李明暉 歐陽德剛

(1.武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北 武漢：430080；2.湖北省冶金工藝模擬工程實驗室 湖北 武漢：430080)

鐵水脫硫是高附加值低硫鋼(如硅鋼、汽車板)生產(chǎn)中不可缺少的技術(shù)手段[1]。在眾多脫硫工藝中，魚雷罐噴吹脫硫由于布置緊湊順、鐵水溫降低、機(jī)械設(shè)備簡單等優(yōu)點，特別適用于大批量的鐵水預(yù)處理。但在實際生產(chǎn)中，由于狹長的內(nèi)腔形狀限制，魚雷罐噴吹脫硫普遍存在脫硫動力學(xué)條件差引起的脫硫劑消耗高、鐵水回硫比例大等問題，阻礙了脫硫生產(chǎn)效率的提高，限制了鋼鐵企業(yè)高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)[2-3]。針對上述問題，相關(guān)學(xué)者就如何改善魚雷罐噴吹脫硫的動力學(xué)條件進(jìn)行了很多有益的嘗試，并在實際生產(chǎn)中取得了一定效果。為此，本文綜述了魚雷罐噴吹脫離動力學(xué)條件改善研究與進(jìn)展情況，為進(jìn)一步提高魚雷罐脫硫生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)提供參考。

1 魚雷罐噴吹脫硫技術(shù)發(fā)展概況

上世紀(jì)70年代，魚雷罐噴吹脫硫技術(shù)由德國SKW公司和蒂森公司合作開發(fā)成功，并首次應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)[4]，其具體工藝過程為將一支單孔噴槍與水平方向成60°角傾斜插入魚雷罐內(nèi)(簡稱ATH法)，向鐵水深處噴吹脫硫劑，通過脫硫劑與鐵水反應(yīng)實現(xiàn)鐵水脫硫。ATH法魚雷罐噴吹脫硫裝置示意圖如圖1所示[5]。稍后，日本新日鐵于1971年在引進(jìn)ATH法基礎(chǔ)上，試驗成功魚雷罐頂噴粉脫硫法，簡稱TDS法[6]。與ATH法不同的是，在TDS法中，噴槍的插入方式由斜插改為垂直插入，噴口為雙孔倒T形結(jié)構(gòu)(見圖2)，可以在較小的噴吹壓力下，實現(xiàn)載氣與脫硫劑之間的完全分離，使脫硫劑被噴射到盡量遠(yuǎn)處，延長上浮距離和時間，提高反應(yīng)效率[8]。從上世紀(jì)80年代初開始，我國寶鋼、武鋼、首鋼等陸續(xù)從國外引進(jìn)魚雷罐噴吹脫硫技術(shù)，并在當(dāng)時取得了較好的脫硫技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。但隨著魚雷罐噴吹脫硫的不斷推廣應(yīng)用，其脫硫動力學(xué)條件差的弊端也逐漸顯露[9-12]，因而，目前新建鐵水脫硫生產(chǎn)線中已較少采用魚雷罐進(jìn)行噴吹脫硫，呈現(xiàn)“一罐(鐵水罐)到底”的發(fā)展趨勢。但對于已建成的魚雷罐脫硫產(chǎn)線，由于設(shè)備改造成本巨大，如何改善其脫硫動力學(xué)條件是目前最為經(jīng)濟(jì)有效且亟待解決的難題，也成為制約魚雷罐脫硫技術(shù)生存發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖1 ATH法魚雷罐噴吹脫硫裝置示意圖

圖2TDS法噴槍結(jié)構(gòu)示意圖

2 改善魚雷罐噴吹脫硫動力學(xué)條件研究現(xiàn)狀

2.1 熔池流動狀態(tài)研究

文獻(xiàn)[13-14]通過水模試驗詳細(xì)研究了TDS法和ATH法中的熔池流動狀態(tài)(如圖3所示)，并分析了兩種工藝中的不足。TDS法中由于噴槍兩側(cè)噴口呈水平方向?qū)ΨQ布置，噴吹氣體首先形成兩支上升流股，而后隨著氣泡的上浮，兩流股相互沖撞融合，最后匯合形成一支上升主流股，驅(qū)動熔池內(nèi)液體循環(huán)流動；分析認(rèn)為，兩流股上升過程中的沖撞會消耗部分能量，不利于攪拌動能的充分發(fā)揮。ATH法中，雖然噴槍傾斜插入鐵水，但由于液體的阻礙作用，氣流射入液體后，水平速度迅速減小，并隨著氣泡的上浮，形成垂直上升的流股；而由于噴口并不位于魚雷罐熔池中心，導(dǎo)致其流場分布不對稱，其中靠近噴口一側(cè)液體循環(huán)路徑短，循環(huán)速度較快；而遠(yuǎn)離噴口的一側(cè)則循環(huán)路徑長，循環(huán)周期較長，動力學(xué)條件較差，不利于整個熔池的攪拌混勻。

圖3 不同魚雷罐噴吹脫硫工藝熔池流動狀態(tài)

2.2 工藝參數(shù)改進(jìn)研究

影響魚雷罐噴吹動力學(xué)條件的工藝參數(shù)主要有噴槍插入深度、噴吹氣體流量、鐵水深度等。文獻(xiàn)[15-17]利用水模試驗裝置詳細(xì)研究了工藝參數(shù)對魚雷罐噴吹脫硫動力學(xué)條件的影響關(guān)系，試驗采用熔池混勻時間表征動力學(xué)條件，混勻時間越短則動力學(xué)條件越優(yōu)良；結(jié)果表明，隨著噴槍插入深度的增加和噴吹氣體流量的增大混勻時間呈縮短趨勢。而對于熔池液面高度對混勻時間的影響關(guān)系，噴吹氣體流量較小時，熔池越深，噴吹氣體對鐵水?dāng)嚢柙嚼щy，動力學(xué)條件越差；而隨著噴吹氣體流量的增大，熔池深度對混勻時間的影響不盡相同。實際生產(chǎn)中，武鋼通過大量生產(chǎn)實踐獲得了魚雷罐鐵水裝入量與脫硫劑單耗的對應(yīng)關(guān)系(見圖4)，對于320t魚雷罐鐵水裝入量以控制在250-270t為宜，并通過控制魚雷罐鐵水裝入量(即鐵水液面高度)，提高了脫硫生產(chǎn)效率[10]。

圖4 鐵水裝入量與脫硫劑單耗關(guān)系

2.3 噴槍結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

噴槍結(jié)構(gòu)尤其是噴嘴結(jié)構(gòu)直接決定了噴吹氣體的上浮狀態(tài)和方式，因而改變噴槍結(jié)構(gòu)也可以改善魚雷罐噴吹脫硫的動力學(xué)條件。文獻(xiàn)[18]通過水模試驗研究了不同噴嘴(如圖5所示)對魚雷罐噴吹動力學(xué)的影響關(guān)系。結(jié)果表明，在試驗條件下，L型噴嘴的混勻時間均短于倒T2型，斜插式噴吹更有利于魚雷罐噴吹脫硫中動力學(xué)條件的改善，并將水模試驗結(jié)果應(yīng)用與寶鋼實際生產(chǎn)，取得了一定效果。

圖5 不同噴嘴結(jié)構(gòu)條件下魚雷罐熔池混勻時間與攪拌能密度關(guān)系

文獻(xiàn)[19]針對魚雷罐細(xì)長形結(jié)構(gòu)熔池淺，兩端存在死區(qū)導(dǎo)致脫硫鐵水回硫的問題，對TDS法中魚雷罐內(nèi)鐵水流場進(jìn)行了物理模擬研究。水模實驗以混勻時間和與水密度相同小球的循環(huán)時間表征魚雷罐噴射區(qū)鐵水質(zhì)量傳輸效率(如圖6所示)，對比分析了噴槍結(jié)構(gòu)與對魚雷罐內(nèi)流體流動的改善效果，水模實驗結(jié)果表明，通過在噴槍下段上增設(shè)壓制孔，壓制噴吹氣體流股上浮，促進(jìn)流股橫向移動，可以達(dá)到縮短小球循環(huán)時間、改善動力學(xué)條件的效果，試驗方案與試驗結(jié)果如表1、表2所示。工業(yè)性試驗結(jié)果也表明，采用新型噴槍后，魚雷罐脫硫后平均回硫量為1.75×10-5，相比原平均回硫量3.52×10-5，下降約50%；同時，回硫量≥5×10-5包次也大幅下降，回硫量波動范圍變小。

圖6 小球循環(huán)時間測量過程示意圖

表1 水模試驗噴槍的狀態(tài)及特殊試驗條件

表2 原始條件下及不同改進(jìn)方案優(yōu)選出的最佳噴吹效果

專利文獻(xiàn)[20]根據(jù)文獻(xiàn)[19]中的水模試驗結(jié)果，發(fā)明了一種魚雷罐用頂噴脫硫噴槍，其特征在于在魚雷罐用頂噴噴槍噴口至鐵水液面的不同高度上設(shè)置一層或幾層壓制孔，壓制孔通過管道與中性攪拌氣源連接，如圖7所示。增加的壓制孔可以在噴吹脫硫過程中起到壓制脫硫劑和將脫硫劑帶得更遠(yuǎn)的作用，同時將噴口出來的氣流沖散，通過壓制孔噴吹中性的攪拌氣體，從而向遠(yuǎn)端的熔體提供較強(qiáng)的攪拌能，達(dá)到提高脫硫劑停留時間，改善魚雷罐噴吹脫硫的反應(yīng)效果。

圖7 增加壓制孔噴槍示意圖

2.4 熔池引入輔助吹氣裝置研究

魚雷罐噴吹脫硫過程中(特別是TDS法)由于噴槍噴口位置距離兩端死區(qū)距離較遠(yuǎn)，噴吹氣體流股對死區(qū)附近鐵水?dāng)嚢栊Ч^弱，相關(guān)學(xué)者嘗試通過在魚雷罐罐體加裝吹氣原件以改善死區(qū)的動力學(xué)條件。文獻(xiàn)[21]據(jù)某廠實際魚雷罐的結(jié)構(gòu)尺寸和操作工藝參數(shù)，建立幾何模型并劃分網(wǎng)格，采用歐拉兩流體模型，并用多孔介質(zhì)模型描述氮氣在透氣磚中的流動，用數(shù)模方法模擬計算了同時采用頂吹噴粉和底部吹氣攪拌的魚雷罐內(nèi)的鐵水流動特性，如圖8、圖9所示。結(jié)果表明：與無透氣磚底吹時的魚雷罐鐵水流動特性相比，在魚雷罐底部安裝透氣磚進(jìn)行吹氣攪拌，即使是較小的氣量，都可改善流場、提高混勻程度和縮短混勻時間，具體數(shù)據(jù)參見表3。

圖8 原始無底吹魚雷罐流場分布圖

表3 距噴槍2650處不同底吹氣量條件下相應(yīng)時間及混勻時間

專利文獻(xiàn)[22]根據(jù)文獻(xiàn)[21]中的數(shù)值計算結(jié)果，發(fā)明了一種魚雷罐噴吹輔助脫硫裝置和工藝，如圖10。具體技術(shù)方案為：利用頂部噴吹設(shè)備的基礎(chǔ)上，在魚雷罐的底部或底側(cè)部對稱設(shè)置2個透氣磚，每個透氣磚通過管道與緩沖氣罐相通，緩沖氣罐的頭部或底部通過閥門與氮氣或氬氣氣源相通。噴吹脫硫時，在采用頂噴的同時，還采用氮氣或氬氣通過設(shè)置的透氣磚進(jìn)行噴吹，從而對鐵水造成強(qiáng)烈攪動，減小死區(qū)，縮短混勻時間，改善魚雷罐內(nèi)冶金反應(yīng)的動力學(xué)條件，減少回硫和提高脫硫反應(yīng)效率。

圖10 魚雷罐噴吹輔助脫硫裝置示意圖

專利文獻(xiàn)[23]為了改善TDS法中魚雷罐內(nèi)鐵水流場、縮短混勻時間、減少兩端死區(qū)對脫硫效果的影響，也提出了利用供氣磚向魚雷罐內(nèi)噴吹惰性氣體從而加強(qiáng)鐵水?dāng)嚢璧募夹g(shù)措施。具體為：在魚雷罐底部和側(cè)部安裝透氣耐火磚，在噴槍噴吹脫硫的同時，通過上述透氣磚向鐵水內(nèi)部噴入惰性氣體，如圖11所示。該技術(shù)通過多方位地補(bǔ)吹氣體，增加了魚雷罐死區(qū)的攪拌動能，從而優(yōu)化了魚雷罐內(nèi)部的鐵水流場，使鐵水內(nèi)部形成一個良好的循環(huán)，擴(kuò)大了脫硫劑與鐵水的反應(yīng)界面，促進(jìn)了脫硫劑與鐵水的充分反應(yīng)；相比原工藝，新技術(shù)可以使脫硫劑處理時間平均下降36.1%，總噴吹時間最多減少43.3%，脫硫劑消耗減少20%。

圖11 魚雷罐供氣磚吹氣示意圖

3 發(fā)展趨勢

由上述研究現(xiàn)狀分析可知，對于魚雷罐罐體狹長形狀導(dǎo)致的脫硫動力學(xué)條件差的問題，相關(guān)學(xué)者根據(jù)噴吹流股距離端部較遠(yuǎn)，導(dǎo)致對端部死區(qū)鐵水?dāng)嚢栊Ч畹炔蛔?，通過水模和數(shù)值模擬研究，探明了魚雷罐噴吹脫硫熔池流動狀態(tài)，獲得了相關(guān)工藝參數(shù)對脫硫動力學(xué)條件的影響規(guī)律，開發(fā)了包括噴槍中部增設(shè)壓制孔、罐體增設(shè)吹氣元件等技術(shù)措施，以期縮短噴吹流股至端部距離，減少兩端死區(qū)影響，進(jìn)而改善其脫硫動力學(xué)條件，并在實際生產(chǎn)中取得了一定效果；但根據(jù)相關(guān)報道，由于上述技術(shù)方案實施復(fù)雜以及吹氣元件凝鐵、堵塞與安全隱患等未能大規(guī)模應(yīng)用于實際生產(chǎn)。因此，對于魚雷罐噴吹脫硫，采用大工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場簡便易行的技術(shù)方案，縮短噴吹氣體流股至端部死區(qū)距離，提高對兩端死區(qū)附近液體的攪拌效果是改善魚雷罐噴吹脫硫動力學(xué)條件的重要方向。

4 結(jié)論

(1)較差的動力學(xué)條件是制約魚雷罐脫硫技術(shù)生存發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

(2)TDS法中兩支噴吹氣體流股的沖撞融合不利于噴吹氣體攪拌動能的充分發(fā)揮，ATH法中遠(yuǎn)離噴口一側(cè)死區(qū)動力學(xué)條件較差，影響了整個熔池的攪拌混勻。

(3)通過優(yōu)化工藝參數(shù)、改變噴槍結(jié)構(gòu)和熔池引入輔助吹氣裝置等手段可以改善魚雷罐脫硫動力學(xué)條件，提高脫硫生產(chǎn)效率。

(4)采用大工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場簡便易行的技術(shù)方案，縮短噴吹氣體流股至端部死區(qū)距離，提高對兩端死區(qū)附近液體的攪拌效果是改善魚雷罐噴吹脫硫動力學(xué)條件的重要方向。

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