1、铁水预处理的意义

当今钢铁工业仍然是以高炉转炉长流程工艺为主流，钢产量约占总产量的70%，但其工艺在不断发展，随着分步炼钢的出现，转炉炼钢工序已分解成铁水预处理、转炉冶炼、炉外精练三个阶段，将炼钢的各种化学反应由过去在一个转炉内进行而分解到三个阶段来完成，各种化学反应在其最佳的条件下进行，结果是提高了生产率，降低了生产成本，获得了质量更加纯净的钢，满足了各种工业对钢质的更高要求。

铁水预处理除特殊要求脱硅脱磷或提取一些特殊元素如钒钛和铌外，一般主要是对铁水脱硫。铁水在进入转炉冶炼前进行脱硫具备最佳的反应条件，因为：

1)铁水中含有大量Si、C、Mn等还原性好的元素，其还原性有利于脱硫反应，(强脱硫剂Ca、Mg等烧损少);

2)铁水中C、Si能大大提高S在铁水中的活度系数，致使硫较易脱到低的水平;

3)铁水中氧含量低，硫的分配系数相应有所提高，有利于脱硫;

4)在铁水预处理脱硫过程中，铁水成分的变化比炼钢或钢水处理过程中钢水成分的变化对最终钢种影响要小;

5)铁水处理温度较低，对处理装置的寿命有利。

此外，铁水炉外脱硫可以减轻高炉的负荷，降低焦比，减少渣量和提高生产率。国外一些钢铁厂的经验证明：高炉铁水炉外脱硫，则高炉渣碱度可以从1.25降至1.06，焦比降低36kg/t铁，生产率提高13%，铁水炉外脱硫费用仅占低碱度运行所节省费用的83%，其费用约为3.65美元/t铁，吨铁还能节省0.8美元。

同时对转炉炼钢也是有利的，使用低硫铁水不需要大量加入石灰，不需造高碱度渣从而减少了渣量，高炉低碱度渣操作还降低了铁水中的Si含量，也进一步降低炼钢的碱度和渣量，节省了造渣剂用量，节省了吹氧量并获得平稳的吹氧操作，所有这些都最终导致炼钢过程金属收得率的提高，与传统炼钢操作相比，钢渣碱度可以从4降到3，石灰加入量减少20kg/t钢，渣量减少25kg/t钢，金属收得率提高约0.6%，吨钢节省成本总计3.41美元。

工业技术的发展，对钢质要求越来越高，尤其对钢中硫含量要求特别严格，钢的性能在硫含量0.013%处是一个拐点，一些高性能的纯净钢要求硫含量要降到0.01%-0.001%以下，这个脱硫任务主要靠铁水预处理来完成。由于技术上(质量)和经济上(成本)的原因，在当今传统的高炉转炉冶炼工艺中，铁水预处理脱硫已普遍成了一个必不可少的工序。世界主要产钢国家长流程中铁水预处理比例早巳达到90%-100%，在2000年全国炼钢连铸生产技术工作会议上，对炼钢连铸工艺优化提出了明确目标，铁水预处理比例2000年要达到25%，2001年达到30%，2005年要超过50%，也就是说全国大多数长流程钢铁厂在最近若干年内都要上铁水预处理设施。那么上什么样的铁水预处理设施才能达到处理效果好、操作简便、设备简单、环保条件好而且投资又最省呢?这就需各厂结合实际认真研究。

2、铁水预处理的最佳工艺是喷吹工艺，而脱硫剂是纯镁粒最好

铁水预处理脱硫的方法多种多样，但现在普遍采用喷吹法，因为这种工艺设备简单、运行成本低、处理时间短、处理能力大、反应效率高以及易于控制等，特别适应转炉冶炼的生产要求。

现在的问题是选择什么脱硫剂最好?过去普遍采用钙系脱硫剂，即CaO+CaF2十C或CaO十CaC2十CaF2。至于镁，人们早就认识到镁是一种很强的脱硫剂，镁进入铁水后立即汽化并与铁水中的硫产生化学反应，反应区流体搅拌强烈，脱硫反应的动力学条件比其他方法单纯固液两相反应条件要好，从热力学角度看，镁和硫在铁水中的溶度积随温度下降而下降，所以处理后铁水在运送过程中还有二次脱硫作用，镁可以防止铁水回硫。但是由于其价格昂贵和易燃易爆的化学特性，一般不敢问津。早期曾经将镁制成镁焦、镁铝、镁白云石等以块状物加入铁水中，近年来又开发了喂丝法，都取得了很好的脱硫效果，但在大规模铁水预处理工艺中并未得到广泛应用。

20世纪70年代，原苏联乌克兰亚速钢厂采用喷吹法将纯镁粒喷入铁水罐中脱硫获得成功，到了20世纪80年代，技术发展对钢的纯净度要求越来越高，人们又注意到镁的高效脱硫功能，镁剂喷吹脱硫开始兴起。在西方，由于已建了大量喷钙系粉剂脱硫的铁水预处理设施，不可能拆除另建，但为了满足对钢质愈来愈高的要求，一般都是在原有的喷吹系统上增设镁粒喷吹罐，与原有的粉剂配合使用，按脱硫程度的不同调节镁的加入比例和方式，或将镁粒以一定比例混入钙系粉剂中仍利用原有的喷吹系统进行喷吹，形成所谓复合镁脱硫喷吹工艺。

铁水预处理喷吹法现有三种工艺：钙系脱硫剂工艺、复合镁脱硫剂工艺和纯镁粒脱硫剂工艺，其中复合镁工艺是从钙系脱硫剂工艺中演化而来的，就其工艺方法和工艺设备而言两者没有区别，但由于使用的脱硫剂不同效果却大不一样，尤其对于铁水深脱硫([s]≤0.005%)来说钙系脱硫剂就显得力不从心，即使勉强达到，也是以大消耗量、大渣量、更长的处理周期和铁水更大的温度损失及金属损失为代价得来的，长的处理周期和过高的处理成本使钙系脱硫剂在铁水深脱硫领域基本被淘汰。而复合镁脱硫剂则能满足铁水不同程度的脱硫要求，处理周期短，综合成本低，因而得到广泛采用。然而复合镁脱硫剂工艺与纯镁粒脱硫剂工艺相比又逊一筹，纯镁粒脱硫剂工艺脱硫剂消耗最少，载气耗量最小，产生的渣量和烟气量也最小，不产生毒害物质，处理周期最短，铁水温降最小，金属损失亦最少，操作更简便，脱硫深度是其他方法所不及的，不论“深脱硫([s]≤0.005%)或“浅脱硫”([s]≤0.02%)其综合成本都是最低的。乌克兰方面曾把纯镁脱硫工艺与美国、德国采用的复合镁剂脱硫工艺的技术经济指标进行了比较，比较条件是同样处理100t铁水，铁水原始含硫量为0.040%，其结果如表1。

从表1可以看出，纯镁喷吹比复合镁喷吹其镁的利用率要高10%-15%，而喷吹成本降低了1.01-1.57美元/t铁水。武钢一炼钢厂平改转投产初期铁水预处理采用的是复合镁喷吹工艺(原工艺)，后来又改为纯镁喷吹工艺(新工艺)，他们对这两种工艺的对比曾发表在“2002年全国炼钢连铸生产技术会议文集“中(P.64-P，67)，比较结果如表2。[next]

通过考核工艺处理62罐铁水与原工艺相比，新工艺脱硫剂单耗降低，处理工序时间缩短，N2消耗减少，有效降低了铁水脱硫生产成本。

对复合镁工艺和纯镁工艺的化学反应机理仍在研究中，现在对这两种工艺还存在不同的认识，但从国内外的生产实践中仍能看出纯镁喷吹工艺越来越引起重视，国内一些钢铁厂前几年引进的一批复合镁脱硫喷吹装备近年来纷纷改造成纯镁喷吹就值得我们思考;

此外在纯镁喷吹的诸多优势中尤其突出的是该工艺设备简单，装备重量轻，工程量不大，工程投资在相同条件下比其他喷吹法低约40%，所用镁粒可直接从专业生产厂购得而省去了粉剂加工系统，所以近来在铁水预处理新建或改造工程中都特别受到青睐。根据有关报道，目前国内已有七、八家钢铁厂上了铁水纯镁喷吹脱硫设备，处理能力已超过1000万t/a，还有一些厂家(包括已上了复合镁喷吹设备的厂家)正在酝酿上铁水纯镁喷吹脱硫设备。

3，纯镁粒喷吹脱硫技术及其展望

纯镁粒喷吹技术的核心是要在要求的时间内向铁水喷入规定的镁量，达到要求的脱硫值而不产生喷溅。这就要求控制好供气强度，所谓供气强度就是向1吨铁水1分钟喷人的气体量(Nm3/t·min)，一般铁水预处理的供气强度为0.03 Nm3/ t·min，但在喷吹镁粒时要把镁汽化产生的气体量计算在内。

为了保证喷吹过程的稳定性和喷口的畅通，宜采用高压喷吹，即喷嘴出口压力要高于喷嘴出口处的临界压力，在以氮气为载体的铁水预处理条件下，喷吹镁粒的临界压力约为喷口外部压力(铁水静压力+大气压力)的1.7倍。低于临界压力喷吹时，铁水的波动使喷口处的压差△P处于不稳定状态，可以搅乱整个供气系统不能稳定，即出现脉冲现象，甚至造成喷口或系统堵塞。高于临界压力的喷吹，流股不受外界△p的干扰，因而能实现无脉冲的稳定喷吹。

理论计算气泡在铁水中的上浮速度随气泡直径增大而加快，以喷枪插入深度2.65m为例，若气泡直径为0.2-5cm范围，其上浮时间在5-23s之间，即使有汽化室也只能延缓0.5s时间，生产实践中镁的有效利用率仅为50%—60%，可见铁水深度的影响至关重要，为了提高镁的利用率，喷枪插入铁水的深度应在2m以上，即铁水罐容量不应小于65t。

镁作为脱硫剂的最佳反应温度范围在1200℃-1400℃之间，随着温度升高其脱硫效率随之下降。铁水纯镁喷吹脱硫操作的最佳流程位置应在转炉兑铁水罐中，铁水来自混铁车或混铁炉，兑铁水前先向罐底加入一定量的碎石灰和碎焦碳，铁水装入后在表面形成覆盖层，作为反应产物Mes的吸附剂，喷吹结束，扒除覆盖渣，铁水便可兑入转炉。选择这一流程位置的最大优点是可以根据转炉冶炼钢种确定铁水的脱硫值，借助喷吹设备的专家系统给出喷镁量，便可精确获得质量符合要求的铁水直接供给转炉。

在设备安装就绪后，通过热试过程调准各种参数，正常生产时参数不用再调，只要给出一罐铁水的重量、成分、温度和处理后的硫含量，便可自动完成喷吹过程，铁水脱硫程度不同，所喷镁量不同，最终只反应在喷吹时间的长短上，所以喷吹操作的控制非常简单。

我国要从钢铁大国过渡到钢铁强国，必须加快钢铁工业的结构调整，推进品种、工艺、装备的快速优化，以满足二十一世纪对钢质的更高要求，担负主要脱硫任务的铁水预处理是其重要一环，而镁作为高效脱硫材料必将成为脱硫剂的主流。国外用于钢铁脱硫的镁每年有5万多吨，占镁消费总量的14%以上，近几年以5.1%的速度增长，在所有镁的消费领域中增长速度仅次于铸件。我国镁资源非常丰富，多年来镁出口量居世界第一位，所以我国钢铁工业采用镁作为脱硫剂的前景是很广阔的，由于纯镁喷吹技术的诸多优点，在铁水预处理领域必将成为首选。国内采用纯镁喷吹工艺的厂家现在大都是购买乌克兰的专有技术，也有个别厂家是自主开发的，其基本原理都是源于喷射冶金技术，只不过在设备配置上各有各的专利，随着对纯镁喷吹技术的安全性不再心存疑虑而使该技术不断得到推广，相信今后还会涌现出更多各具特色的纯镁喷吹设备和技术。