新型喷气机械搅拌炉外铁水原位脱硫的基础研究中文摘要

课题在综合分析KR法和颗粒镁喷吹法的基础上，提出了喷气机械搅拌铁水炉外原位脱硫的新思路，即以MgO基（或白云石基）脱硫剂取代金属镁，在铁水中原位生成金属镁蒸汽，在惰性气体的带动下喷吹进入铁水熔池，并采用新型喷气机械搅拌装置细化和分散镁蒸汽气泡，从而达到提高镁脱硫效率和镁利用率的目的。围绕新的思路，在水模型实验中，采用片光源、图像处理和因次分析方法，研究搅拌桨桨型、搅拌模式、搅拌速度、喷气方式、喷嘴浸入深度等因素对气泡微细化和分散规律，建立气泡尺寸与各种因素的准数方程，探索高温喷气搅拌气泡微细化的方法；采用差热分析技术、元素分析、高温试验等手段，研究氧化镁基脱硫剂在高温铁水中原位反应产生镁蒸汽的热力学和动力学规律，以及新型脱硫剂原位脱硫的规律以及脱硫渣的组成、结构等；为新型喷气机械搅拌原位脱硫新方法提供科学和实验依据，利用我国丰富镁资源，提高我国钢材品质。

课题在综合分析KR 法和颗粒镁喷吹法的基础上，提出了喷气机械搅拌铁水炉外原位脱硫的新思路，即以MgO 基（或白云石基）脱硫剂取代金属镁，在铁水中原位生成镁蒸汽，在惰性气体的带动下喷吹进入铁水熔池，并采用新型喷气机械搅拌装置细化和分散镁蒸汽气泡，从而达到提高镁脱硫效率和镁利用率的目的。围绕新的思路，在水模型实验中，采用图像处理、吸收速率、数值模拟、功率测量及因次分析等方法，研究搅拌桨桨型、搅拌模式、搅拌速度、喷气方式、喷嘴浸入深度等因素对气泡微细化和分散规律，建立了气泡尺寸与各种因素的准数方程，探索高温喷气搅拌气泡微细化的方法；采用差热分析技术、元素分析、高温实验等手段，研究氧化镁基脱硫剂在高温铁水中原位反应产生镁蒸汽的热力学和动力学规律，以及新型脱硫剂原位脱硫的规律以及脱硫渣的组成、结构等；为新型喷气机械搅拌原位脱硫新方法提供科学和实验依据，同时应用商业CFD软件就新型搅拌桨对气泡的分散性的影响进行了数值模拟。数值模拟采用非稳态SM法结合欧拉多相模型和两相湍流模型，研究了喷气搅拌熔池内的气液两相流分布，液体速度，湍动能，功率等影响因素。并将结果与水模型实验结果对比，模拟结果与实验结果一致的基础上，得到以下结论：新型搅拌桨可以取得更好的气泡微细化效果，同时可以降低能耗；桨叶上加圆盘可以削弱桨叶上部的切向流，因此可以相应地增加气泡的停留时间以及气泡的分散范围；随着偏心度的增加，溶池内部气体分布范围也会相应增加，增大偏心度有利于溶池内部的气泡微细化效果。物理模拟的结果表明：新型搅拌桨可以实现最优化的气泡微细化效果同时达到最高的容积传质系数及二氧化碳气体利用率并且实现最低的功率消耗。5kg铁水脱硫实验表明，喷吹的实验结果优于投料和喷粉，脱硫率随着脱硫剂的用量的增加，配比中还原剂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脱硫率；在1t中频感应炉内进行的铁水炉外机械搅拌原位脱硫中试试验结果表明：使用该技术可有效降低铁水中的硫含量，喷吹 搅拌实验效果优于直接投放和只喷吹实验效果，在一定的预处理条件下，铁水中的硫含量可降至100ppm以下（最低22ppm），最大脱硫率为94.5%，镁蒸汽利用率可达80%以上，完全符合国家炼钢技术规程对入炉铁水硫含量的要求，部分结果达到了深脱硫的标准，优于目前钢铁企业铁水脱硫预处理的技术水平。 2100433B

铁水炉外脱硫工艺之所以在经济上和技术上是合理、可行的，主要基于以下原因：

1、铁水中含有大量的Si、C和Mn等还原性好的元素，因此在使用不同类型的脱硫剂，特别是强脱硫剂，如Ca、Mg、稀土等金属及其合金时，不会发生大量的烧损，影响脱硫反应的进行。

2、铁水中的C和Si等能够大大提高硫在铁水中的活度系数，使硫很容易就能脱到很低水平。

3、铁水中含氧量较低，硫的分配系数相应有所提高，有利于脱硫。

4、铁水炉外脱硫可以在鱼雷车、铁水罐巾进行，也可以在出铁槽中进行，这样可以减少处理投资。

5、铁水处理温度较低，对处理装置的寿命有益。

6、铁水炉外脱硫的过程中铁水成分的变化比炼钢或钢水处理过程中钢水成分的变化对最终钢种的影响小。

1、铺撒法

将苏打粉或苏打粉与石灰粉、萤石粉的混合物撒入流铁沟、铁水流或铁水罐底部，利用铁水流动时的冲击和湍流运动使铁水与脱硫剂搅拌混合，促进脱硫反应。这种方法简便易行，但由于铁水与脱硫剂混合不够充分，脱硫效率不高。

2、机械搅拌法

这种方法是将脱硫剂加入铁水罐中，然后用耐火材料制成的搅拌器插入铁水搅拌，促使铁水与脱硫剂充分混合，进行脱硫反应。

机械搅拌法有多种方式，其中具行代表性的是KR法，如图2所示。

其脱硫效果与搅拌器的转速、脱硫剂种类有关。

3、钟罩插入法

这种方法是把含镁量40%以上的镁焦、镁钢屑等放入石墨-黏土制成的钟罩内。然后插入铁水罐巾，利用在高温下沸腾而逸出的镁蒸汽与铁水接触，使铁水产生运动和进行脱硫反应，如图3所示。

炉外脱硫的原因有如下两方面。

1、一些高炉内未能使[S]降到合格范围，为避免产生废品，采用炉外脱硫办法来补救。近年来由于原燃料质量逐步改善，高炉操作技术不断提高，除极个别钢铁厂在必要时采用以外，一般很少采用了。

2、把炉外脱硫做为生产上的必要环节。近些年来，天然高质量的原燃料资源愈显贫乏，特别是近年来国内有些厂原料中碱金属含量很高（碱负荷每吨铁在12~15kg以上），严重影响着炼铁生产。为适应高碱金属原料的冶炼和提高高炉生产能力，迫使寻求新的生产工艺，即采用低碱度渣操作并进行铁水的炉外脱硫。

铁水炉外脱硫的意义可概括如下：

(1)优质钢生产要求生铁含[S]<0.01%甚至0.005%；

(2)对生产普通钢也要求生铁含[S]在0.02%~0.05%以下；

(3)生产球墨铸铁要求低[S]、低[P]的生铁；

(4)世界上低硫的优质焦煤日趋短缺，高硫焦炭以及高硫喷吹燃料的使用必然导致生铁含硫升高；

(5)采用铁水炉外脱硫，除有效提高生铁质量外，还可实现低碱度渣操作，可增加炉渣排除碱金属的能力，同时减少渣量，降低焦比，提高高炉生产率。 2100433B