鐵水噴粉脫硫:原理,工藝方法,SL法,ATH法,TDS法,工藝操作與條件,脫硫劑種

鐵水噴粉脫硫是以惰性氣體或壓縮空氣為載氣向鐵水中噴射脫硫粉劑，以降低鐵水含硫量的鐵水預脫硫方法。粉劑與載氣形成的流態化流股高速射入熔體，混合、攪拌條件充分，為鐵水與粉劑間的物理化學反應提供了良好的動力學條件，故脫硫迅速有效。這種工藝設備簡單、投資少、操作靈活、處理鐵水量大且維修方便，故在各國得到了廣泛套用。

基本介紹

中文名：鐵水噴粉脫硫
外文名：desulphurization of hot meal by injection
學科：冶金工程
工藝方法：SL法、ATH法、TDS法
目的：降低鐵水含硫量
優點：設備簡單、投資少、操作靈活

原理,工藝方法,SL法,ATH法,TDS法,工藝操作與條件,脫硫劑種類及性狀,套用價值與發展前景,

原理

噴粉脫硫反應是在鐵水—熔渣界面進行的。脫硫粉劑藉助插入式噴槍高速噴入鐵水中後，由於流股的強烈攪拌作用，鐵水與粉劑迅速反應，生成的富硫熔渣因密度小而上浮，經過一段時間即可用專門的除渣裝置將其排除。射流與鐵水的相互作用如圖1所示。

根據射流在金屬熔池內的流體力學、物理化學和傳熱傳質等方面的特點不同，可在反應器內大致形成如下幾個區域：（1）氣粉射流區：它是由動能較大的氣粉流從噴嘴噴出時排開金屬液而形成的，但在其中也會捲入一些金屬液滴和渣滴。（2）粉粒侵入區：它在氣粉射流區的下部，是由動能較大的粉粒侵入金屬液而形成的。（3）氣體—液體卷流區：氣泡上浮時帶動金屬液體運動，在這裡發生強烈的傳質過程和攪拌作用。（4）氣泡逸出區：它是由上浮的氣泡排開熔池表面的渣層而造成的。（5）渣層：熔池表面有渣覆蓋的部分。（6）金屬液水平流區：氣—液流上升到頂面以後，氣體逸出後液體形成表面流呈放射狀向四周散開，在這裡發生熔渣—金屬界面的傳質過程。（7）循環區：水平流在熔池壁面附近向下流動，在熔池下部又向中心流動，再次被氣液流抽引而發生循環運動。噴射後形成的大量氣泡，產生“氣泡泵”作用，鐵水被不斷抽引、提升，而粉劑則在此過程中與鐵水相互接觸並完成脫硫反應，然後成渣上浮，使鐵水得以淨化。

工藝方法

最常見的噴粉脫硫方法是瑞典斯堪的納維亞噴槍公司於1972年研製的SL法。此外，1969年德國奧古斯特蒂森冶金公司（August Thyssen-Hutte AG）開發的ATH法和新日本鋼鐵公司1971年開發的混鐵車頂噴粉脫硫法，即TDS法也是有代表性的噴粉脫硫方式。噴粉脫硫法除用於混鐵車外也常用於敞口鐵水罐的脫硫處理。

SL法

主體裝置是噴粉罐，粉劑從貯料倉引入噴粉罐。氮氣（也可用其他惰性氣體或壓縮空氣）通過三條管路送氣：一是從噴粉罐頂部送入，目的在於維持足夠頂壓迫使粉料下移排出（小型罐亦有將此系統取消的）；一是作為鬆動氣（流化氣）由裝設在罐下部的流化器引入（流化器由微孔塑膠或多孔金屬板製成），目的在於維持粉劑呈局部流態化狀態，以保證粉劑穩順地從喉口流出：一是助吹（引射）氣，旨在消除輸送脈衝，同時也可增加噴射氣流的攪拌能，以強化脫硫反應。粉劑的噴出量一般通過電子秤及時顯示。噴槍可採用中空鋼管，外套耐火材料袖磚或採用整體噴槍，整個系統多處設有壓力、流量的控制裝置及顯示儀表。此法的優點是設備簡單、投資少、操作方便、使用靈活，故問世後很快在各國推廣開來，成為套用最多的噴粉脫硫方式。

ATH法

如圖2，在265t混鐵車內斜插一根內徑為2.54cm的噴槍，槍表面塗上耐火材料，每分鐘吹入108kg碳化鈣系複合脫硫劑，處理時間約8min。輸送氣體壓力為0.6MPa。噴槍傾斜角為60°，粉劑濃度約為40～60kg/m³。

TDS法

如圖3，在250t或300t混鐵車內垂直插入一支內徑為2.5cm的雙孔噴槍，插入深度為1.0～1.5m，噴槍外面裹有耐火材料。處理時間為10min，供粉速度為40～70kg/min。用N2輸送，氣體流量5～10m³/min，粉劑濃度約為8～10kg/m³。

工藝操作與條件

噴粉脫硫的操作程式是先送氣、粉，再將噴槍插入鐵水並達到指定深度，到規定時間（料將送完）時提槍，槍離液面後即刻停止送氣（但停氣不可超前，否則會灌槍）。然後靜止數分鐘，使反應充分進行並使脫硫產物成渣上浮，最後除渣。常用的脫硫劑有石灰、碳化鈣、蘇打粉、金屬鎂4類。這幾種粉劑的脫硫能力均很強，處理一般煉鋼鐵水，在反應平衡時鐵水含硫均可滿足任何低硫鋼種的煉鋼要求。但實際上處理過程受各種動力學條件制約，使脫硫效果受到很大影響。由於脫硫屬二相反應，因此在工藝操作中加強攪拌，改善鐵水中硫擴散條件，擴大反應界面，設法延長脫硫劑與鐵水接觸路徑與時間以及使脫硫劑與噴吹氣體分離等措施，都有助於提高脫硫效率。

脫硫劑種類及性狀

對碳化鈣來說，多數學者認為其脫硫反應的限制性環節是鐵水中硫通過鐵水側的邊界層向CaC₂顆粒表面擴散，即液相擴散。因此，加強攪拌和細化顆粒（但也不可過細，一般在0.1mm左右為宜）可改善脫硫效果。加入反應促進劑也是提高CaC2脫硫率的有效手段。常用的促進劑是石灰石粉。在高溫下石灰石按CaCO₃→CaO+CO₂↑，CO₂+C=2CO↑反應生成氣泡，不僅加強了鐵水攪拌，促進鐵水中硫向脫硫劑微粒擴散，同時使載氣的氣泡分裂、釋放出被封閉在氣泡中的脫硫劑，又能防止脫硫劑凝聚，進一步增大反應界面，由此可使CaCO₃利用率提高約1倍。此外，CaCO₃分解形成的細小、多孔的活性CaO也有很強的脫硫能力。

CaO（石灰的主成分）有較強脫硫作用，但在鐵水含矽條件下，易形成高熔點2CaO·SiO₂緻密薄殼限制其內部CaO繼續脫硫，致使CaO利用率只達5%～12%。在石灰中添加螢石（主成分CaF₂）可降低CaO熔點，且阻止2CaO·SiO₂的形成，故對改善脫硫有利。但CaF₂本身的脫硫作用很小，過多引入勢必使有效CaO量減少，因此其量應隨石灰含SiO₂多少而增減。此外，含CaF₂渣對罐襯有侵蝕作用，且含CaF₂渣黏度低，不易扒淨，故添加量一般不宜超過15%；碳粉能使反應界面保持還原性氣氛，有利於脫硫反應的進行；加少量金屬鋁，在石灰顆粒表面會形成低熔點的CaO-Al₂O₃-FeO系熔渣層，S-容易通過此層進一步與內部活度大的CaO反應，故有利於提高石灰利用率；石灰粉中配加一定量石灰石粉，也會大大改善脫硫效果，故多用CaO-Al，CaO-CaF₂-C系或CaO-CaCO₃-CaF₂-C系複合粉劑。由於配加石灰石時其熱分解放出氣體可能引起噴濺且使鐵水降溫，在確定其配比時應予考慮。石灰粒度亦有適宜範圍。粉細則表面積大，有助於加速脫硫反應；但過細則易吸潮影響噴吹性能，同時超細微粒易被裹在氣泡中帶走，反而不利脫硫。

套用價值與發展前景

20世紀80年代以來，鐵水脫硫技術在各國迅速發展。中國除寶山鋼鐵（集團）公司引進混鐵車頂噴粉法脫硫法外，攀枝花鋼鐵公司、宣化鋼鐵公司、天津第二煉鋼廠等企業也先後建起鐵水包噴粉設備，容量大小不等但都取得了較好的經濟效益，同時也為煉鋼環節提高鋼質、擴大品種等創造了條件。煉鐵生產中，鐵水含硫升高和波動大是經常會遇到的問題。有些廠家原料鹼金屬含量高，為避免高爐內鹼金屬循環形成結瘤，不敢採用較高爐渣鹼度操作，由此也使鐵水含硫升高，採用噴粉脫硫，則可使高爐擺脫鹼金屬的困擾。

就資源條件而論，在中國發展碳化鈣系及鎂系脫硫劑的難度較大；蘇打是重要的化工原料，且用於脫硫時污染問題難得解決，不宜大量單純用於鐵水脫硫，所以石灰系複合粉劑的開發和套用更具有廣闊的前景。

鐵水噴粉脫硫