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喷吹金属镁进行铁水脱硫时提高镁利用率途径的探讨


第 23 卷第 2 期 2000 年 6 月

武汉科技大学学报 (自然科学版) J. of Wuhan Uni . of Sci. & Tech. (Natural Science Edition )

Vol.23, No.2 June 2000

  文章编号: 1001-4985 ( 2000 ) 01-

0125-03

喷吹金属镁进行铁水脱硫时提高 镁利用率途径的探讨
倪红卫, 茅洪祥, 高运明
( 武汉科技大学材料与冶金学院, 武汉,430081 )

摘要: 讨论铁水喷吹镁粉脱硫时影响镁利用率的有关因素, 提出了提高镁利用率的途径。 关键词: 镁粉; 脱硫; 喷吹 中图分类号: TF 111.14 + 5  文献标识码: A

  在铁水炉外脱硫中, 镁系脱硫剂具有单耗低、 渣量少、 铁水温降小等特点[1] 。 国外从 70 年代开 始就采用镁系脱硫剂进行铁水脱硫[2,3] , 使用的主 要工艺有镁焦钟罩法[4] 、 喂镁丝法[5] 、 喷吹金属镁 [6,7] 粒法 。 喷吹法由于具有处理时间短、 可控性好、 效果稳定等优点而得到广泛应用。 近年来, 我国宝 钢、 本钢、 武钢等企业也开始采用该铁水脱硫工 艺。 目前, 采用喷吹镁系脱硫剂进行铁水脱硫处理 遇到的主要问题是镁系脱硫剂价格高, 脱硫成本 高。 因此, 提高镁的利用率, 降低脱硫成本, 是该工 艺能否在我国推广应用的关键。 本文主要分析了 使用镁系脱硫剂进行铁水脱硫时影响镁利用率的 因素, 并就提高镁利用率的途径进行探讨。

0.00026%, 镁的脱硫反应才能进行。 以上成分铁

水中的 w O 应由 w Si控制。 [Si ]+[ O ]= SiO 2 ( s) ?G 2 =-582300+222
0

T , J mol

( 2)

1  喷吹金属镁进行铁水脱硫时的理

论分析
喷吹镁系脱硫剂进行铁水脱硫处理时[8,9] : ( 1) MgO ( s) + S= MgS ( s) + O ?G 1 =192297.8-31.34 T ?G 1 =192297.8-31.34 T -19.1 T ? ( a S ?aM gO ) ( aO ?aM gS ) lg
0 Si

令 a SiO 2 =1, 计算得铁水中的平衡 O 含量为 0. 0074% 。 计算表明, 铁水中 O 含量远高于镁开始 脱硫时要求的氧含量。 因此镁进入铁水后, 首先与 氧发生脱氧反应, 用于铁水脱氧所消耗的镁量为 0.05 kg t 铁。 当铁水中 O 含量降低到一定程度 时, 镁的脱硫反应才能进行。 金属镁脱硫有两种方式: 其一是金属镁喷入 铁水后生成的镁气泡在上浮的过程中与铁水接 触, 发生脱硫反应; 其二是镁首先溶解于铁水, 然 后与铁水中的硫作用, 发生脱硫反应。 对镁脱硫以 何种方式进行, 不同的学者有不同的观点。C. П . Е чмно 认为, 在脱硫反应的前期, 当铁水中 фи ек 的硫含量较高时, 镁气泡脱硫是主要的脱硫方式。 铁水中的 S 向气泡表面扩散, 脱硫反应在镁气泡 的表面进行, 因此减小镁气泡的直径, 增加脱硫反 应面积, 有利于脱硫反应的进行。 当铁水中的硫含 量降到一定程度 ( 0.005% ~ 0.01% ) 时, 第二种方 式成为脱硫的主要途径。G. A. Irons [6] 认为, 镁脱 硫主要以第二种方式进行 ( 以第一种方式进行的 只占 10% ) , 脱硫反应是在铁水中存在的夹杂物 表面上进行, 而不是在镁气泡的表面上进行。 铁水 中夹杂物的大小、 分布对镁脱硫反应的速度有很
[10]

设 铁 水 温 度 T =1573
4.1%; w

K , 铁 水 成 分 为: w C

0.6%; w M n 0.3%; w S 0.05%, 查表[8] 计

  收稿日期: 1999-10-15

  作者简介: 倪红卫 (1967- ) , 男, 武汉科技大学材料与冶金学院, 副教授.

算得 f 0 =0.01, f s =3.01 。 令 ?G 1 <0, aM gS = aM gO =1 时, a S aO > 579495.9, w S w O >191 。 当 铁 水 中 w S 为 0.05% 时, wO 应小于

?G =-19.1
0 2

. T lg ( a SiO 2 a Si aO )

            武汉科技大学学报 ( 自然科学版)          2000 年第 2 期 621 大的影响。 在一定铁水温度、 成分下, 有 w M g ?w S = const
2. 3 铁水脱硫的目标硫含量 ( 3)

将上式铁水中w S 和 w M g 关系示于图 1。 从图 1 可 以 看 出, 在 一 定 的 铁 水 温 度 下, 随 铁 水中硫含量的降低 , 铁水中的溶解镁含量升高。

铁水脱硫的目标硫含量对镁的利用率也有较 大影响。 从以上分析可知, 铁水目标硫含量越低, 铁水中溶解的镁含量越高, 则镁利用率越低。 2. 4 喷吹工艺 ( 1) 载气种类。 当空气、 氮气作为载气时, 在出 口部分镁会发生以下反应: ( 1 2) O 2 + Mg = MgO
( s) [11] 2 ( s)

( 4) ( 5)

( 1 3) N 2 + Mg = ( 1 3)Mg 3N

以上反应均会造成金属镁的损耗, 使镁利用率有 所降低, 因此, 喷吹镁系脱硫剂进行铁水脱硫时不 宜以空气、 氮气为载气。 但由于氮气较易得到, 价
图 1 不同铁水温度下 w S和 wM g 的关系

如 1623K 下, 当铁水中的 w S 为 0.01% 时, 要求铁 水中 w M g 为 0.018%, 而当铁水中 w S 为 0.005% 时, 要求铁水中 w M g 为 0.035%, 镁的溶损量几乎 增加了 1 倍。因此, 当铁水中 S 含量较低时, 喷入 的大部分金属镁被溶损掉, 实际用于脱硫的镁量 很少。从图 1 也可以看出, 在同一铁水 S 含量下, 随铁水温度升高, 的溶损镁量增大。

格便宜, 目前仍有一些钢铁厂采用氮气作为载气。 天然气在铁水温度下裂解生成的碳、 氢可脱 除铁水中的氧, 并在铁液内部形成还原性气氛, 对 金属镁脱硫非常有利, 可使镁利用率提高 ( 但以天 燃气为载气受天然气资源短缺的限制) 。 总之, 喷吹镁系脱硫剂进行铁水脱硫, 采用 氩气、 天然气为载气, 有利于提高镁的利用率。 ( 2) 喷枪插入深度。 喷枪插入深度过浅, 镁气 泡上浮的距离缩短, 镁气泡来不及溶解、 反应, 就 可能溢出铁液面。 而且, 喷枪插入过浅, 溶池搅拌 较弱, 使 Mg , S 含量在铁液中的扩散速度大大降 低, 从而降低镁利用率。 但喷枪插入过深, 对反应 器底部的耐火材料冲击过大, 耐火材料的消耗增 加。 ( 3) 喷吹粉剂。 目前国内外使用的镁系脱硫剂 可分为两类: 单一镁粉脱硫剂和混合镁系脱硫剂 ( 镁粉+ 其他脱硫剂) 。 喷吹混合型脱硫剂脱硫时, 如喷吹镁粉+ CaO 时, 喷入的 CaO 微粒会成为镁 脱硫形核的核心, 有利于提高镁的利用率。

2 影响镁利用率的主要因素
2. 1 铁水成分

当铁水中 Si 含量大于 ( 0.5 ~ 0.6 ) % 时, 铁 水中的 O 含量是由铁水中的 Si 含量决定的。 从以 上分析知道, 初期喷入的镁消耗于铁水的脱氧反 应。铁水中的 Si 含量高, 则氧含量低, 用于脱氧的 镁量减少, 镁利用率提高。 同时铁水中的 Si 是提 高硫活度系数的元素, 有利于脱硫反应。 铁水中的 C 含量对硫的活度影响很大。当铁 水中的其他成分不变, 铁水中 C 含量从 4.0% 降 至 3.2% 时, 铁水中硫的活度从 0.124 降至 0. 109。 计算表明, 以上两种不同 C 含量 ( 其他成分 相同) 的铁水脱硫至相同程度时, 后者铁水中镁的 溶损量要比前者高 13.7% 。 初始硫含量对镁的利用率影响很大。 从图 1 可看出, 当铁水中 S 含量高时, 脱硫时铁水中 Mg 含量变化不大, 喷入的大部分镁用于脱硫, 镁的溶 损量较小, 利用率高。 因此, 若铁水的目标硫含量 相同, 初始硫含量越高, 则镁的利用率越高。 2. 2 铁水温度 随铁水温度提高, 溶损镁含量增加。 同时由于 温度升高, 以至铁水粘度降低, 镁气泡上浮阻力减 小, 镁气泡在铁水中的停留时间缩短, 使镁利用率 降低。

3 提高镁利用率的途径
3. 1 采用复合喷吹法

当喷入的脱硫剂为镁粉+ 其他脱硫剂时, 根 据脱硫剂混合地点和方式的不同, 分为混合喷吹 方式和复合喷吹方式。 采用混合喷吹方式时, 将不 同的脱硫剂按比率事先混合, 输送到一个喷吹罐 内后喷吹。 从国内外各厂家的应用情况看, 由于脱 硫剂的密度不同, 在喷吹过程中容易发生成分偏 析、 分层现象, 处理过程中不同阶段喷出的脱硫剂 中的含镁量大不相同, 使得铁水中镁的蒸发速度 不能按预期要求均匀控制。 当脱硫剂中的镁含量 过高时, 生成的镁气泡来不及充分溶解、 反应就逸 出铁水液面, 镁的利用率大大降低。 同时, 镁粉与 其他脱硫剂 ( 如石灰) 分离, 细小的固体粉剂石灰

2000 年第 2 期   倪红卫, 等: 喷吹金属镁进行铁水脱硫时提高镁利用率途径的探讨

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粉没有起到镁脱硫产物即成核的作用, 也降低了 镁脱硫反应的速度及镁的利用率。 复合喷吹法是 将不同的脱硫剂输送储存在不同的喷粉罐内, 喷 吹时调节各罐的出粉速度, 以达到预定的脱硫剂 比率。
3. 2 采用分步喷吹工艺

水温度低时, 有利于提高镁的利用率。 ( 2) 采用复合喷吹和多步喷吹脱硫工艺, 以氩 气、 天然气为载气, 使用高精度的脱硫剂喷吹量控 制模型, 均可得到较高的镁的利用率。 ( 3) 为进一步提高镁的利用率, 对反应器内铁 水流动状况及金属镁脱硫机理有待进一步研究。 参 考 文 献

分步喷吹工艺是将喷吹过程分为三个阶段进 行。第一阶段喷吹 CaC 2 等粉剂; 第二阶段喷吹镁 粉和 CaC 2 ( 或 CaO ) 的混合脱硫剂; 第三阶段喷吹
CaC 2。第一阶段喷吹 CaC 2 的目的是对铁水脱氧,

[1]  张信昭. 铁水炉外脱硫 [J ]. 国外钢铁,1982, ( 7 ) :12

~ 23.
[2]  Desulfurization Method . American patent [ P ]. No 399825,1976:12 ~ 21. [3]  A M Smillie , R A Huber . Operation Experience at Youngstown Magnesium 111. [4]  张荣生. 钢铁生产中的脱硫 [M ]. 北京: 冶金工业出 Steel with Injected Salt Coated of Hot for External Desulfurization

脱氧操作也可以通过向铁液中喂铝线完成, 但成 本较喷吹 CaC 2 高。 第二、 三阶段进行铁水脱硫。 其 中, 第 二 阶 段 用 混 合 脱 硫 剂 脱 至 硫 含量为 ( 0.005 ~ 0.01 ) % 。 前 面 分 析 可 知 , 由 当铁水硫含量小于 ( 0.005 ~ 0.01 ) % 时, 若继续 喷吹镁粉, 喷入的镁粉实际用于脱硫的部分很小, 主要溶损于铁水, 镁利用率很低, 因此第三阶段用 CaC 2 脱硫。 采用分步喷吹工艺, 避免了镁的氧化 损失 ( 与铁水中的氧反应) , 也大大减少了镁脱硫 中的溶损量, 提高了镁的利用率。 3. 3 研究反应器内流动状况, 选择合适喷吹参数 反应器内熔池的搅拌状况直接影响到脱硫速 度, 影响到镁的利用率。 通过研究熔池内铁水的流 动状况及镁气泡在不同反应器条件下在铁液中的 分布及上浮规律, 选择合适的喷吹参数, 从而提高 脱硫反应速度, 提高镁的利用率。
3. 4 建立精度较高的脱硫剂喷吹量控制模型 依据铁水温度、 成分 (C , Si, S ) 、 带渣量、 铁水

Metal [J ]. Iron and Steelmaker ,1979,

( 7 ) :105 ~

版社,1986.98 ~ 104.
[5]  立三, 政幸. 用镁丝进行铁水脱硫 [J ]. 武钢技术, 1998,36 ( 10 ) :14 ~ 19. [6]  G A Iron. The Kinetics of Iron Desulfurization with Calcium Carbide Steelmaking Conference Proceedings [C ].1992:255 and Lime 2 Magnesium Furnace Hot Steelmaking [ A ].

~ 260.
Practice for

重量和目标硫含量等条件比较精确地计算出本炉 次需要喷入的脱硫剂量, 建立高精度的控制模型, 以保证高的脱硫命中率, 提高镁的利用率。

4 结论和建议
( 1) 以上分析表明, 当铁水中 C, Si 含量高、 铁

A Method of Improving Magnesium Utilization Efficiency in Iron Desulfurization by Magnesium Powder Injection
NI Hong 2 wei ,   MAO Hong 2xiang ,  GAO Yun 2 ming

(College of Materials and Metallurgy ,Wuhan University of Science and Technology ,Wuhan 430081, China )

Abstract : The paper deals with those factors which affect magnesium desulfurization by magnesium magnesium utilization efficiency.

powder injection , and proposes a potential

Keywords: magnesium powder ; desulfurization ; injection

[7]  J M Elshaw . An Improved Sequenced CO 2Injection Blast Metal Desulfurization [ A ]. Conference Proceedings [C ].1995:183 ~ 189. 1980. 195. [8]  黄希祜. 钢铁冶金原理 [M ]. 北京: 冶金工业出版社, [9]  日本钢铁协会. 溶铁、 溶滓物性值便览 [M ].1972. [10] 万德光, 张盖楚. 用金属镁对铁水进行炉外脱硫 [J ].

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utilization efficiency in iron approach for improving


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