鐵水預處理脫硫系統工藝設備技術改造

朱欣林，劉 威，趙 濱

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司長材事業部，安徽馬鞍山 243000）

前言

硫元素是鋼中常見的雜質元素，對鋼材的性能有諸多影響，不僅容易造成鋼的熱脆現象，還會對鋼材的力學性能、抗侵蝕性能和焊接性能造成影響，所以在生產過程中需要對其進行控制。鐵水預處理是對鐵水進行預脫硫的重要手段，目前主要有攪拌法（KR 法）和噴吹法兩種工藝方法，其中噴吹法又分為單噴金屬鎂和混噴石灰加鎂粉的復合噴吹法，兩種工藝在技術上都已經相當成熟［1］。

馬鋼長材事業部煉鋼一分廠（以下簡稱煉鋼一分廠）配有2座鐵水預處理站：1#鐵水預處理系統采用混噴石灰加鎂粉工藝，2#鐵水預處理系統采用單噴金屬鎂粉工藝。

在實際使用過程中，2#鐵水預處理站單噴鎂粉的工藝方式運行不穩定，噴吹效果不理想，脫硫過程中反應強烈并常伴有較大噴濺，不僅制約鐵水預處理的效率，還對設備運行的穩定性和人員安全性造成影響，需要對其進行技術改造。

1 脫硫工藝分析

1.1 單噴鎂粉脫硫工藝簡析

單噴鎂粉型鐵水預處理工藝是用氮氣輸送鎂粉，通過噴槍將鎂粉噴入鐵水罐，鎂粉與鐵水進行反應，達到脫硫的目的。此設備運行時純鎂粉與鐵水會產生劇烈反應，并且由于鎂粉本身的流動性較差，使得鎂粉在管道內輸送時的速率不均勻，常出現鎂粉間斷性流量較大現象。以上問題疊加，經常導致噴槍末端發生噴爆現象，造成較大規模鐵水噴濺，故障率高，鐵水損耗大。

1.2 混噴石灰加鎂粉脫硫工藝簡析

混噴石灰加鎂粉鐵水預處理工藝是用氮氣輸送流態化的石灰粉和鎂粉混合物，使混合物進入鐵水內部進行脫硫造渣。混合了石灰后，鎂粉純度下降，且以流動性能優良的流態化石灰為輔助輸送鎂粉，輸送速率更加穩定，反應更加平穩。相比之下，混噴石灰加鎂粉工藝方式脫硫過程更加穩定，更有利于現場的生產順行。混噴石灰加鎂粉鐵水預處理工藝流程簡圖見圖1。

圖1 混噴石灰加鎂粉鐵水預處理工藝流程簡圖

2 熱力學條件分析

采用單噴鎂粉進行鐵水預處理時，Mg元素與鐵水中的S 元素發生反應，生成MgS，達到脫硫的目的［2］。

當采用混噴石灰加鎂粉進行鐵水預處理時，由于鐵水中存在石灰（CaO），在鐵水溫度條件下，S 元素與Ca 元素的親和力比S 元素與Mg 元素的親和力更強，所以生成的MgS 會進一步與CaO 反應生成MgO與CaS，即脫硫的最終產物是MgO與CaS［3］。

采用單噴鎂粉進行鐵水預處理時，脫硫反應的產物是MgS；采用混噴石灰加鎂粉進行鐵水預處理時，脫硫產物是更穩定的CaS［4］。相比較之下，混噴具有更穩定的鐵水深脫硫效果，且由于鈍化鎂粉價格相對高昂，所以采用混噴工藝還能夠降低生產成本。

3 設備改造升級及自動控制

經過對兩種預處理工藝方式的對比分析，決定對2#鐵水預處理站單噴鎂粉脫硫工藝進行改造，將其改成鎂粉加石灰混噴的脫硫工藝，完成國產化的混噴型鐵水預處理系統。

3.1 設備升級改造

為最大限度節約升級改造成本，本次設備升級改造并不是推倒重建，而是在充分利用原設備基礎的前提下，進行重新設計與優化，大幅節約改造成本并縮短改造工期。

（1）設計了噴槍安裝過渡結構，在不改變原噴槍升降設備的前提下，實現混噴型噴槍快速更換。

（2）設計了鎂粉與石灰原料大倉Y型分支結構，利用原有進口一站大倉，單獨增設小罐分配器，直接旁路分支鋪設安裝相應調節閥、控制器、噴吹管等設備。

（3）根據混噴工藝，進行工藝設備國產化選型，充分選用國產設備代替進口設備，降低改造成本，整體系統升級，國產化備件使用率達到95%。

（4）原先兩套脫硫的液壓站分布在相應的扒渣操作間，造成扒渣間空間位置狹小，且扒渣機回轉軸承因空間布局限制，無法快速檢修，一旦發生回轉故障，需花費數日進行平臺拆除方可進行檢修。本次改造將扒渣間液壓站移位，上、下平臺貫通，增設龍門橫梁，設置活動蓋板，這樣在扒渣機回轉結構出現故障時，打開活動蓋板，利用龍門橫梁吊裝提升扒渣機后，即可直接進行在線修復，為今后設備檢修維護帶來便捷。

3.2 自動控制系統改造

根據混噴型工藝要求，原單噴型設備需要進行更新改造。為節約成本，充分研究原有基礎可利用率，最終僅將噴槍座和舊鎂粉倉進行了拆除，整個噴槍升降傳動裝置程序改進后繼續使用，增建鎂粉分配器和石灰分配器，根據空間布局采用大弧彎鋪設噴吹管路，減少輸送阻力，根據總體的升級改造設計方案要求，結合現場的實際需求和經驗積累，建立趨于完善的國產設備模型及工藝操作模型，實現國產化升級改造。

（1）基礎網絡架構：采用西門子Profibus-DP 網絡實現CPU、噴槍變頻器、ET-200M 遠程站之間的通信，2 臺操作員工作站通過工業以太網與PLC 系統實現通信。

（2）噴槍自動控制：采用S120 變頻器對噴槍電機進行變頻控制，設置1只噴槍位置編碼，用于噴槍槍位檢測和高低速以及行程控制。

（3）鐵水車自動控制：采用SEW 變頻控制，站內和站外分別設置減速限位和到位限位，用于鐵水車的準確定位和到位停產控制。鐵水車利用車體油缸可以實現傾翻操作。

（4）加料和噴吹料位控制：從大倉往2#站進行加料控制，通過1#站石灰和鎂粉大倉的料位信息，控制2#站分配器罐的加料。噴吹過程中對石灰和鎂粉分配器重量設置最低重量保護。分配器往噴吹管道下料采用孔板結構，為防止孔板堵料，對孔板增加自動吹掃控制。部分加料控制程序見圖2。

圖2 加料控制程序（部分）

（5）噴吹自動化控制：輸入進站鐵水溫度、鐵水重量、鐵水進站硫含量、出站目標硫含量，在HMI 中點擊計算后，系統將自動計算出脫硫所需的鎂粉量。在一鍵下槍噴吹控制邏輯中，石灰下料的速率值參與聯鎖提槍，當噴吹完所需要的鎂粉數量后，噴槍自動提槍至等待位，進行5次脈沖模式吹掃后，再自動提到最高位完成本爐鐵水的脫硫噴吹。部分噴吹控制程序見圖3。

圖3 噴吹控制程序（部分）

3.3 改造后工藝參數調試

系統設備建設完成后進入調試階段，根據前期計算出的輸送氣體壓力和噴槍出口壓力數據進行調試，制定初調和終調方案。初調時采用空罐噴吹，分別按照單吹石灰、單吹鎂粉、混噴鎂粉加石灰的步驟逐步進行調試。檢查空罐混噴時的走料平穩性滿足要求后，進行滿罐調試，此為終調即正常生產狀態的調試。帶載荷后的數據進行了部分調整和修正，完成關鍵核心參數氮氣主輸送進口壓力、噴槍出口壓力、石灰分配器壓力、鎂粉分配器壓力以及噴槍高度的工藝技術指標數據。在噴吹主管道為DN25 的條件下，各參數工藝技術指標數據為：氮氣主輸送進口壓力為1～1.2 MPa，噴槍出口壓力為350 kPa，石灰分配器壓力為340 kPa，鎂粉分配器壓力為320 kPa，噴槍高度為距罐底300～500 mm。經過1個月的試運行，混噴壓力穩定，現場噴吹過程中金屬反應平穩，給料均勻無噴濺，脫硫效果滿足工藝技術要求。

4 實際應用效果

4.1 設備運行情況

改造后的2#鐵水預處理站已投入運行1 年，與1#鐵水預處理控制系統相比更加簡單。通過對調節閥的持續優化，使石灰與鎂粉分配器氮氣設定壓力與實際壓力差值控制在±5 kPa 以內，石灰和鎂粉分配器的設定壓力與實際壓力對比情況見圖4。從圖4 可以看出，整個噴吹過程壓力穩定。改造后設備運行平穩且故障率低，取得的效果超出了預期目標。

圖4 分配器設定壓力與實際壓力對比圖

4.2 脫硫效果對比

2#鐵水預處理站由單噴鎂粉改造成混噴鎂粉加石灰工藝對鐵水進行脫硫后，脫硫效率更快、效果更好，改造前、后鐵水脫硫數據對比見表1。

表1 改造前、后鐵水脫硫數據對比

由表1可看出，改造前、后相關技術數據對比差別較為明顯，采用混噴鎂粉加石灰工藝使得脫硫后鐵水中S含量更低，比單噴鎂粉時降低了25%，每罐鐵水處理周期減少3 min，同時鎂粉用量也減少了0.07 kg/t鐵，分廠每月鐵水處理量約4.5 萬t。按照目前鎂粉價格34 000 元/t，流態化石灰價格1 000 元/t計算，則改造后每年降低脫硫劑使用成本47.52 萬元；同時由于改造后脫硫過程平穩，處理過程中可減少鐵水噴濺量7.5 kg/t鐵，按照差價200 元/t鋼計算，每年可創造效益81 萬元，則改造后每年可創造效益128.52 萬元。

5 結論

改造后的2#鐵水預處理站操作簡單、運行穩定，能夠滿足現場生產的需要。

（1）實現了由單噴鎂粉脫硫向混噴鎂粉加石灰脫硫工藝的轉變，操作控制系統更加簡單，噴吹過程壓力更加穩定，設備運行平穩且故障率低，設備維護成本降低，取得了較好效果。

（2）采用混噴鎂粉加石灰工藝，脫硫后鐵水中S 含量更低，每罐鐵水處理周期減少，鎂粉用量降低，節約了脫硫成本。