硫对钒钛磁铁矿冶炼的影响

硫对钒钛磁铁矿冶炼的影响 张义贤1，李 攀1，曹 勇1，宋 剑1，饶家庭2（摘 要：结合攀钢钒资源现状，开展了硫在含钒铁水中的行为研究。结果表明，在攀钢钒目前原料条件下，焦炭对铁水的硫影响最大，炉的硫分配系数，入炉总硫量的约19%进入铁水；随着量的提高，铁水S含量逐渐降低；随着铁水S含量升高，高炉的焦比、矿耗降低，炼铁成本逐渐下降。 关键词：硫；硫分配系数炭；脱硫成本；量 0 引言 由于市场条件的变化，高炉原燃料供需矛盾突出，成本压力大增，钢铁厂为了降低生产成本，不得不降低对原燃料质量的要求。2012年10月份以来，由于煤资源紧张，右上升至 高炉入炉硫负荷由原来的 3.8 kg/.2 kg/t 以上，这无疑增加了铁水脱硫工序的负荷与成本。为此，分析目前条件下适宜的铁水硫含量及其控制，对公司生产成本的控制具有重要意义。 本文介绍了高炉控制铁水硫含量的主要措施和高钛型高炉渣的脱硫能力，分析了焦炭硫含量对铁水硫含量的影响，以攀钢钒1号高炉2012年910 月的生产数据为依据计算了铁水硫含量的变化对铁水成本带来的影响，提出了目前炼铁成本最低条件下所对应的铁水硫含量。 1 高炉中的硫来源 高炉炼铁炉料主要是烧结矿、球团矿、块矿、焦炭和煤粉。矿石在烧结过程和球团氧化焙烧过程中，脱硫效率较高，一般在90%以上，下，不会对高炉构成威胁；而焦炭和煤粉的上，是硫进入高炉的主要来源，一般占入炉硫总量的80%以上。 焦炭中的硫以硫化物（有机硫形式存在。在受热过程中这些硫会逐渐释放出来。但主要是在风口前发生燃烧时，以气态化合物的形式（如2S、煤气上升。上升的煤气与下降的炉料和滴落的渣铁相遇时，硫被吸收。炉料中自由的碱性熔剂越多、渣量大且碱度高、流动性好，则吸收的硫量越多。故硫在炉内高温区与低温区存在一个循环过程。被炉料和渣铁吸收的硫少部分进入燃烧带后再次被气化而参加循环，大部分在渣铁反应时进入炉渣排出炉外。 硫在高炉内的平衡可用(1)式表示。 wS=0.1（1+ 渣） （1） 式中：wS铁中；负荷，kg/t；炉料溢出硫，kg/t；在渣铁间的分配比，Lsw(S)/ wS；Q 渣炉渣量，kg/t。 由此可得出控制铁水中低硫负荷，增大硫的挥发量，加大渣量，提高硫的分配比2 炉渣脱硫的热力学原理 根据炉渣的分子理论，炉渣脱硫的基本反应是1： （)()()()()()(%)(%)()()(%)(%高渣铁间的硫分配比，主要攀 钢 技 术 19 探讨 的措施是：提高温度。降低渣的氧势：高炉冶炼过程中，初渣中的氧势（或具体操作条件的差异而波动较大，如能改善矿石的还原性，使矿石在软熔前达到较高的还原度，则熔滴或的炉腹渣中氧势降低，有利于吸收更多的硫。而炉缸中为强还原性气氛，铁液中含有较多的C、元素，渣中炉渣脱硫是有利的。提高炉渣碱度，以提高a( 3 炉渣脱硫的动力学原理及特点 炉渣脱硫的动力学原理 高温下，炉渣的脱硫主要由以下几个环节组成1：铁液中的硫向渣铁界面扩散。在渣铁界面上发生化学反应：（生成的硫化物从渣铁界面向炉渣中扩散。 由此推导出脱硫反应的速率方程如式（2）。 (00 （2） 式中：S(S)A铁水与渣的接触面积； M铁水重量； 0平衡状态下硫在渣铁间的分配比； 在渣中的传质系数； 在铁液中的传质系数。 由此速率方程式可得出提高炉渣脱硫速率的措施为： 1）加大铁水与渣的接触面积：高炉冶炼过程中，当铁滴穿过渣层时，炉渣脱硫的主要时机，生产实践证明了这一点。而在炉缸中，由于渣铁是相对静止的，二者接触面积小，故虽然在两次出铁之间的时间间隔远较铁滴穿过渣层的长，脱硫效果仍较低。 2）提高硫在渣铁中的分配比。 3）增大硫在铁液及炉渣中的传质系数：硫在渣中的扩散系数较在硫铁液中的扩散系数低两个数量级，因此，硫在渣中的扩散是炉渣脱硫的限制性环节，提高炉渣的温度和降低炉渣的黏度可加速硫在渣中的扩散速度。另外，在出铁时，渣与铁之间的扰动加剧，一方面增加了渣与铁的接触面积，另一方面也加快了硫在渣中的传质速度，从而具有加速脱硫的效果。20世纪80年代以来，大型高炉和巨型高炉一般不设置渣口，全部炉渣皆从铁口放出，可在一定程度上提高炉渣的脱硫能力。在目前的技术条件下，增大高炉炉缸内渣铁层的扰动尚无可行的办法。相反，当高炉炉况出现异常时，风量下降，出铁减少，反而降低了炉缸内渣铁层的扰动，甚至出现“死角”，即使炉温及炉渣碱度高，铁水硫含量仍然较高。 炉渣脱硫的特点 现有条件下，在高炉冶炼过程中，硫的脱除表现为以下几个特点： 1）高炉炉缸高温区为强还原性气氛，铁液中含有较多的C、元素，与其共存的炉渣氧势很低，为脱硫反应创造了良好的热力学条件，表现为脱硫反应的平衡硫分配比 高，即炉渣吸收硫的潜力较大。 2）从热力学观点看，高炉尚有提高炉温和炉渣碱度的潜力，以提高渣铁间的硫分配比这可能引起高炉冶炼的“难行”。即使不破坏顺行，付出的代价也很高，因为脱硫是在热量及其宝贵的高温区进行的吸热反应。 3）除铁滴穿过渣层的有利机会外，高炉内的动力学条件对渣铁间的脱硫非常不利，而目前还没有改善动力学条件切实可行的办法，因此，尽管理论上高炉冶炼普通矿的渣铁间的硫分配比 达100或稍高2但实际上只能达到2540。 4 高钛型高炉渣的脱硫能力 前已述及，高炉冶炼普通矿的0，而高炉冶炼高钛型钒钛磁铁矿的0，这与实际相吻合。即高钛型高炉渣的脱硫能力远低于普通高炉渣，生铁S至更低的水平。 造成高钛型高炉渣脱硫能力较低的主要原因是：炉渣中的，其多元碱度远低于普通高炉渣；为了防止高钛型渣中炉采用低炉温操作，铁水温度较普通铁水低50以上；而普通高炉渣的0 2015年第38卷第3期 主要原因是钒钛烧结矿中的铁是以十分复杂的钛赤铁矿（约为30%）和钛磁铁矿（约为25%）的固溶体存在，难以还原，导致矿石中的部分时，从钒钛磁铁矿冶炼的特殊性考虑，适当保持提高炉渣中一定含量的,N）的生成，防止炉渣变稠。炉渣中的一定程度上降低了高钛型高炉渣的脱硫能力。 5 铁水硫含量对炼铁成本的影响 综合考虑高炉用燃料中硫含量和炉料结构的变化，以及高炉的生产状况，为了减少相关条件的变化对计算分析结果的影响，选取 1 号高炉 2012年9月和10月的生产数据进行分析，在扣除休风当天的数据后，总样本数57天。 2012年7月份至2012年10月份，焦炭的硫含量较低，且变化不大，从2012年11月份开始，焦炭硫含量明显上升。高炉用焦炭和喷吹煤硫含量的变化见表 1。高炉用用球团的配比变化见表 2。由表3可见，2012年8月份新3#烧结机建成投产后，从2012年9月份开始，高炉用球团的配比基本上在20%左右。 表1 高炉用燃料硫含量的变化 月份 焦炭S/% 喷吹煤S/% 月份 焦炭S/% 喷吹煤S/% 表2 高炉用球团配比的变化 月份 球团/% 月份 球团/% 水硫含量对高炉技术经济指标的影响 对1号高炉2012年910月份的日均数据按铁水不同硫含量分类统计，结果见表3。从表3可知，随着铁水S含量上升，铁水量下降，利用系数升高，焦比下降，燃料比下降，铁损降低。 表3 铁水不同硫含量与技术经济指标 分类 S /% （t焦比 /（kg煤比 /（kg(52 130 47 133 9 45 133 7 40 133 35 117 注：1号高炉铁水日均S含量1天，数据仅供参考。 铁水硫含量对炼铁成本的影响 如前所述，在原燃料带入高炉的硫负荷基本不变的条件下，铁水中的硫含量主要与炉渣碱度、炉渣的氧化性和冶炼温度有关。对于高炉冶炼，因炉渣碱度可调范围有限，炉渣到达炉缸后的 低，因此，控制铁水中S含量的有效手段就是冶炼温度（即炉温）的控制。本文从炉温对铁水中S含量的影响、对焦比和矿耗的影响，来分析铁水中S的变化对炼铁成本的影响。 铁水硫含量与炉温及焦比的关系 攀 钢 技 术 21高钛型钒钛磁铁矿高炉冶炼采用铁水量表示炉温。选取1号高炉910月每个铁次的铁水成分，以及日平均数据，分析S与焦比的关系见图1、2。从图1、2可知，铁水S与铁水铁水焦比关系显著，随着铁水高，S含量下降，焦比上升。 y = x) - 541 R=i/%S/%图1 铁水铁水S的关系 y = 7 R=i/%焦比/铁水焦比的关系 铁水含量与原燃料成本的关系 根据图1、2的回归公式，计算不同量条件下的S及矿耗、焦比及原燃料成本（矿耗+焦比），结果见图3。计算时，取煤比130 kg/t，设定随着炉温的降低，t/t/t。烧结矿价格640元/t，球团矿650元/t，焦炭1 470元/t，块矿360元/t。 /%原燃料成本(焦炭+矿石)/铁水硫含量与炼铁原燃料成本关系 从上述分析可知，高炉工序提高脱硫能力的主要措施之一是提高炉温，但由图3可知，随着炉温增加，铁水S含量降低，焦比升高，矿耗增加，原燃料成本增加。 6 控制铁水硫含量的主要措施 降低硫负荷 燃料是高炉硫负荷的主要来源，一般达到80%以上（见表4）；燃料中，焦炭又是高炉硫负荷的主要来源，带入的硫占高炉总硫负荷的60%以上。但是低硫含量的炼焦煤和喷吹煤的资源量非常有限，降低燃料中的硫实际上难以做到。 表4 国内部分企业的高炉硫负荷2，9吨铁进入高炉的硫/（kg企业 烧结矿 球团矿 块矿 喷吹煤粉 焦炭 总硫负荷 /kg 杭钢 钢 钢 钢钒 1 1 0 0 2 % S/%y=91.8 n=57 R=y=x)n=154 R=1 . . . 24 . . i/% 焦比/kg850 0. 2 0. 4 0. 6 0. 0. 0 0. 2 0. 4 /% 原燃料成本（焦炭+矿石）/元2 2015年第38卷第3期 降低硫负荷是降低铁水石中的含硫一般不会构成威胁，因为烧结过程以及球团氧化焙烧过程的脱硫效率可高达90%以上。 增大硫的挥发量 硫的气化量决定于很多因素，如硫存在的原始形态、炉内的温度分布，炉料及炉渣的碱度、渣量等。使用低渣量酸性渣、提高炉温以加大发生硫挥发反应的区域，以及增大煤气量等，皆可增大气化硫量。但这些措施有些是不现实的，如低渣量，它决定于原矿品位、选矿工艺水平和经济的选矿参数等；有些措施是得不偿失的，如提高炉温和煤气量，这意味着降低燃料利用率及热效率，增加成本；还有些措施有副作用，如酸性渣，虽可有限地增大气化硫量却降低了炉渣吸收硫的能力。因此增大硫的挥发量的潜力是极其有限的。 加大渣量 加大渣量可增大炉渣吸收的硫量。但加大渣量意味着多消耗溶剂，多消耗热能，降低生产率，且随焦比升高入炉硫负荷反而增大。 提高硫的分配比高炉操作中，实际而有效地降低生铁硫含量的措施是提高硫在渣铁间的分配比充分发挥炉渣的脱硫能力。实际生产中，一方面更取决于反应的动力学条件，即趋近于平衡的程度。 7 结论 1）单纯从技术角度看，高炉控制铁水硫含量的措施主要有：降低硫负荷，增大硫的挥发量，加大渣量，提高硫的分配比从原燃料的资源条件、措施对高炉技术经济指标的影响等方面综合考虑，目前没有经济有效的办法降低铁水硫含量。 2）攀钢钒目前的原料条件下，高炉的硫分配系数，入炉总硫量的约19%进入铁水。 3）进入铁水的硫主要由燃料带入，其中焦炭的影响最大。高炉在矿石和喷吹煤的硫含量不变、操作条件和 变的条件下，4）炉温、铁水S含量显著相关：随着量的提高，铁水S含量逐渐降低；随着铁水S含量升高，高炉的焦比、矿耗降低，炼铁成本逐渐下降。 5）在目前的生产条件下，炼铁成本最低所对应的铁水S 参考文献 1 王筱留. 钢铁冶金学（炼铁部分）M. 北京：冶金工业出版社. 2004：1222 吴玉栋. 周永平. 降低生铁含硫量途径的探讨J010，4：223 谢振华. 新钢一铁厂高炉生铁一级品率攻关实践J. 炼铁技术通讯. 2008，1