萬雪峰

（鞍鋼集團鋼鐵研究院海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室，遼寧 鞍山114009）

除易切削鋼、硅鋼、焊絲鋼等少數(shù)的幾個特殊目的鋼種外，大部分鋼材都把硫視為有害雜質(zhì)元素。硫不但影響鑄坯內(nèi)部及表面質(zhì)量，而且嚴重影響終端使用性能（熱脆、抗氫致裂紋、抗低溫沖擊等性能）。 硫與其它元素（C、Si、Mn、P 等）不同，無法通過轉(zhuǎn)爐氧化去除，因此，爐外脫硫就顯得尤為重要。爐外脫硫又分為鐵水脫硫和精煉脫硫，其中鐵水脫硫不但可以適量減輕高爐壓力，而且還可利用高爐鐵水天然的還原性（高硅、高碳）直接脫硫，而精煉脫硫用于轉(zhuǎn)爐氧化鋼水（傳統(tǒng)流程），需要額外創(chuàng)造一個還原性氛圍 （先脫氧再脫硫），所以，鐵水脫硫是現(xiàn)代傳統(tǒng)煉鋼生產(chǎn)流程，即鐵水預(yù)處理—轉(zhuǎn)爐冶煉—爐外精煉—連鑄工藝路線上的第一個重要環(huán)節(jié)。

1 鐵水脫硫技術(shù)的發(fā)展

鐵水脫硫的歷史最早可以追溯到1877年英國人在高爐鐵水溝脫硫。發(fā)展至今的100多年中，全世界各國的冶金工作者不斷開發(fā)出新的脫硫方法及裝備，脫硫劑種類及脫硫的位置也在不斷衍變[1-5]。國外鐵水預(yù)處理工藝技術(shù)發(fā)展歷程如表1所示。這些方法有兩個共性：都使用固體脫硫劑、脫硫劑必須與鐵水混合。因理念及方法不同，其差異主要有兩點：脫硫劑的特性和脫硫劑的利用效率。我國正式用于工業(yè)生產(chǎn)的鐵水脫硫技術(shù)是1976年武鋼引進的新日鐵KR法，之后各大鋼廠根據(jù)自身的需求分別從美國、烏克蘭等國引進噴吹單顆粒Mg及混合噴吹Mg+CaO等技術(shù)。國內(nèi)鐵水預(yù)處理工藝技術(shù)發(fā)展歷程見表2所示。經(jīng)過四十多年的消化、吸收，到再創(chuàng)新，鐵水脫硫技術(shù)已經(jīng)完成了從單純引進到自主創(chuàng)造的蛻變。

表1 國外鐵水預(yù)處理工藝技術(shù)發(fā)展歷程

表2 國內(nèi)鐵水預(yù)處理工藝技術(shù)發(fā)展歷程

2 脫硫劑的衍變

因?qū)﹁F水脫硫的理念及所得資源難易不同，導(dǎo)致所采用的脫硫劑種類及方法也不相同。盡管脫硫材料很多，但從資源、市場價格、脫硫效率及環(huán)境要求等綜合因素考慮，最終被鋼鐵企業(yè)篩選應(yīng)用的主要脫硫劑有 CaC2、Na2CO3、Mg及 CaO。

2.1 CaC2

CaC2俗稱電石，在自然界中不能單獨存在，需人工合成，因此在價格上它沒有自然材料的優(yōu)勢。CaC2脫硫能力非常強，理論上鐵水1 350℃時，與其相平衡的硫含量可以達到0.000 49%，實際使用時也可以達到0.001 0%。為提高CaC2的利用率，有時配加10%左右的促進劑 （CaO3、MgCO3、C粉等），利用促進劑受熱分解產(chǎn)生CO2強烈攪拌熔池，改善CaC2脫硫的動力學(xué)條件。盡管CaC2脫硫效率高，但由于材料本身需加工合成，價格相對昂貴，運輸儲存需嚴格密封，防止吸水生成乙炔發(fā)生爆炸，使用時污染大，因此，在日益嚴格的環(huán)保要求下，曾經(jīng)盛行一時的CaC2現(xiàn)在已鮮見應(yīng)用。

2.2 Na2CO3

工業(yè)蘇打Na2CO3因其高效的脫硫能力及同時具有一定的脫磷能力，曾經(jīng)是重要的脫硫劑備選材料。一般認為，在1 300℃的鐵水環(huán)境下，Na2CO3分解成Na2O，由Na2O完成脫硫任務(wù)，生成Na2S，化學(xué)反應(yīng)如下：

理論計算顯示，Na2O的脫硫能力是CaO的幾千倍。雖然由于高溫下Na2O氣化有一定的損失，但實際仍然比CaO大十幾倍。但蘇打脫硫時易產(chǎn)生回硫現(xiàn)象，硫含量很難達到0.005%以下。同時，蘇打分解吸熱，對于200 t的鐵水罐，蘇打消耗量為30 kg/t時，溫降約150～200℃。另外，使用過程中會產(chǎn)生大量煙霧，煙塵中80%以上為Na2CO3[6]。因此，盡管Na2CO3同時具有脫硫、脫磷的特性，但因為溫度損失大、環(huán)境污染嚴重等原因，現(xiàn)已不提倡使用。

2.3 Mg

金屬Mg具有極強的脫硫能力，1 350℃時，與其平衡的硫含量可達0.001 6%，而且脫硫渣量小，溫度損失少。關(guān)于Mg的脫硫機理及產(chǎn)物的研究在相關(guān)文獻[7-10]中均有論述，本文選取最廣泛的認知。一般認為，MgS以固態(tài)析出，活度可視為1。鈍化Mg技術(shù)很好地解決了貯藏和運輸問題，使以Mg為核心的多種脫硫工藝發(fā)展快速，尤其Mg顆粒加CaO粉或CaC2粉的復(fù)合噴吹工藝得到普遍接受。但Mg不但價格昂貴，而且脫硫后渣稀量少，不易徹底扒除，易導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐“回硫”現(xiàn)象。另外，Mg的熔點只有650℃，沸點為1 105℃，這就意味著在鐵水脫硫環(huán)境下，Mg只能以蒸氣形式存在，而且蒸氣壓較高。蒸氣壓是溫度的函數(shù) （見公式（5）），在 1 350 ℃時，可達 642 kPa。 所以，Mg脫硫的有效利用率并不高 （指生成MgS的Mg與總Mg量的比值）。隨著鐵水硫含量的提高，Mg的有效利用率也會相應(yīng)提高。生產(chǎn)實踐表明，在鐵水ω[S]=0.03%～0.04%時，Mg的利用率只有40%左右；當(dāng)鐵水ω[S]≥0.08%時，Mg的利用率可超過70%。

Mg蒸氣泡在鐵水里上浮過程中，Mg溶解并與硫反應(yīng)形成MgS，MgS漂浮到鐵水表面進入渣層，脫硫結(jié)束后由扒渣機把渣扒除。為抑制純Mg脫硫后的“回硫”現(xiàn)象及提高Mg的有效利用率，往往在Mg顆粒中配加一定量的石灰一起噴吹，既可減小Mg氣泡促進其溶解，還可為MgS提供沉淀環(huán)境。目前，噴吹法中Mg+CaO混合噴吹是主流。在噴吹Mg+CaO脫硫劑的情況下，由于CaO的存在，不安分的MgS會與CaO生成較穩(wěn)定的MgO和CaS，即Mg把CaO中的O置換出來，為S創(chuàng)造與Ca結(jié)合的機會，即脫硫石灰主要用于與硫結(jié)合?？蓡栴}是只有大約1/3的CaO顆粒能進入鐵水中，分析認為主要是由于顆粒的潤濕性差所致，大部分的CaO顆粒覆著在Mg氣泡的表面[11]。也有研究[12]認為，CaO粉劑本身并不能脫硫，噴吹CaO粉劑的作用僅起到增加反應(yīng)表面積，將MgS固化在渣中，防止回硫。

筆者認為，在鐵水中噴吹純CaO粉劑也可以脫S，只不過CaO有效利用率非常低，只有5%左右，而Mg與S的結(jié)合能力比CaO大幾十倍，因此，在混合噴吹時，CaO的作用就顯得微不足道了。無論CaO在復(fù)合脫硫工藝中與S的反應(yīng)機理尚存何種爭論，但在脫硫過程添加一定量的CaO具有積極作用已達成共識。

2.4 CaO

經(jīng)過煅燒的石灰石成為冶金石灰，其主要成分由CaCO3裂解為CaO，可以說，從鐵水預(yù)處理到轉(zhuǎn)爐冶煉，再到精煉煉鋼全流程中，沒有一種材料能像冶金石灰這樣貫穿始終。不但脫硫、脫磷需要CaO，而且脫硅產(chǎn)物SiO2也需要CaO來中和控制堿度，甚至脫氧產(chǎn)物Al2O3也需要CaO來穩(wěn)定。

CaO的脫硫效率比Mg低，經(jīng)測算只有Mg的1/15。但事實上，CaO的脫硫能力并不低，在鐵水溫度為1 350℃時，與其平衡的硫含量可達0.003 7%，主要原因是冶金石灰（CaO）在鐵水中呈固態(tài)，在添加一定的助熔劑（如 CaF2）時，ω[S]≤0.002 0%。煉鋼條件下，造好還原渣甚至可實現(xiàn)鋼中ω[S]≤0.000 5%?？梢?，只要創(chuàng)造出良好的脫硫熱力學(xué)及動力學(xué)條件，依靠CaO是可以將硫脫至極低水平的。

在用CaO進行鐵水脫硫過程中，一個棘手的問題就是CaO脫硫反應(yīng)產(chǎn)物中有游離的氧產(chǎn)生，與Si發(fā)生反應(yīng)生成高熔點的2CaO·SiO2，在冶金石灰表面形成薄膜，阻止脫硫反應(yīng)繼續(xù)進行，降低CaO的脫硫效率及有效利用率。

也有人認為，一般情況下鐵水中的ω[C]=4.2%～4.6%，而 ω[Si]=0.3%～0.6%，碳含量幾乎比硅含量多一個數(shù)量級，所以鐵水中發(fā)生的主要脫硫反應(yīng)是公式（8），且并沒有明顯的證據(jù)表明,相對高硅的鐵水比低硅鐵水脫硫難。

筆者認為，僅就熱力學(xué)角度看，各種不同元素有優(yōu)先氧化還原順序，但考慮到濃度差別、局部能量起伏及反應(yīng)速度等綜合因素，上述兩式能夠同時發(fā)生。類似的現(xiàn)象在轉(zhuǎn)爐中也觀察得到，就與O2結(jié)合的理論能力而言，氧化順序應(yīng)該是Si-C-P，但事實上并非是Si氧化結(jié)束C、P才開始氧化，而是三種元素從開始吹氧的那一刻起就同時氧化。

另外，CaO脫硫早已是個不爭的事實，但CaO脫硫的限制性環(huán)節(jié)至今在業(yè)內(nèi)尚未達成共識。有人認為，由于是固-液反應(yīng)，基于未反應(yīng)核理論，S在CaO顆粒中擴散是脫硫反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)；也有人認為，因CaO粉劑在鐵水中停留時間短（噴吹法估測5～6 s）。根據(jù)雙模理論，S通過液體邊界層向CaO顆粒表面擴散是脫硫的限制性環(huán)節(jié)。

筆者提出混合限制性環(huán)節(jié)聯(lián)合控制概念，即無論什么脫硫方法及脫硫劑，脫硫的限制性環(huán)節(jié)不可能一成不變，一般地在S相對高時（ω[S]≥0.04%），S從顆粒表面向顆粒內(nèi)部滲透是限制性環(huán)節(jié)；但隨著脫硫的進行，鐵水中的硫含量越來越低（ω[S]＜0.04%），S 在鐵水中向反應(yīng)界面的擴散作用越來越突出，直至過渡成為限制性環(huán)節(jié)。相關(guān)研究結(jié)果[13-14]也間接表明混合限制性環(huán)節(jié)的存在。脫硫劑形貌及S元素分布如圖1所示，S基本分布在CaO顆粒的表面，是很薄的一層（約十幾，最多幾十微米），內(nèi)部幾乎沒有，這的確說明S在CaO顆粒內(nèi)擴散是一個限制性環(huán)節(jié)；但同時也觀察到另一個現(xiàn)象，顆粒表面非但沒有完全被S覆蓋，而且在約10 min的脫硫過程中，大部分表面仍處于一片空白狀態(tài)，這說明在有限的脫硫時間內(nèi)仍不能滿足鐵水中的S及時達到并覆蓋CaO顆粒表面 （在1 350℃環(huán)境下脫硫界面反應(yīng)不可能是限制性環(huán)節(jié)），S從鐵液內(nèi)部向反應(yīng)邊界層傳質(zhì)及通過液體邊界層向CaO顆粒表面擴散的限制性作用不容忽視。隨著反應(yīng)的進行，硫含量越來越低，S在鐵液內(nèi)部向邊界層運動及通過邊界層的傳質(zhì)作用成為限制性環(huán)節(jié)。

圖1 脫硫劑形貌及S元素分布

需要著重指出的是，不論限制性環(huán)節(jié)在哪里，增加顆粒的表面積、延長顆粒在鐵水中的停留時間及加快固-液表面更新速度都是提高脫硫效果的努力方向。

3 脫硫方法

目前，國內(nèi)工業(yè)規(guī)模的鐵水脫硫方法主要采用噴吹法，噴吹法中主要采用CaO+Mg混合噴吹。KR法市場占有份額少，但近年來隨著鋼鐵企業(yè)規(guī)模的擴大，KR法雖然首建基礎(chǔ)費用昂貴，但使用成本低廉，所以KR法有逐年上升的趨勢，甚至大有取代噴吹法的勢頭[15-18]。圖2為脫硫工藝的對比。這兩種方法在上個世紀60年幾乎同時問世，從誕生之日開始，國內(nèi)外關(guān)于這兩種方法優(yōu)缺點的爭論就未停止過。有人認為KR法成本占優(yōu)，但也有人認為不能僅看脫硫劑消耗成本，還要從溫降、鐵損、鐵水罐維護及裝入量等多方面考慮，噴吹法占優(yōu)[19]。

圖2 脫硫工藝的對比

目前，除了在歐洲和亞洲少數(shù)幾個地方以外，世界其它地方KR尚沒有被接受，在北美也沒有KR設(shè)施[19]。主要原因是鐵水脫硫涉及條件太多，實施的條件千差萬別（有鐵水罐、魚雷罐，罐有高矮大小之別，不但影響流場效率，而且影響溫降指標(biāo)）、各廠的鋼種需求不同（有深脫、淺脫，導(dǎo)致同一種脫硫方法消耗的脫硫劑量不同），原料來源途徑不同（有的廠家就在原料產(chǎn)區(qū)，有的很遠），甚至各家的統(tǒng)計方法也不相同（如時間，有的統(tǒng)計進出站周期時間，有的只統(tǒng)計純處理時間）。國內(nèi)典型鐵水脫硫預(yù)處理工藝方法及冶金效果見表3。

表3 國內(nèi)典型鐵水脫硫預(yù)處理工藝方法及冶金效果

人們爭論的焦點包括脫硫劑、溫降、鐵損、耐材、脫硫效果及改建維護等幾個方面。不管評價多么細化，噸鐵處理成本是關(guān)鍵。但是噸鐵處理成本的計算非常復(fù)雜，如鐵水溫降折算成本的方法就不統(tǒng)一，不同時期原料價格不同，導(dǎo)致一些指標(biāo)在綜合成本中所占的比重不同，甚至顛覆評價結(jié)果；再如鐵損，定性地講，KR法的鐵損和溫降均大于噴吹法，在鐵水價格處于高位的時候，KR法的優(yōu)勢減弱，當(dāng)Mg原料處于高位時，噴吹法的劣勢增大。但不管原料價格如何波動，運輸距離差距多大，KR法的噸鐵脫硫劑消耗成本總是低于混合噴吹法的，主要原因是占脫硫劑成本80%的金屬Mg的價格比CaO高出約20倍。需要指出的是，老廠改建選擇KR法時，除以上幾個強調(diào)的問題外，還需特別注意，KR法需要的鐵水罐安全凈空一般在800 mm以上，噴吹法僅需300～400 mm。這就意味著原有鐵水罐需要加高，不僅要考慮重心上移的吊運安全問題，而且鐵水罐沿在扒渣傾翻時也會抬高，原有的平臺及基礎(chǔ)可能也需相應(yīng)改建。

選擇哪種脫硫方法關(guān)鍵看需求[20]。脫硫成本只能作為一個重要的參考指標(biāo)，而不能作為唯一的指標(biāo)。如對于釩鈦鐵水因流程中多出一個提釩工序，溫度就顯得格外重要，脫硫溫降就是首先考慮的因素。另外，就是脫硫成本也不是絕對不變的，正如相關(guān)文獻21所指出的那樣，在一定的鐵水條件范圍內(nèi)，如鐵水初始硫含量均是0.03%，當(dāng)脫硫目標(biāo)不同形成的綜合脫硫成本也不相同，若平均脫硫目標(biāo)≥0.003%，甚至高于0.005%，噴吹法成本優(yōu)勢明顯；但若深脫至0.002%，甚至低于0.001%，則優(yōu)先選擇KR法。且隨著市場原材料價格的波動，脫硫目標(biāo) ω[S]=0.002%～0.003%，成本分水線也會左右移動，但總體變化不大。不同脫硫目標(biāo)的兩種工藝成本對比見圖3。

圖3 不同脫硫目標(biāo)的兩種工藝成本對比

統(tǒng)計同時具備噴吹法及KR法的脫硫數(shù)據(jù)。因廠房布局及操作設(shè)備不同（噴吹法脫硫、扒渣不在同一工位，鐵水罐吊運及等待約15 min，而KR法在同一工位脫硫扒渣），鐵運方式不同（決定鐵水自帶渣量不同），鐵水罐結(jié)構(gòu)不同（細高型和矮胖型影響溫降），鐵水硫含量、溫度及脫硫目標(biāo)也不相同等多因素，的確很難對兩種脫硫方式的優(yōu)劣進行客觀公正地評價。若假設(shè)這些外圍條件均不考慮，統(tǒng)計兩種工藝的相關(guān)工藝參數(shù)，表4為鞍鋼噴吹法與KR脫硫技術(shù)指標(biāo)對比，按2017年內(nèi)部耗材單價計算，就脫硫劑成本而言，每噸鐵水每脫出0.01%的硫折算脫硫劑成本，噴吹法為6.03元，KR法為2.10元?？梢?，KR法具有無可爭辯的脫硫劑成本優(yōu)勢。但深入分析，在噴吹法中，脫硫劑的成本構(gòu)成有81%是金屬Mg，因此，提高金屬Mg的利用率，甚至若能徹底取消金屬Mg，僅利用CaO完成脫硫任務(wù)，則噴吹法優(yōu)勢凸顯。

表4 鞍鋼噴吹法與KR脫硫技術(shù)指標(biāo)對比

既然如此，綜合噴吹法設(shè)備簡便、溫降較少及淺脫的成本優(yōu)勢與KR法動力學(xué)優(yōu)越、脫硫穩(wěn)定及原料低廉的特點開發(fā)的旋轉(zhuǎn)噴吹技術(shù)也許是一個新的研究方向[22]。

4 旋轉(zhuǎn)噴吹脫硫技術(shù)

所謂旋轉(zhuǎn)噴吹就是將KR法的動力學(xué)優(yōu)勢與噴吹法氣-固兩相流輸送特點結(jié)合在一起，利用氣-固兩相流將粉劑輸送到鐵液深處，依靠旋轉(zhuǎn)噴槍將大的輸送氣團擊碎，生成大量細小彌散的氣泡，以增大反應(yīng)界面積，并使氣泡在旋轉(zhuǎn)力的作用下在鐵水罐里呈螺旋線上升，增加氣泡在鐵水中的停留時間及行程，同時旋轉(zhuǎn)的鐵液也加速渣-金界面的更新速率，從而提高粉劑與鐵液的作用效率，達到提高脫硫效果的目的。

4.1 理論依據(jù)

當(dāng)脫硫噴槍以垂直方式插入鐵液中噴吹CaO粉劑時，根據(jù)CaO粉劑的運動軌跡可分為：

漂浮顆?！粴鈭F包裹上浮并被頂渣捕獲的顆粒；

無效顆?！粴鈭F包裹上浮但沖破渣層進入排氣系統(tǒng)的顆粒；

機會顆粒—氣泡上浮過程因破裂而被“甩出”進入鐵液的顆粒；

穿透顆?！┩笟馀菽ど钊腓F液的顆粒；

浸入顆?！幱诖┩概c未穿透過渡狀態(tài)粘附在氣泡膜上與鐵液接觸的顆粒。

漂浮顆粒在渣-金界面參與脫硫反應(yīng)，結(jié)合500 kg實驗爐的熱態(tài)實驗及100 t鐵水罐的工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析認為，其對脫硫的平均貢獻率僅有7%～8%。盡管石灰與鐵液的潤濕角達132°，即石灰粉劑只要與鐵液接觸就易于被潤濕捕獲，但通過熱態(tài)實驗收集頂渣測得無效顆粒占噴吹總量的比例不會超過10%，即大部分顆粒被鐵液和頂渣阻攔。水模實驗顯示，當(dāng)量直徑0.5～3.0 cm的氣泡在水中的上升速度平均約 0.5 m/s，氣泡上升時不斷膨脹、破裂，上升過程螺旋式高速晃動，當(dāng)增加到一定體積時破裂成若干大小不一的更小氣泡，這些小氣泡會突然減速，緊接著又開始膨脹、加速、破裂，這種行為一直往復(fù)至沖出水面。目前很難準(zhǔn)確測算機會顆粒的比例，但在石灰粉劑中配加碳酸鹽(如 CaCO3、MgCO3、Na2CO3等)，通過熱裂解作用有利于機會顆粒的產(chǎn)生，提高脫硫率6.7%[6]。 可見，機會顆粒數(shù)量有限。

由此看來，脫硫只能依靠穿透顆粒和浸入顆粒了。固體粉劑要成為穿透顆粒，必須克服鐵液界面張力、阻力及浮力的聯(lián)合束縛，且穿透深度大于顆粒直徑才可視為穿透，根據(jù)能量守恒原理：

式中，mp、mm分別為粉劑顆粒質(zhì)量和沖擊鐵液后帶動的鐵液質(zhì)量，kg；υ1、υ2分別為粉劑顆粒沖擊前后的速度，m/s。假設(shè)粉劑顆粒為球形，鐵液僅被球形顆粒正截面帶動，為顆粒體積的一半，整理得：

式中，ρl、ρp分別為鐵液和粉劑密度，取ρl=7 000 kg/m3，ρp=2 000 kg/m3， 則 計 算 得υ2=0.51υ1，即約一半的速度損失掉了。

單粉劑顆粒穿透氣膜需克服鐵液阻力、浮力及界面張力的臨界運動關(guān)系如下：

式中，F(xiàn)d、Fb、Fs分別為鐵液對顆粒阻力、浮力及界面阻力，N；Cd為阻力系數(shù)；Ap為顆粒迎風(fēng)面積，m2；dEσ為顆粒沖入鐵液行程為dhp時鐵液界面能的變化；σm為鐵液表面張力，N/m；dS為顆粒沖入鐵液時界面積變化。簡化系數(shù)、分離變量并積分，整理得:

臨界粉劑顆粒直徑與噴嘴出口速度的關(guān)系見圖4。為提高反應(yīng)界面積，應(yīng)減小粉劑粒度，但穿透速度也應(yīng)提高，當(dāng)粒度在200目（0.074 mm）時，取σm=1.2 N/m，解得υ1=136.5 m/s。而實際工況條件下，噴嘴出口速度只有98.3 m/s，即小于理論臨界速度136.5 m/s。所以，200目的粉劑顆粒無法穿透氣膜進入鐵液。為增加穿透顆粒比例，兼顧反應(yīng)面積，建議石灰粉劑粒度應(yīng)控制在50～80目為宜。

圖4 臨界粉劑顆粒直徑與噴嘴出口速度的關(guān)系

至此，無效顆粒從未與鐵液接觸，漂浮顆粒僅有微弱的脫硫能力，機會顆粒數(shù)量有限，200目的粉劑又無法成為穿透顆粒，因此，脫硫只能依靠浸入顆粒完成。因鐵液粘度與水相似，在水模實驗中觀察到2 cm的氣泡上升速度約0.5 m/s，那么，在約2.5～3.0 m深的鐵液中氣泡從罐底升到頂部需要5～6 s，主要脫硫反應(yīng)就發(fā)生在這短短的5～6 s。

旋轉(zhuǎn)噴吹不但要延長氣泡在鐵液中的停留時間，而且還要大量增加氣泡表面積。在水模實驗中，雖然供氣強度相同，但由于旋轉(zhuǎn)噴吹將大氣團擊得粉碎，增加的氣泡表面積約是原來固定噴吹方式的100～1 000倍。固定噴吹與旋轉(zhuǎn)噴吹的效果對比如圖5所示。

4.2 工業(yè)試驗

設(shè)計并開發(fā)出基于旋轉(zhuǎn)噴吹技術(shù)的鐵水脫硫新工藝，旋轉(zhuǎn)噴吹脫硫系統(tǒng)如圖6所示。在100 t鐵水罐 （裝入量平均97.5 t）復(fù)合噴吹CaO+Mg（CaO:Mg=4:1），載氣流量為 40～50 m3/h， 噴槍插入深度為2.5～2.8 m，旋轉(zhuǎn)噴吹與原固定噴吹法的技術(shù)指標(biāo)對比見表5。在旋轉(zhuǎn)噴吹條件下，不但CaO和Mg粉劑消耗均降低，每脫除0.001%的硫所消耗的 Mg由 3.88 kg降到 2.83 kg，CaO由 18.8 kg降到14.3 kg，脫硫率提高了10%。尤其是大氣團因旋轉(zhuǎn)作用破碎成小氣泡，小氣泡又做螺旋運動，鐵液中沒有集中的氣團爆發(fā)點，脫硫過程大規(guī)模的噴爆現(xiàn)象明顯減輕，現(xiàn)場環(huán)境大為改善。有關(guān)旋轉(zhuǎn)噴吹技術(shù)的深度研究仍在繼續(xù)。

圖6 旋轉(zhuǎn)噴吹脫硫系統(tǒng)

表5 旋轉(zhuǎn)噴吹與原固定噴吹法的技術(shù)指標(biāo)對比

5 結(jié)論

（1）鐵水脫硫是一個混合限制性環(huán)節(jié)聯(lián)合控制的過程，在S相對高時，S從脫硫劑表面向其內(nèi)部滲透是限制性環(huán)節(jié)，隨著硫含量的降低，S在鐵水中向反應(yīng)界面的擴散作用越來越顯著，直至過渡成為限制性環(huán)節(jié)。

（2）脫硫目標(biāo)0.002%～0.003%可作為成本考慮的分水線，在各自的技術(shù)特點范圍內(nèi)，KR法和噴吹法各有優(yōu)勢，選擇何種方法關(guān)鍵看需求，當(dāng)平均脫硫目標(biāo)≥0.003%時，噴吹法技術(shù)優(yōu)勢明顯，但當(dāng)平均脫硫目標(biāo)≤0.002%時，KR法應(yīng)為首選。

（3）隨著對脫硫規(guī)律認識的不斷深入，脫硫劑及方法也在不斷更新?lián)Q代，可以預(yù)見在不遠的未來，在市場與環(huán)保不斷提出更加苛刻要求的氛圍下，完全利用石灰脫硫?qū)⑹且粋€趨勢。

（4）相較其它脫硫劑，石灰是資源分布最廣，污染最少，也最為廉價的脫硫劑，但石灰的有效利用率過低，如何為石灰創(chuàng)造高效的脫硫條件是現(xiàn)在及未來仔細思考和努力的方向。

（5）旋轉(zhuǎn)噴吹技術(shù)把KR良好的動力學(xué)攪拌、脫硫效果穩(wěn)定性及深脫硫成本低廉的優(yōu)勢與噴吹法設(shè)備簡便、溫降少及扒損低的各項優(yōu)點集于一體，可設(shè)為未來鐵水脫硫的重點研究方向。