第七章 铁水预处理

1150
2.3×10-8 3.3×10-3 1.2×10-7
1250
1.6×10-7 1.7×10-3 1.2×10-6
1550
1.2×10-5 3.5×10-4 2.5×10-4
CaC2是强的脱硫剂。其脱硫能力随温度升高而减弱，但在高 温下也具有强的脱硫能力。
石灰的脱硫能力较差，但随温度升高而增强。因此，用石灰 脱硫时，应尽可能使铁水具有较高的温度。
镁的脱硫能力强，但价格昂贵。镁脱硫时，反应激烈。一般 将镁粉渗入焦炭孔隙中制成镁焦，或与石灰制成混合物使用。
8.2 铁水预脱硫工艺
2、铁水预脱硫方法
铁水炉外脱硫的效果，不仅决定于脱硫反应的热力学条件 ，反应的动力学条件也非常重要。为了改善反应的动力学 条件，除要求适当高的铁水温度以加速扩散，适当细小的 脱硫剂粒度以扩大反应面积，利用脱硫剂(如Na2CO3、 CaCO3)本身放出气体加强搅拌，和采用催化剂(如铝粉、 萤石粉等)外，更重要的是采用强制搅拌的方法。根据搅拌 方式不同大体可分为三类：
3～4（生铁）
[O]
温度 动力学条件 （搅拌） Ls 费用比较
铁水喷镁脱硫预处理
1. 应用： 中国普遍采用； 日、韩不采用； 欧洲少量采用。 2. 优点： 脱硫效率高； 脱硫剂耗量低； 温降小。 3. 缺点： 扒渣难； 转炉回硫量大。
一些新建钢厂采用KR铁水脱硫
采用CaO-CaF2CaC2系脱硫剂； 脱硫剂作用时间长； 大约12min脱硫反 应可基本达到平衡； 脱硫处理时间较喷粉 工艺缩短5min； 脱硫效率提高20－ 35％左右。
8 .5 铁水“三脱”工艺
o o 铁水三脱工艺特点 优点： 可实现转炉少渣冶炼（渣量＜ 30 kg／t）。 铁水脱硫有利于冶炼高碳钢、高锰钢、低磷钢、特殊钢（ 如轴承钢、不锈钢）等。 可提高脱碳速度，有利于转炉高速冶炼。 转炉吹炼终点时钢水锰含量高，可用锰矿直接完成钢水合 金化。 缺点： 铁水中发热元素减少，转炉的废钢加入量减少。 转炉少渣炼钢工艺 ——铁水预处理将 S、 P（脱 P需先脱Si ）脱到转炉冶炼钢种的终点要求含量，转炉就无需为脱 S 、P进行造渣，而只承担脱C和升温任务的工艺。
喷吹气体搅拌法铁水炉外脱硫
用气体携带脱硫剂向混铁车的铁水中喷吹
喷吹气体搅拌法铁水炉外脱硫
由铁水包的上部 加脱硫剂，下部通 入气体搅拌。
镁脱硫方法目前国内普 遍应用的方式有：单喷 颗粒镁、CaO-Mg复合 喷吹、CaC2-Mg复合喷 吹，这几种方法均具有 生产[S]≤0.005%铁水的 深脱硫能力。
机械搅拌法
靠旋转沉入铁水中的搅拌器或转动盛铁水的容器使铁水 与脱硫剂搅拌混合。 采用搅拌器和采用转动容器机械搅拌法，均可控制铁水 与脱硫剂的搅拌时间和搅拌强度，用CaC2作脱硫剂能得到 >90%的脱硫效率(单向摇包法搅拌混合较差，脱硫率比双向 摇包法约低10％)，可以把铁水中的硫稳定地降低到<0.010 ％。 武钢旋转实心搅拌器的KR机械搅拌法，铁水的含硫量 可从0.06%降低到0.005％。实践证明，此类脱硫设备可以用 价廉的石灰进行有效的脱硫。设备最简单，脱硫效率高。 转动容器的回转炉法和摇包法，由于设备复杂，维修费用高 和难于大型化，发展前途不大。
8.2 铁水预脱硫工艺
3、铁水预脱硫的优点
铁水中[C]、[Si]较高，fs↑，硫反应能力提高；
铁水中[O]较低，Ls↑，脱硫效率高；
搅拌充分，脱硫剂利用率高，脱硫速度快；
铁源自文库脱硫费用低；
铁水脱硫可提高炼铁炼钢的生产能力、节约工序 能源、降低成本。
实际脱硫过程 扒渣过程
8.2 铁水预脱硫工艺
各种脱硫方法比较
比较项目 气氛 铁水预脱硫 还原 高炉 （顶吹） 转炉 氧化 电炉 (还原期) 炉外精炼
还原 ≈1（钢） 较高
[C]、[Si]
fs
较高 较低
较好 +++ 400～500 1
较高 较低
较差 + 30～40 26 一般 ++ 5～ 8 16.9 一般 ++ 50～80 最好 ++++ ～1000 6.1
log K (1)
2 aCaS aC 19000 log 6.28 aCaC 2 [%S ] f[ s ] T
CaO固 [ S ] C石墨 CaS固 CO气 log K ( 2 )
（2）
aCaS PCO 5540 log 5.75 aCaO aC [%S ] f[ s ] T （3） 22750 9.63 T aMgS PMg [%S ] f[ s ]
铁水中硅的氧势比磷的氧势低得多，当脱磷过程加入氧化 剂后，硅与氧的结合能力远远大于磷与氧的结合能力，所 以硅比磷优先氧化。 1、铁水预脱硅基本原理
铁水中的硅与氧有很强的亲和力，因此硅很容易与氧反应 而被氧化去除。
常用的铁水脱硅剂均为氧化剂，主要有：
◆固体氧化剂，如高碱度烧结矿、氧化铁皮、铁矿石、铁锰 矿、烧结粉尘；
高炉出铁沟脱硅
优点：脱硅不占用 时间，能大量处理， 温降小，时间短， 渣铁分离方便。 缺点：用于脱硅反 应的氧的利用率低 和工作条件较差。
铁水罐中喷射脱硅剂脱硅
特点：工作 条件好，处理能 力大，脱硅效率 高且稳定。 缺点：占用时 间长，温降较大。
“两段式”脱硅法
当铁水含硅量低于0.4%时，可采用铁水沟脱硅 法。当硅含量大于0.4%时，脱硅剂用量增大，泡 沫渣严重，适宜采用脱硅效率高的喷吹法或两段 法。 若炼钢厂扒渣能力不足，应采用两段脱硅法， 利用挡渣器分离渣铁。 日本新日铁某厂在高炉出铁沟和300t鱼雷罐车 上采用两段法进行脱硅处理，处理后硅含量可以 达到0.12%。
T. Ueki, et al., The 10th Japan-China Symposium on Science and Technology of Iron and Steel, 2004, p116
KR脱硫与喷粉脱硫的比较
岩田勝吉，转炉炼钢节能技术研讨会，中国钢铁工业协会，2005年6月，莱芜
◆气体氧化剂，如氧气或空气。
8 .3
0.25
铁水预脱硅工艺
脱磷前必须 优先将铁水硅氧 化到远远低于高 炉铁水硅含量的 0.15%以下，磷 才能被迅速氧化 去除。
1、铁水预脱硅基本原理
0.20
脱磷速率常数/min-1
0.15
0.10
0.05
0.00 0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
第八章 铁水预处理
钢铁生产的典型工艺（长流程）
主要内容
8.1、铁水预处理的作用和效果 8.2、铁水预脱硫工艺 8.3、铁水预脱硅工艺 8.4 、铁水预脱磷工艺 8.5 、铁水“三脱”工艺
8.1 铁水预处理的作用和效果
铁水预处理——铁水在兑入炼钢炉之前，为除去某种有害 成分( 如S、P、Si 等)或提取/回收某种有益成分(如V、Nb 等) 的处理过程。 单一脱S 普通铁水预处理 脱Si，同时脱P、S 分类 特殊铁水预处理—— 脱Cr、提V/Nb/W 作用和效果
[Si]/%
硅含量与脱磷速率常数的关系图
为了减少脱磷剂用量、提高脱磷效率，开发了铁水预脱硅 技术。
8 .3
铁水预脱硅工艺
2、铁水预脱硅方法及其选 择
铁水预脱硅主要有三种方法；
◆ 高炉出铁沟脱硅 ；
◆ 鱼雷罐车或铁水罐中喷射脱硅剂脱硅；
◆ “两段式”脱硅，即为前两种方法的结合， 先在铁水沟内加脱硅剂脱硅，然后在鱼雷罐车或铁 水罐中喷吹脱硅。
有效提高铁水质量 减轻炼钢负担 为优化炼钢工艺，提高钢材质量创造良好条件 对特殊铁水预处理而言，可有效回收利用有益元素，实现综合利用。
8.2 铁水预脱硫工艺
1、基本原理
炉外脱硫的基本原理与炉内脱硫相同。使用与硫的亲合力 比铁与硫的亲合力大的元素或化合物，将硫化铁转变为更 稳定的、极少溶解或完全不溶于铁液的硫化物；同时，创 造良好的动力学条件，加速铁水中硫向反应地区的扩散和 扩大脱硫剂与铁水之间的反应面积。
热力学条件
4、提高铁水脱硫效果的措施
fs↑（[C]↑、[Si]↑）；
降低氧位，即[O]↓、（O2－）↓（加入铝） 脱硫剂用量↑（同时生产费用↑）；
控制好温度
动力学条件
根据铁水条件及钢种要求，选择适当主脱硫剂。 即要满足脱硫要求，又要尽量降低脱硫成本且操作方便。 脱硫要求一般时（轻脱硫），脱硫剂组成以石灰粉为主； 生产低硫生铁时，以电石粉为主（深脱硫）。
8 .4 铁水预脱磷工艺
2、铁水预脱磷方法 ◆ 在高炉出铁沟或出铁槽内进行脱磷 ◆ 在铁水包或鱼雷罐车中进行预脱磷
◆ 在专用转炉内进行铁水预脱磷
与鱼雷罐车内或铁水包内进行的铁水预处理脱磷 相比，在转炉内进行铁水脱磷预处理的优点是转炉的 容积大、反应速度快、效率高、可节省造渣剂的用量 ，吹氧量较大时也不易发生严重的溢渣现象，有利于 生产超低磷钢，尤其是中高碳的超低磷钢。
KR脱硫与喷粉脱硫的比较
T. Ueki, et al., The 10th Japan-China Symposium on Science and Technology of Iron and Steel, 2004, p116
8.3
铁水预脱硅工艺
铁水预脱硅技术是基于铁水预脱磷技术而发展起来的。
1.铁流搅拌法； 2.机械搅拌法； 3.喷吹气体搅拌法
铁流搅拌法
靠铁水流的冲击使铁水与脱硫剂搅拌混合。此法的脱 硫剂多用苏打粉或苏打粉与石灰粉和萤石粉的混合物。 把脱硫剂加入高炉出铁槽中，或加入高炉、混铁炉或混 铁车的铁水包中。 优点是设备和操作都很简单； 缺点是铁流搅拌的作用不足以使铁水与脱硫剂充分混合 ，因而脱硫效率低，而且不稳定。 现代化的钢铁企业都不采用此法。但在设备简陋、铁 水含硫又高的小钢铁厂，还经常被采用。
符合上述条件的典型脱硫剂有：苏打(Na2CO3)、 石灰 (CaO)、食盐(NaCl)、氰氨化钙(CaCN2)、镁(Mg)、碳化 钙(CaC2)等。它们可以单独使用，也可以混合使用。 目前普遍使用的脱硫剂是碳化钙、石灰和镁。其反应为：
CaC2+[S]=CaS+2C石墨
（ 1）
8.2 铁水预脱硫工艺
8 .4 铁水预脱磷工艺
高强度、高韧性、高抗应力腐蚀性能钢种需求量的不断 增加；
为了降低氧气转炉钢的生产成本和实行少渣炼钢，也要 求铁水磷含量小于0.015%。 1、铁水预脱磷的基本原理 铁水中的磷首先氧化成P2O5，然后与强碱性氧化物结合 成稳定的磷酸盐而去除。 在铁水预脱磷过程中，首先要有适当的氧化剂将溶解于 铁水中的磷氧化，然后采用强有力的固定剂，使被氧化 的磷牢固地结合在炉渣中。
8 .4 铁水预脱磷工艺
3、铁水同时脱硫脱磷 在氧化性条件下，渣铁间的磷硫分配比可表示为：
(%P) 5 lg L P lg lg C P lg f P lg a O [%P] 2 (%S) lg L S lg lg C S lg f S lg a O [%S]
在温度和铁水成分一定时，选择磷容量CP和硫容量CS较大 的渣系，就能得到较大的LP和LS值，实现同时脱磷脱硫。 在一定渣系条件下，可以通过控制熔渣—铁水界面的氧位 来调节LP和LS值的大小，即增大氧位能增大LP和减小LS，反之亦 然。这样，可以根据铁水脱磷和脱硫的程度要求，控制合适的 氧位，有效地实现铁水的同时脱磷脱硫。
Mg气 [ S ] MgS固 log K ( 3) log
按照实际条件，取aCaC2=aCaO=PMg=aCaS=aC=PCO=1,在铁水温度 分别为1150、1250和1550℃时，按式(1）、(2)和(3)算出铁水 中硫的平衡含量见下表。
不同温度下铁水中硫的平均含量/%
脱硫剂 CaC2 CaO Mg 铁水温度/℃
搅拌器法
旋转实心搅拌器的 搅拌法（KR法）
旋转空心搅拌器的搅 拌法（DORA法）
转动容器的机械搅拌法
单向摇包法
双向摇包法
喷吹气体搅拌法
把氮气、氩气、天然气或压缩空气吹入铁水，使 铁水与脱硫剂搅拌混合，图示。 气体可以从铁水的上部或底部吹入；脱硫剂可以 直接加到铁水面上，也可以随气体喷入铁水。此 法兼有操作灵活，易于控制，脱硫效率高和设备 简单，几乎不受容量限制的优点，是很有前途的 方法。 各种脱硫方法的工艺特点虽各不相同，但在任何 炉外脱硫方法中都必须尽可能不让高炉渣进入铁 水包，和在脱硫后不让含硫炉渣进入转炉。为实 现这项要求，应该使扒渣机械化。