KR法与喷吹法在铁水预脱硫中应用的比较

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1、KR法与喷吹法在铁水预脱硫中应用的比较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。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

2、，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

3、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

4、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， 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

5、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 (Kambara Reactor) 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

6、， 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。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

7、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

8、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

9、用低廉，所以又受到了重视。KR法与喷吹法的比较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

10、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 35 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

11、进行了估算，KR 法的 投资估算比喷吹法投资估算多200 万元。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

12、 硫剂，脱硫率只是略低于喷吹纯镁。处理容器脱硫剂 脱硫剂消耗 /kg t -1 脱硫率 S/ % 最低硫 / ppm 纯处理 时间 / min 处理温 降/ 铁损/ kgt -1 钢厂机械搅拌 法- KR 法100t 铁 水罐CaO 4.69 92.50 20 5 28 武钢 二炼CaO 基喷 吹法280t 混 铁车CaO基4.30 75 60 18.4 25.5 宝钢 一炼CaC2 + CaO 喷吹法140t 铁 水罐50% CaO+ 50% CaC2 7.85 81.79 40 31 攀枝 花Mg +CaO 混 合喷吹100t 铁 水罐20% Mg+ 80% CaO 1.68 87.73

13、7 19.07 13.27 武钢一炼Mg +CaO 复 合喷吹300t 铁 水罐Mg + CaO (1:3) Mg 0.31 CaO 1.05 79.22 21.3 10 宝钢Mg + CaO 复合喷吹160t 铁 水罐Mg + CaO (1:2 3) Mg 0.45 CaO 1.48 90 507.55 814 本钢纯 Mg 喷 吹100t 铁 水罐Mg 0.33 951058 8.12 7.1 武钢 一炼3 温降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

14、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

15、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。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

16、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 3.17103， 平衡时的铁水含硫量可达1. 610-5%， 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。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