寶鋼RH頂槍噴粉脫硫技術

孫亞飛，劉 安，馬志剛

(1. 寶鋼工程技術集團有限公司，上海 201900；2. 寶山鋼鐵股份有限公司，上海 200941)

?

·專題綜述·

寶鋼RH頂槍噴粉脫硫技術

孫亞飛1，劉 安1，馬志剛2

(1. 寶鋼工程技術集團有限公司，上海 201900；2. 寶山鋼鐵股份有限公司，上海 200941)

文章主要介紹了寶鋼5#RH頂槍噴粉系統的組成和工藝流程，該系統是寶鋼基于90年代末引進的RH噴粉脫硫裝置消化吸收后自主集成的，已成功應用于生產實踐：系統最大噴吹速度為250 kg/min，通常使用噴吹速度為100～200 kg/min，脫硫時間5～10 min。使用效果表明該系統簡化了精煉工序、加速了脫硫反應，有效地解決了爐外精煉脫硫在工藝銜接上的矛盾。

RH；頂槍；噴粉脫硫

0 前言

隨著用戶需求的不斷提高，越來越多的鋼種要求將成品硫含量控制在20×10-6以下，這對整個煉鋼工序提出了非常嚴格的要求。除了在鐵水預處理工序進行脫硫之外，如何在二次精煉工序經濟、高效地脫硫也是值得研究的一個重要問題。通常，爐外精煉選擇LF爐作為深脫硫的主要冶煉手段，在LF精煉過程中可以造高堿度渣，且可在強還原條件下脫硫，因此脫硫效果好。但由于受到反應動力學條件限制(如渣與鋼液的接觸)，要達到較高的脫硫率則需要更長的時間[1]。在這種情況下，RH噴粉脫硫技術尤其是RH頂槍噴粉脫硫技術便應運而生。RH頂槍噴粉脫硫技術，是指在RH處理過程中，利用氣力輸送原理，將脫硫粉劑通過頂槍吹入真空槽內的鋼水表面，脫硫粉劑隨著鋼液的環流進入鋼水內部參與脫硫反應，從而達到脫硫的目的。

與LF脫硫相比，RH噴粉脫硫具有其特有優勢[2]：①RH槽內的高真空降低了鋼液中的氧活度，更有利于脫硫；②在RH過程中脫硫，由于隔絕大氣從而避免了空氣對鋼液的污染；③脫硫過程主要發生在循環流動的鋼液中，鋼包頂渣對脫硫的影響相對較小；④脫硫的同時可有效地脫氣去氫。⑤脫硫反應為脫硫劑-鋼液界面反應，反應動力學條件更好。

利用RH生產超低硫鋼的處理工藝最先在日本開發并投入大生產，寶鋼于上世紀90年代開始引進RH噴粉脫硫裝置，并自主集成的5#RH頂槍噴粉系統，成功應用于生產實踐。

1 寶鋼頂槍噴粉系統組成

寶鋼5#RH噴粉系統于2007年正式投產。該系統原理簡圖如圖1所示，主要由1#、2#料倉、噴吹罐、頂槍及氬氣、氮氣氣源等組成。

1～2.旋轉給料器 3.稱重傳感器 4～8.氣流切斷閥 9～13.氣流調節閥 14～18.粉料切斷閥 19.粉料調節閥圖1 寶鋼5#RH頂槍噴粉裝置系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of baosteel 5#RH top lance powder injection system

1.1 料倉

料倉用于裝載脫硫粉劑。該系統設有兩個料倉，可以裝載混合好的粉劑，也可以分別裝載CaO和CaF2粉劑，通過控制位于料倉下方旋轉給料器的給料速度，得到不同成分配比的脫硫粉劑。料倉依靠重力作用向噴吹罐加料，并在錐體段設有充氣器，通入脈沖氣體，以防止料倉下料時卡料。兩個貯料倉之間有連通管相連，保持貯料倉內壓力相同。頂部配有倉頂除塵器，用以將送粉載氣過濾后排入大氣。

料倉充氣器的使用如圖2所示，氮氣通過充氣器后以脈沖形式進入料倉，一方面可在下料過程中使粉劑松動；另一方面流經充氣器的氮氣可沿料倉壁吹掃，有效防止粉劑粘在料倉壁上而結塊。

圖2 料倉充氣器示意圖Fig.2 Schematic diagram of vibra-jet

1.2 噴吹罐

噴吹罐是本套噴粉脫硫裝置的核心設備，是將粉劑經管路及頂槍輸送至槽內鋼水中的加壓容器。能否均勻穩定、暢通無阻的向真空槽內噴吹脫硫粉劑，噴吹罐的性能是最重要的因素。其工作原理是將要輸送的粉劑在罐體內加壓，以形成與管道間的壓差，當罐壓達到設定值后打開出口閥，使粉劑自送粉管路及頂槍輸送至槽內的鋼水之中。

5#RH噴吹罐采用下出粉形式，與上出粉形式相比，輸出等量的粉劑，下出粉形式所需能量小，適用于粉氣比高的工作條件[3]。

RH噴粉用噴吹罐的工藝要求：

(1)較大的供粉能力。為縮短噴粉脫硫處理時間，降低鋼水溫降，RH噴粉的供粉能力應保證在150～200 kg/min左右；

(2)供粉穩定、靈活可調、脈動小；

(3)設置真空釋放閥。罐體除必需的安全閥保護罐體超壓外，還需設置真空釋放閥，用以故障狀態下，噴吹罐與真空槽聯通使罐內負壓時的破空。

(4)載氣消耗最小化。載氣量需限制在最小值，一方面減少氣體消耗；另一方面，減小載氣對真空度的影響。根據寶鋼實踐經驗粉氣比約為30 kg/kg。

1.2.1 噴吹罐的主要組成

(1)噴吹罐本體。罐體的上段為圓筒形，下段為圓錐形，圓錐段的錐角依據粉劑靜止角設計為40～50°。噴吹罐本體上還配有稱重傳感器、壓力變送器、人孔等附件，分別用于監測噴吹速度、罐壓、檢修等。

(2)罐頂閥。要求該閥動作靈活，嚴密性好，并要在粉塵條件下工作可靠。

本裝置罐頂閥采用膨脹式蝶閥形式，該閥由三個工作狀態組成，如圖3a所示，閥門關閉(未密封狀態)：當閥門運動到關閉位置時，閥盤只瞬間接觸閥座，從而減低摩擦、磨損和扭矩的需求；如圖4b所示，閥門關閉(密封狀態)：閥門關閉后，閥座向著閥盤膨脹，從而提供了更大密封面，并對閥盤提供均勻的壓力分布；如圖4c所示，閥門打開(未密封狀態)：打開閥門前，閥座首先排氣緊縮，然后閥盤自由轉動至開啟位置。

(a. 膨脹式蝶閥關閉，未密封狀態；b. 膨脹式蝶閥關閉，密封狀態；c. 膨脹式蝶閥打開，未密封狀態)圖3 膨脹式蝶閥工作原理圖Fig.3 Schematic diagram of posi-flate butterfly valve

實踐表明，此閥能在粉塵條件下正常開合，且密封性能良好。

(3)出口調節閥。噴吹罐出口調節閥除了調節下粉速度的作用外，還起到切斷粉流的作用，它是噴吹罐的重要部件之一。

如圖4所示，出口調節閥的閥芯是兩個圓柱形轉子，兩轉子結合處為圓孔形。出口調節閥工作時，通過旋轉閥桿帶動兩閥芯反向旋轉，當調節閥全開時，兩轉子結合處為圓柱孔，這時粉劑流量達到最大值；當調節閥關小時，隨著兩閥芯的轉動，兩轉子結合處的圓柱孔逐漸變為圓錐孔，調節閥喉口截面積由錐尖有效面積決定，通過控制錐尖有效面積從而控制粉劑的流量。通過

圖4 噴粉調節閥閥芯示意圖Fig. 4 Schematic diagram of dosing valve spool%90%85

對閥芯曲面的設計可實現噴吹速度連續可調。閥芯及閥體采用耐磨材料制成。

(4)流化裝置。為使粉劑能通過罐底喉口順利流出，將粉劑流態化是極為重要的。通常在噴吹罐罐底的錐形部位，設置一個流態化段，將惰性氣體經流態化段通入罐內粉劑使之流態化[4]。

如圖5所示，5#RH的噴吹罐采用流化錐形式，流化錐內外兩層，外部為鋼板，內部為燒結金屬材料內襯，兩者之間留有一定空隙，用于使流化氣在其中通過。燒結金屬材料內襯上有微孔，氣孔尺寸約200目。這種流化形式具有較大的流化面積，使流化氣流經內襯后形成數以百萬計的小氣泡吹入粉劑，有效地流化罐體內粉劑。

圖5 噴吹罐流化錐示意圖Fig.5 Schematic diagram of injection tank fluidized device

1.2.2 噴吹罐的控制

如圖6所示，噴吹罐通過頂壓氣體控制、稱重傳感器、流態化氣體控制、出口調節閥控制、助吹氣控制五方面手段來調節噴吹速度和控制噴吹的穩定性。

(1)頂壓氣體控制。向罐內通入頂壓氣體有兩個目的，一方面噴粉開始前快速將罐壓加至設定壓力以待噴吹，此時應加大氣體流量以便快速升壓；另一方面是噴粉時補償由于壓送粉劑而引起的壓力降，保持罐壓穩定，此時氣體輸入量依據罐壓調整。

(2)稱重傳感器。噴吹罐配有三只稱重傳感器的壓頭，安裝在鋼結構支架上，用于監測罐內粉劑的重量。此外，噴粉時通過與PLC連鎖將單位時間粉劑重量的減少量定義為噴吹速度，作為對比噴吹速度設定值、出口調節閥喉口開度調整的依據。

(3)流態化氣體控制。流態化氣體的壓力需高于罐壓，但不能過高，需保證在整個流態化面積上，沒有貫穿氣流產生，而是沿罐壁形成一個彌散度很大的氣幕層，使罐內下層粉劑流態化。

(4)出口調節閥控制。5#RH噴粉裝置噴吹速度的調節是基于控制出口調節閥喉口截面積而實現的，與噴吹速度設定值連鎖，以PID進行調節。

(5)助吹氣控制。助吹氣的作用是為粉劑的輸送提供能量，以便粉劑能夠穩定、流暢的輸送到真空槽內的鋼水中。助吹氣量與調節閥喉口開度連鎖，同樣以PID進行調節。

1. 頂壓氣體控制；2. 稱重傳感器；3. 流態化氣體控制；4. 出口調節閥控制；5. 助吹氣控制圖6 寶鋼噴吹罐的控制原理示意圖Fig.6 Control schematic diagram of injection tank

1.3 RH噴粉用頂槍

帶噴粉功能的RH多功能頂槍是在RH頂槍的氧氣管中心增設一根噴粉管，并接入噴吹系統，使原頂槍增加噴粉功能。RH多功能頂槍頭部結構示意圖如圖8所示。

圖7 RH噴粉用頂槍頭部結構示意圖Fig.7 Schematic diagram of top lance nozzle for RH power injection

噴粉脫硫操作時，頂槍下降至噴粉槍位，脫硫粉劑經過噴粉管出口，流經頭部的氧槍噴頭(Laval管)噴出多功能頂槍進入真空槽內的鋼水之中。

脫硫粉劑在頂槍出口應具有較高的出口速度，以保證提高粉劑的收得率。

2 寶鋼5#RH頂槍噴粉系統的工藝流程

如圖1，本系統的工藝流程：料倉(粉劑運輸車壓送至料倉)→噴吹罐(料倉卸料進入噴吹罐)→噴槍(噴吹罐壓送粉劑至頂槍噴出)。

(1)裝料入料倉。本系統設有兩個料倉，可以裝載不同配比的CaO和CaF2粉劑。通過粉劑運輸車上的氣力輸送裝置將粉劑送入料倉。

(2)料倉卸粉劑入噴吹罐。噴吹罐位于兩個料倉的下方，欲卸粉劑入噴吹罐時打開噴吹罐頂部閥14，使料倉與噴吹罐內壓力近于相等，開啟閥4(或5)向相應料倉罐內通入脈沖氣體，用調節閥9(或10)氮氣流量，使料倉內粉劑松動，打開閥17與15(或16)，及旋轉給料器1(或2)，1#料倉(或2#料倉)內的粉劑即可靠自重卸入噴吹罐，其卸料速度由料倉下部旋轉給料器1(或2)調節。噴吹罐配有稱重傳感器，可動態顯示罐內粉劑的重量。當噴吹罐內粉劑質量達到設定時，依次關閉旋轉給料器1(或2)、閥15(或16)、閥17及閥4(或5)，料倉此時停止卸料。

(3)噴吹罐送料至頂槍噴出。當向槽內噴吹脫硫粉劑時，關閉噴料罐頂部閥14及17，打開閥6及7快速給噴吹罐充氬氣，氬氣流量通過調節閥11、12控制。打開閥8向助吹管吹入氬氣作為引射氣，閥13調節引射氣的流量。當罐內壓力達到設定值時，打開閥18、19，將混合后的粉與氣送出罐外，粉劑經過管線及頂槍噴入真空槽內。粉劑的噴吹量可通過調節閥19控制。

3 RH噴粉裝置使用中值得注意的幾個問題

(1)粉劑的鈍化。為了增加脫硫反應的速度以及防止粉劑阻塞管路，應選擇冶金性能良好的活性石灰作為脫硫劑，并鈍化處理，以提高石灰的流動性。

(2)粉劑的防潮。CaO系脫硫劑在貯存過程中容易吸潮[5]，與空氣中的水份化合。當吸潮的脫硫劑加入鋼液中時，水就分解產生氫和氧，同時被鋼液吸收。氫可在真空精煉過程中被去除，而氧留在鋼液中則增加了脫硫的困難。此外，CaO吸潮后粉化，在噴吹過程中大部分被真空泵吸進真空系統，降低了CaO利用率，加快了設備磨損。此外，脫硫劑吸潮后結塊，易阻塞管路而引起設備故障。因此，為了防止料倉內的粉料吸潮和保持其活性，需要對料倉充氮氣保護，使其始終處于微正壓狀態。

(3)系統的防堵塞。為避免大顆粒雜質阻塞管路，本系統在上料及輸送管路配置專用過濾器，以提高系統穩定性。

(4)系統接地。為避免靜電影響噴吹穩定性，所有元件及送分管路需接地。

4 使用效果

寶鋼5#RH頂槍噴粉系統的最大噴吹速度為250 kg/min，通常使用噴吹量為100～200 kg/min，脫硫時間5～10 min，在不影響生產節奏的前提下，對于4～5 kg/噸鋼的脫硫劑單耗，平均脫硫率>40%。

表1 RH頂槍噴粉裝置使用效果

表1為低硫鋼種經RH頂槍噴粉前后硫含量的變化，對于～3.5 kg/噸鋼的脫硫劑單耗，脫硫率可達36～43%；對于4～4.5 kg/噸鋼的脫硫劑單耗，脫硫率可達47～50%；對于～6 kg/噸鋼的脫硫劑單耗，脫硫率可達52%。

5 結束語

RH噴粉工藝的產生有效地解決了LF脫硫速度慢而引起的經濟和工藝銜接問題。一方面，RH比LF爐降低約40元的噸鋼成本，這樣就解決了爐外精煉脫硫在經濟上的矛盾；另一方面，由于在RH循環脫氣過程中產生鋼液環流，促進了脫硫反應的動力學條件，加速脫硫反應，進而解決了爐外精煉脫硫在工藝銜接上的矛盾。

RH噴粉脫硫技術的發展，為降低生產成本，實現煉鋼流程的優化提供了技術支持。

日本自開發RH噴粉脫硫技術以來，其主要轉爐煉鋼廠全部淘汰LF-RH雙重精煉脫硫，寶鋼通過使用RH頂槍噴粉脫硫技術，部分代替LF+RH雙聯處理低硫鋼，每套裝置每年可節約成本約500萬元。

[1] 周建安. 爐外底噴粉脫硫工藝研究[M].北京: 冶金工業出版社, 2008.

[2] 胡漢濤. 鋼液精煉非平衡脫碳過程的數學模擬[D].上海：上海大學，2005.

[3] 楊宏博等. RH噴粉脫硫工業試驗研究[J]. 煉鋼，2014(02):55-58.

[4] 姚福國. 關于噴粉罐主要工藝參數的確定[J]. 鞍鋼技術，1997(06):14-17.

[5] 趙榮玖. 爐外精煉用粉劑噴吹罐及其設計分析[J].特殊鋼，1988(06):1-9.

[6] 知水. 噴射冶金中氣力輸送設備的工藝設計[J]. 冶金設備，1988(04):19-23.

[7] 喻淑仁. 噴粉罐工作原理及設計原則淺析[J].武漢鋼鐵學院學報，1986(04):1-12.

Powder injection desulphurization technology of RH top lance in Baosteel

SUN Ya-fei1，LIU An1，MA Zhi-gang2

(1.Baosteel Engineering & Technology Group Co., Ltd., Shanghai 201900,China；2.Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 200941, China)

This paper mainly introduces the composition and process of powder injection desulphurization system for Baosteel 5# RH top lance. In the late 90s, Baosteel imported this facility, after the digestion and absorption of the technology, the system is developed and self integrated, and successfully applied to the productive practice. The maximum injection speed of this system is 250 kg/min, normally use in 100～200 kg/min, and the desulfurization time is 5～10 min. The practices show that the powder injection system can simplify the refining process, accelerate the desulfurization reaction, and effectively solve the contradiction in the refining desulfurization process.

RH；top lance；powder injection desulphurization

2016-03-11；

2016-04-05

孫亞飛(1981-)，男，吉林省吉林市人，碩士研究生，現從事爐外精煉設計

TF769

A

1001-196X(2016)05-0001-05