KR法與噴吹法在鐵水預(yù)脫硫中應(yīng)用的比較
隨著社會經(jīng)濟(jì)和鋼鐵工業(yè)的高速發(fā)展，社會對鋼鐵質(zhì)量的要求越來越高、越來越苛刻，產(chǎn)品的種類也急劇增加，尤其是高品質(zhì)高附加值鋼種的需求不斷在增大。面對鋼鐵市場日趨激烈的競爭，經(jīng)濟(jì)高效的鐵水預(yù)處理脫硫，作為現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)典型優(yōu)化工藝流程：“高爐煉鐵—鐵水預(yù)處理—轉(zhuǎn)爐煉鋼—爐外精煉—連鑄連軋”的重要環(huán)節(jié)之一，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。
近30年來鐵水脫硫技術(shù)迅速發(fā)展，現(xiàn)已經(jīng)有十幾種處理方法，其中應(yīng)用最廣且最具代表性的主要是噴吹法和KR機(jī)械攪拌法。它們在技術(shù)上都已相當(dāng)成熟，從兩種工藝在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用效果來看，二者是互有長短。雖然噴吹法發(fā)展迅速，目前在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用更廣泛，可KR法在這幾年中又有了新發(fā)展，呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的勢頭。那么，這兩種工藝模式各有什么優(yōu)劣勢？哪種更具有應(yīng)用前景呢？在國內(nèi)外冶金界始終沒有較統(tǒng)一的看法。為此，本文著重就兩種工藝模式的發(fā)展、應(yīng)用和運(yùn)營成本作了比較，尤其是它們對整個流程影響的比較，希望能對技術(shù)人員及企業(yè)技術(shù)的選擇提供參考。
KR法與噴吹法的工藝及特點(diǎn)
在進(jìn)行比較前，先了解兩種方法的工藝及特點(diǎn)是很有必要的，不僅有利于理解兩種方法的實(shí)質(zhì)，也是深刻理解對兩種脫硫模式分析比較的前提。
KR機(jī)械攪拌法，是將澆注耐火材料并經(jīng)過烘烤的十字形攪拌頭，浸入鐵水包熔池一定深度，借其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的漩渦，使氧化鈣或碳化鈣基脫硫粉劑與鐵水充分接觸反應(yīng)，達(dá)到脫硫目的。其優(yōu)點(diǎn)是動力學(xué)條件優(yōu)越，有利于采用廉價的脫硫劑如CaO，脫硫效果比較穩(wěn)定，效率高(脫硫到≤0.005%)，脫硫劑消耗少，適應(yīng)于低硫品種鋼要求高、比例大的鋼廠采用。不足是，設(shè)備復(fù)雜，一次投資較大，脫硫鐵水溫降較大。
噴吹法，是利用惰性氣體（N2或Ar）作載體將脫硫粉劑（如CaO，CaC2和Mg）由噴槍噴入鐵水中，載氣同時起到攪拌鐵水的作用，使噴吹氣體、脫硫劑和鐵水三者之間充分混合進(jìn)行脫硫。目前，以噴吹鎂系脫硫劑為主要發(fā)展趨勢，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備費(fèi)用低，操作靈活，噴吹時間短，鐵水溫降小。相比KR法而言，一次投資少，適合中小型企業(yè)的低成本技術(shù)改造。噴吹法最大的缺點(diǎn)是，動力學(xué)條件差，有研究表明，在都使用CaO基脫硫劑的情況下，
KR法的脫硫率是噴吹法的四倍。
KR法與噴吹法的發(fā)展及現(xiàn)狀
從前面分析二者的方法和特點(diǎn)可以知道，它們互有長短、各具特色，這也決定了它們的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀必然是不同的。進(jìn)一步了解它們的發(fā)展和現(xiàn)狀，將更有利于理解各自技術(shù)的特點(diǎn)。
從時間上來看，噴吹法的研發(fā)及應(yīng)用要早于機(jī)械攪拌法。噴吹法主要有原西德Thyssen的ATH(斜插噴槍)法、新日鐵的TDS(頂吹法)和英國謝菲爾德的ISID法，早在1951年，美國鋼廠就已成功地運(yùn)用浸沒噴粉工藝噴吹CaC2粉進(jìn)行鐵水脫硫。直至今日，盡管兩種脫硫工藝方法在技術(shù)上都已相當(dāng)成熟，全世界絕大多數(shù)鋼鐵廠廣泛采用仍是鐵水噴粉脫硫工藝。機(jī)械攪拌法有原西德DO(Demag-Ostberg)法、RS(Rheinstahl)法和赫歇法,日本新日鐵的KR(KambaraReactor)法和千葉的NP法，其中，以KR法工藝技術(shù)最成熟、應(yīng)用最多。KR法攪拌脫硫是日本新日鐵廣鈿制鐵所于1963年開始研究，1965年才實(shí)際應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，之后迅猛的發(fā)展趨勢表明，它具有投入生產(chǎn)使用較早的噴吹法無可比擬的某種優(yōu)勢。
在冶金工業(yè)中噴吹這種形式應(yīng)用非常廣泛，比如在轉(zhuǎn)爐及精煉工藝中的各種頂吹、底吹和復(fù)吹技術(shù)等。當(dāng)鐵水預(yù)處理時，使用噴吹法把脫硫劑加入鐵水中進(jìn)行脫硫，這顯然是可行的且易于人們接受。最早脫硫劑是以氧化鈣基為主，輔助添加CaC2，而且噴吹過程也很難獲得較好的動力學(xué)條件，這時主要面臨兩個問題：一是，如何保證CaC2的安全存貯運(yùn)輸和脫硫劑的脫硫效果；二是，怎樣解決因動力學(xué)不足導(dǎo)致的脫硫效率低下，不能實(shí)現(xiàn)深脫硫的問題。
第一個問題側(cè)重于開發(fā)使用更具有脫硫效率且安全的脫硫劑，于是出現(xiàn)了鎂基復(fù)合噴吹法，脫硫效果有所改善卻成效不大，而且鎂粉在運(yùn)輸、儲存、使用中同樣存在很多的安全隱患，給生產(chǎn)帶來諸多不便。然而，新型脫硫劑——鈍化顆粒鎂的開發(fā)成功，使純鎂噴吹脫硫技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了真正高效安全的工藝目標(biāo)，目前，鎂系脫硫劑已經(jīng)成為世界鐵水預(yù)處理中的主導(dǎo)脫硫材料。針對第二個問題，如何才能獲得更好的動力學(xué)條件呢？從工藝模式著手，技術(shù)人員研發(fā)出了具有實(shí)際應(yīng)用價值的機(jī)械攪拌脫硫法，其中以KR法為典型，在根本上改善了脫硫過程中的動力學(xué)條件，并可以在脫硫劑中不加CaC2而主要采用CaO，避免了生產(chǎn)中使用CaC2而帶來的不便和危險。然而，在工業(yè)應(yīng)用時卻又出現(xiàn)許多技術(shù)難題，比較突出的如，攪拌頭的使用壽命較短；單工位操作設(shè)備導(dǎo)致更換攪拌頭的同時無法進(jìn)行鐵水脫硫等？勺罱K這些難點(diǎn)還是被陸續(xù)攻破，解決了攪拌頭的壽命問題，使其從原來的幾十爐提高到現(xiàn)在的幾百爐，而且摸索出了氧化鈣基脫硫劑應(yīng)該有一個最佳的指標(biāo)要求，可以達(dá)到最理想的脫硫效果。目前，KR法已經(jīng)完全可以達(dá)到深脫硫的要求，即把鐵水中的硫脫至小于0.005%-0.001%。同時，雙工位布置形式的出現(xiàn)克服了單工位的不足，使生產(chǎn)的連續(xù)化程度得以提高。很長時間，KR法成本問題（尤其是前期投資）加上其過程時間較長，以及不適應(yīng)于大型鐵水罐，故發(fā)展緩慢；直至二十世紀(jì)后期，其投資降低后，加上運(yùn)行費(fèi)用低廉，所以又受到了重視。
KR法與噴吹法的比較
從鐵水脫硫工藝倍受人們的重視以來，KR法與噴吹法技術(shù)一直處于發(fā)展之中，目前雖仍需完善可也已趨近于成熟，這樣兩者之間才更具備可比性，本文主要從以下幾文面進(jìn)行具體比較。
1.技術(shù)與設(shè)備
在噴吹法中，單吹顆粒鎂鐵水脫硫工藝因其設(shè)備用量少、基建投入低、脫硫高效經(jīng)濟(jì)等諸多優(yōu)勢而處于脫硫技術(shù)的主要發(fā)展趨勢之一，可在相當(dāng)長的時間我國都是引進(jìn)國外的技術(shù)和設(shè)備。到2002年10月國內(nèi)才首次開發(fā)出鐵水罐頂噴單一鈍化顆粒金屬鎂脫硫成套技術(shù)設(shè)備，整套裝置中，除重要電器元器件采用進(jìn)口或合資的外，其余機(jī)電產(chǎn)品100%實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，包括若干最關(guān)鍵的技術(shù)設(shè)備。噴吹技術(shù)和設(shè)備的國產(chǎn)化直接降低了建設(shè)投資和運(yùn)行操作的成本，從前期的一次性投資來看，要比KR法略有優(yōu)勢。
雖然攪拌法的技術(shù)專利也是國外擁有，可從其設(shè)備和技術(shù)本身而言并沒有難點(diǎn)，機(jī)械構(gòu)成是常規(guī)的機(jī)械傳動和機(jī)械廠提升；加料也采用的是常規(guī)大氣壓下的氣體粉料輸送系統(tǒng)，可以說在系統(tǒng)的機(jī)、電、儀、液等方面的技術(shù)應(yīng)用都是十分成熟。盡管如此，KR法設(shè)備仍然是重量大且較復(fù)雜，可它的優(yōu)勢是運(yùn)營操作費(fèi)用低廉，由此所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益完全可彌補(bǔ)前期的一次性高額投資。根據(jù)有關(guān)推算，一般3～5年即可收回所增加的投資。2000年武漢鋼鐵設(shè)計研究院針對武鋼二煉鋼廠的情況，對KR法和噴吹法兩種方案的投資進(jìn)行了估算，KR法的投資估算比噴吹法投資估算多200萬元。
2.脫硫效果
實(shí)際生產(chǎn)過程中的鐵水脫硫效果，不僅與設(shè)備有關(guān)，而且受脫硫劑、操作工藝水平、時間及溫度等諸多因素影響，本文主要考慮的是純鎂噴吹法和CaO基KR法。一般對鐵水預(yù)處理的終點(diǎn)硫含量要求是不高于50ppm，工廠生產(chǎn)和實(shí)驗研究結(jié)果表明，噴吹法因其脫硫劑Mg的較強(qiáng)脫硫能力，KR法由于其表現(xiàn)出色的動力學(xué)條件，在可以接受的時間內(nèi)（一般≤15min），它們都能達(dá)到預(yù)處理要求的目標(biāo)值。國內(nèi)各大鋼廠的具體脫硫數(shù)據(jù)可見表1。在噴吹法中，復(fù)合脫硫劑使用CaO比例越高，脫硫效果越差，使用純鎂時脫硫率最高；KR法使用CaO脫硫劑，脫硫率只是略低于噴吹純鎂。
表1 國內(nèi)各大鋼廠不同預(yù)脫硫工藝的比較
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3.溫降
鐵水溫降的消極影響是降低了鐵水帶入轉(zhuǎn)爐的物理熱，主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)爐吃廢鋼的能力下降，導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐冶煉的能耗和物料消耗升高，直接影響了冶煉的經(jīng)濟(jì)成本。KR法因動力學(xué)條件好，鐵水?dāng)嚢鑿?qiáng)烈，而且CaO的加入量較大，導(dǎo)致溫降也大，目前國內(nèi)KR法工藝應(yīng)用較成熟的武鋼可以使溫降控制在28℃左右。相比之下，鎂基的脫硫溫降都比較小（參照表1），主要原因有以下三點(diǎn)：噴吹法動力學(xué)條件差，鐵水整體攪拌強(qiáng)度不大，熱量散失少；金屬鎂的脫硫反應(yīng)過程是個放熱反應(yīng)；鎂的利用率高，脫硫粉劑加入量少。
4.鐵損
鐵水預(yù)處理脫硫過程的鐵損主要來自于兩部分：脫硫渣中含的鐵和扒渣過程中帶出的鐵水。由于兩種工藝模式的不同，實(shí)際渣中含鐵和扒渣帶出鐵量都有較大的差別，目前沒有公開發(fā)表的詳細(xì)對比數(shù)據(jù)。一方面，較少的脫硫劑產(chǎn)生的脫硫渣少，則渣中含鐵量也低，由此顆粒鎂噴吹脫硫的鐵損要少一些；另外，顆粒鎂噴吹脫硫的渣量少，扒凈率相對低，而KR法的脫硫渣扒凈率相對高。就扒渣的鐵損而言，由于還取決于高爐渣殘留量及扒渣過程，綜合考慮看KR法與噴吹法區(qū)別不大。究竟哪個是主要因素，與各鋼廠的實(shí)際操作有很大的關(guān)系，通過換算，得出具體數(shù)據(jù)可見表2？梢，噴吹法時，采用脫硫劑的CaO含量越高，則扒渣鐵損越大；而KR法使用CaO作為主要脫硫劑成分，其鐵損只是略高于噴吹鎂脫硫鐵損。
5.脫硫劑
鐵水預(yù)處理過程中，脫硫劑是決定脫硫效率和脫硫成本的主要因素之一。根據(jù)日本新日鐵曾做的計算，脫硫劑的費(fèi)用約為脫硫成本的80%以上，所以，脫硫劑種類的選擇是降低成本的關(guān)鍵。然而，選擇時必須得結(jié)合考慮不同工藝方法的特點(diǎn)。
基于動力學(xué)條件和脫硫效率，目前噴吹法主要采用的是鎂基脫硫劑，KR法采用的是石灰脫硫劑。根據(jù)理論計算，在1350℃，鎂脫硫反應(yīng)的平衡常數(shù)可達(dá)3.17×103，平衡時的鐵水含硫量可達(dá)1.6×10-5%，大大高于CaO的脫硫能力。然而，上文已經(jīng)把兩種脫硫劑在各自工藝中的脫硫效果進(jìn)行了對比，表明，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝后它們都能達(dá)到用戶對脫硫的最高要求。
在脫硫方式選擇時還要考慮脫硫劑的一個因素，就是脫硫劑的來源問題。一般而言，大部分鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)都要使用石灰石，要么有自己的石灰廠，要么有穩(wěn)定的協(xié)作供貨渠道，來源穩(wěn)定，成本穩(wěn)定，而且供貨及時，不用考慮倉儲問題。雖然我國的金屬鎂資源豐富，可是相對鋼鐵企業(yè)來說，獲得攪拌法所需的CaO基脫硫劑更為容易，鈍化顆粒鎂就不具備這些有利因素。
6.運(yùn)行成本估算、比較
近年來，國內(nèi)也有少部分學(xué)者對單條鐵水預(yù)處理脫硫工藝的生產(chǎn)成本做過計算，考慮的主要是粉劑消耗。實(shí)際上，生產(chǎn)過程的工藝成本還應(yīng)包括：鐵損、噴槍或攪拌頭、溫降對廢鋼比的影響等。
由于數(shù)據(jù)采集有限，加上市場上物料價格的波動，只能做到粗略估算，但其反應(yīng)出的運(yùn)行成本趨勢應(yīng)該是可取的。在計算中，所采用的數(shù)據(jù)主要引自武鋼發(fā)表的文章，因為在國內(nèi)武鋼是最早采用KR法脫硫工藝，同時又使用噴吹法脫硫工藝的鋼鐵企業(yè)，盡量用同一鋼廠的數(shù)據(jù)會使計算結(jié)果更具可比性。由于武鋼數(shù)據(jù)有限，又參考了不同企業(yè)、不同生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)，考慮到技術(shù)進(jìn)步，在估算過程中，各參數(shù)一般選取各生產(chǎn)線中耗量最小的數(shù)值。估算結(jié)果見表2。
表2 脫硫工藝運(yùn)行成本比較
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比較發(fā)現(xiàn)，在噴吹法中，鈍化顆粒鎂的脫硫成本最低；KR法脫硫（CaO作脫硫劑）的脫硫成本比噴吹鈍化顆粒鎂還要低，KR法脫硫在后期運(yùn)行成本的優(yōu)勢很明顯的體現(xiàn)出來。
7.對流程的影響
國內(nèi)對噴吹法和攪拌法的比較，主要偏重于技術(shù)和成本等方面，很少提到采用不同脫硫工藝時對后續(xù)工藝流程或者整個煉鋼流程的影響。鋼鐵制造流程是一類有不同功能但又相互聯(lián)系、相互關(guān)聯(lián)、相互支撐、相互制約的多種工序和多種裝置及相關(guān)設(shè)施構(gòu)成的、工序串聯(lián)并集成運(yùn)行的復(fù)雜過程系統(tǒng)。理論上來說，采用不同的脫硫工藝必然對整個流程也有影響。
采用噴吹法脫硫，由于鎂是最強(qiáng)的脫硫劑之一，一般用于深脫硫處理，正是在此過程中存在一些問題，可能影響到流程的緊湊連續(xù)性。鈍化顆粒鎂在噴入鐵水后，由于金屬鎂密度小，沸點(diǎn)低，在鐵水中一部分很快氣化，一部分溶入鐵水中，而未溶解的部分浮向鐵水表面的渣中便失去了脫硫能力。實(shí)際生產(chǎn)中，大部分鈍化顆粒鎂無法充分反應(yīng)而滯留到渣中，要深脫硫就得增大脫硫劑的量，一方面造成了脫硫成本的增加，另一方面使得脫硫渣量增多。鎂脫硫渣稀且硫含量高，扒渣難度大，如果扒除不盡就會直接造成轉(zhuǎn)爐中嚴(yán)重回硫，不僅影響轉(zhuǎn)爐工況，還會給后面的精煉工序帶來壓力。實(shí)際生產(chǎn)，鐵水包里的鎂脫硫渣像一層膜分布在液面，不加增稠劑情況下基本無法扒盡；同時，由于噴吹角度的限制及脫硫劑不能下沉等原因，使得脫硫劑始終到不了一部分區(qū)域，稱之為死區(qū)，當(dāng)鐵水脫硫操作完成后，死區(qū)內(nèi)鐵水的硫就會漸漸擴(kuò)散到整罐鐵水中，使得鐵水硫量回升，造成返硫現(xiàn)象，所以國內(nèi)一般使用噴吹鈍化顆粒鎂只進(jìn)行限量脫硫。
采用機(jī)械攪拌法時，一般使用CaO基脫硫劑，盡管高爐渣堿度對CaO基脫硫劑的脫硫效果影響較大，脫硫前鐵水必須徹底除去高爐渣，否則脫硫效果差，并且脫硫劑的利用率仍需繼續(xù)研究加以提高，但其脫硫效果穩(wěn)定，脫硫渣狀態(tài)也有利于扒渣作業(yè)。一方面，借助攪拌法的動力學(xué)優(yōu)勢，采用廉價的CaO基脫硫仍能達(dá)到穩(wěn)定的深脫硫效果，從而可減少處理成本投入。另一方面，雖然該工藝產(chǎn)生的脫硫渣量較大，但扒渣凈率相對高，避免扒渣不盡而造成的回硫，順暢了轉(zhuǎn)爐和精煉工序。對于大型鋼廠大量鐵水處理而言，機(jī)械攪拌法基本不存在死區(qū)，脫硫高效穩(wěn)定，比噴吹法更具有流程優(yōu)勢。
國內(nèi)外對KR法脫硫的認(rèn)可度越來越高，尤其是近幾年在大中型鋼鐵企業(yè)得到廣泛應(yīng)用，發(fā)展迅猛，噴吹法的技術(shù)進(jìn)展趨于平緩。
通過對兩種脫硫工藝的技術(shù)設(shè)備、脫硫效果、溫降、鐵損、成本及對流程的影響等多方面的綜合比較，可見KR法在深脫硫、總成本和流程影響方面優(yōu)勢突出。對于大中鋼鐵企業(yè)，從長遠(yuǎn)考慮并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，KR法鐵水預(yù)脫硫應(yīng)該是更具有深遠(yuǎn)價值的選擇。
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