無氟型KR鐵水脫硫劑脫硫效果實驗分析

李德軍 ，王鵬 ，宋吉鎖 ，譚振軍 ，王榮 ，許孟春

（1.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；3.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

在鐵水預處理脫硫過程中，由于KR攪拌法動力性能優(yōu)越，脫硫劑主要采用價格低廉的石灰配加一定量的螢石，脫硫效果比較穩(wěn)定，效率高，而且脫硫劑消耗少，因而在鋼鐵企業(yè)應用廣泛。但脫硫劑中加入螢石后，使用時會釋放出大量的氟化物，從而使KR法鐵水預處理環(huán)節(jié)成為氟污染源，對環(huán)境造成污染。為了消除氟污染，實現(xiàn)“綠色”KR脫硫，有必要進行無氟型脫硫劑的研究開發(fā)。為此，對石灰配加鋁粉的無氟脫硫劑進行了試驗研究，為無氟型KR脫硫劑的工業(yè)開發(fā)應用提供理論支撐。

1 理論分析

目前，KR法鐵水脫硫普遍使用的脫硫劑配料為石灰配加螢石。石灰的主要成分CaO是一種應用時間較長、資源廣、價格便宜、易加工、使用安全的脫硫劑主要原料。其脫硫原理為CaO與鐵水中的 S發(fā)生反應，其反應式如下：

該反應的標準吉布斯自由能為：

式中，T為鐵水溫度，℃。

該反應能否自發(fā)進行可用下式進行判斷。

式中，R 為摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；α、α分別為鐵水中氧和硫的活度，mol/L。

由熱力學原理可知，當ΔG≤0時，反應才能進行。假設鐵水的初始溫度為1 350℃，則通過計算得出：

KR鐵水脫硫時，脫硫產(chǎn)生的［O］與鐵水中的［Si］發(fā)生反應，其反應式如下：

該反應的標準吉布斯自由能為：

鐵水的初始溫度為1 350℃時，反應能自發(fā)進行。脫硫反應生成的SiO與石灰顆粒表面的CaO結合，容易生成高熔點的2CaO·SiO致密層，阻礙了鐵液中的S進一步向CaO顆粒內(nèi)部擴散，降低了石灰脫硫率。為此，通常需要在脫硫劑中添加螢石，通過螢石中的CaF與2CaO·SiO結合生成低熔點化合物，消除高熔點致密層對內(nèi)部的阻礙，從而提高石灰的脫硫率。

在脫硫劑中加入Al后，其中的 Al與式（1）中的［O］結合，不僅降低鐵水中的 α，同時由于其反應過程放熱，還可以補償脫硫過程產(chǎn)生的溫降。石灰中配加鋁粉后，脫硫反應如下：

此外，反應生成的AlO可與CaO形成熔點相對較低且具有很強溶硫能力的3CaO·AlO與12CaO·7AlO液態(tài)反應層，有利于促進脫硫反應進行。

2 實驗研究

2.1 實驗方法

用磨碎機將石灰塊破碎成不同粒徑的粉粒，然后配加與其粒徑相近、一定量的Al粉并混勻備用。將5 kg生鐵塊放入氧化鎂坩堝中，利用感應加熱將其熔化，表1為實驗用鐵水成分。通過改變感應爐的輸入功率調(diào)整鐵液初始溫度，當鐵液溫度達到實驗目標溫度后，將配制的脫硫劑加入到坩堝內(nèi)，并用剛玉棒以100 r/min的轉(zhuǎn)速對其進行攪拌。當反應達到設定時間后，采用石英管取樣，考察攪拌時間、脫硫劑加入量、鋁配比、石灰粒度及鐵水溫度等對脫硫率的影響。

表1 實驗用鐵水成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 1 Compositions in Hot Metal for Experiment（Mass Fraction） %

2.2 實驗結果及分析

2.2.1 攪拌時間的影響

鐵水脫硫過程中，鐵水中的S會不斷地從鐵液中擴散到渣-鐵界面發(fā)生反應，然后反應產(chǎn)物又擴散到渣中，完成鐵液脫硫。過程的反應時間和擴散時間通常是以攪拌時間來表征的，因此，在實際生產(chǎn)中攪拌時間對鐵液脫硫具有很大影響。為了分析攪拌時間對脫硫率的影響，在以Al粉配比為3.5%、粒徑為0.5～1.0 mm的石灰為脫硫劑，鐵液初始溫度為1 350℃、脫硫劑加入量為鐵液質(zhì)量2%的條件下，分析研究攪拌時間對鐵水硫含量的影響，結果如圖1所示。

圖1 攪拌時間與鐵水硫含量的關系Fig.1 Relationship between Stirring Time and Content of Sulfur in Hot Metal

從圖1中可以看出，雖然在18 min的攪拌時間內(nèi)，鐵水硫含量隨著攪拌時間的增加而逐漸降低，但脫硫速率隨時間的變化有所不同。攪拌時間在初始6 min內(nèi)時脫硫速率比較大，達到0.005%/min；6～12 min脫硫速率趨緩，降為0.003 5%/min；隨著攪拌時間的繼續(xù)延長，鐵水中的硫含量不再繼續(xù)降低，脫硫速率接近于零。這主要是由于在初始時刻，脫硫劑的溶硫能力較強，隨著攪拌時間的延長，鐵水中的硫不斷被脫硫劑所吸收，當脫硫劑中的硫含量接近飽和狀態(tài)后，鐵液中的硫不再被其所吸收。由此可知，在脫硫處理過程中，當脫硫劑的溶硫能力達到飽和時，單純依靠增加攪拌時間不能達到繼續(xù)脫硫的目的，因此，必須確定出最佳攪拌時間。在本實驗條件下，最佳攪拌時間為12 min。

2.2.2 脫硫劑加入量的影響

通常認為，增加脫硫劑加入量有利于提高脫硫率。同樣以鋁粉配比為3.5%、粒徑為0.5 mm的石灰為脫硫劑，在鐵液初始溫度為1 350℃、攪拌12 min的條件下，分析了脫硫劑加入比對脫硫率的影響，結果見圖2。

圖2 脫硫劑加入比對脫硫率的影響Fig.2 Effect of Desulfurizer Mixture Ratio on Desulphurization Rate

從圖2可知，隨著脫硫劑加入比的增加，脫硫率也隨之提高；當加入比增至3%時，脫硫率達到最大值80%；繼續(xù)增加脫硫劑加入量則脫硫率反而呈下降趨勢。原因在于脫硫劑加入比在小于3%的范圍內(nèi)增加時，渣量的加入量對鐵水溫降影響較小，對脫硫反應的動力學條件影響不明顯。在此條件下，隨著脫硫劑加入量的增加，脫硫率可以提高。但當脫硫劑加入量超過此范圍時，鐵水溫降增加，反應產(chǎn)物粘度增大，抑制了鐵液脫硫過程中反應產(chǎn)物的擴散，進而導致脫硫反應速率降低，甚至難以進行。

2.2.3 鋁配比的影響

常規(guī)含氟脫硫劑加入到鐵液中后，脫硫劑中的CaO顆粒與鐵液接觸，發(fā)生固-液界面反應，使CaO顆粒形成由外至內(nèi)分別為CaS層、2CaO·SiO層及未反應的CaO層這種三層結構。由前述理論分析可知，在石灰中加入Al后，反應形成AlO，防止原脫硫反應生成的SiO與石灰顆粒中的CaO結合生成高熔點的2CaO·SiO致密層，同時也能生成 3CaO·AlO與 12CaO·7AlO熔點較低的液態(tài)反應層，促進脫硫反應進行。從上述分析可知，通過在石灰中配加鋁粉可以作為KR脫硫劑使用，但在成本方面，鋁粉顯然要比螢石貴得多。為了使其既能滿足生產(chǎn)需要，同時還要滿足成本要求，在鐵水初始溫度相同、脫硫劑加入比為2%的情況下，對不同鋁配比的脫硫劑進行了脫硫率研究，其結果如圖3所示。

圖3 脫硫劑中鋁配比對脫硫率的影響Fig.3 Effect of Aluminum Mixture Ratio in Desulfurizer on Desulphurization Rate

從圖3中可以明顯看出，隨著脫硫劑中鋁配比的提高，鐵水脫硫率也隨之提高，尤其是鋁配比為0～5%時提高幅度比較大。其原因在于加入的Al能夠與反應式（1）中的產(chǎn)物氧結合，促進了反應的正向進行，進而提高了脫硫率。但當鋁配比大于5%后，脫硫率提高幅度大幅減小，趨于穩(wěn)定。對其進行分析認為，當脫硫劑中的鋁與反應式（1）中的產(chǎn)物氧結合生成的AlO進一步與CaO結合形成鈣鋁酸鹽化合物，對脫硫率來說具有雙重影響：一是可以形成低熔點的鈣鋁酸鹽化合物，防止原脫硫反應生成的SiO與石灰顆粒中的CaO結合生成高熔點的2CaO·SiO致密層，促進脫硫反應的進行；二是部分CaO會與生成的AlO結合形成鈣鋁酸鹽化合物，降低了游離態(tài)CaO濃度，使脫硫受到限制。從圖3中可以看出，當鋁配比在0～5%范圍內(nèi)增加時，作用一的影響要遠大于作用二的；當鋁配比高于5%后，作用二的影響更突出，脫硫劑的脫硫效果會受到限制，鐵水脫硫率提高幅度降低，并趨于平緩。

2.2.4 石灰粒度的影響

對于鐵水脫硫而言，其反應屬于固-液界面反應，增大反應界面可促進反應進行。脫硫劑粒度與反應界面息息相關，相同質(zhì)量下脫硫劑粒度越細小，其比表面積就越大，促進反應順利進行。不同攪拌時間情況下，脫硫劑粒度對脫硫率的影響如圖4所示。

圖4 不同攪拌時間下脫硫劑粒度對脫硫率的影響Fig.4 Effect of Desulfurizer Size on Desulfurization Rate under Different Stirring Time

從圖4可以看出，攪拌時間為12 min時，石灰粒度小于0.5 mm的脫硫劑其脫硫效率可達到84%，而粒度為1.0～3.0 mm的脫硫劑其脫硫效率為57%。為了提高脫硫率，根據(jù)試驗結果應盡量將脫硫劑進行細化處理。但實際生產(chǎn)中，過于細化的脫硫劑也有其不足之處。對小于0.8 mm的脫硫劑粒度與脫硫劑使用效率的關系進行了分析，其結果如圖5所示。

圖5 脫硫劑粒度與脫硫劑使用效率的關系Fig.5 Relationship between Desulfurizer Size and Its Utilization Efficiency

由圖5可知，脫硫劑粒度對脫硫劑使用效率有很大影響。在本試驗條件下，脫硫劑粒度為0.25 mm時，脫硫劑的使用效率能夠達到最大值96%；當粒度小于0.25 mm范圍時，脫硫劑的使用效率隨著粒度的增大而提高；當粒度大于0.25 mm時，脫硫劑的使用效率隨著粒度的增大而減小。其原因在于，粒度越細小，單位質(zhì)量的比表面積就越大，能夠促進脫硫劑快速與鐵水反應，可以提高脫硫劑的使用效率。當脫硫劑的粒度減小到一定程度時，部分脫硫劑在加入過程中會被高溫煙氣攜帶到除塵系統(tǒng)管道當中，進而降低了脫硫劑的使用效率。而當粒度增加到一定尺寸后，脫硫劑的比表面積降低，抑制了脫硫劑脫硫反應的進行，也會降低脫硫劑的使用效率。

2.2.5 鐵水溫度的影響

鐵水溫度是影響脫硫速度的最重要因素，無論反應是化學控制還是擴散控制，升高溫度均能改善脫硫反應的動力學條件。不同鐵水溫度對脫硫率的影響如圖6所示。

圖6 鐵水溫度對脫硫率的影響Fig.6 Effect of Hot Metal Temperature on Desulphurization Rate

從圖6可以看出，鐵水脫硫率隨著溫度的升高而升高。從熱力學角度而言，由于脫硫反應為吸熱反應，溫度高有利于反應的進行。從動力學角度而言，溫度高有利于鐵液中的S向渣相中遷移擴散，促進固-液界面反應進行。鐵水的初始溫度在達到1 350℃后，其脫硫率可以達到90%。

3 結論

在本實驗條件下，針對含Al無氟型KR脫硫劑開展了實驗研究，并對其脫硫效果的影響因素進行分析，得出如下結論：

（1）鐵水中的硫含量隨攪拌時間增加而逐漸降低。初始6 min內(nèi)，脫硫速率較大，可達到0.005%/min；6～12 min內(nèi)，脫硫速率趨緩為0.003 5%/min；此后，脫硫速率接近于零。實驗中最佳攪拌時間為12 min。

（2）脫硫率先隨脫硫劑加入量的增加而增加，當脫硫劑加入量為鐵水重量的3%時，脫硫率達最大值80%；大于3%后，繼續(xù)增加脫硫劑加入量，脫硫率呈下降趨勢。

（3）Al配比在0～5%范圍內(nèi)，鐵水脫硫率隨脫硫劑中Al配比的提高而增大，并達到峰值；當Al配比大于5%后，部分CaO會與生成的AlO結合形成鈣鋁酸鹽化合物，降低了游離態(tài)CaO濃度，使脫硫受到限制。

（4）石灰粒度小有利于增大反應界面提高脫硫率，但粒度小于0.25 mm時會有部分脫硫劑隨著高溫爐氣進入除塵系統(tǒng)而流失，降低了脫硫劑使用效率。

（5）增加鐵水初始溫度有利于提高脫硫率，鐵水初始溫度在1 350℃時，脫硫率可達90%。