ch4 铁水预处理

第四章铁水预处理武汉科技大学冶金工程系张保平4 .1 铁水预处理的基本概念4.1 铁水预处理的基本概念•铁水预处理是指铁水进入炼钢炉之前，为脱硫、脱硅、脱磷而进行的处理过程。

•除上述普通铁水预处理外，还有特殊铁水预处理，如脱铬、脱锰以及针对铁水含有特殊元素提纯精炼或资源综合利用而进行的提钒、提铌、提钨、提铬等预处理过程。

•实际生产过程中，铁水预处理分为深脱和浅脱。

4.2 铁水预处理的冶金原理4.2.1 铁水预脱硫的冶金原理4.2.1.1 铁水脱硫剂的种类•铁水脱硫剂的种类很多，在实际生产中，用作铁水脱硫剂的主要是Ca、Mg、Na 等元素的单质或化合物。

•常用的脱硫剂主要有：☐Ca系脱硫剂，包括电石粉 (CaC2)、石灰 (CaO)、石灰石 (CaCO3)等；☐Mg系脱硫剂，包括金属Mg粉、镁焦、镁合金等；☐Na系脱硫剂，主要是苏打粉(Na2CO3)。

•CaC2脱硫的反应式如下：CaC2(s) ＋[S] =CaS(s) ＋2[C]•石灰脱硫反应式：☐铁水硅含量高（>0.05%）时，反应式为：2CaO(s)+[S]＋l/2[Si] = CaS (s)＋1/2（Ca2SiO4）(s) ☐硅含量低时，反应式为：CaO（s）＋[S]＋[C] = （CaS）(s)＋CO（g）•铁水中加入苏打灰后，与铁水中的硫发生以下3个化学反应：Na2CO3(l) ＋[S] + 2[C] = Na2S(l) + 3{CO}Na2CO3(l) ＋[S] + [Si] = Na2S(l) + SiO2(s) + 3{CO}Na2O + [S] = Na2S(l) + [O]•镁通过喷枪喷入铁水后，在高温下发生液化、气化并溶于铁水：Mg(S) →Mg(l) →{Mg} →[Mg]•在高温下，镁和硫有很强的亲和力，溶入铁水中的[Mg]和{Mg}都能与铁水中的[S]迅速反应生成固态的MgS，上浮进入渣中。

镁与硫的相互反应存在两种情况：•第一种情况：{Mg} + [S] = MgS(s)•第二种情况：{{Mg} →[Mg][Mg] + [S] =MgS(S)4.2.2 铁水脱磷的冶金原理4.2.2 铁水脱磷的冶金原理4.2.2.1 铁水脱磷的基本冶金条件•铁水在氧化性渣下的脱磷反应式表示如下：2[P]＋5(FeO) ＋4(CaO) ＝(4CaO·P2O5) + 5Fe4.2.2.1 铁水脱磷的基本冶金条件•由此可得出脱磷反应的热力学基本条件：•（1）铁水中氧含量要高。

铁水脱磷需要提供氧，实际生产中经常采用加入铁氧化物或辅助吹氧的方式来提供氧。

铁氧化物是脱磷剂的主要组成，主要有铁矿、烧结矿、氧化铁皮，转炉烟尘以及转炉炉渣，一般(FeO)≮20％。

•（2）渣中起固定脱磷产物的碱性氧化物含量要高。

（碱度R＝2～3），脱磷的初级产物(3FeO·P2O5)不稳定，通过加入碱性氧化物，让磷在高碱度炉渣中形成稳定的4CaO·P2O5或3Na2O·P2O5。

4.2.2.1 铁水脱磷的基本冶金条件•（3）铁水温度要低。

铁水氧化脱磷反应为放热反应，铁水温度低，Kp、Lp值就大，因此温度低有利于铁水脱磷。

温度为1250℃～1400℃对脱磷有利。

•（4）铁水初始硅含量要低。

在高炉铁水条件下，铁水中还含有0.4％～0.6％左右的[Si]，[Si]与氧的亲和力远大于[P]。

硅酸钠与硅酸钙的稳定性比磷酸钠和磷酸钙好，因此必须对铁水预脱硅，才能用石灰或苏打渣系进行有效脱磷。

因此，为保证有效的脱磷必须先将[Si]降低到＜0.1％～0.15％。

4.2.2.2 脱磷剂的组成4.2.2.2 脱磷剂的组成•氧化剂、固定剂和助熔剂是铁水脱磷的三大要素。

•实践证明Fe2(SO4)3、MnO2、CaSO4、Fe2O3、FeO、MnO等都是很好的脱磷氧化剂，CaCO3次之。

•固定剂：CaO等。

•助熔剂：CaCl2、CaF2等。

4.2.2.3 不同脱磷剂的脱磷反应4.2.2.3 不同脱磷剂的脱磷反应（1）石灰系脱磷剂•石灰系脱磷剂常用的组成范围为(％)，固定剂:氧化剂:助熔剂＝30～70：20～45：0～40。

（2）苏打系脱磷剂•固体Na2CO3在852℃熔化为液体，在铁水处理温度下是流动性很好的液体，可按下式分解为：Na2CO3(L) = Na2O(L) + CO2故脱磷反应为：4.2.3 脱硅反应的冶金原理4.2.3 脱硅反应的冶金原理•脱硅剂是以提供氧源的材料为主剂，氧化剂有固体氧化剂和气体氧化剂。

•固体氧化剂主要有：铁矿石、球团矿、烧结矿、轧钢铁皮、铁矿砂、锰矿粉等，其主要成分是氧化铁、氧化锰。

气体氧化剂主要是氧气。

•除主剂外还加入少量副剂。

常用的副剂主要是石灰、萤石、CaCl2、NaCl、CaO 十CaF2、CaO十CaF2十Na2CO3以及转炉钢渣等。

一般将炉渣碱度((CaO十CaF2)/SiO2)调整为0.9～1.2。

4.3 铁水预处理的方法及设备4.3 铁水预处理的方法及设备•随着铁水预处理技术的发展，铁水预处理方法很多。

•用于铁水预脱硫的方法有：铺撒法、摇包法、机械搅拌法、喷粉法、喂线法、气泡搅拌法、气泡泵法、钟罩加入法等。

•用于铁水预脱磷的方法，按照处理设备可分为炉外法、炉内法；按照加料方式可分为喷吹法、搅拌法；按照工艺特点可分为：专用炉法、SARP法、ORP法、NPP法。

4.3 铁水预处理的方法及设备•用于铁水预脱硅的方法，按处理场所不同，可分为在高炉出铁过程中向炉前铁水沟加固体氧化剂连续脱硅法，向铁水罐或混铁车内喷射脱硅剂脱硅和吹氧法脱硅。

•按加入脱硅剂方法不同，有自然投入法、喷枪在铁水面上的液面喷吹法和喷枪插入铁水内的喷吹法等。

•按搅拌方法不同，有吹气搅拌、铁水落下流搅拌、喷吹的气粉流搅拌和叶轮搅拌方法等。

4.3.1 铺撒法(投入法)4.3.1 铺撒法(投入法)•铺撒法是一种简易的铁水预处理法，处理过程中只需将处理剂铺撒在铁水沟适当位置，预处理剂随铁流而下，或将处理剂撒在铁水罐底部，靠铁流的冲击使预处理剂和铁水发生反应而脱除有关杂质元素或提取有用元素。

•该工艺对生产条件有较强的适应性，无明显工艺缺陷。

进行脱硫预处理时，铁水温降7～8℃。

且脱硫渣没有回硫倾向。

无铁损及喷枪烧损。

•缺点也不少。

4.3.2 摇动法4.3.2 摇动法•摇动法，也称为铁水容器搅拌处理法。

可以分为：☐回转炉法。

即在回转炉的铁水面上加入熔剂，并进行搅拌；☐摇包法。

在偏心回转包的铁水中加入熔剂。

包的转速为40～50转/分；DM摇包法，摇包能正逆向进行，铁水和熔剂混合良好，转速为43转/分，正逆换向周期14秒，中间停止三秒。

•该法容器转动笨重，动力消耗高，包衬寿命低，使用较少。

4.3.3 机械搅拌法4.3.3 机械搅拌法•机械搅拌法是铁水预处理技术的重要进展, 它放弃了转动的容器运动方式, 通过机械搅动来使液体金属与熔剂混合接触达到脱硫、脱硅、脱磷的目的。

•机械搅拌法可以分为以下几种：DO法、莱茵法（RS法）、KR搅拌法、赫歇法、NP法。

几种方法中，KR法应用比较广泛。

4.3.3.1 莱茵法4.3.3.1 莱茵法•这种方法也称为RS法（Rhein Stahl），是德国莱茵河钢铁厂的克雷默（F.Kraemer）等人于1969年研制成功的，后来在曼内斯曼（Mannesmann）公司引进了200t的RS装置。

欧洲各国也采用此法，是一种用于铁水预脱硫的方法。

4.3.3.1 莱茵法•莱茵法的搅拌器是采用铁芯加强的耐火材料制成的倒T型搅拌器，处理时转速为60～70转/分。

•其特点是：莱茵搅拌器只是部分插入铁水内部，通过搅拌使罐上部的铁水和熔剂形成涡流搅动，混合接触，并通过循环流动使整个包内铁水都达到上层脱硫区来实现预处理的目的。

•采用RS法脱硫时，用熔剂CaC2 5～8 kg/t，处理时间10min，脱硫率70～80％。

4.3.3.2 KR搅拌法4.3.3.2 KR搅拌法•KR法（Kambara Reactor）是日本新日铁钢铁厂于1963年开始研制，1965年投入工业生产。

以后被日本钢管和住友金属公司等厂家采用，铁水罐容量可达200t以上，该法主要用于脱硫。

•我国最早的KR系统是武钢二炼钢1979年由新日铁引进的KR专利和设备。

•KR法的主体设备包括：升降装置、机械搅拌装置、搅拌桨更换车、熔剂输送装置、扒渣系统等。

4.3.3.2 KR搅拌法4.3.3.2 KR搅拌法•KR搅拌法就是将耐火材料制成的并经过烘烤的十字形搅拌头插入铁水罐液面下一定深处, 并使之旋转。

•当搅拌器旋转时, 铁水液面形成“V” 形旋涡( 中心低, 四周高), 此时加入脱硫剂、脱磷剂后, 熔剂微粒在浆叶端部区域内由于湍动而分散, 并沿着半径方向“吐出”, 然后悬浮, 绕轴心旋转和上浮于铁水中, 也就是说, 借这种机械搅拌作用使熔剂卷入铁水中并与接触, 混合、搅动, 从而进行脱硫脱磷反应。

•当搅拌器开动时, 在液面上看不到熔剂, 停止搅拌后, 所生成的干稠状渣浮到铁水面上, 扒渣后即达到脱硫、脱磷的目的。

4.3.3.2 KR搅拌法•对于KR搅拌法，由于熔剂在叶片上端打散，使这个部容易受到磨损，所以选择四个叶片的搅拌头最为合适。

搅拌头使用4个叶片，可以使其旋转时铁水面不易产生波浪, 铁水飞溅较少, 叶片的磨损情况也小, 可以减少搅拌的更换次数, 提高使用寿命, 降低耐火材料消耗等，处理效果明显好于两个叶片。

•十字型搅拌头的形状如图所示，搅动头为高铝质耐火材料，寿命为90～100次，每使用3～4次后需要用耐火材料进行修补。

4.3.3.2 KR搅拌法4.3.3.2 KR搅拌法•与莱茵法相比，两种方法的最大区别是：搅拌器插入铁水深度不同，KR 法是将搅拌器沉浸到铁水内部, 而不是在铁水和熔剂之间的界面上。

通过搅拌形成铁水运动旋涡使熔剂撒开并混入铁水内部, 加速预处理过程，其铁水流动情况如图所示。

4.3.4 吹气搅拌法•吹气搅拌法主要有顶吹法、底吹法(PDS或CLDS)和气泡泵法三种。

顶吹法和底吹法预先将熔剂加到铁水表面，然后通过顶枪或罐底的透气砖往铁水中喷吹气体进行搅拌。

这两种方法设备费用低，操作简便，但处理效果不如机械搅拌法好。

•CLDS法是改进了的PDS法，一般能连续处理4罐铁水，这样可以提高处理效率，省去了除渣何减少铁损失，但是需要倒包处理。

4.3.4 吹气搅拌法•气泡泵法也称气泡泵环流搅拌法，简称GMR法。

它是应用气泡泵的扬水原理研制成功的，如图所示。

•在新型装置上气泡泵本身旋转，可以进一步提高处理效率，缩短处理时间。

4.3.5 喷射法•喷射法也称喷粉法或喷吹法，主要有ATH法、TDS法、铁水罐喷射法。

•ATH法是1970年原西德蒂森公司研究成功并投入应用的一种方法，它将一支外衬耐火材料的喷枪与水平方向成一定角度（如600或700）斜插入鱼雷罐内，用载气向熔池内喷射固体粉末熔剂进行脱硫、脱磷处理。