影响铁水脱硫过程粘渣物形成的因素分析.pdf

工业加热 第 37 卷2008 年第 4 期 4 粘渣是钢铁冶金行业常见的一种现象 主要出现在 与熔融金属紧密接触的器壁表面 1 1 对于铁水脱硫系统 粘渣主要表现为脱硫器具壁面 盛铁容器内壁面 防溅 罩内表面等部位 其中 脱硫器具壁面的粘渣将导致脱 硫器具使用性能的下降 甚至导致使用性能的丧失 脱 硫铁水罐内壁面的粘渣 将造成有效容积减少和空罐质 量增加 很容易达到或超过行车的最大起吊质量 给行 车的运行带来安全隐患 由于粘渣物非常坚硬 往往夹 带坚硬的冷凝金属 需采用火焰切割的方式进行粘渣物 清除 造成清渣处理时间长 操作环境恶劣 罐衬的火 焰熔损和熔渣飞溅的安全隐患 导致脱硫铁水罐周转紧 张 使用寿命短 维护成本高 耐火材料消耗大等系列 问题 2 2 3 1 为此 本文通过对脱硫器具和脱硫铁水罐衬 壁粘渣成分以及粘渣状况的分析 探讨影响粘渣速度的 主要因素 为缓解粘渣的危害提供参考 1脱硫过程粘渣状况与粘渣物成分 在铁水脱硫过程中 铁水罐和脱硫器具工作衬壁面 的粘渣过程与渣 铁水罐的热状态和耐材质量紧密相关 黏结在铁水和脱硫器具工作衬壁面的物质不仅仅是渣 还 有渣冷凝后的析出产物和冷金属 因此 把这些物质统 称为粘渣物 1 1 2 2 3 2 通过对武钢一 二炼钢厂喷吹脱硫与 KR 搅拌脱硫 铁水罐粘渣物结圈清理过程的现场跟踪与粘渣物的取样 分析可见 粘渣物中铁含量较高 粘渣物沿着铁水罐上 部自由空间的罐壁与罐沿形成完整的结圈 具体如表 1 和 图 1 图 2 所示 表 1粘渣物化学成分 品名 SiO2 Al2O3 CaO MgO TFe 一炼钢喷 枪粘渣物 2 380 202 890 4194 02 一炼钢铁水 罐粘渣物 3 161 481 040 1490 79 二炼钢搅拌 头粘渣物 3 300 3122 710 5176 37 二炼钢铁水 罐粘渣物 2 920 329 340 2688 59 图 1一炼钢喷枪粘渣状况 图 2二炼钢搅拌头粘渣状况 热能工程 影响铁水脱硫过程粘渣物形成的因素分析 欧阳德刚 罗安智 王清方 李具中 武汉钢铁集团公司研究院 湖北武汉430080 摘要 根据不同脱硫工艺条件下粘渣物成分的检验结果 探讨了熔渣的成分与性能 粘渣面工作温度与工作状况 脱硫工艺等因 素对粘渣物形成的影响关系 分析了脱硫器具与脱硫铁水罐粘渣的危害 探明了铁水罐粘渣物清除困难的主要原因 指出了喷吹 脱硫过程中熔渣与铁水喷溅对粘渣物铆钉状结合的促进作用 关键词 粘渣物 成分 铁水脱硫工艺 脱硫铁水罐 脱硫器具 中图分类号 TF741 344文献标志码 A文章编号 1002 1639 2008 04 0004 04 Analysis of Factors on Forming Slag in The Liquid Iron Desulphurization Process OUYANG De gang LUO An zhi WANG Qing fang LI Ju zhong Wuhan Iron 修回日期 2008 05 05 作者简介 欧阳德刚 1964 男 江西吉安人 教授级高级工程 师 博士 主要从事冶金热能与热工功能材料的研究 工业加热 第 37 卷2008 年第 4 期 5 由表 1 可见 粘渣物中的主要成分是铁 其中 一 炼钢脱硫过程的粘渣物中全铁含量高达 90 普遍高于 二炼钢 对于二炼钢厂的粘渣物 渣中氧化物主要是CaO 铁水罐粘渣物中全铁含量明显高于搅拌头上的粘渣物 对 于一炼钢厂的粘渣物 渣中氧化物为多种氧化物复合而 成 且含量随粘渣部位的不同有较大的变化 但渣中全 铁含量变化较小 2粘渣速度影响因素分析 2 1粘渣物成分的影响 根据资料报道 1 2 4 粘渣物成分的不同将导致其粘附 性能的差异 一般随着渣黏度的增大 粘渣越容易形成 粘渣速度加快 而熔渣的黏度与组成和温度有如下关系 0exp 式中 0为常数 N s m2 为黏滞活化能 J mol 其中 黏滞活化能可视为液体的黏滞流动单元 分 子或原子 在速度梯度的驱动下用以克服移动中的一种 能碍 在相同温度条件下 不同成分含量熔渣的不同 黏度也就不同 温度升高熔渣的黏度降低 研究表明 SiO2 等酸性氧化物能使黏滞流动单元尺寸变大 所以能提高 黏度 A12O3是两性氧化物 在碱度高时 Al 的配位数为 4 形成与 SiO2相同的四面体结构 流动单元变大 黏度 增加 碱度低时 Al 的配位数为 6 形成八面体结构 黏 度减小 在碱性氧化物中 二价金属的氧化物比一价金 属的氧化物对降低黏度的作用大 因为在离子摩尔数相 同的基础上 一价金属如 Na 的氧化物 Na2O 或 NaO0 5 所起的降低黏度的作用 只有二价金属如 Ca2 的氧化物 CaO 的一半 例外的是 二价金属氟化物 CaF2 所 起的作用却为二价金属氧化物作用的 2 倍 能使熔渣黏 度显著增大的组分是 MgO 和 Cr2O3 当它们的含量超过 熔渣的最大溶解能力时 渣中就有难溶解的固相物 如 方镁石 铬铁矿 尖晶石出现 由于粘渣物成分的不同 从而使粘渣物性能有明显 的区别 并随着粘渣物黏度的增大 粘渣速度不断提高 根据上述分析 粘渣物黏度随 A12O3 SiO2 MgO 的增 加而增大 随 CaO 的增加而减小 对于一炼钢厂 由表1 可见 铁水罐粘渣物的 A12O3 SiO2较高 而 CaO 较低 粘渣的综合碱度远1 熔点较低 同 时 喷枪处于铁水罐的中央 粘渣温度高 而铁水罐壁 的散热 导致粘渣温度低 因而 喷枪上的粘渣比较容 易在使用过程中熔融流失 在喷枪提枪后的冷却过程中 粘附的粘渣物快速冷凝黏结 导致粘渣物中全铁含量高 粘渣速度较慢 而铁水罐壁的粘渣物通过散热不断冷凝 析出固相物和冷凝铁 因而粘渣物中全铁含量相对较低 并粘渣速度快 对于二炼钢厂 由表 1 可见 铁水罐与搅拌头上粘 渣物均是以 CaO 为主的氧化物复合成分 为高碱度渣 熔点较高 在铁水脱硫温度条件下 粘渣物为固态氧化 物渣夹带液态金属铁形态 由于搅拌头处于铁水罐中 央 整体温度较高 在搅拌头提升过程中 粘渣物中铁 水流失较多 固态氧化物粘渣通过残留铁水的冷凝以及 对工作衬的侵蚀作用而黏结在搅拌头工作衬表面 因 而 粘渣物中带铁较少 搅拌头渣线部位粘渣速度快 叶片部位因铁水的冲刷而粘渣速度较慢 但叶片部位的 粘渣层改变了搅拌头的叶片结构 对搅拌铁水流场影响 较大 搅拌轴渣线部位因粘渣速度快而影响搅拌头的平 衡状况 为此 应及时进行粘渣物清理 否则将影响搅 拌脱硫效果和设备的安全运行 脱硫铁水罐罐壁的粘渣 是因罐衬散热以及脱硫渣的侵蚀作用而逐渐冷凝黏结形 成的 因而 粘渣物全铁含量较高 粘渣结合强度大 粘渣速度快 由图 1 图 2 可见 喷枪粘渣只有在渣线部位才能形 成 在其他部位枪衬表面光滑 根据上述分析 一炼钢 厂喷吹脱硫渣在铁水温度下为液态渣 粘附在喷枪潜入 段表面的粘渣物易被铁水冲刷流失 渣线部位则因液面 散热而黏结 但在波动液面的冲刷下 粘渣增长速度较 慢 搅拌头的粘渣则在搅拌叶与搅拌轴渣线部位都能形 成 由于固态 CaO 脱硫剂在卷吸与上浮过程中 通过对 搅拌叶工作衬的侵蚀作用形成复合氧化物粘渣而粘附在 搅拌叶的表面 并由于该粘渣物熔点较高 黏度较大而 难以被铁水熔化流失 而搅拌轴渣线的粘渣仍是液面散 热冷却引起的复合氧化物与冷铁 由图 3 可见 铁水罐自由空间壁面和罐沿形成了厚 厚的完整的粘渣物结圈 同时 通过清理的粘渣物块与 罐壁结合面的观察 喷吹脱硫的粘渣结合面上存在大量 长短不一的铆钉状粘渣物 尤其是砖缝与裂纹的痕迹明 显可辨 相应部位的罐壁耐火材料残存工作衬破损严重 而搅拌脱硫的粘渣结合面上铆钉状粘渣物较少 只有渣 线部位有少量存在 由此可见 喷吹脱硫的罐衬粘渣物 清理更为困难 图 3罐口粘渣状况 热能工程 工业加热 第 37 卷2008 年第 4 期 6 2 2脱硫工艺的影响 目前国内外普遍使用的铁水脱硫方式总体上有两大 类 即 喷吹脱硫和 KR 搅拌脱硫 其中 喷吹脱硫又 可按照使用的脱硫剂和脱硫剂加入方式的不同 分为纯 喷颗粒镁脱硫 钙基混合喷吹 镁基混合喷吹 复合喷 吹等 以下就武钢一炼钢厂气化室喷枪纯喷颗粒镁脱硫 与二炼钢厂 KR 搅拌脱硫为例 分析脱硫工艺对铁水罐 与脱硫器具工作衬表面粘渣状况的影响关系 通过对铁水喷吹脱硫工艺的现场调研 5 6 其具体的 喷吹脱硫工艺过程是 铁水罐就位 并进行脱硫前铁水 的取样测温 潜入脱硫喷枪 按照设定的脱硫工艺参数 在载气的动力作用下 将定量的脱硫剂均匀地喷射到铁 水深处 进行铁水脱硫 具体的脱硫反应过程则根据脱 硫剂种类的不同而不同 主要的脱硫反应过程有固相界 面反应与脱硫剂溶解后的均相反应 对于纯喷颗粒镁铁 水脱硫 则以溶解镁的均相反应脱硫为主 对于钙基混 合喷吹脱硫 则完全依靠脱硫剂固相界面反应进行脱硫 对于镁基混合喷吹脱硫 固相界面反应与均相反应均很 重要 对于复合喷吹脱硫 则视其不同喷吹阶段脱硫剂 种类的不同 具体脱硫反应方式也不同 在完成要求时 间的喷吹后 提升喷枪 并进行铁水取样测温 达到铁 水脱硫要求后 进行铁水扒渣 完成整个铁水的喷吹脱 硫 根据上述工艺过程和上述熔渣性能的影响因素分析 认为引起武钢一炼钢厂纯喷颗粒镁脱硫过程粘渣的原因 主要有以下几个方面 1 残存铁水渣 由于残留铁水渣熔点较低 在脱 硫过程中 通过对铁水罐与喷枪渣线的侵蚀与渗透 引 起渣线粘渣 同时 大量铁水渣的残存 将引起脱硫后 渣成分的改变和渣铁夹带现象 致使粘渣物中冷铁增大 强化了粘渣物的结合强度 使粘渣物清除困难 2 颗粒镁脱硫剂 由于颗粒镁脱硫渣的复合化合 物还原性能以及部分镁化合物熔点低 脱硫渣量少等 使 渣中部分金属氧化物还原 从而 降低了脱硫渣的综合 熔点 改善了其流动性能 加剧了脱硫渣对罐衬耐火材 料的侵蚀与渗透 并随着反应的不断进行和氧化镁的析 出 最终形成高熔点粘渣物 增进了粘渣的形成和粘渣 的结合强度 3 喷吹的机械作用 喷吹过程中 载气与镁蒸气 的聚集与排放 导致铁水面和渣面不断起伏波动 引起 高位低温渣线部位渣铁渗透与凝固黏结 增强了渣层的 黏合强度 促进了粘渣的发展速度 同时 较大的聚集 气泡上升过程突然减压的爆排 将引起渣铁喷溅 喷吹 搅拌过程的液面波动和脱硫反应过程的轻微飞溅 也使 熔融粘渣物不断地冲击铁水罐上部自由空间的内壁 并 在飞溅与撞击的冷却条件下 在罐壁形成渣铁不分的坚 固的固体粘渣物 同时 在粘渣物的撞击力作用下 未 形成固体的熔融粘渣物渗入罐壁耐火材料或粘渣物的气 孔与裂纹之中 并通过粘渣物渗透凝固的铆钉状结合作 用 将粘渣物牢牢地固定在脱硫铁水罐的内壁 4 飞渣的影响 在脱硫过程中 载气与未充分反 应的镁蒸气的排放 引起细小粉尘与微粒的飞扬 导致 细尘粘渣 5 扒渣的影响 由于扒渣板结构的变形 导致铁 水罐兑铁嘴存渣 恶化了兑铁水嘴的粘渣状况 给转炉 兑铁带来困难 同时 脱硫剂 脱硫渣 铁水残渣对脱 硫铁水罐工作衬耐火材料的侵蚀与渗透 致使罐壁表面 凹凸不平 增强了渣线罐壁粘渣的接触面积和结合强度 加速了渣线粘渣的形成速度 由于喷吹过程液面渣铁的 强烈混合 致使渣中渣铁不分 并使罐壁粘渣物通过凝 铁的增强作用 极大地增强了粘渣的结合强度 随着脱 硫过程的不断进行 罐壁表面粘渣物不断增厚 铁水罐 加重 重心上移 引起铁水罐的正常吊运的安全隐患 并 使铁水的兑入与翻罐困难 因而 只有频繁地进行粘渣 处理方可满足生产的需要 由于粘渣物的坚固以及与罐 壁黏结强度大 致使铁水罐上部自由空间粘渣物清除十 分艰难 一般采用大型的火焰切割方式进行清理 通过 将粘渣物结圈切割成小块 再采用吊钩将小块粘渣物吊 出 但在火焰切割过程中 由于切割火焰强烈的冲击 致 使切割熔融物四处飞溅 严重地恶化了操作环境 并给 操作人员带来烧伤的危险 导致渣线粘渣清除困难 处 理时间长 处理劳动强度大 同时 由于粘渣物结合强 度大 尽管采取火焰切割与小块吊脱的方式进行处理 但 在吊钩的机械撞击与吊脱过程的拉扯力作用下 罐壁耐 火材料工作衬破损十分严重 导致铁水罐使用寿命降低 耐材消耗和吨铁成本急剧增加 通过对铁水 KR 搅拌脱硫工艺的现场调研 7 1 其脱 硫过程为 脱硫前铁水取样测温 铁水罐就位 潜入 KR 搅拌器预搅拌 投入要求数量的钝化石灰脱硫剂进行搅 拌 通过卷吸到铁水中石灰的界面反应进行脱硫 在完 成要求时间的搅拌脱硫后 提升搅拌器 并进行铁水取 样测温 达到铁水脱硫要求后 进行铁水扒渣 完成整 个铁水 KR 搅拌脱硫过程 由此可见 对于 KR 搅拌脱 硫 喷吹脱硫的粘渣机理同样有效 并由于 KR 搅拌脱 硫过程的喷溅现象较弱 因而 熔渣飞溅的撞击对粘渣 结合强度的促进作用减小 与喷吹脱硫相比 粘渣物与 罐壁结合强度下降 处理难度也相应降低 此外 KR 脱 硫的搅拌作用 使铁水面和渣面不断起伏波动 引起低 位粘渣物熔失和冲损 因此 罐壁的粘渣速度也相应降 低 但毕竟是渣铁不分的坚固粘渣物 因而 仍需采用 大型火焰切割的方式进行清理 并在清渣过程中仍引起 罐壁耐火材料工作衬的破损与脱落 导致铁水罐使用寿 命降低 耐材消耗和吨铁成本急剧增加 3结论 1 影响铁水脱硫过程粘渣的原因较多 主要有熔 热能工程 工业加热 第 37 卷2008 年第 4 期 7 渣的成分与性能 粘渣面工作温度与工作状况 铁水温 度 脱硫工艺等 2 高炉渣成分与残留量 脱硫剂种类与消耗量 耐 火材料种类等都将影响到最终脱硫顶渣的成分与性能 并 随着熔渣黏度的增大 粘渣速度不断提高 熔渣黏度则 随 A12O3 SiO2 MgO 的增加而增大 随 CaO 的增加而 减小 3 由于不同粘渣面散热状况与铁水温度的不同 导 致粘渣物温度的高低区别 并随着温度的提高 粘渣黏 度下降 粘渣速度随之降低 4 不同的脱硫工艺采用的脱硫器具不同 脱硫器 具的工作方式也不同 但都存在脱硫器具粘渣问题 对 于喷吹脱硫 由于喷吹脱硫是通过喷枪喷吹口进行喷 吹流场的合理组织 因而 喷枪工作衬表面上的粘渣 对喷吹性能影响较小 而 KR 搅拌脱硫是通过搅拌头叶 片的旋转进行搅拌流场和脱硫剂卷吸过程的组织 因 而 搅拌头叶片的粘渣将影响最终的脱硫效果和搅拌 头的动平衡 5 不同脱硫工艺条件下都存在脱硫铁水罐粘渣严 重问题 其中 喷吹脱硫由于渣铁喷溅的撞击作用 增 强了粘渣物的铆钉状结合效应 因而 粘渣物的清除难 度更大 参考文献 1 姚金甫 国内外钢包的粘渣及其对策 J 钢铁 2002 37 2 70 72 2 汪 波 攀钢半钢罐防粘技术的开发 J 四川冶金 2004 4 5 7 3 欧阳德刚 王庆芳 周明石 等 脱硫铁水罐罐口结渣清除 措施的研究与应用 J 武钢技术 2003 41 1 6 8 20 4 姚金甫 田守信 牟济宁 等 钢包粘渣的机理研究 J 宝钢技术 2002 6 59 64 5 欧阳德刚 庄汉林 周明石 等 延长脱硫罐罐沿使用寿命 的技术 J 武钢技术 2002 40 3 13 15 6 欧阳德刚 庄汉林 周明石 等 脱硫铁水罐渣线喷涂料的 研究 J 武钢技术 2003 41 3 34 36 7 欧阳德刚 高小安 王雪东 等 KR 脱硫铁水罐渣线防粘 渣涂料的研制 J 钢铁研究 2007 35 5 35 37 53 热能工程 上接第 3 页 4结语 我国近年来经济高速发展 能源工业面临了经济增 长需求与环境保护的双重压力 因此必须依靠科技进步 开发清洁高效的燃烧技术 提高能源利用率 减少环境 污染 发展清洁燃烧技术 减少 NOX SOX和烟尘 是实 现燃烧技术可持续发展的重要组成部分 是当前社会能 源行业发展主旋律 节能减排的迫切需要 上述各项 燃烧技术均有降低 NOX排放的作用 在保证燃烧器综合 性能优良的前提下 在对机组燃烧器进行优化组合 选 用上述燃烧技术 并使之合理地组合在一起 完全可以 达到既有较高的燃烧效率 又能清洁燃烧 满足环保要 求的目的 清洁燃烧技术以后的发展方向是充分利用其他相关 领域的理论和燃烧模拟软件 譬如 FLUENT PHOENICS 和 CHEMKIN 16 完善各种物理和数学模型 利用新的 实验和测试技术为燃烧过程提供大量数据使数值模拟不 断完善 从而进一步认识 NOX的生成和控制机理 寻找 有效且经济使用的方法和途径 参考文献 1 张 建 李金科 徐红兵 等 低 NOX燃烧器研究开发 J 乙烯工业 2006 18 1 22 25 2 沈永庆 低 NOX燃烧技术的研究 J 云南电力技术 2006 6 30 32 3 常弘哲 张永康 沈际群 燃料与燃烧 M 上海 上海交 通大学出版社 1993 166 170 4 钱家麟 于遵宏 李文辉 等 管式加热炉 M 北京 中 国石化出版社 2003 238 5 还博文 锅炉燃烧理论与应用 M 上海 上海交通大学出 版社 1999 196 6 冯俊凯 沈幼庭 锅炉原理及计算 M 2 版 北京 科学 出版社 1992 106 110