新型噴氣機械攪拌爐外鐵水原位脫硫的基礎研究結題摘要

課題在綜合分析KR 法和顆粒鎂噴吹法的基礎上，提出了噴氣機械攪拌鐵水爐外原位脫硫的新思路，即以MgO 基（或白云石基）脫硫劑取代金屬鎂，在鐵水中原位生成鎂蒸汽，在惰性氣體的帶動下噴吹進入鐵水熔池，并采用新型噴氣機械攪拌裝置細化和分散鎂蒸汽氣泡，從而達到提高鎂脫硫效率和鎂利用率的目的。圍繞新的思路，在水模型實驗中，采用圖像處理、吸收速率、數(shù)值模擬、功率測量及因次分析等方法，研究攪拌槳槳型、攪拌模式、攪拌速度、噴氣方式、噴嘴浸入深度等因素對氣泡微細化和分散規(guī)律，建立了氣泡尺寸與各種因素的準數(shù)方程，探索高溫噴氣攪拌氣泡微細化的方法；采用差熱分析技術、元素分析、高溫實驗等手段，研究氧化鎂基脫硫劑在高溫鐵水中原位反應產(chǎn)生鎂蒸汽的熱力學和動力學規(guī)律，以及新型脫硫劑原位脫硫的規(guī)律以及脫硫渣的組成、結構等；為新型噴氣機械攪拌原位脫硫新方法提供科學和實驗依據(jù)，同時應用商業(yè)CFD軟件就新型攪拌槳對氣泡的分散性的影響進行了數(shù)值模擬。數(shù)值模擬采用非穩(wěn)態(tài)SM法結合歐拉多相模型和兩相湍流模型，研究了噴氣攪拌熔池內的氣液兩相流分布，液體速度，湍動能，功率等影響因素。并將結果與水模型實驗結果對比，模擬結果與實驗結果一致的基礎上，得到以下結論：新型攪拌槳可以取得更好的氣泡微細化效果，同時可以降低能耗；槳葉上加圓盤可以削弱槳葉上部的切向流，因此可以相應地增加氣泡的停留時間以及氣泡的分散范圍；隨著偏心度的增加，溶池內部氣體分布范圍也會相應增加，增大偏心度有利于溶池內部的氣泡微細化效果。物理模擬的結果表明：新型攪拌槳可以實現(xiàn)最優(yōu)化的氣泡微細化效果同時達到最高的容積傳質系數(shù)及二氧化碳氣體利用率并且實現(xiàn)最低的功率消耗。5kg鐵水脫硫實驗表明，噴吹的實驗結果優(yōu)于投料和噴粉，脫硫率隨著脫硫劑的用量的增加，配比中還原劑含量的增大以及初始硫含量的升高而增大，表面添加一定的CaO能有效的抑制回硫和提高脫硫率；在1t中頻感應爐內進行的鐵水爐外機械攪拌原位脫硫中試試驗結果表明：使用該技術可有效降低鐵水中的硫含量，噴吹 攪拌實驗效果優(yōu)于直接投放和只噴吹實驗效果，在一定的預處理條件下，鐵水中的硫含量可降至100ppm以下（最低22ppm），最大脫硫率為94.5%，鎂蒸汽利用率可達80%以上，完全符合國家煉鋼技術規(guī)程對入爐鐵水硫含量的要求，部分結果達到了深脫硫的標準，優(yōu)于目前鋼鐵企業(yè)鐵水脫硫預處理的技術水平。 2100433B

課題在綜合分析KR法和顆粒鎂噴吹法的基礎上，提出了噴氣機械攪拌鐵水爐外原位脫硫的新思路，即以MgO基（或白云石基）脫硫劑取代金屬鎂，在鐵水中原位生成金屬鎂蒸汽，在惰性氣體的帶動下噴吹進入鐵水熔池，并采用新型噴氣機械攪拌裝置細化和分散鎂蒸汽氣泡，從而達到提高鎂脫硫效率和鎂利用率的目的。圍繞新的思路，在水模型實驗中，采用片光源、圖像處理和因次分析方法，研究攪拌槳槳型、攪拌模式、攪拌速度、噴氣方式、噴嘴浸入深度等因素對氣泡微細化和分散規(guī)律，建立氣泡尺寸與各種因素的準數(shù)方程，探索高溫噴氣攪拌氣泡微細化的方法；采用差熱分析技術、元素分析、高溫試驗等手段，研究氧化鎂基脫硫劑在高溫鐵水中原位反應產(chǎn)生鎂蒸汽的熱力學和動力學規(guī)律，以及新型脫硫劑原位脫硫的規(guī)律以及脫硫渣的組成、結構等；為新型噴氣機械攪拌原位脫硫新方法提供科學和實驗依據(jù)，利用我國豐富鎂資源，提高我國鋼材品質。

鐵水爐外脫硫工藝之所以在經(jīng)濟上和技術上是合理、可行的，主要基于以下原因：

1、鐵水中含有大量的Si、C和Mn等還原性好的元素，因此在使用不同類型的脫硫劑，特別是強脫硫劑，如Ca、Mg、稀土等金屬及其合金時，不會發(fā)生大量的燒損，影響脫硫反應的進行。

2、鐵水中的C和Si等能夠大大提高硫在鐵水中的活度系數(shù)，使硫很容易就能脫到很低水平。

3、鐵水中含氧量較低，硫的分配系數(shù)相應有所提高，有利于脫硫。

4、鐵水爐外脫硫可以在魚雷車、鐵水罐巾進行，也可以在出鐵槽中進行，這樣可以減少處理投資。

5、鐵水處理溫度較低，對處理裝置的壽命有益。

6、鐵水爐外脫硫的過程中鐵水成分的變化比煉鋼或鋼水處理過程中鋼水成分的變化對最終鋼種的影響小。

1、鋪撒法

將蘇打粉或蘇打粉與石灰粉、螢石粉的混合物撒入流鐵溝、鐵水流或鐵水罐底部，利用鐵水流動時的沖擊和湍流運動使鐵水與脫硫劑攪拌混合，促進脫硫反應。這種方法簡便易行，但由于鐵水與脫硫劑混合不夠充分，脫硫效率不高。

2、機械攪拌法

這種方法是將脫硫劑加入鐵水罐中，然后用耐火材料制成的攪拌器插入鐵水攪拌，促使鐵水與脫硫劑充分混合，進行脫硫反應。

機械攪拌法有多種方式，其中具行代表性的是KR法，如圖2所示。

其脫硫效果與攪拌器的轉速、脫硫劑種類有關。

3、鐘罩插入法

這種方法是把含鎂量40%以上的鎂焦、鎂鋼屑等放入石墨-黏土制成的鐘罩內。然后插入鐵水罐巾，利用在高溫下沸騰而逸出的鎂蒸汽與鐵水接觸，使鐵水產(chǎn)生運動和進行脫硫反應，如圖3所示。

爐外脫硫的原因有如下兩方面。

1、一些高爐內未能使[S]降到合格范圍，為避免產(chǎn)生廢品，采用爐外脫硫辦法來補救。近年來由于原燃料質量逐步改善，高爐操作技術不斷提高，除極個別鋼鐵廠在必要時采用以外，一般很少采用了。

2、把爐外脫硫做為生產(chǎn)上的必要環(huán)節(jié)。近些年來，天然高質量的原燃料資源愈顯貧乏，特別是近年來國內有些廠原料中堿金屬含量很高（堿負荷每噸鐵在12~15kg以上），嚴重影響著煉鐵生產(chǎn)。為適應高堿金屬原料的冶煉和提高高爐生產(chǎn)能力，迫使尋求新的生產(chǎn)工藝，即采用低堿度渣操作并進行鐵水的爐外脫硫。

鐵水爐外脫硫的意義可概括如下：

(1)優(yōu)質鋼生產(chǎn)要求生鐵含[S]<0.01%甚至0.005%；

(2)對生產(chǎn)普通鋼也要求生鐵含[S]在0.02%~0.05%以下；

(3)生產(chǎn)球墨鑄鐵要求低[S]、低[P]的生鐵；

(4)世界上低硫的優(yōu)質焦煤日趨短缺，高硫焦炭以及高硫噴吹燃料的使用必然導致生鐵含硫升高；

(5)采用鐵水爐外脫硫，除有效提高生鐵質量外，還可實現(xiàn)低堿度渣操作，可增加爐渣排除堿金屬的能力，同時減少渣量，降低焦比，提高高爐生產(chǎn)率。 2100433B