 镁的利用率会因此降低 解决该问题的措施尽量增加喷吹深度 当喷吹深度一定时 就要减小镁粒直径来缩短镁粒的溶解时间 为此也要提高喷吹速度 使镁粒能顺利进入铁液中 分析与讨论 47 KR法铁水脱硫工艺 机械搅拌脱硫工艺是依靠搅拌头在铁水中旋转产生的剪切力 将飘浮在铁水表面的石灰脱硫剂卷入铁水中 实现固 液相间接触 使石灰熔化并发生脱硫反应 在强烈搅拌下创造良好的动力学条件使脱硫反应不断进行 可使铁水硫含量降低到10ppm 48 KR法技术特点 1 使用廉价的石灰脱硫 容易获得 成本低 2 可以做到铁水深脱硫 处理后铁水硫含量 10ppm 3 脱硫反应产物CaS s 很稳定 炼钢时不易回硫4 与喷吹法相比 不用载气 没有堵枪 喷溅 流量波动等影响 因此脱硫效果稳定 5 脱硫装备运行平稳 可靠 设备故障少 费用低 搅拌浆寿命大于450 550次 喷枪只有110次 49 1979年 武钢从日本新日铁公司引进KR机械搅拌式铁水脱硫预处理工艺 还自行开发了无碳CaO基脱硫剂取代了CaC2 降低了生产成本 脱硫处理前后铁水温降从过去的40 5O 减至28 脱硫效率平均达92 5 脱硫处理后 S 0 005 的罐次比率在98 以上 实际 S 0 002 时的脱硫剂 CaO基 耗量由8 5kg t降至5 00kg t以下 目前兑入转炉经深脱硫的铁水硫含量平均值已达0 0027 专用脱硫罐罐龄已达4OO次以上 主要消耗部件搅拌头使用次数已突破500次 2005年突破800次 吨铁脱硫处理成本约10元 tFe 铁损约0 3 这些技术经济指标与国内外相关钢厂铁水脱硫工艺指标相比 表现了较明显的优点 武钢KR脱硫实际效果 50 1 脱硫机理及效果比较镁脱硫反应有如下两种形式 Mg g S MgS S G0 104100 44 07T Mg S MgS S G0 132186 51 58T镁的熔点为651 沸点为1110 镁进入铁水中后 迅速汽化形成气泡 在气泡上升过程中 有部分镁溶解于铁液中 溶解反应如下 Mg S Mg G0 117400 34 1T由上式计算 在铁水温度范围内 1300 1450 镁的溶解度很低 而气 液反应又受到铁水深度 喷吹粉气比 气泡直径大小等多种因素影响 脱硫目标值因此会产生很大波动 加之搅拌不均匀使脱硫目标不易控制 做到稳定的深脱硫目前还有很大难度 目前脱硫也只能做到50ppm 再低时脱硫剂成本会显著增加 石灰搅拌法脱硫反应如下式所示 CaO s S CaS s O 机械搅拌脱硫工艺是依靠搅拌头在铁水中旋转产生的剪切力 将飘浮在铁水表面的石灰脱硫剂卷入铁水中 实现固 液相间接触 使石灰熔化并发生脱硫反应 在强烈搅拌下创造良好的动力学条件使脱硫反应不断进行 可使铁水硫含量降低到10ppm 纯镁喷吹和机械搅拌法脱硫技术比较 51 2 受铁水条件影响比较镁脱硫要使镁溶解在铁水中 镁在铁水中的溶解度取决于铁水温度和镁的蒸汽压 如下式 lg Mg 7000 T lgpmg 5 1式中T是绝对温度 PMg是该温度下镁的蒸汽压 镁的溶解度随压力的增加而增加 在两个大气压下 相当于铁水液面下2m处的压力 镁的溶解度可增大一倍 因此当铁水量波动时 给镁的溶解度带来很大影响 这时会显著影响到脱硫效果 石灰搅拌法脱硫通过调整石灰加入量和搅拌时间 可以对任意铁水量进行稳定的脱硫 不受铁水液面波动的影响 纯镁喷吹和机械搅拌法脱硫技术比较 52 3 脱硫剂成本比较按化学当量计算 每脱硫1Kg只需0 75Kg镁 如100吨铁水从初始含硫量0 05 脱到0 01 只要0 3Kg t镁就够了 实际大约需要0 5 0 7Kg t镁 镁的利用率为40 57 将近一半的镁粒逸出铁水液面进入大气中 脱硫剂成本在5 7元 t 镁粒价格按10000元 t计算 石灰搅拌法脱硫的石灰消耗为4 6Kg t左右 脱硫剂成本在3 6 5 4元 t 石灰价格按900元 t计算 两者相差1 4 1 6元 t 纯镁喷吹和机械搅拌法脱硫技术比较 53 4 喷枪成本比较喷吹法的喷枪寿命受到两个方面影响 一是堵枪事故 因为镁粒价格昂贵 喷吹开始时要先吹入氮气 待喷枪下到脱硫位置时再开动给料器吹入镁粒 在下粉的瞬间枪管中形成负压引起铁液倒灌入喷枪 造成堵枪事故 在石灰和镁粒混合喷吹时 在粉剂切换时同样存在堵枪现象 二是喷枪受气体冲刷和铁液侵蚀 目前最高寿命在100次左右 其成本费用在4元 t左右 一支喷枪价格按4000元计算 石灰搅拌发的搅拌浆寿命为500次左右 按一支新搅拌浆80000元计算 搅拌浆成本费用为1 6元 t左右 如按返修耐材一支10000元计算 搅拌浆成本费用仅为0 2元 t左右 两者相差至少2倍以上 如果算上喷吹堵枪造成的喷枪损坏两者相差就更高了 纯镁喷吹和机械搅拌法脱硫技术比较 54 5 回硫问题比较镁脱硫的回硫问题成为影响镁脱硫技术推广的核心和关键问题 如果不能得到有效解决 将严重制约镁脱硫技术的应用 欧洲镁脱硫也主要是回硫问题 回硫的原因有两个方面 一是镁脱硫渣少且很稀不易扒除 在铁水兑入转炉冶炼时 高浓度含硫渣使回硫变得容易进行 二是渣中MgS不稳定 极易发生分解反应 目前镁喷吹脱硫铁水进入转炉冶炼后 回硫在0 010 0 015 左右 而石灰脱硫则看不到回硫现象 纯镁喷吹和机械搅拌法脱硫技术比较 55 6 喷溅比较由于在铁水温度 1300 1450 范围内 镁的蒸汽压为0 47 1 12MPa 当镁粒浸入铁水中时 发生猛烈的蒸发 极易造成铁水喷溅 同时大量氮气被吹入铁水中因温度升高产生体积膨涨 也铁水激烈翻腾 喷溅严重时铁水会喷溅到外部造成事故 石灰脱硫则无任何喷溅现象 纯镁喷吹和机械搅拌法脱硫技术比较 56 7 操作系统稳定性比较喷吹法要确定合适的粉气比 粉气比小时 大量的载气被吹入铁水中 不仅造成氮气大量浪费 而且冷的氮气进入铁水中后迅速升温 膨涨引起铁水喷溅和使铁水降温 粉气比大时产生堵枪现象 镁喷枪事故的主要原因是堵枪造成的 另外 镁喷吹时 镁粒的均匀给料成为镁脱硫的关键环节 主要问题是给料器的下粉精度要求控制在 0 25kg min 往往因给料器的控制精度达不到影响脱硫效果和引起喷溅现象的发生 因此喷吹法受气体流量 压力和下粉速度等参数影响很大 操作不稳定 石灰搅拌法脱硫是靠搅拌浆搅拌铁水 搅拌浆搅拌速度和搅拌时间很容易控制 石灰靠气体输送或靠重力自流进铁水包内 对粉气比和气体的流量 压力没有太高的要求 其下粉速度没有精度要求 对脱硫没有太多影响 纯镁喷吹和机械搅拌法脱硫技术比较 57 搅拌喷吹法脱硫工艺 58 搅拌喷吹方法的技术特点 搅拌喷吹方法的技术特点搅拌喷吹方法的技术特点在于采用石灰和镁粒组合法脱硫时 开动搅拌装置 镁粒由喷枪喷入 石灰由铁水包顶部加入 实现两种脱硫剂复合脱硫工艺 这种设计即解决了镁粒利用率低的问题又解决了石灰脱硫的搅拌问题 其特点如下 1 在旋转喷枪向铁水中喷吹镁粒脱硫剂的同时 搅拌器对铁水实施搅拌 利用搅拌作用击碎载气气泡和镁蒸汽泡 使镁粒能够脱离气泡与铁液接触 使铁水和气体充分混合 增大了反应界面积 水模实验表明 通过搅拌使脱硫剂在液体里的停留时间延长2 3倍 熔池传质速度提高1倍 2 在旋转喷枪向铁水中喷吹镁粒的同时 从铁水包顶部加入CaO脱硫剂 加入的CaO靠搅拌卷入铁水中 能快速熔化发生脱硫反应 与喷吹法相比 脱硫效率显著提高 59 搅拌喷吹法工艺特点 1 利用搅拌作用击碎镁蒸汽泡 延长镁在铁液里的停留时间 2 加快铁水中硫的传质速度 提高了镁的反应效率 降低了镁的消耗 3 旋转喷枪可以采用浓相输送 粉气比最大为10 增大了镁的分压 提高了镁的溶解度 使脱硫反应效率进一步提高 4 减少喷枪出口直径 6mm 提高镁粒速度 大于100m s 5 降低镁粒直径 0 3 0 7 减小镁粒直径不仅能增大反应的届面积 而且能减小镁蒸汽泡的直径 降低气泡上浮速度 有利于提高镁的利用率 6 从铁水罐或铁水包顶部向铁水投放另一种脱硫剂CaO 加入的CaO即可以起到脱硫作用 也可以起到稠化脱硫渣的作用 省去了稠化剂的使用 60 水模实验 61 单独喷吹 62 搅拌喷吹 63 搅拌喷吹 64 效果 停留时间 延长2 3倍均匀时间 缩短一半目标 镁利用率提高一倍1月新抚钢投产 65 66 脱P理论和工艺技术 67 磷在钢中的溶解度 钢中磷的溶解度可以用气体 金属间反应 由下式求出 右上图给出不同元素对铁水中磷的活度系数的影响 其中C Si S等元素提高磷的活度系数 有利于脱磷 而Cr Nb Mn V Ti等元素降低磷的活度系数 不利于炼钢脱磷 68 脱磷反应热力学 炼钢过程的脱磷反应在渣 金属间进行 脱磷反应可以按下式进行 1 分子论形式的表达式2 P 5 FeO 3 CaO 3CaO P2O5 5Fe l 2 P 5 FeO 4 CaO 4CaO P2O5 5Fe l 2 离子形式表达式2 P 5 O 3 O2 2 PO3 4 脱磷反应平衡常数KP可以简化为 KP aP2O5 aP 2 aO 5 lgKP 36850 T 29 07渣中磷的活度aP2o5 P2o5NP2o5 脱磷的热力学条件 低温高碱度渣高氧化性渣大渣量 69 炉渣的脱磷能力 不同渣系下 渣 钢间磷的平衡分配系数 FeO对炉渣脱磷能力的影响 70 渣 钢间磷分配系数的计算方法 K BOP法中脱磷平衡常数的经验公式 M Ohnishi 顶底复合吹炼法中脱磷平衡常数的经验公式 甲斐干 71 渣 钢间磷分配系数的计算方法 STB复吹工艺中脱磷平衡常数的经验公式 成羽始 Healy公式 72 脱磷反应动力学 73 搅拌强度对钢渣间磷平衡的影响 74 搅拌强度对终点磷的影响 75 后搅对脱磷的影响 吹炼结束后 采用后搅工艺可以实现有效的脱磷 无论对低 中 高碳钢的冶炼 采用后搅工艺使终点磷含量趋于平衡 对低碳钢尤为明显采用后搅工艺脱磷效果与渣中FeO