0 前言

铁水脱硫预处理是现代化炼钢生产中不可或缺的工艺优化工序。国内外普遍采用喷吹法和搅拌法(KR法)作为铁水脱硫预处理方法^[1]，后者由于其脱硫动力学条件优越、生产维护成本低而备受青睐^[2]。我国最早的KR脱硫系统为上世纪70年代武钢二炼钢厂从日本引进的搅拌式脱硫装置，而后KR法铁水预处理工艺技术迅速实现国产化^[3-5]。原宝钢集团浦钢公司的KR脱硫实践表明:KR法铁水预处理工艺可以适应COREX-3000的铁水条件^[6]。首钢京唐采用KR机械搅拌方式脱硫，不但脱硫效率高、脱硫剂消耗少，而且处理过程无外来气体吹入，很少发生喷溅^[7]。

新钢第二炼钢厂品种结构与工艺路线多，目前配备2座KR脱硫装置，铁水由高炉一罐制进厂。KR脱硫工序作为中间环节，铁水脱硫率达到70%。KR脱硫集中在深脱硫0.002%以内及脱硫要求达到0.005%以内的入炉铁水。需铁水深脱硫的钢种包括:冷轧深冲钢DC04和DC06系列、冷轧取向电工钢、无取向电工钢、高碳优钢、管线钢以及汽车用钢全系列品种等，为此对KR铁水脱硫工艺提出更高的要求。Kr法所用的脱硫剂通常含有92%石灰配加8%萤石，其中石灰由石灰石煅烧所得。考虑到石灰石具有来源广泛、价格低廉、脱硫能力强等优点^[8]，再结合新钢转炉入炉铁水温度高的特点，新钢第二炼钢厂急需开发出石灰石替代石灰的KR法脱硫新工艺。

1 KR铁水脱硫 1.1 KR脱硫介绍

KR脱硫是运用十字型搅拌头在铁罐里旋转搅拌脱硫的工艺，如图 1所示。主要设备包括料仓、旋转电机、升降臂和搅拌头。KR搅拌脱硫是目前铁水脱硫的主要工艺，KR法脱硫具有设备简单、处理周期短、脱硫效率高，且易于扒渣、不产生喷爆等诸多优点。

1.2 KR脱硫剂

KR脱硫剂主要是活性石灰粉颗粒与萤石粉颗粒按一定比例混匀而成，其参考成分见表 1。

KR铁水脱硫过程主要为脱硫剂中CaO与铁水中的FeS发生如下反应:

(1)

徐建飞等人为探讨KR脱硫渣的脱硫机理^[9]，利用现场取脱硫渣，通过炉渣淬火实验，对渣中矿相组成和硫在渣中分布进行研究与分析。通过统计渣相中CaS相的面积分数，并结合炉渣总的硫含量，得出渣相中的硫主要以单一的CaS形式存在，从理论上证实了反应式(1)为KR脱硫反应的主要机理。脱硫剂根据上述反应在铁水高温搅拌过程中脱硫，根据新钢第二炼钢厂钢种的入炉硫约束，得出KR搅拌12 min能有效将铁水中的硫脱至0.002%以下。

2 石灰石在KR脱硫中的应用 2.1 石灰石在铁水包中的反应

石灰石的化学成分主要为CaCO₃，石灰石在高温880 ℃左右开始分解，其分解化学方程式见式(2)。

(2)

石灰石高温分解产生大量的CO₂，CO₂高温下可与铁水中的C反应生成CO，见反应式(3)，同时高温的CO与铁水罐上部自由空间中的少量氧气发生燃烧反应，见反应式(4)。

(3)

(4)

反应式(2)与式(3)属于吸热反应，反应式(4)属于放热反应。根据上述反应式(2)与式(3)，石灰石可作为铁水降温的原料，同时反应式(4)是挥发出铁包口的高温CO与空气中的氧气进行反应，不会对铁水产生明显的加热效应。

因此根据上述原理分析，在KR铁水脱硫中使用石灰石代替石灰时，会对铁水产生降温与脱硫的双重效果。

2.2 石灰石在KR脱硫中的试验

新钢第二炼钢厂70%的钢种需要铁水脱硫处理^[10]，主要品种有IF钢系列、无取向冷轧电工钢系列、高品质优钢系列等。铁水由高炉铁水一罐制入转炉冶炼，铁水温度高，图 2 为铁水到KR脱硫站的温度分布直方图。

图 2中铁水平均温度1416 ℃。该温度铁水相对于转炉冶炼热量富余，造成转炉冶炼操作难度增大。到站铁水温度偏高的特点有利于开发出石灰石替代石灰的KR脱硫新工艺。新工艺在保证铁水脱硫效果的前提下，要求铁水温度在1380 ℃以上，石灰石加入量在500～1000 kg。

3 结果对比与分析 3.1 脱硫试验对比

试验进行“单一KR脱硫剂”与“石灰石+KR脱硫剂”脱硫效果对比分析。试验取3组高温铁水脱硫，其脱硫铁水条件、脱硫剂加入量、搅拌时间与转速条件均相同，见表 2。

从表 2中可以看出，在高温铁水条件下加入石灰石后，脱硫与温降效果显著，其中单硫耗的含义为铁水中w(S)每降低一个千分点脱硫剂的消耗量(kg/S)。由表 2可知，随着石灰石用量的逐渐增加，单硫耗由66.7 kg/S分别降至35.7 kg/S和24.0 kg/S，脱硫率也显著提高，说明石灰石加入后，可以有效地提高脱硫率。

分别取3组试验脱硫后的渣样照片进行对比，渣样形貌见图 3(a)，图 3(b)，图 3(c)。图 3(a)为1号脱硫试验的渣样，图中的渣样明显结块，结块颗粒达到20 mm左右。图 3(b)和(c)为加入石灰石的试验组序渣样照片，照片中颗粒较小，渣样细化效果更好。可见渣化效果与脱硫效果呈对应关系，符合渣金界面反应原理。

3.2 扩大试验效果

在初步试验取得较好效果后，我们进行了扩大试验，在KR脱硫站继续扩大石灰石替代部分脱硫剂的范围。对扩大试验的结果进行归纳总结，比较使用与未使用石灰石的脱硫剂单耗，见图 4(a)，图 4(b)。由图 4可以看出，脱硫剂单耗的均值由0.317 kg/(S·吨铁)降至0.215 kg/(S·吨铁)，表明加入的石灰石有效地取代了原脱硫剂中的CaO。

比较在KR脱硫中使用与未使用石灰石时的铁水温降情况，见图 5(a)和图 5(b)。由图 5可以看出，原工艺温降的平均值是44.0 ℃，新工艺执行后，铁水温降的平均值是53.7 ℃。这为高温铁水后续进入转炉冶炼创造了有利条件。

3.3 经济效益对比

KR铁水脱硫中扩大使用石灰石新工艺后，脱硫剂使用量明显减少。图 6是2013—2017年各月的脱硫剂消耗分布图，图中X轴表示年份，Y轴为脱硫剂月平均消耗量。由图 6可知，2013年为未应用石灰石时脱硫剂使用量，平均为2101 t/月;2014—2017年为使用石灰石后月平均脱硫剂量，分别为1171 t/月、1117 t/月、1110 t/月、1132 t/月。

图 7是2013—2017年KR脱硫工序中各月石灰石的消耗量，其中2013年未使用石灰石，2014年以后石灰石使用量基本维持在600 t/月左右。2014—2017年平均月使用石灰石量分别为668 t/月、578 t/月、614 t/月、632 t/月。

使用石灰石脱硫前后的脱硫成本见表 3。其中脱硫剂成本为897元/t，石灰石成本为48元/t。

从表 3中可以看出，使用石灰石脱硫后，脱硫吨铁成本从7.8元/t降至5.3元/t，脱硫剂单耗也大幅下降。

对KR使用石灰石脱硫前后年效益对比，其中2013年未使用石灰石脱硫，而2014—2017年使用了石灰石脱硫，两者比较见表 4。

此外，石灰石应用在KR铁水脱硫工艺中能降低入炉铁水温度，减少铁水富余热量对转炉冶炼的影响。因为转炉入炉铁水热量富余时冶炼温度控制困难，易产生喷溅，出现渣量大、终点残锰低以及钢水收得率低等不利影响。因此，综合考虑石灰石降温对转炉冶炼的有利因素，成本节约远超上述计算值。

4 结论

KR法铁水预处理工艺中在应用石灰石替代石灰后，脱硫剂单耗的均值由0.317 kg/(S·吨铁)显著降至0.215 kg/(S·吨铁)，铁水平均温降为53.7 ℃，为后续转炉冶炼创造了有利条件，且石灰石来源广泛、价格低，有着显著的经济效益和社会效益。