CN101298631B - 原位机械搅拌炉外脱硫方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种原位机械搅拌炉外脱硫方法及装置，其特征在于：原位机械搅拌炉外脱硫装置由铁水包或钢水包、偏心搅拌桨、载气气管和喷枪组成；采用MgO、碳质材料、发热剂、反应促进剂、酸碱度调节剂和粘结剂制备成脱硫剂颗粒，将制备的脱硫剂颗粒放入喷枪底部，在出铁或出钢过程中，将喷枪放入装有铁水或钢水的铁水包或钢水包内，同时惰性气体从载气气管通入喷枪中，在偏心搅拌浆搅拌作用下，铁水或钢水中的硫与镁反应生成的硫化镁渣上浮到铁水或钢水表面，形成渣层，完成脱硫。本发明具有设备简单，投资较少，操作方便等优点，脱硫率可达88％以上。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种原位机械搅拌炉外脱硫方法及装置。
背景技术
随着分步炼钢的出现，转炉炼钢工序已分解成铁水预处理、转炉冶炼、炉外精练三个阶段，将炼钢的各种化学反应由过去在一个转炉内进行而分解到三个阶段来完成，各种化学反应在其最佳的条件下进行，结果是提高了生产率，降低了生产成本，获得了质量更加纯净的钢，满足了各种工业对钢质的更高要求。铁水在进入转炉冶炼前进行脱硫具备最佳的反应条件，因为：(1)铁水中含有大量Si、C、Mn等还原性好的元素，其还原性有利于脱硫反应，(强脱硫剂Ca、Mg等烧损少)；(2)铁水中C、Si能大大提高S在铁水中的活度系数，致使硫较易脱到低的水平；(3)铁水中氧含量低，硫的分配系数相应有所提高，有利于脱硫；(4)在铁水预处理脱硫过程中，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影响要小；(5)铁水处理温度较低，对处理装置的寿命有利。同时，铁水炉外脱硫可以减轻高炉的负荷，降低焦比，减少渣量和提高生产率。
随着工业技术的发展，对钢质要求越来越高，尤其对钢中硫含量要求特别严格，钢的性能在硫含量0.013％处是一个拐点，一些高性能的纯净钢要求硫含量要降到0.01％-0.001％以下，这个脱硫任务主要由铁水预处理来完成。铁水炉外脱硫方法主要有两种：第一种方法是包芯线喂丝方法，将包芯线插入铁水中实现铁水脱硫；第二种方法为喷吹粉状脱硫剂至铁水中进行脱硫。铁水炉外脱硫的脱硫剂主要有苏打Na2CO3、石灰CaO、碳化钙CaC2基脱硫剂和镁Mg基脱硫剂等四种。
喂丝法和喷吹法进行铁水炉外脱硫均有较好的效果。四种脱硫剂中镁基脱硫剂最适于铁水炉外脱硫的应用条件，其优点是脱硫能力强；在较低铁水温度下，仍具有较好的脱硫能力；脱硫处理所需时间短、渣量少、温降小、脱硫效果好。由于镁能和金属中的多种杂质反应生成稳定的化合物，它一直是精炼剂的首选之一。用镁粉进行铁水炉外脱硫，脱硫反应的平衡常数可达2.06×104，可以获得高纯度、高洁净的钢产品。Mg基脱硫剂是目前铁水炉外脱硫的首选，但是在铁水预处理中镁基脱硫剂的研究及应用还存在很多不足之处：(1)高温下镁的气化形成大量的镁蒸汽气泡，其中大气泡在铁水中的停留时间短，气液接触时间短，导致镁的利用率降低，脱硫效率下降；(2)钢铁企业应用的金属镁脱硫剂需要进行钝化处理，价格较高。(3)由于镁的蒸汽在高温下气压较高，用金属镁脱硫剂存在安全隐患，其预防措施和添加方法有必要进一步研究。
由于镁基脱硫剂存在以上诸多缺点，世界各国都在寻找新的脱硫剂以取代镁基脱硫剂。日本人佐野等提出了利用氧化镁的铝热还原原位反应生成镁蒸气并将其直接吹入钢铁熔体中进行脱硫的新的精炼工艺。研究发现：通过控制吹入气体中镁分压为0.2atm以下时，镁的精炼效率大幅提高。由此可见，MgO基原位脱硫剂显示出巨大的应用前景。如果以碳还原剂还原MgO原位生成镁蒸气进行脱硫，会具有更大的成本优势，可以有效的抑制镁蒸汽可能出现的爆炸危险。但是由于目前的喷吹工艺及装置的局限性，尤其是高温镁蒸汽在铁水炉外喷出脱硫过程中会形成大量的气泡，其中大量的大气泡在铁水中的停留时间短，气液接触时间短会导致造成脱硫剂的利用率，脱硫效率低下的主要原因，这也是目前镁基脱硫剂喷吹脱硫普遍存在的问题。特别是最近金属镁价格居高不下，给铁水脱硫带来极大的压力。
因此，寻找更廉价脱硫剂，开发更有效的脱硫方法，研发更高效的脱硫装置是目前金属熔体脱硫的当务之急。
发明内容
针对现有脱硫工艺存在的技术问题，本发明提供一种原位机械搅拌炉外脱硫方法及装置。
原位机械搅拌炉外脱硫装置由铁水包或钢水包、偏心搅拌桨、载气气管和喷枪组成，其中偏心搅拌桨和喷枪插入铁水包或钢水包内部空间，偏心搅拌桨位于从铁水包或钢水包中心到铁水包或钢水包壁之间且位置可调，插入深度为铁水包或钢水包的3/4～4/5，偏心搅拌浆的叶片根据搅拌要求采用标准T型叶片，加宽T型叶片，加厚的T型叶片或有开孔T型叶片；喷枪插入深度为铁水包或钢水包的1/3～4/5，其所在位置可调，且不与偏心搅拌桨重叠，喷枪底部内置脱硫剂颗粒，置有脱硫剂颗粒部分的喷枪壁上开有15～30个直径2mm的喷孔，全孔总面积等于或略大于载气气管截面积，喷孔开口位置根据侧部喷吹方式和底部直吹方式分别位于脱硫剂颗粒所在喷枪壁的侧面和底部；喷枪上连接载气气管，载气气管可连续吹入惰性气体，并与喷枪内部连通。
本发明的方法为：
1、脱硫剂颗粒的制备：
将MgO粉末、碳质还原剂、自蔓延发热剂、反应促进剂和酸碱度调节剂分别在干燥箱里以120℃～200℃的温度干燥4h～20h，然后分别放入行星式球磨机中，以300rpm的速度磨成粒度小于200目的粉末。
将各物料粉末混合，然后加入粘结剂混合，物料混合质量比例为：MgO粉末∶碳质还原剂∶自蔓延发热剂∶反应促进剂∶酸碱度调节剂∶粘结剂＝45～72∶14～18∶8～16∶1～4∶1～10∶4～8；自蔓延发热剂为铝粉与氧化亚铁粉末或三氧化二铁粉末的混合物按化学反应理论需要量配料，配制根据的化学反应方程式为：2Al+3FeO＝Al2O3+3Fe或2Al+Fe2O3＝2Fe+Al2O3；用制样机以20MPa的压力压制成球形或其它形状的颗粒，且颗粒大于脱硫装置的喷孔孔径，烘干后制备成MgO基脱硫剂。
如果原位反应过于剧烈，喷枪插入深度不合适，脱硫过程中会发生喷溅现象影响脱硫，严重时会发生安全事故；因此，制备脱硫剂颗粒时，MgO粉末或酸碱调节剂粉末实际加入量大于反应理论需要量，以控制原位反应速度，防止喷溅现象的发生。
2、原位机械搅拌铁水炉外脱硫方法：
将制备的脱硫剂颗粒放入喷枪底部，脱硫剂在铁水包或钢水包的加入量，按全部反应生成的镁和铁水包或钢水包中所含硫的化学反应理论需要量加入；在出铁或出钢过程中，将喷枪放入装有铁水或钢水的铁水包或钢水包内，铁水或钢水温度在1350℃以上，自蔓延发热剂首先发生铝热自蔓延反应，反应方程式为：
2Al+3FeO＝Al2O3+3Fe或
2Al+Fe2O3＝2Fe+Al2O3
反应放出大量反应热，引发MgO和碳质还原剂发生化学反应原位放出高温镁蒸汽，反应方程式为：
MgO+C＝Mg+CO
同时惰性气体从载气气管通入喷枪中，高温镁蒸汽在惰性载气带动下喷入到铁水包或钢水包里形成气泡，偏心搅拌浆搅拌速度为50～200rpm，在偏心搅拌浆搅拌作用下含镁气泡被细化和分散，铁水或钢水中的硫与镁反应生成的硫化镁渣上浮到铁水或钢水表面，形成渣层，完成脱硫，反应方程式为：
Mg+[S]＝MgS
3、通过改变喷枪上的开孔数目以及调节惰性载气的流速来控制脱硫剂喷吹速率，以防止喷溅现象的发生；也可根据需要选择偏心搅拌浆的叶片、喷吹方式和喷枪位置以及插入深度，喷吹方式分为侧部喷吹和底部直吹。
本发明通过偏心搅拌浆进行偏心搅拌使含镁蒸汽泡微细化和均匀分散，可极大地增加脱硫反应面积及反应时间，改善脱硫动力学条件，短时间内硫浓度可以脱到超低的水平，脱硫效率高；本发明采用的原位机械搅拌铁水炉外脱硫装置由铁水包或钢水包、偏心搅拌桨、载气气管和喷枪组成，具有设备简单，投资较少，操作方便等优点，搅拌浆叶片、喷枪开口数目、喷吹速度以及喷枪插入深度可根据反应需要进行调节，对于改善脱硫效果、提高脱硫率也重要作用。采用本发明的方法脱硫率可达88％以上。
附图说明
图1、原位机械搅拌炉外脱硫装置应用示意图。
图2、原位机械搅拌炉外脱硫装置应用示意图。
图3、原位机械搅拌炉外脱硫装置应用示意图。
图中1、铁水，2、铁水包或钢水包，3、偏心搅拌桨，4、气泡，5、喷孔，6、载气气管，7、喷枪，8、脱硫剂颗粒。
图4、原位机械搅拌炉外脱硫装置偏心搅拌浆示意图，图中3-1、标准T型叶片偏心搅拌桨，3-2、加宽T型叶片偏心搅拌桨，3-3、加厚T叶片偏心搅拌桨，3-4、开孔T型叶片偏心搅拌桨。
具体实施方式
实施本发明的方法采用本发明的原位机械搅拌炉外脱硫装置。
本发明实施采用的MgO粉末、铝粉、氧化亚铁粉末、三氧化二铁粉末和SiO2粉末均为工业级粉末产品。
本发明实施采用的碳质还原剂为普通石墨或木炭，含固定碳大于80％。
本发明实施采用的酸碱度调节剂为普通工业石灰、石灰石、白云石或硅石。
本发明实施采用的粘结剂为普通沥青、焦油或树脂。
实施例1
将MgO、石墨、铝粉、氧化亚铁粉、SiO2和石灰分别在干燥箱里以200℃的温度干燥4h，然后分别放入行星式球磨机中，以300rpm的速度磨成粒度小于200目的粉末。
将各物料粉末混合，然后加入沥青混合，物料混合质量比例为：MgO∶石墨∶(铝粉+氧化亚铁粉)∶SiO2∶石灰∶沥青＝48∶14∶16∶4∶10∶8；用制样机以20MPa的压力压制成球形或其它形状的颗粒，且颗粒大于脱硫装置的喷孔孔径，烘干后制备成MgO基脱硫剂。
采用如图1所示原位机械搅拌炉外脱硫装置，铁水包或钢水包2高为3.5m，直径为3.0m，其中装有铁水1共12m3；将制备的脱硫剂颗粒8置于喷枪7底部，喷枪7为高纯石墨材质，底部开有30个直径2mm的喷孔5，喷吹方式为底部喷吹，插入深度为4/5铁水包或钢水包深度；偏心搅拌浆3插入深度为3/4铁水包或钢水包深度，偏心搅拌浆3采用图4中的加宽T型叶片搅拌桨，偏心搅拌速率为100rpm；载气气管6通入的载气流量为2.5m3/min。
脱硫剂根据铁水中所含硫成分，按化学反应理论需要量加入铁水包或钢水包内进行脱硫处理，实际脱硫率可达91％。
实施例2
将MgO、木炭、铝粉、三氧化二铁粉、SiO2和石灰石分别在干燥箱里以180℃的温度干燥8h，然后分别放入行星式球磨机中，以300rpm的速度磨成粒度小于200目的粉末。
将各物料粉末混合，然后加入焦油混合，物料混合质量比例为：MgO∶木炭∶(铝粉+三氧化二铁粉)∶SiO2∶石灰石∶焦油＝45∶18∶16∶3∶10∶8；用制样机以20MPa的压力压制成球形或其它形状的颗粒，烘干后制备成MgO基脱硫剂。
采用如图2所示原位机械搅拌炉外脱硫装置，铁水包或钢水包2高为3.5m，直径为3.0m，其中装有铁水1共12m3；将制备的脱硫剂颗粒8置于喷枪7底部，喷枪7为高纯石墨材质，底部开有20个直径2mm的喷孔5，喷吹方式为侧部喷吹，插入深度为3/5铁水包或钢水包深度；偏心搅拌浆3插入深度为3/4铁水包或钢水包深度，偏心搅拌浆3采用图4中的加厚T型叶片搅拌桨，偏心搅拌速率为150rpm；载气气管6通入的载气流量为10m3/min。
脱硫剂根据铁水中所含硫成分，按化学反应理论需要量加入铁水包或钢水包内进行脱硫处理，实际脱硫率可达89％。
实施例3
将MgO、石墨、铝粉、氧化亚铁粉、SiO2和白云石分别在干燥箱里以160℃的温度干燥12h，然后分别放入行星式球磨机中，以300rpm的速度磨成粒度小于200目的粉末。
将各物料粉末混合，然后加入树脂混合，物料混合质量比例为：MgO∶石墨∶(铝粉+氧化亚铁粉)∶SiO2∶白云石∶树脂＝60∶16∶8∶2∶10∶4；用制样机以20MPa的压力压制成球形或其它形状的颗粒，烘干后制备成MgO基脱硫剂。
采用如图3所示原位机械搅拌炉外脱硫装置，铁水包或钢水包2高为3.5m，直径为3.0m，其中装有铁水1共12m3；将制备的脱硫剂颗粒8置于喷枪7底部，喷枪7为高纯石墨材质，底部开有15个直径2mm的喷孔5，喷吹方式为侧部喷吹，插入深度为1/3铁水包或钢水包深度；偏心搅拌浆3插入深度为4/5铁水包或钢水包深度，偏心搅拌浆3采用图4中的开孔T型叶片偏心搅拌桨，偏心搅拌速率为50rpm；载气气管6通入的载气流量为30m3/min。
脱硫剂根据铁水中所含硫成分，按化学反应理论需要量加入铁水包或钢水包内进行脱硫处理，实际脱硫率可达88％。
实施例4
将MgO、木炭、铝粉、三氧化二铁粉、SiO2和石灰分别在干燥箱里以140℃的温度干燥16h，然后分别放入行星式球磨机中，以300rpm的速度磨成粒度小于200目的粉末。
将各物料粉末混合，然后加入沥青混合，物料混合质量比例为：MgO∶木炭∶(铝粉+三氧化二铁粉)∶SiO2∶石灰∶沥青＝70∶15∶8∶2∶1∶4；用制样机以20MPa的压力压制成球形或其它形状的颗粒，烘干后制备成MgO基脱硫剂
采用如图1所示原位机械搅拌炉外脱硫装置，铁水包或钢水包2高为3.5m，直径为3.0m，其中装有铁水1共12m3；将制备的脱硫剂颗粒8置于喷枪7底部，喷枪7为高纯石墨材质，底部开有30个直径2mm的喷孔5，喷吹方式为底部喷吹，插入深度为4/5铁水包或钢水包深度；偏心搅拌浆3插入深度为3/4铁水包或钢水包深度，偏心搅拌浆3采用图4中的加宽T型叶片搅拌桨，偏心搅拌速率为100rpm；载气气管6通入的载气流量为50m3/min。
脱硫剂根据铁水中所含硫成分，按化学反应理论需要量加入铁水包或钢水包内进行脱硫处理，实际脱硫率可达90％。
实施例5
将MgO、石墨、铝粉、氧化亚铁粉、SiO2和石灰石分别在干燥箱里以120℃的温度干燥20h，然后分别放入行星式球磨机中，以300rpm的速度磨成粒度小于200目的粉末。
将各物料粉末混合，然后加入焦油混合，物料混合质量比例为：MgO∶石墨∶(铝粉+氧化亚铁粉)∶SiO2∶石灰石∶焦油＝69∶14∶8∶1∶2∶6；用制样机以20MPa的压力压制成球形或其它形状的颗粒，烘干后制备成MgO基脱硫剂。
采用如图2所示原位机械搅拌炉外脱硫装置，铁水包或钢水包2高为3.5m，直径为3.0m，其中装有铁水1共12m3；将制备的脱硫剂颗粒8置于喷枪7底部，喷枪7为高纯石墨材质，底部开有20个直径2mm的喷孔5，喷吹方式为侧部喷吹，插入深度为3/5铁水包或钢水包深度；偏心搅拌浆3插入深度为3/4铁水包或钢水包深度，偏心搅拌浆3采用图4中的加厚T型叶片搅拌桨，偏心搅拌速率为150rpm；载气气管6通入的载气流量为60m3/min。
脱硫剂根据铁水中所含硫成分，按化学反应理论需要量加入铁水包或钢水包内进行脱硫处理，实际脱硫率可达89％。
实施例6
将MgO、木炭、铝粉、三氧化二铁粉、SiO2和硅石分别在干燥箱里以120℃的温度干燥20h，然后分别放入行星式球磨机中，以300rpm的速度磨成粒度小于200目的粉末。
将各物料粉末混合，然后加入树脂混合，物料混合质量比例为：MgO∶木炭∶(铝粉+三氧化二铁粉)∶SiO2∶硅石∶树脂＝72∶14∶8∶1∶1∶4；用制样机以20MPa的压力压制成球形或其它形状的颗粒，烘干后制备成MgO基脱硫剂。
采用如图3所示原位机械搅拌炉外脱硫装置，铁水包或钢水包2高为3.5m，直径为3.0m，其中装有铁水1共12m3；将制备的脱硫剂颗粒8置于喷枪7底部，喷枪7为高纯石墨材质，底部开有15个直径2mm的喷孔5，喷吹方式为侧部喷吹，插入深度为1/3铁水包或钢水包深度；偏心搅拌浆3插入深度为4/5铁水包或钢水包深度，偏心搅拌浆3采用图4中的开孔T型叶片搅拌桨，偏心搅拌速率为50rpm；载气气管6通入的载气流量为20m3/min。
脱硫剂根据铁水中所含硫成分，按化学反应理论需要量加入铁水包或钢水包内进行脱硫处理，实际脱硫率可达88％。
Claims (4)
1.一种原位机械搅拌炉外脱硫装置，其特征在于：原位机械搅拌炉外脱硫装置由铁水包或钢水包、偏心搅拌桨、载气气管和喷枪组成，其中偏心搅拌桨和喷枪插入铁水包或钢水包内部空间，偏心搅拌桨位于铁水包或钢水包中心和池壁的中间位置；喷枪底部内置脱硫剂颗粒，置有脱硫剂颗粒部分的喷枪壁上开有喷孔；喷枪上连接载气气管；所述的偏心搅拌桨插入铁水包或钢水包内部空间，位于从铁水包或钢水包中心到铁水包或钢水包壁之间且位置可调，插入深度为铁水包或钢水包的3/4～4/5，偏心搅拌浆的叶片根据搅拌要求采用标准T型叶片，加宽T型叶片，加厚的T型叶片或有开孔T型叶片；所述的喷枪插入深度为铁水包或钢水包的1/3～4/5，其所在位置可调，且不与偏心搅拌桨重叠，喷枪底部置有脱硫剂颗粒部分的喷枪壁上开有15～30个直径2mm的喷孔，全孔总面积等于或略大于载气气管截面积，喷孔开口位置根据侧部喷吹方式和底部直吹方式分别位于脱硫剂颗粒所在喷枪壁的侧面和底部。
2.一种原位机械搅拌炉外脱硫方法，其特征在于：将脱硫剂颗粒置于喷枪底部，在出铁或出钢过程中，将喷枪放入装有铁水或钢水的铁水包或钢水包内，发热剂首先发生铝热自蔓延反应，反应放出反应热引发MgO和碳质材料发生化学反应原位放出高温镁蒸汽，同时惰性气体从载气气管通入喷枪中，高温镁蒸汽在惰性载气带动下喷入到铁水包或钢水包里形成气泡，在偏心搅拌浆搅拌作用下含镁气泡被细化和分散，铁水或钢水中的硫与镁反应生成的硫化镁渣上浮到铁水或钢水表面，形成渣层，完成脱硫；反应方程式为：Mg+[S]＝MgS；所述的脱硫剂颗粒：脱硫剂是由MgO、碳质还原剂、自蔓延发热剂、反应促进剂、酸碱度调节剂和粘结剂组成的球形或其它形状的颗粒，其中碳质还原剂为石墨或木炭，自蔓延发热剂为铝粉与氧化亚铁粉末或三氧化二铁粉末的混合物；反应促进剂为SiO2；酸碱度调节剂为石灰、石灰石、白云石或硅石；粘结剂为沥青、焦油或树脂；其中自蔓延发热剂由铝粉与氧化亚铁粉末或三氧化二铁粉末按化学反应理论需要量混合组成，配制根据的化学反应方程式为：2Al+3FeO＝Al2O3+3Fe或2Al+Fe2O3＝2Fe+Al2O；各物料所占比例为：MgO占混合物料总质量的45～72％；碳质还原剂占混合物料总质量的14～18％；自蔓延发热剂占混合物料总质量的8～16％；反应促进剂占混合物料总质量的1～4％；酸碱度调节剂占混合物料总质量的1～10％；粘结剂占混合物料总质量的4～8％。
3.根据权利要求2所述的原位机械搅拌炉外脱硫方法，其特征在于所述脱硫剂颗粒的制备：将MgO、碳质还原剂、自蔓延发热剂、反应促进剂和酸碱度调节剂分别干燥箱里以 120℃～200℃的温度干燥4h～20h，然后用球磨机磨成粒度小于200目的粉末；将以上物料粉末按比例混合，加入粘结剂，然后以20MPa的压力压制成球形或其它形状的颗粒，烘干后制备成脱硫剂。
4.根据权利要求2所述的原位机械搅拌炉外脱硫方法，其特征在于所述物料混合质量比例：MgO粉末∶碳质还原剂∶自蔓延发热剂∶反应促进剂∶酸碱度调节剂∶粘结剂＝45～72∶14～18∶8～16∶1～4∶1～10∶4～8；自蔓延发热剂为铝粉与氧化亚铁粉末或三氧化二铁粉末的混合物按化学反应理论需要量配料；MgO粉末或酸碱调节剂粉末实际加入量大于反应理论需要量，以控制原位反应速度，防止喷溅现象的发生。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |