復合噴吹鐵水脫硫噴吹系統穩定性研究

張 波，謝 圓

(1.中冶賽迪工程技術股份有限公司 煉鋼事業部，重慶 401122； 2.中冶賽迪重慶信息技術有限公司 智能制造工程部，重慶 401122)

鐵水脫硫作為鐵水進入轉爐之前的最后一道處理工序，對減少鐵水硫含量，提高鋼水質量具有重要作用。因此鐵水脫硫已成為煉鋼和煉鐵之間的重要環節，也是煉鋼廠提高鋼質、擴大品種和優化煉鋼操作的重要手段[1]。目前國內鐵水脫硫主要有噴吹法和KR攪拌法，兩種方法在技術上均已相當成熟[2-3]。噴吹法主要采用鎂基復合噴吹，即采用以氧化鈣、碳化鈣為主要成分的脫硫劑[4]，其原理是將流化態氧化鈣或碳化鈣和鎂粉按一定比例在管道中混合，通過噴槍噴入鐵水中[5-6]。該系統主要由粉倉、噴吹罐、粉末流量調節閥、噴槍、中間輸送管道、調節儀表閥門等組成。鎂粉和氧化鈣或碳化鈣的混合物經噴槍噴入鐵水罐底部，相對于鐵水來說，金屬鎂的熔點和沸點較低[7]，鎂粉在侵入鐵水后會迅速氣化變成氣泡，氣泡在上浮的過程中與鐵水中的S發生反應，達到脫除鐵水中S的目的，因此噴吹系統的穩定性直接影響鐵水脫硫效果。本文基于國內某鋼廠120 t復合噴吹鐵水脫硫改造總承包項目，結合現場調試和生產數據，對噴吹罐壓力控制方式、粉末流量調節閥控制邏輯、噴吹罐下流化氣體流量、助吹氣體流量等對噴吹穩定性產生影響的因素進行了研究。

1 概 況

對國內某鋼廠120 t復合噴吹鐵水脫硫進行改造，主要改造內容為粉劑輸送系統、電氣控制系統、其他輔助系統等。該脫硫裝置的粉劑輸送系統原來為國外引進技術，在使用過程中存在粉劑噴吹流量小，噴吹時間長，鐵水溫降大，噴吹系統不穩定等問題，本次粉劑輸送系統改造采用CISDI自主開發技術，粉劑輸送系統工藝簡圖見圖1。

圖1 粉劑輸送系統工藝簡圖

2 噴吹罐壓力控制方式對噴吹穩定性的影響

在脫硫噴吹過程中，噴吹罐與噴吹管道需要保持一定的正壓差以保證物料順利流動。正壓差的保持可以通過噴吹罐壓差控制與恒壓控制法進行，壓差控制即根據噴吹管道壓力的變化適時進行噴吹罐充壓與泄壓操作，進而維持噴吹罐與噴吹管道的正壓差值保持在適當范圍。恒壓控制即給噴吹罐設定一個固定的壓力范圍，此壓力范圍高于噴吹管道壓力，當噴吹罐壓力低于下限或者高于上限時則對罐體進行充壓或者泄壓。研究表明，若采用壓差法控制，由于噴吹管道壓力時刻都在波動，噴吹罐需要時刻進行充壓、泄壓操作，噴吹罐壓力的變化會引起罐子稱重傳感器數值的變化，噴吹罐重量波動較大，不利于噴吹速度的穩定。且頻繁的充壓、泄壓也導致閥門動作次數多，設備壽命降低，增加生產成本。恒壓法只需要設定一個保壓范圍，由于噴吹罐本身氣密性較好，在噴吹過程中罐體內壓力變化不大，基本上能保持在設定范圍，噴吹罐重量穩定，有利于噴吹速度的穩定控制。數據表明：采用恒壓法控制，噴吹罐的壓力波動范圍在±0.02 MPa，噴吹過程中噴吹罐與噴吹管道之間的正壓差、噴槍出口的壓力都能維持在穩定的范圍，壓力值波動小，粉劑輸送及噴吹速度穩定。

3 粉末流量調節閥控制邏輯對噴吹穩定性的影響

粉末流量調節閥是安裝在噴吹罐下對噴吹速度進行調節的核心設備，直接影響到噴吹速度控制的穩定性和精度，本項目的粉末流量調節閥為進口設備。根據閥門供貨商提供的控制邏輯，需在調試階段提前測試出閥門在不同開度對應噴吹速度的曲線，將曲線導入控制程序，然后程序再根據操作人員輸入的噴吹速度自動調節到相應的開度。但此控制邏輯在實際應用中的效果并不好，主要是由于每罐鐵水的條件不一樣，物料條件也不一樣，外部條件變化后直接導致曲線的準確性降低，實際噴吹速度與設定速度偏差大，無法滿足生產要求。本項目對閥門開度控制邏輯進行了改進，在原閥門開度與速度曲線的基礎之上，采用了CISDI自主設計的速度動態控制模塊。該模塊可以實現噴吹實時速度與設定速度的實時、自動對比，然后自動對閥門的開度進行動態調整，以保證實際速度與設定速度最大限度的吻合。

數據表明，采用該控制邏輯之后，鎂粉和石灰噴吹速度的控制精度顯著提高，石灰噴吹速度偏差均值為1.63%，噴吹速度控制精度達98.37%，鎂粉噴吹速度偏差均值4.25%，噴吹速度控制精度達95.75%，提高了噴吹速度穩定性。詳細數據見表1。

表1 噴吹速度偏差

噴吹速度控制精度提高之后，系統的噴吹速度能穩定控制，噴吹時間顯著降低。以噴吹100 kg的鎂粉為例，原系統鎂粉的噴吹速度僅能達到7 kg·min-1左右，噴吹時間約14.3 min，改造之后由于速度穩定，噴吹時間約10 min，噴吹時間減少了30 %左右。噴吹時間的縮短也降低了鐵水的溫度損失，根據實際生產數據，改造后每爐鐵水處理前后的平均溫降約26 ℃，遠小于設計保證值。

4 流化、助吹氣體流量對噴吹穩定性的影響

流化氣體經流化裝置使噴吹罐下料口的物料形成氣固兩相流，助吹氣體提高經流化后物料的流動性，使其經過輸送管道、噴槍之后保持一定的速度和出口壓力進入鐵水中。流化氣體流量過小，將造成物料流化態不充分[8]，無法形成穩定的流化狀態，助吹氣體流量過小，則噴槍出口物料速度及壓力減小，容易發生管道及噴槍槍口堵塞。但粉氣比也不能過大，流化氣體流量過大，物料在流化反應室中一直處于懸浮狀態，無法落料，助吹氣體流量過大，噴槍出口粉氣比降低，鐵水噴濺嚴重。因此噴吹過程中，氮氣流量必須與給料強度相匹配[9-10]，合適的流化、助吹氣體流量對粉劑的正常流化、流動、噴槍出口速度、壓力以及鐵水噴濺程度有著直接影響。數據研究表明：對于120 t復合噴吹鐵水脫硫裝置，調整流化、助吹氣體流量在合適的范圍，保持粉氣比在32左右，粉劑流化效果較好，噴槍出口粉劑速度和壓力滿足要求，粉劑輸送管道及噴槍未出現堵塞現象，有效降低了系統故障率。另外噴吹過程中鐵水噴濺較小，提高了生產過程的安全性。

5 結 論

項目改造后，粉劑輸送系統運行穩定，噴吹速度控制精度高，有效解決了原系統存在的噴吹速度小、噴吹時間長、鐵水溫降大、噴吹系統不穩定的問題。對于噴吹系統穩定性的研究得出如下結論：

(1) 噴吹罐與噴吹管道的正壓差控制采用噴吹罐恒壓法，采用恒壓法有利于保持正壓差及噴吹罐質量的穩定，提高噴吹速度控制的穩定性。同時噴吹罐壓力調節次數大幅減少，提高了調節閥門的使用壽命，降低了生產成本。

(2) 粉末流量調節閥的控制邏輯采用開度速度曲線結合噴吹實時速度與設定速度動態比對調整控制模塊進行，可有效降低外部環境變化對噴吹速度的影響，提高噴吹速度的控制精度，數據表明：采用開度速度曲線+實時動態調整模塊控制邏輯后，石灰及鎂粉的噴吹速度控制精度均可達95%以上。

(3)數據表明：對于120 t復合噴吹鐵水脫硫裝置，調整流化、助吹氣體流量在合適的范圍，保持粉氣比在32左右，粉劑流化效果較好，噴槍出口粉劑速度和壓力滿足要求，噴槍未出現堵塞現象，噴吹過程中鐵水噴濺小。