降低生鐵含硫量途徑的探討

吳玉棟 周永平 劉士臣 楊玉兵 席海莉

(安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

隨著對(duì)鋼材性能要求的提高和超低硫鋼產(chǎn)量的增加，對(duì)煉鐵生產(chǎn)過(guò)程中的脫硫提出了越來(lái)越高的要求，本文通過(guò)對(duì)影響安鋼水冶高爐生鐵含硫量各因素的分析，探討了降低水冶生鐵含硫量和提高生鐵質(zhì)量的各種措施。提出了降低含硫量的措施。

生鐵 硫含量 質(zhì)量

0 前言

硫?qū)︿摰男阅軙?huì)造成不良影響，鋼中硫含量高，會(huì)使鋼的熱加工性能變壞，即造成鋼的“熱脆”性。硫在鋼中以 FeS的形式存在，F(xiàn)eS的熔點(diǎn)為1193℃，F(xiàn)e與 FeS組成的共晶體的熔點(diǎn)只有985℃，液態(tài) Fe與FeS雖然可以無(wú)限互溶，但在固溶體中的溶解度很小，僅為0.015％～0.020％。當(dāng)鋼中的硫含量超過(guò)0.020％時(shí)，鋼液在凝固過(guò)程中由于偏析使得低熔點(diǎn)Fe-FeS共晶體分布于晶界處[1]，在1150℃～1200℃的加熱過(guò)程中 ，晶界處的共晶體熔化，鋼受壓時(shí)造成晶界破裂，即發(fā)生“熱脆”現(xiàn)象。如果鋼中的氧含量較高，則 FeS與 FeO形成的共晶體熔點(diǎn)更低 (940℃)，更加劇了鋼的“熱脆”現(xiàn)象的發(fā)生。因此控制和降低鋼水中的含硫量是十分重要的。

1 概況

安鋼永通有三座高爐，隨著近年安鋼設(shè)備水平的大型化、冶煉水平的提高，公司提出建設(shè)安鋼精品鋼基地要求。精品鋼的生產(chǎn)對(duì)鋼水質(zhì)量提出了更高的要求，因而對(duì)鋼水含硫量更是提出嚴(yán)格的要求。顯而易見(jiàn)，這就需要煉鐵系統(tǒng)來(lái)降低生鐵含硫量?；诖擞斜匾獙?duì)安鋼永通降低生鐵含硫量進(jìn)行探討。

2 降低生鐵中硫含量的措施

根據(jù)硫在煤氣、渣、鐵中的分配，爐料帶入高爐內(nèi)部的硫在冶煉過(guò)程中又全部轉(zhuǎn)入爐渣、生鐵、煤氣中。

式中：m(Sm)──每公斤鐵由爐料帶入的總硫量；

m(Sg)──每公斤鐵隨煤氣揮發(fā)的硫量。

從(1)式可知，要降低生鐵中的硫含量，首先要控制進(jìn)入高爐中的總硫含量 (即原燃料帶入高爐的硫含量)；其次是提高爐渣中的硫含量 (即提高硫在渣鐵間的分配系數(shù))，最后是提高煤氣帶走的硫含量。但煤氣帶走的硫是受溫度限制的，只能靠減少各種爐料帶入的硫量和增加爐渣帶走的硫量，來(lái)達(dá)到減少生鐵含硫量的目的。

2.1 減少爐料帶入硫

減少爐料帶入的硫量即使?fàn)t渣脫硫能力不變，也會(huì)明顯降低生鐵含硫量。安鋼永通高爐中的硫主要來(lái)自于原燃料，永通燒結(jié)礦、焦炭、噴吹煤粉、豎爐球團(tuán)、塊礦的硫含量。具體原料帶入的硫含量見(jiàn)表1、表2。

表1 永通煉鐵噸鐵原燃料帶入的硫量

表2 永通煉鐵原燃料的含硫量 w％

從表1和表2中可以看出：焦炭帶入高爐的硫量居多，占總硫量的 72.91％，其次是燒結(jié)礦，其含硫量直接影響著生鐵的含硫量。故應(yīng)采取降低原燃料中的 S。

1)控制焦炭中的含硫量。由于焦炭中的硫含量占高爐入爐硫含量的絕大部分，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)焦炭硫含量的控制。永通鐵廠的焦炭基本依靠外購(gòu)，采購(gòu)質(zhì)量較好的焦炭，如具有較低含硫量，高M(jìn)40和熱強(qiáng)度及低的反應(yīng)性，這樣有助于降低焦比，減少由焦炭帶入的硫含量。

2)控制燒結(jié)礦的含硫量。永通燒結(jié)礦含硫量也較高。應(yīng)當(dāng)通過(guò)選購(gòu)低硫煤和低硫礦粉，并控制燒結(jié)配碳量，達(dá)到燒結(jié)利于去除 S的氧化氣氛。

3)選購(gòu)低硫噴吹用煤粉。永通噴吹煤粉的含硫量較高，為0.35％～0.45％，最好能控制在0.35％以下。

4)提高燒結(jié)礦質(zhì)量，減少入爐粉末。燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓從2003年的69％提高到現(xiàn)在的 74％左右。為高爐的穩(wěn)定順行創(chuàng)造了良好的條件，使得焦比有了較大幅度的降低，同時(shí)也有利于爐缸的活躍，這都有利于生鐵含硫的降低。

5)優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)。對(duì)永通現(xiàn)有原料進(jìn)行高溫冶金性能的檢測(cè)，選擇合理的爐料結(jié)構(gòu)，降低了軟熔帶高度，提高了爐缸溫度，提高了高爐透氣性，促進(jìn)高爐順行和焦比的降低，也有利于生鐵含硫量的降低。

6)促進(jìn)爐子順行及提高風(fēng)溫。提高風(fēng)溫可降低焦比，也是減少入爐硫量的有效方法；加強(qiáng)高爐的操作，保持高爐的穩(wěn)定順行，高爐的順行是降低焦比的前提。

2.2 提高爐渣脫硫能力

脫硫反應(yīng)主要在鐵水滴下降到爐缸后穿過(guò)渣層時(shí)進(jìn)行的，這時(shí)渣鐵接觸的條件最好。聚集在爐缸中的渣鐵界面也繼續(xù)進(jìn)行著脫硫反應(yīng)，雖然接觸面沒(méi)有鐵滴穿過(guò)渣層時(shí)大，但渣鐵界面接觸的時(shí)間比較長(zhǎng)。

液態(tài)高爐渣是由正負(fù)離子組成。所以渣鐵間脫硫反應(yīng)是在液態(tài)的渣鐵界面間進(jìn)行的離子遷移過(guò)程：即鐵水中原子硫吸收電子變?yōu)榱蜇?fù)離子進(jìn)入渣中，渣中氧負(fù)離子失去電子變?yōu)橹行匝踹M(jìn)入鐵水中，再與過(guò)飽和的碳生成一氧化碳逸出。

式中：KS——平衡常數(shù)；

由此可見(jiàn)爐渣的脫硫效果決定于四個(gè)環(huán)節(jié)，一是爐渣堿度，即爐渣中氧負(fù)離子濃度；二是爐缸內(nèi)爐渣的流動(dòng)性或粘度，即氧及硫離子在渣中的擴(kuò)散速度；三是造渣過(guò)程對(duì)爐缸溫度的影響，四是脫硫反應(yīng)進(jìn)行的時(shí)間。

2.2.1 對(duì)高爐爐渣脫硫潛力的分析

高爐爐渣理論上的最大分配系數(shù)為：

式中：B——堿度系數(shù)。

M=(SiO2％)+0.6×(A l2O3％)；

N=((CaO％)+(M nO％)+0.5(M gO％)-1.75(S％)/(SiO2％))；

C=(CaO％)+(M nO％)+0.5(M gO％)-1.75(S％)。

渣鐵間硫分配達(dá)到的平衡程度以ε表示，則：

根據(jù)永通鐵廠爐渣成分計(jì)算渣鐵間硫分配達(dá)到平衡程度，見(jiàn)表3。

表3 爐渣脫硫平衡程度計(jì)算

由表3可以看出，爐渣中硫的分配距平衡狀態(tài)還差很遠(yuǎn)，還有很大潛力，通過(guò)理論分析和結(jié)合永通鐵廠的實(shí)際，采取一定的措施，可以進(jìn)一步提高硫在渣鐵間的分配率，降低生鐵含硫。

2.2.2 適當(dāng)提高爐渣堿度

從式(5)可知，要提高生鐵中硫在渣鐵間的分配比，需要提高渣中 (CaO)、(M gO)和 (M nO)堿性氧化物的含量。即提高爐渣堿度，也就提高了爐渣中的自由氧離子濃度，有利于提高爐渣脫硫能力。2003年永通的爐渣堿度基本在1.03～1.10，隨著近幾年外購(gòu)焦炭和噴吹煤粉中的硫含量，使得鐵水中的硫含量居高不下。在2009年后逐漸提高了爐渣了堿度，從表3看，2009年10月生鐵含硫量降到0.022。但二元堿度 CaO/SiO2不能過(guò)高，永通鐵廠爐渣 CaO/SiO2為1.25以上時(shí)會(huì)產(chǎn)生鋁酸鈣、硅酸二鈣等高熔點(diǎn)固體顆粒從而影響爐渣的流動(dòng)性，進(jìn)而影響爐渣脫硫能力。

2.2.3 增加渣中M gO含量

隨近年來(lái)鐵礦石資源的日趨緊張，進(jìn)口礦的數(shù)量在永通燒結(jié)配礦中占的比例逐漸提高，由于進(jìn)口礦中 A l2O3含量較高，使得高爐爐渣中 A l2O3含量大幅升高，造成爐渣融化溫度顯著升高，流動(dòng)性降低，惡化了高爐爐況，降低了爐渣的脫硫能力；而提高渣中M gO含量不僅能提高爐渣中的氧負(fù)離子濃度而且能降低爐渣的熔化性溫度，明顯提高爐渣的流動(dòng)性，十分有利于提高爐渣的脫硫能力[2]。永通鐵廠在2005年9月份前未加白云石，爐渣中M gO含量不足，爐渣脫硫能力差。很難使生鐵中硫含量達(dá)到0.03％以下。當(dāng)爐渣中M gO含量達(dá)到 7％以上時(shí)，爐渣的流動(dòng)性明顯變好，脫硫效果明顯提高，生鐵的硫含量能達(dá)到0.03％以下的水平，甚至達(dá)0.025％以下。

由表3可看出：配加白云石后爐渣的流動(dòng)性變好，生鐵含硫量完全可以控制在0.03％以下，不需要再采取其它措施。

2.3 提高爐缸溫度

由于脫硫反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，溫度越高越有利于反應(yīng)進(jìn)行，故而爐溫高、[Si]高時(shí)，生鐵中硫含量也低。故爐況順行，爐缸物理熱充沛，也利于冶煉出低硫生鐵。通過(guò)提高風(fēng)溫和提高鼓風(fēng)動(dòng)能，維持合理的風(fēng)口理論燃燒溫度和鼓風(fēng)動(dòng)能，保持中心煤氣流，達(dá)到均勻爐缸溫度和提高爐缸。通過(guò)采取以上措施，永通的鐵水溫度從2005年以前的1430℃左右提高目前的1450℃以上，為降低生鐵中含硫量常遭了條件。

2.4 適當(dāng)延長(zhǎng)脫硫反應(yīng)時(shí)間

根據(jù)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)及研究，高爐上下渣中的含硫量差距很大，下渣中硫含量明顯高于上渣10％～17％。增加出鐵次數(shù)，降低爐缸內(nèi)鐵水液面，相應(yīng)地增加鐵水液面上的渣層厚度，增加鐵滴穿過(guò)渣層的反應(yīng)時(shí)間。盡量增加渣鐵接觸反應(yīng)時(shí)間均有利于增加爐渣帶走的硫量。

3 討論

結(jié)合上述分析，實(shí)施精料方針是降低生鐵含硫量的基礎(chǔ)，精料不僅可以降低煉鐵入爐原料帶入的硫含量，更重要的是精料可以維護(hù)高爐操作的穩(wěn)定順行，對(duì)降低燃料消耗有著十分重要的影響。由于焦炭帶入高爐的含硫量占總原料帶入硫的 72.9％，所以焦比的降低對(duì)降低生鐵含硫量起著重要的作用。同時(shí)應(yīng)該加強(qiáng)爐料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，合理的爐料結(jié)構(gòu)可以促使高爐形成合理軟熔區(qū)間，促進(jìn)煤氣流的合理分布，提高煤氣的利用率有利于焦比的進(jìn)一步降低。

從高爐爐渣方面看，應(yīng)該結(jié)合高爐生產(chǎn)實(shí)際，制定合理的造渣制度，永通鐵廠的爐渣渣系屬于 CaO、M gO、A l2O3、S iO2四元渣系。該渣系中爐渣的最好礦物組成為黃長(zhǎng)石、鎂輝石、鈣鎂橄欖石。首先保證在高爐?？刂茰囟认拢瑺t渣應(yīng)該具有良好的流動(dòng)性，如當(dāng)爐料中A l2O3含量大幅升高時(shí)，可以適當(dāng)?shù)奶岣咴械腗 gO含量，在一定范圍內(nèi)隨著M gO含量的增加，爐渣粘度下降，流動(dòng)性得到改善。這是因?yàn)樵黾釉蠱 gO含量的比率，可以帶入較多的 O2-離子，因而減少了 A l—O陰離子團(tuán)的聚合度，破壞了它們的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成了簡(jiǎn)單的單、雙四面體結(jié)構(gòu)；同時(shí)還能與A l2O3生成一系列低熔點(diǎn)物質(zhì)，改善爐渣的流動(dòng)性。但渣中M gO含量不能過(guò)高，否則渣中將出現(xiàn)過(guò)多的鎂橄欖石和方鎂石[3]，爐渣組成將離開(kāi)黃長(zhǎng)石初晶區(qū)中心區(qū)域而向邊緣靠近，爐渣粘度增加，流動(dòng)性反而惡化。其次適當(dāng)提高爐渣堿度，堿度的提高可以為渣中提高更多的 O2-，可以減少A l—O、Si—O陰離子團(tuán)的聚合度，改善爐渣的流動(dòng)性，提高爐渣的脫硫能力，降低生鐵含硫量。

適當(dāng)?shù)奶岣郀t缸溫度。通過(guò)優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)，提高堿度，從而提高爐料的軟熔溫度，降低高爐的軟熔帶位置，促進(jìn)爐缸鐵水溫度的提高。因?yàn)閺臓t渣脫硫反應(yīng)看，脫硫反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，提高溫度有利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)安鋼永通公司煉鐵分析，提出了提高原燃料質(zhì)量降低高爐入爐焦比，改善爐渣結(jié)構(gòu)的建議，如：適當(dāng)提高爐渣堿度和渣中M gO含量；加強(qiáng)高爐操作；適當(dāng)提高爐缸溫度；增加出鐵次數(shù)等措施，來(lái)降低生鐵含硫量。為進(jìn)一步降低永通生鐵含硫量和提高鐵水質(zhì)量提供了一些有益的技術(shù)措施。

[1]朱苗勇.現(xiàn)代冶金學(xué)(鋼鐵冶金卷)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2008：149-150.

[2]何環(huán)宇，王慶祥，韓秋影.M gO含量對(duì)高爐渣性能的影響研究[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006：6-7.

[3]李福民，呂慶，胡賓生，等.高爐渣的冶金性及造渣制度[J].鋼鐵，2006，41(4)：20—22.

D ISCOSSION ON REDUCT IONM ETHOD TO SUL FUR CONTENT IN PIG IRON

W u Yudong Zhou Yongp ing L iu Shichen Yang Yubing X i Haili (Anyang Iron＆Steel Group Co.，L td)

H igher requirem ents to the desu lphurization in hot metal p roduction has been put forward w ith raising of p roperty requirem en ts to steelp roducts and increasing of super-low su lphu r steelp roduction.Through the analysisof influencing factors on sulphur content in p ig iron at YongtongBF ofAngang，the countermeasureson reducing sulphur content in p ig iron and imp roving p ig iron quality have been investigated.

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2010—6—5