铁水预处理技术方案●铁水预处理的热力学及动力学原理●铁水脱硫工艺及装置●铁水三脱（脱硅、脱磷、脱硫）工艺及装置北京科大三泰科技发展有限公司2004-2-13铁水预处理技术方案1．概述铁水预处理技术从上个世纪六、七十年代发展起来到现在已经广泛地应用于各国，用于提高铁水质量，其技术也已经得到迅速的发展，目前可以用于铁水预处理的技术不下二、三十种。
铁水预处理工艺方法主要有：（1）机械搅拌法，有代表性的是日本开发的KR法；（2）吹气搅拌法，包括顶吹喷粉法和底吹法，目前顶吹喷粉法得到最广泛的应用，如ATH、TDS、IRSID、ISIDD等法；（3）喂丝法近年来开始得到应用。
铁水预处理的主要工艺目标是：（1）脱硫；（2）脱磷；（3）脱硅、磷、硫（俗称三脱）；（4）其它。
从处理熔剂的选择来看有：主要是石灰系、碳化钙系、镁系三类脱硫剂，可以单独使用，可以复合应用，往往可以取得更好的冶金效果。
顶吹喷粉法近年发展了更多的工艺形成：产生了混合喷吹法和复合喷吹法以及分步喷吹法等。
从控制模型方面看：近年来更加重视建立较高精度的预处理粉剂喷吹量的控制模型。
还有一些不同的分类方法，但是无论怎样分类，每个企业选择的原则都是一样的，那就是从自己企业近期和长远规划来考虑，结合企业能力、产品目标、市场、经济效益等具体情况选择最适合自己的，最有利的方案。
本技术方案——从三个方面介绍科大三泰公司向用户推荐并可提供的技术装备：（1）（1）铁水罐顶喷纯化镁脱硫；（2）（2）铁水罐采用镁加钙系脱硫剂分步或复合喷吹脱硫（即所谓混喷）；（3）（3）铁水罐采用镁加钙系或者单纯钙系脱硫剂分步或者复合喷吹三脱（脱硫、脱磷、脱硅）；是较高精度顶吹喷粉法；脱硫剂选用钝化镁粒或镁系的；喷吹工艺形式采用单系统喷吹或分步复合喷吹；为了提高镁的利用率，降低喷粉生产成本，同时达到目标硫数值，达到喷粉目的，采用具有较高精度的脱硫剂喷吹量的控制模型（可选择的和可即时调控的）；采用高技术喷射器系统；带气化室的喷枪；采用PLC 全程程控和计算机操作等。
2．铁水预处理的热力学与动力学2．1 铁水脱硅1）脱硅反应[][]()22S i O S i O +=根据热力学原理不难看出，为了脱硅的同时碳不被氧化，脱硅应在低温下进行，最好不超过1500℃。
2）硅在渣、钢间的分配由上述脱硅反应可以看出：[][][][][][]()[][][][]2222222222%32%%%%SiO SiO SiO SiO i Si Si O Si O Si O SiO a X n K a a f Si f O f Si f O γγ===∑()[][][][]2222%(32)%%Si O Si i Si SiO f f SiO L n K O Si γ==∑ 或者()[][][][][][][]222222(32)%%%%i SiSi Si Si O Si O SiO n K SiO L f f O c f f O Si γ===∑以上公式中，∙--铁水中硅的活度系数。
可以由下述经验公式计算： [][][][][][][]{}38034.51873lg 0.023%0.089%0.011%0.056%0.002%0.23%Si f c Si P S Mn O T T T ⎛⎫⎛⎫=-+++++- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ Si c --铁水的硅容量由于氧在铁水中活度较底，约451010--,一般用氧的浓度代替活度.2.2 铁水脱磷目前的铁水脱磷主要是采用氧化脱磷，其基本反应是：[][]()2552P O P O +=7560061.87G T ∅∆=-+ 实际过程中，铁水脱磷是在有CaO 的情况下完成的，所以脱磷反应应该是：()[][]()253513222CaO P O CaO P O ++=热力学证明，此时的脱磷反应更容易进行。
2．3 铁水脱硫铁水预处理脱硫是铁水预处理过程的最重要的环节，其优点在于：1）有利于稳定高炉造渣制度，节约能耗；2）保证炼钢吃精料，有利于钢铁产品的结构改革，提高质量。
3）有利于钢铁冶金的整个流程实现最优化。
铁水脱硫一般采用如下两种方法：1）用石灰，铁水脱硫的化学反应为()[]()[]s s CaO S CaS O +=+25290 6.66G T ∅∆=- 热力学计算表明，单纯用CaO 是不能脱硫的，但在[]C 存在的条件下，脱硫反应是很容易进行的，()[]s CaO S C CaS CO++=+2532026.33G T ∅∆=- 2）用钝化金属镁脱硫，这是近几年刚兴起的钢铁冶金新技术，新工艺。
其化学反应为[][]()Mg S MgS +=或由于镁的沸点是1170℃，当喷入铁水后，来不及溶入铁水即气化，反应为()[]()g Mg S MgS +=长期以来，北京科技大学对金属镁粒铁水预处理过程脱硫进行了系统的研究，得到镁在铁水中的物理化学行为及镁脱硫的热力学结果。
固态金属镁粒进入铁水后少部分在铁水中溶解，并很快达饱和溶解；大部分镁粒升华后在铁水中形成镁蒸气气泡，气泡直径与固体镁粒直径s D 及温度T 的关系为131.368g S D T D =；单位Kg 的镁粒产生的气泡与铁液界面积，和固体镁粒直径s D 及温度T 的关系为230.015s T A D =；与51.0132510pa ⨯的气态镁平衡的镁在铁液中的饱和溶解关系式为：[]6131lg % 1.64Mg T =-+；与铁水中饱和的镁平衡的硫与温度的关系式为： []22427lg %8.92S T =-+；吨铁水脱除同样的硫，高温下镁粒的消耗远高于低温。
例如，吨铁水脱除300ppm 的硫，铁水温度1600℃时镁粒的理论消耗是1300℃时的1.64倍。
3．铁水罐顶喷吹纯镁脱硫技术3．1工艺流程及特点3．1.1工艺流程简介上述前三种技术方案都属于喷吹法，工艺流程中一般都包括：供粉系统，供气系统，喷吹系统，喷枪运动及夹枪系统，测温取样系统，除尘系统，扒渣系统，枪库，电气控制系统，仪表检测系统，喷枪维修系统，控制操作室，以及相应的铁水罐倾翻车系统，渣罐车系统，轻型吊车等设备。
工艺流程的确定要从企业的需要和可能出发，综合考虑决定，也可以从其中取舍简化。
一般的脱硫工艺流程如图1所示：（1）高精度的喷吹系统——具有精确度量和输送脱硫剂的喷粉系统。
该技术改变过去载气压差法输送粉料不够均匀有脉冲现象的缺点，采用稳定精确的容积式送料方式。
对送料量采用精度高的电子称连续测量的方法获得信号并反馈到供料控制系统加以调节，可以获得连续稳定的喷料量，其调节精度可以达到±0.3kg/min，达到目前世界上喷料量控制的先进水平。
从而可杜绝铁水喷溅，确保喷吹脱硫成功。
同时降低脱硫剂消耗，提高脱硫效率及喷吹效益。
这种高精度喷吹系统对喷吹价格比较贵的钝化镁粒或镁粉脱硫剂尤为必要。
（2）建立高精度的脱硫剂喷吹量自动控制模型——即专家系统。
自动控制模型主要是依据铁水量、初始硫、目标硫含量，参考铁水温度、带渣量、渣的成分等通过PLC中设置的专家系统软件，比较精确地自动计算出本炉次需要喷入的脱硫剂量，确定喷粉速度和喷吹时间，建立起高精度的控制模型，从而保证高的脱硫命中率，较精确的脱硫剂量，提高脱硫剂的利用率，降低成本，提高经济效益。
同时采用WINCC或国内组合软件，对系统实行计算机操作和翻屏监控。
（3）科学合理的工艺技术软件从理论和实践两个方面确定合乎企业实际的工艺技术，包括：喷吹工艺、操作工艺、与工艺有关的设备的技术参数等。
这就为在硬件的基础上确保铁水预处理成功作出了最重要的保证。
南钢集团两套铁水喷纯镁脱硫站投产近一年的生产实践证明了该设备及工艺技术的成功。
（4）（4）喷纯化镁专用的带气化室喷枪为了加速颗粒镁的气化，促进镁的脱硫反应，提高镁的利用率和脱硫率，喷镁枪一般使用带气化室的喷枪，这也是喷镁的关键技术。
我们可以通过技术合作向用户提供质量优良的气化室喷枪或者其制造技术。
根据铁水罐等实际情况也可能向企业提供倒Y形喷枪。
（5）（5）六项专有先进实用技术根据国外喷镁实践中发现的问题和我们自己的实践经验，认为在硬件设施和控制方面有几个重要的问题应当得到解决。
经过我们的努力，已经在以下六个方面取得了突破，它们的实施对保证正常喷吹，提高效率，提高和进一步发展铁水预处理技术水平具有重要的积极的意义。
①不论铁水罐内铁水面高低，确保测温枪、取样枪进入铁水深度为设定值目前国内外测温取样枪大多没能正常使用，我国众多厂家从国外引进的情况也基本如此，究其原因：枪行程一定，铁水液面高度却是经常变化的，有时变化较大，使得枪工作时不是进入太深，将枪体烧坏；就是进入太浅，检测不准。
而枪的行程不可能每次都调，即使调，也没有铁水液面高度的数据，因此这成了老大难的问题。
我们提供的技术可以实现不论铁水罐内铁水液面有多高或者多低，可以确保测温枪、取样枪进入铁水深度为设定值，到达设定值时，枪的动作自动停止，完成测温或取样任务后自动提枪。
此项技术的实现不但对铁水预处理有重要作用，而且对炼钢，炉外精练等凡是需要对金属溶液测温取样的场合都可以应用，它的实用价值是比较高的，意义是重要的。
②喷枪触罐底结的铁渣凸包瞬间能自动停枪、再升枪到定高、再自动喷吹的技术由于铁水处理罐不能及时清理，用到一定时候罐底会结铁渣凸包，喷枪下降时有可能触碰凸包，引起巨大震动，此时只能把喷枪提起，铁水罐吊走，严重影响铁水处理计划和生产调度。
为解决这一实际问题，我们推出：喷枪下降中一旦触碰罐底结的铁渣凸包的瞬间，喷枪即能自动停止，然后再升枪到预定高度并立即自动开始喷吹的技术。
③气化室喷枪在线维修长寿技术目前国内外气化室喷镁枪都是离线人工维修喷枪，时间长，质量不稳定，影响脱硫节奏，劳动条件差。
在线气化室清理机、喷补机，以及喷枪烘烤器和保温室的使用可以有效地解决和改善这些问题。
④喷枪、测温取样枪枪位检测显示目前国内外喷枪、测温枪、取样枪在显示屏上显示的仅仅是上下极限位置，不够准确，没有行程的定量数据，对控制不利。
现在我们的这三支枪都有行程检测功能，可以准确地测量和控制枪位，对完成工艺目的将十分有利。
⑤事故停电提喷粉枪装置喷吹时当万一发生停电等事故时，目前国内外的喷枪都一筹莫展，不但损坏了枪，连一罐铁水都有可能报废。
我们加设了停电事故装置，可以很快的很容易地将喷粉枪提出铁水罐外，避免重大损失。
⑥瞬时显示喷粉质量流量表瞬时显示喷粉质量流量表可以测量管道中粉剂的瞬时质量流量，反应快，误差小，成本低，对更好地最佳喷粉工艺可以起一定的作用。
3.3工艺目标保证值根据企业不同情况，本工艺技术装备可以确保达到三种水平的脱硫效果：终点硫分别是≤0.010%，0.005%，0.002%。
确保在80炉次的热试车中，达到上述指标的炉次占处理总炉次≥90%，在≤10%的炉次中铁水硫含量超标分别≤0.003%~0.002%，这等同于目前国际通用水平。