KR法與噴吹法在鐵水預脫硫中應用的比較
隨著社會經濟和鋼鐵工業的高速發展，社會對鋼鐵質量的要求越來越高、越來越苛刻，產品的種類也急劇增加，尤其是高品質高附加值鋼種的需求不斷在增大。面對鋼鐵市場日趨激烈的競爭，經濟高效的鐵水預處理脫硫，作為現代鋼鐵工業生產典型優化工藝流程：“高爐煉鐵—鐵水預處理—轉爐煉鋼—爐外精煉—連鑄連軋”的重要環節之一，已經被廣泛的應用于實際生產。
近30年來鐵水脫硫技術迅速發展，現已經有十幾種處理方法，其中應用最廣且最具代表性的主要是噴吹法和KR機械攪拌法。它們在技術上都已相當成熟，從兩種工藝在實際生產中的應用效果來看，二者是互有長短。雖然噴吹法發展迅速，目前在實際生產中應用更廣泛，可KR法在這幾年中又有了新發展，呈現出強勁的勢頭。那么，這兩種工藝模式各有什么優劣勢？哪種更具有應用前景呢？在國內外冶金界始終沒有較統一的看法。為此，本文著重就兩種工藝模式的發展、應用和運營成本作了比較，尤其是它們對整個流程影響的比較，希望能對技術人員及企業技術的選擇提供參考。
KR法與噴吹法的工藝及特點
在進行比較前，先了解兩種方法的工藝及特點是很有必要的，不僅有利于理解兩種方法的實質，也是深刻理解對兩種脫硫模式分析比較的前提。
KR機械攪拌法，是將澆注耐火材料并經過烘烤的十字形攪拌頭，浸入鐵水包熔池一定深度，借其旋轉產生的漩渦，使氧化鈣或碳化鈣基脫硫粉劑與鐵水充分接觸反應，達到脫硫目的。其優點是動力學條件優越，有利于采用廉價的脫硫劑如CaO，脫硫效果比較穩定，效率高(脫硫到≤0.005%)，脫硫劑消耗少，適應于低硫品種鋼要求高、比例大的鋼廠采用。不足是，設備復雜，一次投資較大，脫硫鐵水溫降較大。
噴吹法，是利用惰性氣體（N2或Ar）作載體將脫硫粉劑（如CaO，CaC2和Mg）由噴槍噴入鐵水中，載氣同時起到攪拌鐵水的作用，使噴吹氣體、脫硫劑和鐵水三者之間充分混合進行脫硫。目前，以噴吹鎂系脫硫劑為主要發展趨勢，其優點是設備費用低，操作靈活，噴吹時間短，鐵水溫降小。相比KR法而言，一次投資少，適合中小型企業的低成本技術改造。噴吹法最大的缺點是，動力學條件差，有研究表明，在都使用CaO基脫硫劑的情況下，
KR法的脫硫率是噴吹法的四倍。
KR法與噴吹法的發展及現狀
從前面分析二者的方法和特點可以知道，它們互有長短、各具特色，這也決定了它們的發展歷程和現狀必然是不同的。進一步了解它們的發展和現狀，將更有利于理解各自技術的特點。
從時間上來看，噴吹法的研發及應用要早于機械攪拌法。噴吹法主要有原西德Thyssen的ATH(斜插噴槍)法、新日鐵的TDS(頂吹法)和英國謝菲爾德的ISID法，早在1951年，美國鋼廠就已成功地運用浸沒噴粉工藝噴吹CaC2粉進行鐵水脫硫。直至今日，盡管兩種脫硫工藝方法在技術上都已相當成熟，全世界絕大多數鋼鐵廠廣泛采用仍是鐵水噴粉脫硫工藝。機械攪拌法有原西德DO(Demag-Ostberg)法、RS(Rheinstahl)法和赫歇法,日本新日鐵的KR(KambaraReactor)法和千葉的NP法，其中，以KR法工藝技術最成熟、應用最多。KR法攪拌脫硫是日本新日鐵廣鈿制鐵所于1963年開始研究，1965年才實際應用于工業生產，之后迅猛的發展趨勢表明，它具有投入生產使用較早的噴吹法無可比擬的某種優勢。
在冶金工業中噴吹這種形式應用非常廣泛，比如在轉爐及精煉工藝中的各種頂吹、底吹和復吹技術等。當鐵水預處理時，使用噴吹法把脫硫劑加入鐵水中進行脫硫，這顯然是可行的且易于人們接受。最早脫硫劑是以氧化鈣基為主，輔助添加CaC2，而且噴吹過程也很難獲得較好的動力學條件，這時主要面臨兩個問題：一是，如何保證CaC2的安全存貯運輸和脫硫劑的脫硫效果；二是，怎樣解決因動力學不足導致的脫硫效率低下，不能實現深脫硫的問題。
第一個問題側重于開發使用更具有脫硫效率且安全的脫硫劑，于是出現了鎂基復合噴吹法，脫硫效果有所改善卻成效不大，而且鎂粉在運輸、儲存、使用中同樣存在很多的安全隱患，給生產帶來諸多不便。然而，新型脫硫劑——鈍化顆粒鎂的開發成功，使純鎂噴吹脫硫技術得以實現，達到了真正高效安全的工藝目標，目前，鎂系脫硫劑已經成為世界鐵水預處理中的主導脫硫材料。針對第二個問題，如何才能獲得更好的動力學條件呢？從工藝模式著手，技術人員研發出了具有實際應用價值的機械攪拌脫硫法，其中以KR法為典型，在根本上改善了脫硫過程中的動力學條件，并可以在脫硫劑中不加CaC2而主要采用CaO，避免了生產中使用CaC2而帶來的不便和危險。然而，在工業應用時卻又出現許多技術難題，比較突出的如，攪拌頭的使用壽命較短；單工位操作設備導致更換攪拌頭的同時無法進行鐵水脫硫等。可最終這些難點還是被陸續攻破，解決了攪拌頭的壽命問題，使其從原來的幾十爐提高到現在的幾百爐，而且摸索出了氧化鈣基脫硫劑應該有一個最佳的指標要求，可以達到最理想的脫硫效果。目前，KR法已經完全可以達到深脫硫的要求，即把鐵水中的硫脫至小于0.005%-0.001%。同時，雙工位布置形式的出現克服了單工位的不足，使生產的連續化程度得以提高。很長時間，KR法成本問題（尤其是前期投資）加上其過程時間較長，以及不適應于大型鐵水罐，故發展緩慢；直至二十世紀后期，其投資降低后，加上運行費用低廉，所以又受到了重視。
KR法與噴吹法的比較
從鐵水脫硫工藝倍受人們的重視以來，KR法與噴吹法技術一直處于發展之中，目前雖仍需完善可也已趨近于成熟，這樣兩者之間才更具備可比性，本文主要從以下幾文面進行具體比較。
1.技術與設備
在噴吹法中，單吹顆粒鎂鐵水脫硫工藝因其設備用量少、基建投入低、脫硫高效經濟等諸多優勢而處于脫硫技術的主要發展趨勢之一，可在相當長的時間我國都是引進國外的技術和設備。到2002年10月國內才首次開發出鐵水罐頂噴單一鈍化顆粒金屬鎂脫硫成套技術設備，整套裝置中，除重要電器元器件采用進口或合資的外，其余機電產品100%實現了國產化，包括若干最關鍵的技術設備。噴吹技術和設備的國產化直接降低了建設投資和運行操作的成本，從前期的一次性投資來看，要比KR法略有優勢。
雖然攪拌法的技術專利也是國外擁有，可從其設備和技術本身而言并沒有難點，機械構成是常規的機械傳動和機械廠提升；加料也采用的是常規大氣壓下的氣體粉料輸送系統，可以說在系統的機、電、儀、液等方面的技術應用都是十分成熟。盡管如此，KR法設備仍然是重量大且較復雜，可它的優勢是運營操作費用低廉，由此所產生的經濟效益完全可彌補前期的一次性高額投資。根據有關推算，一般3～5年即可收回所增加的投資。2000年武漢鋼鐵設計研究院針對武鋼二煉鋼廠的情況，對KR法和噴吹法兩種方案的投資進行了估算，KR法的投資估算比噴吹法投資估算多200萬元。
2.脫硫效果
實際生產過程中的鐵水脫硫效果，不僅與設備有關，而且受脫硫劑、操作工藝水平、時間及溫度等諸多因素影響，本文主要考慮的是純鎂噴吹法和CaO基KR法。一般對鐵水預處理的終點硫含量要求是不高于50ppm，工廠生產和實驗研究結果表明，噴吹法因其脫硫劑Mg的較強脫硫能力，KR法由于其表現出色的動力學條件，在可以接受的時間內（一般≤15min），它們都能達到預處理要求的目標值。國內各大鋼廠的具體脫硫數據可見表1。在噴吹法中，復合脫硫劑使用CaO比例越高，脫硫效果越差，使用純鎂時脫硫率最高；KR法使用CaO脫硫劑，脫硫率只是略低于噴吹純鎂。
表1 國內各大鋼廠不同預脫硫工藝的比較
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3.溫降
鐵水溫降的消極影響是降低了鐵水帶入轉爐的物理熱，主要體現在轉爐吃廢鋼的能力下降，導致轉爐冶煉的能耗和物料消耗升高，直接影響了冶煉的經濟成本。KR法因動力學條件好，鐵水攪拌強烈，而且CaO的加入量較大，導致溫降也大，目前國內KR法工藝應用較成熟的武鋼可以使溫降控制在28℃左右。相比之下，鎂基的脫硫溫降都比較小（參照表1），主要原因有以下三點：噴吹法動力學條件差，鐵水整體攪拌強度不大，熱量散失少；金屬鎂的脫硫反應過程是個放熱反應；鎂的利用率高，脫硫粉劑加入量少。
4.鐵損
鐵水預處理脫硫過程的鐵損主要來自于兩部分：脫硫渣中含的鐵和扒渣過程中帶出的鐵水。由于兩種工藝模式的不同，實際渣中含鐵和扒渣帶出鐵量都有較大的差別，目前沒有公開發表的詳細對比數據。一方面，較少的脫硫劑產生的脫硫渣少，則渣中含鐵量也低，由此顆粒鎂噴吹脫硫的鐵損要少一些；另外，顆粒鎂噴吹脫硫的渣量少，扒凈率相對低，而KR法的脫硫渣扒凈率相對高。就扒渣的鐵損而言，由于還取決于高爐渣殘留量及扒渣過程，綜合考慮看KR法與噴吹法區別不大。究竟哪個是主要因素，與各鋼廠的實際操作有很大的關系，通過換算，得出具體數據可見表2。可見，噴吹法時，采用脫硫劑的CaO含量越高，則扒渣鐵損越大；而KR法使用CaO作為主要脫硫劑成分，其鐵損只是略高于噴吹鎂脫硫鐵損。
5.脫硫劑
鐵水預處理過程中，脫硫劑是決定脫硫效率和脫硫成本的主要因素之一。根據日本新日鐵曾做的計算，脫硫劑的費用約為脫硫成本的80%以上，所以，脫硫劑種類的選擇是降低成本的關鍵。然而，選擇時必須得結合考慮不同工藝方法的特點。
基于動力學條件和脫硫效率，目前噴吹法主要采用的是鎂基脫硫劑，KR法采用的是石灰脫硫劑。根據理論計算，在1350℃，鎂脫硫反應的平衡常數可達3.17×103，平衡時的鐵水含硫量可達1.6×10-5%，大大高于CaO的脫硫能力。然而，上文已經把兩種脫硫劑在各自工藝中的脫硫效果進行了對比，表明，結合實際生產工藝后它們都能達到用戶對脫硫的最高要求。
在脫硫方式選擇時還要考慮脫硫劑的一個因素，就是脫硫劑的來源問題。一般而言，大部分鋼鐵生產企業都要使用石灰石，要么有自己的石灰廠，要么有穩定的協作供貨渠道，來源穩定，成本穩定，而且供貨及時，不用考慮倉儲問題。雖然我國的金屬鎂資源豐富，可是相對鋼鐵企業來說，獲得攪拌法所需的CaO基脫硫劑更為容易，鈍化顆粒鎂就不具備這些有利因素。
6.運行成本估算、比較
近年來，國內也有少部分學者對單條鐵水預處理脫硫工藝的生產成本做過計算，考慮的主要是粉劑消耗。實際上，生產過程的工藝成本還應包括：鐵損、噴槍或攪拌頭、溫降對廢鋼比的影響等。
由于數據采集有限，加上市場上物料價格的波動，只能做到粗略估算，但其反應出的運行成本趨勢應該是可取的。在計算中，所采用的數據主要引自武鋼發表的文章，因為在國內武鋼是最早采用KR法脫硫工藝，同時又使用噴吹法脫硫工藝的鋼鐵企業，盡量用同一鋼廠的數據會使計算結果更具可比性。由于武鋼數據有限，又參考了不同企業、不同生產線的數據，考慮到技術進步，在估算過程中，各參數一般選取各生產線中耗量最小的數值。估算結果見表2。
表2 脫硫工藝運行成本比較
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比較發現，在噴吹法中，鈍化顆粒鎂的脫硫成本最低；KR法脫硫（CaO作脫硫劑）的脫硫成本比噴吹鈍化顆粒鎂還要低，KR法脫硫在后期運行成本的優勢很明顯的體現出來。
7.對流程的影響
國內對噴吹法和攪拌法的比較，主要偏重于技術和成本等方面，很少提到采用不同脫硫工藝時對后續工藝流程或者整個煉鋼流程的影響。鋼鐵制造流程是一類有不同功能但又相互聯系、相互關聯、相互支撐、相互制約的多種工序和多種裝置及相關設施構成的、工序串聯并集成運行的復雜過程系統。理論上來說，采用不同的脫硫工藝必然對整個流程也有影響。
采用噴吹法脫硫，由于鎂是最強的脫硫劑之一，一般用于深脫硫處理，正是在此過程中存在一些問題，可能影響到流程的緊湊連續性。鈍化顆粒鎂在噴入鐵水后，由于金屬鎂密度小，沸點低，在鐵水中一部分很快氣化，一部分溶入鐵水中，而未溶解的部分浮向鐵水表面的渣中便失去了脫硫能力。實際生產中，大部分鈍化顆粒鎂無法充分反應而滯留到渣中，要深脫硫就得增大脫硫劑的量，一方面造成了脫硫成本的增加，另一方面使得脫硫渣量增多。鎂脫硫渣稀且硫含量高，扒渣難度大，如果扒除不盡就會直接造成轉爐中嚴重回硫，不僅影響轉爐工況，還會給后面的精煉工序帶來壓力。實際生產，鐵水包里的鎂脫硫渣像一層膜分布在液面，不加增稠劑情況下基本無法扒盡；同時，由于噴吹角度的限制及脫硫劑不能下沉等原因，使得脫硫劑始終到不了一部分區域，稱之為死區，當鐵水脫硫操作完成后，死區內鐵水的硫就會漸漸擴散到整罐鐵水中，使得鐵水硫量回升，造成返硫現象，所以國內一般使用噴吹鈍化顆粒鎂只進行限量脫硫。
采用機械攪拌法時，一般使用CaO基脫硫劑，盡管高爐渣堿度對CaO基脫硫劑的脫硫效果影響較大，脫硫前鐵水必須徹底除去高爐渣，否則脫硫效果差，并且脫硫劑的利用率仍需繼續研究加以提高，但其脫硫效果穩定，脫硫渣狀態也有利于扒渣作業。一方面，借助攪拌法的動力學優勢，采用廉價的CaO基脫硫仍能達到穩定的深脫硫效果，從而可減少處理成本投入。另一方面，雖然該工藝產生的脫硫渣量較大，但扒渣凈率相對高，避免扒渣不盡而造成的回硫，順暢了轉爐和精煉工序。對于大型鋼廠大量鐵水處理而言，機械攪拌法基本不存在死區，脫硫高效穩定，比噴吹法更具有流程優勢。
國內外對KR法脫硫的認可度越來越高，尤其是近幾年在大中型鋼鐵企業得到廣泛應用，發展迅猛，噴吹法的技術進展趨于平緩。
通過對兩種脫硫工藝的技術設備、脫硫效果、溫降、鐵損、成本及對流程的影響等多方面的綜合比較，可見KR法在深脫硫、總成本和流程影響方面優勢突出。對于大中鋼鐵企業，從長遠考慮并結合生產實際，KR法鐵水預脫硫應該是更具有深遠價值的選擇。
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