高爐脫硫是在高爐煉鐵中脫除硫的過程，是鋼鐵生產最重要的脫硫環節。硫在鋼鐵中是一個最有害的元素，為了減少其危害，必須儘量降低硫在鋼鐵中的含量，從理論上說，脫硫應在高爐煉鐵時完成。中國國家標準規定生鐵中允許含硫量最高不得超過0.07%，企業則常以其生鐵含硫0.03%作為質量考核指標。因此高爐脫硫是生產合格生鐵的首要問題。
基本介紹
- 中文名：高爐脫硫
- 外文名：desulphurization in blastfurnace
- 學科：冶金工程
- 定義：高爐煉鐵中脫除硫的過程
- 作用：降低硫在鋼鐵中的含量
- 影響因素：爐渣成分，爐缸溫度等
高爐中硫的來源及危害,脫硫原理,爐渣脫硫的化學反應,
高爐中硫的來源及危害
進入高爐中的硫來自其原燃料，如礦石、燒結礦、球團礦、焦炭、熔劑和噴吹燃料等。通常以焦炭帶入硫量最多，約占入爐總硫量的60%～80%。焦炭中的硫主要以有機硫CnSm和灰分中的硫化物和硫酸鹽形式存在。在天然礦石和熔劑中，硫以黃鐵礦（FeS2）和硫酸鹽（CaSO4，BaSO4等）形態存在。燒結礦和球團礦中的硫以FeS和CaS形態存在。冶煉每噸生鐵時爐料所帶入的總硫量（見硫負荷）一般為4～6kg。
硫能溶於液態生鐵形成無限溶液，硫在固態鐵中雖然溶解度很小，但它能以硫化物如FeS等形態富集在晶粒間界上，形成Fe與FeS的低熔點共晶體。在加熱到一定溫度時，鐵中便會出現液相。從而導致鐵和鋼的熱脆，在軋鋼和鍛造時，鋼材易出現裂紋。硫在鋼中還能與氧形成硫氧化物，使熱脆在更低的含硫量和溫度下發生。鐵和鋼中還能形成各種硫化物夾雜，它們與其他非金屬夾雜物一起對鋼材的力學大，降低鐵水填充性，使鑄件中產生氣泡。
脫硫原理
爐料中的硫隨著爐料下降和溫度升高，一部分逐漸揮發進入煤氣。焦炭中的有機硫在爐身下部到爐腹有30%～50%以CS及COS等化合物形態先揮發，其餘則在氣化反應和風口前燃燒時生成SO2、H2S和其他氣態化合物進入煤氣。礦石和熔劑中的硫也有一部分經分解或反應生成硫蒸氣或SO2進入煤氣。進入氣相的硫在上升過程中少部分隨煤氣逸出高爐，大部分又被下降的爐料吸收。在高爐的高溫區和低溫區之間形成硫的循環。
在塊狀帶，礦石在200～900℃時吸收硫較少，在1000℃左右時吸收加快。在軟熔帶，爐料的吸硫條件好，硫含量增大。在滴落帶，熔化滴落的渣、鐵劇烈地吸收煤氣中的硫，同時發生硫由鐵向渣中轉移。在爐缸中，鐵滴穿過渣層具有良好的反應條件，脫硫反應大量進行。在爐缸聚集的渣鐵界面，脫硫反應繼續進行，直到出鐵時，鐵口通道內下渣與鐵水仍然進行著鐵的脫硫。生產實踐和研究表明，在高爐冶煉煉鋼生鐵時，有5%左右的硫是隨煤氣逸出高爐的，而在冶煉鑄造生鐵時此值可達到10%～15%。在高爐冶煉錳鐵、矽鐵等鐵合金時，因焦比高，爐頂溫度高而使隨煤氣逸出高爐的硫量增大，但也在50%以下，其餘的硫分配在爐渣與生鐵之間。因此高爐的脫硫主要是靠爐渣在上述三處脫去鐵水中的硫。
爐渣脫硫的化學反應
硫在熔渣中以多種硫化物形態存在，幾種主要的硫化物按其穩定性由小到大的排列是FeS、MnS、MgS、CaS，其中FeS還能溶於鐵水。爐渣的脫硫反應就是渣中的CaO、MgO等鹼性氧化物與鐵水中的硫反應生成不溶於鐵水而溶於渣的穩定化合物CaS，MgS等，從而使鐵水中的硫轉移到渣中而被脫除的。在高爐還原性氣氛的情況下，熾熱焦炭中的硫和溶於鐵水中的C發生脫硫反應：
（CaO）+[S]+[C]→（CaS）+CO （1）
或可寫作（O-）+[S]+[C]→（S-）+CO （2）
式（1）可以用分子理論來說明反應機理，即鐵水中的FeS通過渣鐵界面擴散溶到熔渣中，與熔渣中的CaO反應生成CaS和FeO，反應生成的FeO再被C還原成Fe，生成的CO離開反應界面進入煤氣。式（2）可以用離子理論來說明反應機理，在液態渣鐵界面處進行著離子遷移過程，鐵水中呈中性的原子硫，在渣鐵界面處吸收熔渣中的電子變為硫負離子S進入熔渣中，而熔渣中的氧負離子O-在界面處失去電子變成中性原子進入鐵水中並與鐵水中C化合生成CO，從鐵水中排出。由於鐵水中有Si，Mn等其他元素存在，這些元素也與鐵水中的S相互作用以耦合反應形式脫硫：
2[S]+[Si]+2（CaO）—→2（CaS）+（SiO2） （3）
[S]+[Mn]+（CaO）—→（CaS）+（MnO） （4）
或可寫作2[S]+[Si]+2O-—→2S-+（SiO2） （5）
[S]+[Mn]+O→S2-+（MnO） （6）
硫在高爐渣和鐵水之間的分配 在高爐中脫硫反應（1）達到平衡時，硫在爐渣和鐵水之間質量百分濃度的比值稱為硫的分配比，是衡量爐渣脫硫的極限能力，生產和研究中把它簡化為LS=（%S）/[%S]並稱之為硫的分配係數。從高爐渣脫硫的熱力學分析得出LS是反應平衡常數Ks、硫在鐵水中的活度係數、爐渣氧勢和以鹼度為代表的爐渣成分的函式。在高爐冶煉的爐缸溫度1500℃條件下，鐵水中硫的活度係數在4～6之間，渣中氧化鐵含量0.5%左右，爐渣鹼度1.0左右。反應達到平衡時的Ls可達到200以上。但實際生產中，受條件的限制，脫硫反應達不到平衡，Ls值只能達到20～50，最高也不超過80。因此在高爐煉鐵中要努力改善脫硫的熱力學和動力學條件，使Ls值提高，鐵水中[S]降得更低。
影響因素
影響高爐渣脫硫的因素主要有爐渣成分，爐缸溫度，動力學因素，爐渣黏度以及高爐操作等。
爐渣成分
由於鐵水中碳飽和，爐缸中CO分壓基本固定，所以脫硫反應的程度主要決定於渣中CaO、CaS的活度和鐵水中硫的活度以及反應的溫度和動力學條件。從熱力學角度看，CaO比MgO、MnO有更高的脫硫能力，渣中CaO的活度在鹼度（CaO/SiO2）高過1.0左右後，提高很快，因而脫硫能力顯著提高。高爐爐渣的鹼度根據脫硫需要一般為0.95～1.25。過高的鹼度，爐渣熔化溫度增高，液相中將出現2CaO·SiO2固體顆粒，使爐渣黏度升高，流動性變壞，反而不利於脫硫。MgO，MnO本身能在一定範圍內與硫起反應，又能改善爐渣的流動性，它們的存在對脫硫有利。生鐵中碳、矽及磷等元素使硫的活度係數增大4～6倍，而且在高爐還原氣氛下，爐渣中的FeO較低，從理論上說明高爐中具有良好的脫硫條件，因而鋼鐵冶煉過程中，脫硫主要應在高爐煉鐵時完成。高爐爐涼時，爐渣中FeO升高，對脫硫不利，生鐵含硫升高，導致出現不合格鐵水。Al2O3對脫硫反應也有影響，當爐渣鹼度不變時，增加Al2O3將使Ls變小，但當用Al2O3代替SiO2時，則能增大Ls。
爐缸溫度
脫硫是吸熱反應，溫度愈高越有利於反應進行，加快反應速度。在高溫下能加速FeO的還原，降低渣中FeO含量，也就降低了爐渣的氧勢。溫度升高還可降低爐渣黏度，加速離子擴散有利於反應進行。實踐證明，爐缸溫度愈高LS值愈大，脫硫速度愈快，生鐵中含硫愈低。
動力學因素
在實際的高爐生產中，脫硫反應達不到平衡，必須考慮反應速度。脫硫反應的速度可表示為式中KM是反應速度常數。研究表明，隨著鹼度提高，KM增大。爐渣與鐵水接觸面積大反應速度加快，爐缸積存的爐渣和鐵水之間的接觸面積是比較小的，這是脫硫反應速度最慢的場所。鐵水滴具有很大的比表面積。在滴落過程中通過渣層時，與爐渣充分接觸，脫硫反應速度很快，而且渣層厚度愈厚，接觸界面愈大，反應進行得愈完全。脫硫過程主要是在這時完成的。鐵水中溶解的矽錳等越多，脫硫反應速度越快，促使鐵水中硫能更多地向爐渣轉移。
爐渣黏度
一般鹼性渣中限制脫硫反應速度的因素是S-和O-在爐渣中的擴散速度，降低爐渣黏度加快離子在渣中擴散最有效的措施之一。試驗表明爐渣黏度和脫硫能力成反比關係：黏度增加，Ls減小;黏度減小，Ls增大。因而，採取各種有利於降低爐渣黏度的措施，如增加MgO含量，提高渣溫等，都可以提高爐渣的脫硫能力，加快脫硫速度。
高爐操作 高爐操作穩定，爐缸圓周工作均勻，煤氣流分布合理是高爐脫硫的基礎條件。當爐缸圓周工作不均勻時，有些區域溫度低，還原不好，渣中FeO高，或爐渣鹼度不均，都將使鐵中含硫量升高。在操作不正常時，如煤氣分布不合理，產生管道行程、高爐結瘤和爐缸堆積等，都會使生鐵含硫量增加。當高爐熱制度波動，特別是冶煉製鋼鐵，爐溫大幅度下降出現爐涼事故時，會導致生鐵含硫量大大升高，產生不合格鐵。
