强化脱硫剂扩散的高效机械搅拌铁水脱硫技术

强化脱硫剂扩散的高效机械搅拌铁水脱硫技术

High Efficiency Hot Metal Desulfurization by Enhancing

Flux Dispersion in Mechanical Stirring Process

NAKAI Yoshie 等

(JFE钢铁公司）

摘要通过比例为1/12的水模型实验及70kg规模热态实验研究了机械搅拌铁水预处理 工艺中脱硫剂的加入方式对铁水脱硫的影响。粉末喷吹法，通过栽气将脱硫剂喷射到铁水表面，是提高脱硫效率的最有效方法，采用基于粒化理论的脱硫剂聚集模型定量评估了粉末喷吹法的效 果。通过使用具有倾斜炉底的铁水包，产生倾斜涡流，也增强了脱硫剂的扩散。由于脱硫渣是由 聚集的粉剂颗粒组成，通过采用热破坏工艺回收的热渣，从而产生新的反应界面，包括渣中未反应 的CaO,因此，脱硫剂的反应效率进一步提高。与传统工艺相比，这些新技术的应用使脱硫效率提 高了 2.1倍，脱硫渣生成量减少了约30%。

1前言

随着钢铁产品质量要求越来越严格，近

中，通过开发脱硫粉剂喷吹法、倾斜炉底铁水 包和热渣回收法，建立了一套合理的铁水脱 硫工艺，大大提高了脱硫效率，有效利用了脱 硫渣的显热及渣中的铁。该脱硫工艺已在实 际运行中得到应用。

年来，对钢中低硫含量的要求也不断提高，板 材和管线即为其中的代表。炼钢流程中的铁 水预处理脱硫的处理量日益增加，因为这是 最合理的脱硫阶段。提高脱硫剂反应效率是 增加铁水预处理量和减少脱硫渣生成量的必 要且不可或缺的。然而，CaO基脱硫剂与铁 水的润湿性较差，当它进人铁水中会发生聚 集并会夹带铁水。因此，增加了脱硫渣量、降 低了铁水收得率。在此背景下，迫切需要开 发一种从根本上提高脱硫剂的反应效率，既 能降低脱硫剂消耗又能减少铁水脱硫渣量的 铁水脱硫技术。

JFE钢铁公司采取机械搅拌方式铁水脱 硫工艺，，其特点是具有强大的搅拌力，在短 时间内能使铁水硫含量达到较低范围。但由 于铁水夹带脱硫剂过程中，粉剂发生聚集，导 致未反应的脱硫剂滞留在聚集渣内，是机械 搅拌脱硫工艺存在的一个问题。在本项研究

2提高脱硫剂扩散的技术

机械搅拌法铁水脱硫是通过在铁水中浸

2.1脱硫剂聚合降低反应效率

人或插人一根由耐火材料制造的旋转桨，叶 轮高速旋转搅拌熔池内铁水，使铁水与加入 的脱硫剂充分混合，从而加速铁水与脱硫剂 之间的化学反应。在传统的脱硫粉剂加人方 法中，熔池搅拌时，采用自然滴落法将脱硫剂 加人到熔池表面，刚加人初始阶段，粉剂的粒

径为1mm或小于1mm，经过这种边搅拌边 添加粉剂的过程，脱硫粉剂逐步聚集在一起， 最终能达到了几毫米〜几十毫米的尺寸大 小。图1显示了脱硫剂聚合的观测结果。由 于硫分布在聚集脱硫剂的周围边缘，因此聚

2018年第1期

钢铁译文集29

集体内部的粉剂对脱硫反应没有贡献，这种 聚集现象是脱硫剂反应效率低的原因之一。

图1铁水预处理后的脱硫渣的硫印和SEM照片

2.2脱硫粉剂喷吹技术

对于分批加料法，聚集颗粒的直径比较大，并且观察到有大团聚体颗粒在水中旋转的现象。对于喷粉加料方式，分散的颗粒直径较 小，熔池呈均匀浑浊白色。从这些观测结果 来看，脱硫剂聚集现象是在脱硫剂从熔池表 面卷人熔池内部时发生的，并且由于在粉剂 喷吹法中的颗粒是直接浸入水中的，与分批 加人法相比，喷粉法的颗粒在卷人熔池过程 中的聚集较小，因此分散在熔池中的颗粒粒 径比较小。

脱硫剂加料方式的改变可以有效抑制铁 水脱硫过程中脱硫剂的聚集，从而可以提高 铁水脱硫效率。JFE钢铁公司通过水模型实 验和70 kg级铁水脱硫实验分别研究了 3种 加料方式及各加料方式对铁水脱硫行为的影 响，本研究中所考察的3种方法分别为:分批 加料法(传统法）、连续加料法和载气喷粉法。

照片1显示了在水模型实验中加入模拟 脱硫剂（塑料粒子）后粒子扩散行为的结果。

a)分批添加

照片1

b)粉剂喷吹

水模实验粉剂加入后的粒子扩散行为

其次，在70 kg级高频感应炉上进行了 热钛脱硫模拟试验，研究了 3种加料方式对 脱硫行为的影响。

图2显示了在70 kg级铁水脱硫试验中 铁水硫含量与脱硫时间的变化关系。在喷粉 脱硫实验中，脱硫率随着脱硫剂加入而逐渐

增大。由式（1)计算可知：l〇min内采用喷粉 法表观脱硫速率常数为〇. 130(l/min)(如图 2中的C);采用连续加料法的表观脱硫速率 常数为〇. 〇74(如图2中的B)，采用分批加料 法的表观脱硫速率常数为〇. 〇57(如图2中 的A)。即喷粉法脱硫速率约为连续加料法

30

钢铁译文集2018年第1期

的1. 8倍，为分批加料法的2. 3倍。

(>:初始眹琉剂校喹

A:分批加料法

* ; Meas. ^0 ： Meas.—^ :CaJci! I.H? jjni !>B:-:Ca3c.fl : —

00..50. 0股*1别 捫耗M:

0..

4

Sljf： I573K

«扣运3

s-fi茶-2

班

—

5 lt>

]5 2)0

时

图2脱硫实验的观察与计算比较

-誓=KS • [S] (1)

其中，Ks为表观脱硫速率常数（1/min) ; [S] 为铁水中硫含量，质量％ 为时间，min。

由计算模型得到计算结果如图2所示。 在该模型中，固体颗粒在熔池中聚集，脱硫反 应在聚集粒子的表面进行，计算模型解释如 下。

对脱硫反应界面面积有贡献的脱硫剂的 粒径取决于脱硫剂在铁水中的扩散和聚集行 为。液体中粉剂的扩散和聚集现象由粉剂颗 粒间的势能和粒子之间的距离函数表达，因 聚集引起的单分散粒子的变化可以由双分子 反应方程式表达。即：如果在时间t后的单 位体积中的粒子数量为7,且聚集速率常数 为则因聚集引起的单分散粒子的变化可 以用双分子方程表示，如式(2)所示。

= * (y—7e)Z

(2)

其中，y为液体单位体积中的粒子数（一 为处于平衡状态的粒子数（一为聚集速 率常数，mVsy为时间，s。

根据球形颗粒在湿态条件下的粒化率，

颗粒的数量可以用式(3)来表示。

^2(,/6).DVf(1_e)nXWfxA-(3)»为直径为D (—）的颗粒数量；Wf为

粉剂颗粒总重量，kg;V„为扩散在铁水中的 颗粒体积，m3; e为聚集粒子间的间隙比;^ 为粉剂颗粒密度，kg/m3。

在连续投加脱硫剂的情况下，前期加入 的脱硫剂和新加人的脱硫剂推动脱硫反应的 进行。此外，平衡状态下的团聚体粒径A 是由凝聚力（颗粒粒化力）和破坏力（搅拌离 心力）之间的平衡决定的，推导出方程（4)。

最后，时间i时的团聚体直径D(t)用式（5) 表;

4

/)f (1 一 —£)

(f)

m2

(4)

- + /fne.

K't(y«t-D ~ye)(5)

其中，A为初始添加颗粒直径（脱硫剂直 径），m;De为平衡态团聚体颗粒直径，为取决于粒化条件的常数（一）

为加料

时间f时的颗粒（脱硫剂）聚集重量（kg); r 为颗粒与铁水之间的界面张力（N/m) ;r为 叶轮半径(m)

为叶轮旋转角速度（rad/s);

hwc为t时刻新加人的颗粒数;yf(通量）为

时间K一）时颗粒（脱硫剂）的初始数量 (_);7«为平衡状态的颗粒数（_)。

图3显示了用上述方程计算实验期间平 均粒径随时间变化的结果以及炉渣平均粒径 的实际测量结果。分批加料法脱硫渣颗粒的 平均直径为〇. 76mm，但是连续加料法和喷 粉法的脱硫渣颗粒平均直径明显减小，分别 为0. 39mm和0. 38mm。在分批加料情况 下，粒径随时间增加而增加；而在连续加料和

2018年第1期

钢铁译文集31

喷粉加料的情况下，脱硫剂加人期间和加人 之后的粒径增加程度不同，并且函数图像上 有明显的时间拐点。基于此，可以认为，在连 续加料和喷粉加料工艺中，脱硫剂添加期间 的粉剂直径增加量小，因粉剂聚集导致粒径 大幅增加是在脱硫剂添加之后进行的。另 外，如果缩短脱硫剂的添加时间，则脱硫剂添 加后的处理时间变长，因此可以推测处理后 的凝集粒径增大。

分批加科法* :—■ :Calc-边

a

加粒法

◊ : J4eas_-------：Cak.

哦杨法10分钟

......... : Calc.

喷粉法

3分钟

^ ： Meas.m i Osklc.

时间/mm

图3

炉渣平均粒径的变化

假定铁水中的传质是控制脱硫反应速度

的限制性环节，根据式(6)所示的脱硫反应速 度方程式进行评估。反应界面面积A由方 程(7)给出。铁水中[S]含量变化可以用由 聚集模型计算出的粒径D(t)(式5)来代换 估算。

_Cdt|

]=Xs # [S] = Af

VVm

卜• [S] (6)

A=3XW{ •

pi * (zrjrA t~)/2)

p~p

(7)

其中，A为反应界面面积，m24m为传质速 率，m/s;!^为铁水重量，70kg;j〇m为铁水密 度，7 000kg/m3。

从图2和图3可知，分批加料方法中，随

时间的推移，加人的脱硫剂会发生聚集并形 成较大的炉渣颗粒，导致反应界面面积减少 和脱硫反应速度降低。另一方面，采用连续 加料方法或者喷粉加料方法，脱硫剂加料较 为缓慢，可抑制粉剂聚集、提髙脱硫反应速

率。此外，在初始直径为30Mm的脱硫粉剂 喷吹法中，模型计算的结果与观察到的脱硫 行为一致，由此可以认为，除了降低加料速率 可抑制脱硫剂聚集以外，细小的脱硫粉剂也 可以直接提高脱硫反应。

图4为实验中不同添加方式下的脱硫剂 扩散和聚集行为的原理示意图，以及实验后 炉渣的电子探针X射线显微分析（EPMA) 观察结果(S映射图像）。在脱硫粉剂喷吹加 料方法中，炉渣中存在相对较多的细小弥散 的富硫区域（含硫较高的区域），说明熔剂在 保持较小尺寸的同时有助于脱硫反应。由此 推测，喷粉法脱硫有助于提高脱硫反应效率 的机理包括两个方面，一方面通过降低脱硫 剂加人速率来抑制脱硫剂聚集，另一方面通 过脱硫剂的精料处理(细小弥散化)来直接促 进脱硫反应。

图4

脱硫剂分散和聚集机制及 脱硫炉渣处理后的示意图

2.3倾斜炉底技术

前人研究表明，在铁水包中安装挡板或

32钢铁译文集2018年第1期

使用偏心叶轮会在旋转搅拌期间形成倾斜涡 流，增强了脱硫剂在铁水中的扩散能力。然 而，由于设备限制和设备寿命问题，这些技术 尚不能完全实现工业化。本文描述的铁水包 炉底倾斜技术,通过给处理容器的底部设置 斜坡，可以形成倾斜的涡流，从而加强脱硫剂 的浸入及扩散。

首先，用具有倾斜底部的容器进行水模 型实验，研究形成倾斜涡流所需要具备的条 件和观察熔池中卷人的颗粒数量。虽然这与 安装挡板时的行为类似，但发现倾斜底部的 扭矩载荷比安装挡板的更小。

其次，利用上述高频感应炉进行了铁水 脱硫试验验证了该效果。结果表明，在倾斜 炉底条件下，脱硫剂加人到12〇S后脱硫率比 普通(平底）容器增加3倍。此外，与普通容 器相比，用倾斜炉底容器处理后的炉渣的平 均粒径也大幅减小。EPMA观察处理后的 炉渣粒子的平均直径减小，与正常容器相比， 倾斜炉底条件下，炉渣中富硫区域在团聚体 内部更深。这些结果表明，倾斜炉底具有促 进脱硫剂与铁水的浸润和在铁水中扩散的作 用。

图5显示了在70kg规模的感应炉倾斜 炉底容器脱硫实验中的铁水-空气界面垂直 向下流体流动速度的数值分析计算结果。可

•日)/«§嫌

-

0.6

-0.115

-

0.075 - 0.0 00.025

O.OTi

0.12J

B中抽找的离.ill

图5

铁水-空气界面垂直速度的计算结果

以看出，由于倾斜底部的存在，叶轮周围形成 的旋涡是偏心和倾斜的，在这个倾斜的旋涡 附近存在着一个具有较强流速的下行流体区 域。由于流体向下流动的速度(计算值）比脱 硫剂卷人的速度高很多，可以推断，导致脱硫 效率的提高主要是因为底部倾斜促进了脱硫 剂与铁水融合能力。

在此研究基础上，进行了倾斜炉底的工

业生产试验（西日本工厂（福山）West Japan

Works(Fukuyama) 350t 级铁水包）。用于

铁水脱硫处理的铁水包内径为3. 5m，熔池深 度为5. 15m，包底倾斜部分的最大高度差为 0. 16m〇

铁水预处理前的硫含量与CaO基脱硫 剂利用率的关系如图6所示。CaO利用率由 图中所示的方程计算得来。通过使用底部倾 斜容器，CaO利用率提髙了 1. 25倍，试验证 实了在实际生产中倾斜炉底确实能提高铁水 预处理设备中的脱硫效率。

OiD利用革

马化为CaJSKaO

中的CaO

：LOO

v»=5>c

0.010

0.020 Q.tiJO

仪吭铁木t的茕含

图6

对于正常和底部倾斜容器中

CaO基脱硫剂利用率的比较

3

热态脱硫渣回收技术

尽管通过加速脱硫剂的扩散可提高脱硫 效率，但脱硫渣中仍存在未反应的CaO,形 成尺寸为几毫米至几十毫米的团聚体。笔者

2018年第1期

钢铁译文集33

就此进行了各种回收利用条件（冷却、粉碎 等）的研究，结果发现，含有脱硫剂团聚体的 脱硫炉渣在高温下可被破坏为小尺寸颗粒， 开发的脱硫剂喷吹加料技术、炉底倾斜技术 和热态炉渣回收技术，实践已证明这些技术 在提高脱硫剂反应效率上的有效性。

从而产生新的未反应的界面(热破坏技术）。

在70kg规模的铁水实验中，研究了前 道工序带来的Si02(如高炉渣）的影响。图7 显示了处理后脱硫渣中Si02含量与脱硫速 度常数K之间的关系。脱硫速度常数速率 随S02含量的增加而降低，这是由于CaO 与Si02形成图中所示的化合物，使得用于脱 硫的CaO比例减少，基于此假设而进行的相 关计算与前述结果相吻合。XRD测量到的 结果CaO • Si02化合物的峰值也证实了图 中所示处理后脱硫渣中的化合物的存在。

釤i李掛«梃崔

.05

10

20 3fl 40

后炉S中的

图7

炉渣中Si02含霣对脱硫速率常数K的影响

据此实验结果，对Si02的影响进行了量 化，并反映在实际设备的操作标准中，使热态 脱硫渣循环使用次数达10倍以上。这有助 于降低脱硫剂的消耗量和炉渣生成量，同时 有助于回收脱硫渣中的铁和显热。

4结论

本文介绍了机械搅拌法铁水脱硫处理中

图8为传统技术与本文所述技术的脱硫 剂反应效率和炉渣产量的对比关系。与在溶 池表面上添加脱硫剂的传统技术相比，这些 技术的应用使脱硫剂的反应效率提高了 2. 1 倍，并使脱硫渣量减少了大约30%。

1.1

■ 1=1脱碎W渣S

CaO利闬率

<•116

传这技术

*文所ii枝术

图8喷粉法、底部倾斜和炉渣热循环

对炉渣生成和CaO利用率的影响

因此，在钢铁冶炼流程中铁水预处理已 经实现了低硫铁水的生产，保证了终端高质

量产品的供应。这些技术的应用降低了炼钢 过程中的热损失和炉渣渣量，由此建立了全 球环境友好型的铁水预处理脱硫工艺。今 后，我们将继续致力于开发更高效率的铁水 脱硫方法，并为建立世界上最先进的能源利 用技术、资源回收技术和环保技术的钢铁制 造工艺作出贡献。

刘成译自《JFE TECHNICAL REPORT》

NO. 22(Mar. 2017)

舒宏富校对