鐵水預(yù)處理順序的選擇
1 CaO作“三脫”劑
（1） 脫硅－脫硫－脫磷順序
——鐵水溝處鐵鱗脫硅
鐵水脫硅是放熱反應(yīng)，鐵水溫度越低，脫硅的效果越好。考慮到鐵水的脫硫溫降和運(yùn)輸、等待溫降，若將脫硅置于脫硫之后，脫硅時(shí)的鐵水溫度將較鐵水溝脫硅更低，鐵水預(yù)脫硅工序應(yīng)盡量置于脫硫之后，而不是在脫硫之前。
——脫硫
反應(yīng)平衡時(shí) [%S]達(dá)10-4數(shù)量級(jí)，可滿(mǎn)足所有鋼種的要求；溫度的變化對(duì)鐵水脫硫效果的影響很小，因此脫硫可考慮提至脫硅之前，在確保脫硫效果的同時(shí)使脫硅也處于較好的熱力學(xué)條件下。
——轉(zhuǎn)爐內(nèi)脫硅、脫磷
有資料表明：鐵水中[%Si]大于0.15時(shí)為脫硅期，[%Si]小于0.15時(shí)脫磷反應(yīng)才會(huì)開(kāi)始，脫磷反應(yīng)是放熱反應(yīng)，較低溫度的脫磷爐內(nèi)脫硅的熱力學(xué)條件應(yīng)是最佳的。因此應(yīng)取消鐵水溝處的高溫脫硅，將其移至脫硫之后的脫磷轉(zhuǎn)爐內(nèi)和脫磷一同進(jìn)行。
（2） 脫硫－脫硅、磷順序
“脫硫—脫硅、脫磷”順序的情況下，脫硫反應(yīng)平衡時(shí)量[%S]下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)。將脫硅任務(wù)放在脫硫之后完成，能明顯改善CaO粉劑脫硫的熱力學(xué)條件。
（3） 脫硅、脫磷－脫硫順序
在“脫硅、脫磷—脫硫”順序的情況下，脫硫反應(yīng)平衡時(shí) [%S]為10-3數(shù)量級(jí)，而在“脫硅—脫硫—脫磷”順序下，[%S]為10-4數(shù)量級(jí)，在“脫硫—脫硅、脫磷”順序下，[%S]為10-5數(shù)量級(jí)。顯然“脫硫—脫硅、脫磷”順序下CaO粉劑脫硫反應(yīng)的熱力學(xué)條件更好。
（4） 同時(shí)“三脫”
機(jī)理研究表明：用氮氧復(fù)合氣體作載氣噴吹CaO粉同時(shí)進(jìn)行鐵水預(yù)處理“三脫”反應(yīng)時(shí)，脫硅、脫磷主要是在噴槍附近的高氧勢(shì)區(qū)進(jìn)行的瞬時(shí)接觸反應(yīng)；脫硫則是還原性渣和鐵水之間的持久接觸反應(yīng)。
對(duì)鐵水預(yù)處理脫硅來(lái)說(shuō)，脫磷轉(zhuǎn)爐頂吹氧加CaO粉劑脫硅的熱力學(xué)條件是最優(yōu)的。
CaO的脫磷能力受鐵水溫度的影響很大，在其它操作條件允許的情況下，應(yīng)該盡量在低溫下脫磷。 “脫硫－脫硅、脫磷”順序下，專(zhuān)用脫磷轉(zhuǎn)爐脫磷時(shí)鐵水的溫度較同時(shí)“三脫”時(shí)低。綜合比較認(rèn)為：CaO作三脫劑時(shí)，脫磷應(yīng)在脫硫之后，并在專(zhuān)用轉(zhuǎn)爐內(nèi)進(jìn)行最佳。
噴吹CaO粉劑同時(shí)進(jìn)行鐵水“三脫”的脫硫能力相對(duì)最弱。
從熱力學(xué)角度分析原因：同時(shí)“三脫”在同一個(gè)容器中既要實(shí)現(xiàn)氧化脫磷、脫硅，又要完成還原脫硫，兩者都要兼顧，在熱力學(xué)上存在著矛盾，工藝上也不好實(shí)現(xiàn)。而將脫硅、脫磷和脫硫分階段處理，分別創(chuàng)造氧化和還原的氣氛，顯然比同時(shí)“三脫”的熱力學(xué)條件更優(yōu)化。
由以上計(jì)算與分析可知，CaO作三脫劑時(shí)的最佳預(yù)處理順序?yàn)椋好摿颍摴琛⒚摿住?
2 鎂粉作脫硫劑，CaO作脫硅、脫磷劑
從熱力學(xué)角度看，理論上“脫硅、脫磷－脫硫”順序下鎂粉能將鐵水中的[%S]降至10-6～10-7數(shù)量級(jí)，而“脫硫－脫硅、脫磷”順序下鎂粉只能將鐵水中的[%S]降至10-5～10-6數(shù)量級(jí)。但由圖1可知，溫度對(duì)脫硫的影響較小，但對(duì)硅磷卻有著很大的影響，高溫不利于脫硅磷，1500℃時(shí)，硅、磷含量在0.01%以上，不能滿(mǎn)足要求，此時(shí)硫含量為20ppm，滿(mǎn)足要求，因此綜合考慮，鎂粉作脫硫劑，CaO作脫硅、脫磷劑最佳順序?yàn)椋好摿颍摴琛⒚摿?nbsp;。
圖1 鎂粉為脫硫劑時(shí)溫度對(duì)“三脫”效果的影響
3 CaC2作脫硫劑，CaO作脫硅、磷劑
CaC2脫硫的反應(yīng)式為：CaC2+[S]＝CaS(S)+ 2[C]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、2。
表1 脫硫－脫硅、磷順序反應(yīng)平衡時(shí)[%S]
T
1723K
1673K
1623K
[%S]
2.18×10-6
1.02×10-6
4.57×10-7
表2 脫硅、磷－脫硫順序反應(yīng)平衡時(shí)[%S]
T
1673K
1623K
1573K
[%S]
1.29×10-6
5.89×10-7
2.53×10-7
表3 專(zhuān)用轉(zhuǎn)爐脫硅脫磷平衡時(shí)[%P]
T
1673K
1623K
1573K
[%P]
1.35×10-4
4.33×10-4
6.16×10-5
比較表1、2可以看出，CaC2作脫硫劑時(shí)，不同預(yù)處理順序?qū)γ摿蛐Ч绊懖淮螅杀?3知，低溫利于脫硅、磷，因此“脫硫－脫硅、脫磷”順序能改善脫硅、脫磷反應(yīng)的熱力學(xué)條件。
4 蘇打灰作脫硫劑，CaO作脫硅、磷劑
蘇打灰的主要成分為Na2CO3，用蘇打灰脫硫，工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單，主要缺點(diǎn)是：鐵水中加入蘇打時(shí)產(chǎn)生大量的氧化鈉揮發(fā)物，操作環(huán)境惡劣。此外，渣中氧化鈉侵蝕鐵水包襯，并且因渣的流動(dòng)性過(guò)好，造成機(jī)械扒渣困難。Na2CO3與鐵水中[S]的作用，一般認(rèn)為按下式進(jìn)行：Na2CO3(l)+[S]+2[C]＝Na2S(l)+3CO(g)。經(jīng)過(guò)熱力學(xué)計(jì)算，不同預(yù)處理順序下的結(jié)果如表4、5所示。
表4 脫硫－脫硅脫磷順序反應(yīng)平衡時(shí)[%S]
T
1773K
1723K
1673K
1623 K
[%S]
4.89×10-4
1.07×10-3
2.40×10-3
5.7×10-3
表5 脫硅、脫磷－脫硫順序反應(yīng)平衡時(shí)[%S]
T
1673K
1623K
1573K
[%S]
3.08×10-3
7.90×10-3
1.86×10-2
比較表4、5可知，“脫硫－脫硅、脫磷”順序更具優(yōu)勢(shì)，分析其的有利條件包括：1)在相對(duì)較高的溫度下脫硫，Na2CO3脫硫反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，高溫更有利于Na2CO3脫硫反應(yīng)的熱力學(xué)要求；2)脫硫時(shí)鐵水中含有較高的[Si]、[C]、[P]，這三種溶質(zhì)提高了鐵水中硫的活度系數(shù)，從而提高鐵水中硫的活度，促進(jìn)了Na2CO3脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。
因此，使用Na2CO3做脫硫劑時(shí)，“脫硫－脫硅、脫磷”順序下Na2CO3脫硫反應(yīng)的熱力學(xué)條件更好，能明顯改善脫硅、脫磷反應(yīng)的熱力學(xué)條件。
預(yù)處理容器及方法選擇
1 預(yù)處理脫硫
有研究用FLUENT軟件計(jì)算出260t魚(yú)雷罐的速度分布圖，如圖2所示。
圖2 噴頭在中心點(diǎn)時(shí)的速度圖
圖3 鐵水包KR法脫硫的流場(chǎng)示意圖
由圖2知：魚(yú)雷罐內(nèi)流場(chǎng)極不均勻，漩渦橫向發(fā)展，造成的死角多，尤其是魚(yú)雷罐兩頭、底部、以及中間部分區(qū)域的鐵水流動(dòng)性較差，在很大程度上惡化了脫硫的動(dòng)力學(xué)條件；由于噴吹的攪拌對(duì)上述區(qū)域的鐵水影響較小，粉劑不易到達(dá)，加之粉劑很快上浮，所以脫硫終了時(shí)這部分鐵水的含硫量仍相對(duì)較高，影響到整罐鐵水的脫硫效果。
鐵水包KR法流場(chǎng)如圖3所示，KR攪拌形成了鐵水的循環(huán)流動(dòng)，大大改善了脫硫的動(dòng)力學(xué)條件，減少了脫硫劑的消耗。武鋼生產(chǎn)實(shí)踐表明：攪拌時(shí)間只需要5分鐘就可使脫硫劑得到充分的利用，脫硫速度快、效果好，鐵水原始硫含量為300ppm時(shí)，處理終點(diǎn)硫含量可達(dá)10個(gè)ppm以下。有文獻(xiàn)認(rèn)為：較之噴吹法，攪拌法的出現(xiàn)使得脫硫過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)條件得到了根本性的改善。
鐵水包噴吹法脫硫流場(chǎng)如圖4所示：
圖4 鐵水包噴吹法脫硫的流場(chǎng)示意圖
由圖4可知，鐵水罐底部及與噴吹口成90°夾角的區(qū)域是噴吹的死區(qū)，由于噴吹角度的限制及脫硫劑上浮的原因脫硫劑始終到不了這一區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)鐵水流動(dòng)不足，動(dòng)力學(xué)條件較差，使得該這部分鐵水的脫硫效果基本上等于零。脫硫完畢，死區(qū)內(nèi)鐵水的硫就會(huì)漸漸擴(kuò)散到整罐鐵水中，使得鐵水硫量回升。
鐵水包噴吹法脫硫的基本原理是靠一定壓力和流量的載氣，把脫硫劑噴入到鐵水中脫硫。脫硫劑在上浮的過(guò)程中與鐵水的硫進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)載氣和脫硫劑的沖擊與上浮能夠帶動(dòng)鐵水流動(dòng)起到攪拌作用，但它們上浮造成的鐵水對(duì)流運(yùn)動(dòng)是很弱的(動(dòng)量平衡原理)，脫硫劑只有部分與硫反應(yīng)，導(dǎo)致脫硫劑耗量比KR法大，脫硫效率較低。
綜合比較，在三種預(yù)處理脫硫工藝中，鐵水包KR法脫硫的動(dòng)力學(xué)條件是最優(yōu)的。在實(shí)際生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)也表明， KR法的脫硫效率更高，粉劑消耗更少。
2 預(yù)處理脫硅
為了提高脫硅反應(yīng)速度、充分利用脫硅劑，動(dòng)力學(xué)要求必須加強(qiáng)攪拌，以降低擴(kuò)散層厚度和增加反應(yīng)界面面積。魚(yú)雷罐和鐵水包的容積小，容易產(chǎn)生噴濺，限制了噴吹的強(qiáng)度。特別是魚(yú)雷罐車(chē)，其形狀是兩頭小中間大，反應(yīng)空間決定了它的動(dòng)力學(xué)條件較差。而轉(zhuǎn)爐的熔池大，渣層較薄、渣鐵接觸面積大于魚(yú)雷罐和鐵水包；爐容比大，幾乎不存在噴濺問(wèn)題，可以允許更高的噴吹強(qiáng)度，若加上底吹，可進(jìn)一步改善了其動(dòng)力學(xué)條件，縮短了處理時(shí)間。
3 預(yù)處理脫磷
圖5、圖6是兩種脫磷方法的曲線(xiàn)圖。
圖5 魚(yú)雷罐脫磷曲線(xiàn)
圖6 轉(zhuǎn)爐脫磷曲線(xiàn)
比較兩圖可知，專(zhuān)用轉(zhuǎn)爐噴CaO粉脫磷只需要10分鐘就能將磷脫至50個(gè)ppm以下，而魚(yú)雷罐則需要40分鐘左右，說(shuō)明轉(zhuǎn)爐脫磷的動(dòng)力學(xué)條件優(yōu)于魚(yú)雷罐，效率更高。
結(jié)論
（1）通過(guò)對(duì)不同“三脫”劑、不同處理順序的熱力學(xué)計(jì)算比較得出最佳鐵水預(yù)處理順序?yàn)椋侯A(yù)處理脫硫－預(yù)處理脫硅、脫磷。
（2）對(duì)不同處理容器、不同處理方法的動(dòng)力學(xué)條件比較得出預(yù)處理容器應(yīng)選定為：鐵水包KR脫硫，專(zhuān)用轉(zhuǎn)爐脫硅、脫磷。
（3）鐵水預(yù)處理模式確定為：高爐鐵水－鐵水包KR法脫硫－專(zhuān)用轉(zhuǎn)爐脫硅、脫磷。
