噴吹法和攪拌法鐵水脫硫工藝成本的綜合評估
由于社會發展和經濟建設的需要，用戶對鋼鐵產品的品種和質量要求越來越高。硫是鋼中的有害元素，要生產高質量的鋼尤其是特殊用途鋼和高附加值的鋼就必須降低鋼中的硫含量。相對煉鋼脫硫或精煉脫硫而言，鐵水預處理脫硫工藝更為簡單，是降低煉鐵和煉鋼工序脫硫負擔、簡化操作和提高煉鐵、煉鋼技術經濟指標的有效途徑之一。因此，鐵水預處理脫硫逐漸成為現代鋼鐵工業生產流程中必備的工序。
現代鋼鐵冶金流程中的鐵水脫硫工藝主要有兩種工藝形式，即噴吹法和攪拌法。兩種工藝在技術上都已經相當成熟。從實際生產中的應用效果來看，二者是互有優缺點。鋼鐵企業的具體情況不同，選擇的出發點也不一樣，其中生產成本是考慮的主要因素之一。
近年來，國內部分學者對單條鐵水預處理脫硫生產線的生產成本做過計算，主要考慮的是脫硫粉劑消耗。但在實際生產中，脫硫劑消耗不是影響脫硫工藝成本唯一因素，還應從鐵水溫降、鐵損、脫硫渣處理、噴槍或攪拌頭消耗、載氣消耗和電費等幾個方面進行綜合評估。
1、影響脫硫生產成本的因素分析
1.1 粉劑消耗
目前國內采用的脫硫劑主要包括CaC2粉、CaO粉、鎂及各種復合脫硫劑。就CaC2粉而言，鞍山鋼鐵集團公司二煉鋼廠(以下簡稱鞍鋼二煉鋼)噴吹CaC2粉脫硫的粉劑消耗量為每噸鐵6㎏，本溪鋼鐵(集團)有限責任公司(以下簡稱本鋼)的生產條件下噴吹CaC2粉脫硫的粉劑消耗量為每噸鐵9.81㎏。在此選取鞍鋼的數據。鞍鋼二煉鋼所購CaC2粉的市場價格為每噸3000元，這樣可得出每噸鐵消耗CaC2粉的成本為18元。鞍鋼二煉鋼也曾嘗試使用CaC2粉和鎂復合進行噴吹，粉劑質量比為m(Mg)/m(CaC2)=1/3)，每噸鐵粉劑消耗為1．96kg。根據顆粒鎂單價(18000元/t，青島鋼鐵廠的數據)和CaC2粉單價可計算出鎂復合CaC2粉(m(Mg)/m(CaC2)=1/3)的價格為每噸6750元，這樣，每噸鐵消耗鎂復合CaC2粉的成本為13.23元。
武漢鋼鐵集團公司第一煉鋼廠(以下簡稱武鋼一煉鋼)在國內較早采用噴吹CaO脫硫工藝，每噸鐵CaO粉消耗為8.28kg，CaO粉的價格按每噸600元計(數據來自中國冶金信息網)，每噸鐵CaO粉成本為4.96元。自2001年開始，武鋼一煉鋼采用噴吹鎂復合CaO粉脫硫，研究和生產經驗認為，m(Mg)/m(CaO)=1/4時，比較符合生產的具體情況，其每噸鐵粉劑消耗為1.68kg，根據鎂粉的價格和石灰價格可計算出鎂粉復合CaO粉(m(Mg)/m(CaO)=1/4)的價格為每噸4080元。可得，武鋼一煉鋼噴吹鎂復合CaO粉脫硫的成本為每噸鐵6.85元。近年來，武鋼一煉鋼又采用了烏克蘭噴吹鈍化鎂顆粒脫硫工藝，每噸鐵粉劑消耗僅為0.468kg，每噸鐵粉劑消耗成本為8.43元。武漢鋼鐵集團公司第二煉鋼廠(以下簡稱武鋼二煉鋼)在國內最早采用KR法脫硫工藝，生產中先后使用了包括CaC2、Na2C03在內的多種粉劑，經過分析、比較，最終選擇了CaO粉進行脫硫，目前每噸鐵粉劑消耗已經降至4.69㎏，每噸鐵粉劑消牦成本為2.81元，能穩定地實現深脫硫。各種脫硫劑成本比較見表1。
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方法
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脫硫劑種類
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單耗/(㎏·t-1)
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單價/(元·㎏-1)
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脫硫成本/(元·t-1)
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噴吹或攪拌處理時間/min
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噴
吹
法
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CaC2
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6.000
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3.00
|
18.00
|
21.00
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|
m(Mg)/m(CaC2)=1/3
|
1.960
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6.75
|
13.23
|
7.70
|
|
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CaO
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8.280
|
0.60
|
4.97
|
16.49
|
|
|
m(Mg)/m(CaO)=1/4
|
1.680
|
4.08
|
6.85
|
5.80
|
|
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Mg
|
0.483
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18.00
|
8.69
|
5.00
|
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KR法
|
CaO
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4.690
|
0.60
|
2.81
|
5.00
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1.2 鐵水溫降
鐵水溫降的消極影響是降低鐵水帶入轉爐的物理熱，其經濟損失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。通過對廢鋼比提高1％所產生經濟效益計算，可看出鐵水溫降的影響。
提高廢鋼比可產生的經濟效益主要包括兩個方面：
(1)降低每噸鋼能耗。設轉爐公稱容量為Y(單位，t)，則廢鋼比每提高1％，每爐加入的廢鋼量增加Y/100t，若將每爐鋼消耗的能量化成標準煤來算，則廢鋼比每提高1％，每爐鋼減少(Y/100)×599kg標準煤(文獻認為轉爐煉鋼用1t廢鋼代替鐵水可節能至少599kg標準煤)，以市場價格每噸煤230元計，每爐鋼從能耗方面節省的成本為1.37元。
(2)降低轉爐煉鋼鋼鐵料的消耗。文獻經計算和現場操作實踐認為，廢鋼比由2.3％增加到8％，則每噸鋼的鋼鐵料消耗減少3.32kg。由此可近似認為廢鋼比每增加(減少)1％，則每噸鋼的鋼鐵料消耗減少(增加)0.587kg。在目前的物料價格基礎上，每噸鐵的成本約在1800元(以寶山鋼鐵集團公司高爐鐵水的成本結構計算而得)，則以每公斤鐵水1.80元計價，廢鋼比每增加1％，每噸鋼從鋼鐵料消耗方面節省了1.06元。
可以看出，廢鋼比每增加1％，每噸鋼的成本可節省2.43元。
有文獻認為：鐵水溫度降低(升高)10℃則廢鋼比下降(升高)約0.88％。由此，可知鐵水每降低(升高)10℃，則每噸鋼的成本增加2.14元。近似認為1t鐵能煉1t鋼，則每噸鐵溫降1℃增加成本0.214元。
在所有脫硫工藝中噴吹純鎂顆粒的溫降最小，數據顯示武鋼一煉鋼噴吹鈍化顆粒鎂脫硫只需要5min，溫降僅為10℃，其溫降成本為每噸鐵2.14元。
武漢鋼鐵集團公司噴吹CaO粉脫硫的鐵水溫降不同資料有所差別。文獻研究認為約是24℃,而另一文獻則認為在35℃左右，結合其他生產線的數據，在計算中取兩者的中間值30℃比較合理、可信，其溫降成本為每噸鐵6.42元。
噴吹CaC2脫硫的溫降取本鋼的數據為26～35℃，以30℃來計算，成本為每噸鐵6.42元。噴吹鎂復合Ca0粉(m(Mg)/m(CaO)=1/4)的溫降取武鋼一煉鋼的數據為19.07℃，其溫降成本為每噸鐵4.08元。噴吹鎂復合CaC2粉(m(Mg)/m(CaC2)=1/3)的溫降取鞍鋼二煉鋼的數據為9.3℃，其溫降成本為每噸鐵1.99元。KR法(CaO粉)脫硫的溫降約為28℃，其溫降成本為每噸鐵5.99元。
1.3 鐵損
鐵水預處理脫硫的鐵損主要來自于兩部分：脫硫渣中含的鐵水和扒渣過程中帶出的鐵水。一般來說，脫硫劑單耗少，脫硫渣含鐵相應也就低些，從這一點上比較，顆粒鎂脫硫工藝的鐵損最少。不過顆粒鎂脫硫的渣子較稀、難以扒除，而CaO粉的脫硫渣較干，扒渣較為容易，因此就扒渣過程中帶出的鐵水來說，CaO粉脫硫工藝要少于鎂脫硫。由于條件限制，無法具體細化各工藝的鐵損，只能根據查閱文獻的方法粗略估計。武漢鋼鐵(集團)公司噴吹CaO粉脫硫的鐵損為每噸鐵7.57kg，武漢鋼鐵(集團)公司KR(CaO粉)法的鐵損沒有查到具體數據，可根據其粉劑消耗量與噴吹石灰粉劑脫硫的粉劑消耗量之比來估算，二者粉劑消耗量比為0.56:1，生成渣量和鐵損比應與之近似，可估算出武漢鋼鐵(集團)公司KR(石灰粉劑)法的鐵損為每噸鐵4.24kg。青島鋼鐵公司在65t鐵水罐上采用噴吹顆粒鎂工藝脫硫，鐵損經計算為每噸鐵3.96kg。其余各工藝每噸鐵的鐵損量見表2。具體準確的鐵損數據有待于今后在有條件的情況下作進一步詳細的稱量、比較。如前，鐵損的單價每噸按1800元來計算。
表2 溫降、鐵損、鐵渣運費各項的成本比較
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方法
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脫硫劑種類
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溫降數值/℃
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溫降成本/(元·t-1·℃-1)
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扒渣中鐵損/(㎏·t-1)
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鐵損成本/(元·t-1)
|
鐵渣渣量/(㎏·t-1)
|
每噸鐵鐵渣運費/元
|
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噴
吹
法
|
CaC2
|
26.0-35.0
|
6.31
|
18.35
|
33.03
|
41.42
|
1.16
|
|
m(Mg)/m(CaC2)=1/3
|
9.3
|
1.99
|
8.30
|
14.94
|
22.86
|
0.64
|
|
|
CaO
|
23.98
|
5.31
|
7.57
|
13.63
|
29.60
|
0.83
|
|
|
m(Mg)/m(CaO)=1/4
|
19.07
|
4.08
|
6.85
|
12.33
|
17.65
|
0.49
|
|
|
Mg
|
8.0-10.0
|
1.93
|
3.96
|
7.13
|
5.67
|
0.05
|
|
|
KR法
|
CaO
|
28.0
|
5.99
|
4.24
|
7.63
|
16.76
|
0.47
|
1.4 脫硫渣及其處理
在噴吹法脫硫工藝里，噴吹鈍化顆粒鎂工藝的脫硫劑單耗最低，渣量最小。KR法脫硫的動力學條件優于噴吹法，同樣是使用CaO粉脫硫，KR法的脫硫劑單耗要遠遠低于噴吹法，渣量也較低。各工藝噸鐵的渣量見表2。參考文獻，將渣子運費的單價定為0.028元/kg。
1.5 噴槍和攪拌頭消耗
攪拌頭的壽命短是困擾KR法脫硫工藝的一個大問題，經過冶金工作者的不斷努力，終于使攪拌頭的壽命由原來的幾十爐提高到了現在的幾百爐。據日本和武鋼二煉鋼的使用情況介紹，攪拌頭使用壽命最高可達到500爐以上。
武鋼二煉鋼使用的攪拌頭造價約為1.2萬元/個，使用壽命已達到500罐次以上。武鋼二煉鋼的脫硫鐵水罐每罐的鐵水量約85t，則攪拌頭的費用平均到每噸鐵水上為0.27元。
重慶鋼鐵公司的脫硫鐵水罐每罐的鐵水量約70t，脫硫噴槍6400元/支，可噴吹300min。以此噴吹時間為噴槍壽命，可計算出噴吹各種不同粉劑的情況下，1支噴槍所能噴吹的罐次和每噸鐵水噴槍成本(以每罐70t容量計)，結果如下：
噴吹CaC2粉劑：噴吹時間為21min，可噴吹罐次為14罐次，由此，可以計算出平均每噸鐵水消耗的噴槍費用為6.53元。
噴吹鎂復合CaC2粉：噴吹時間為7.7min，可噴吹罐次39罐次，每噸鐵水消耗的噴槍費用為2.34元。
噴吹CaO粉劑：噴吹時間為16.49min，可噴吹罐次為18罐次，每噸鐵水消耗的噴槍費用為5.08元。
噴吹鎂復合CaO粉：噴吹時間為5.8min，可噴吹罐次為52罐次，每噸鐵水消耗的噴槍費用為1.76元。
噴吹鈍化顆粒鎂：噴吹時間為5min，可噴吹罐次為60罐次，每噸鐵水消耗的噴槍費用為1.52元。
1.6 噴吹載氣費用和KR法攪拌頭電耗
一般情況下，鋼鐵企業所使用的脫硫載氣為氮氣。各個生產線的粉氣比或者載氣流量根據各自情況有所不同，即使是同一條生產線也隨著鐵水條件和脫硫要求的不同而有所波動。如：青島鋼鐵公司噴吹鈍化顆粒鎂脫硫的載氣使用的是氮氣，噴吹流量(在標準狀態下，下同)約為1.96m3/(h·t)，重慶鋼鐵公司噴吹CaO粉脫硫的載氣同樣是氮氣(每罐鐵水量為70t)，噴吹流量在1.14～2.14m3/(h·t)，武鋼一煉鋼噴吹鈍化顆粒鎂深脫硫所使用的載氣也是氮氣，噴吹流量約為1.90 m3/(h·t)。考慮到以后工藝的優化和技術進步，計算中采用的流量為1.42m3/(h·t)。
目前工業氮氣的市場價格約為200元/km3，氮氣的密度為(21.1℃，1個大氣壓下)1.153kg/m3，由此可計算出各工藝條件下噸鐵耗氮氣成本，見表3。
表3 各脫硫工藝每噸鐵的生產成本表 元
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方法
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脫硫劑種類
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脫硫劑成本
|
溫降成本
|
鐵損成本
|
鐵渣運費
|
噴槍或攪拌頭費用
|
噴吹N2氣費用
|
攪拌頭電費
|
總費用
|
|
噴
吹
法
|
CaC2
|
18.00
|
6.31
|
33.03
|
1.16
|
6.53
|
0.34
|
0
|
65.03
|
|
m(Mg)/m(CaC2)=1/3
|
13.23
|
1.99
|
14.94
|
0.64
|
2.34
|
0.04
|
0
|
33.18
|
|
|
CaO
|
4.97
|
5.13
|
13.63
|
0.83
|
5.08
|
0.08
|
0
|
29.72
|
|
|
m(Mg)/m(CaO)=1/4
|
6.85
|
4.08
|
12.33
|
0.49
|
1.76
|
0.03
|
0
|
25.18
|
|
|
Mg
|
8.69
|
1.93
|
7.13
|
0.05
|
1.52
|
0.02
|
0
|
19.34
|
|
|
KR法
|
CaO
|
2.81
|
5.99
|
7.63
|
0.47
|
0.27
|
0
|
0.04
|
17.21
|
武鋼二煉鋼KR法脫硫的專用鐵水罐罐容為100t，攪拌頭電動機容量為132kW，攪拌時間為5min，所耗電量為11kW·h/罐次，取工業用電單價為0.4元/(kW·h)，則平均每噸鐵水耗電費為0.04元。
2、兩種主要脫硫工藝的生產成本比較、分析
綜合以上分析，可以從兩種脫硫工藝的脫硫劑成本比較(見表1)與溫降、鐵損、鐵渣運費成本比較(見表2)計算出各種脫硫工藝的綜合生產成本見表3。
計算結果表明：在噴吹法中，鈍化顆粒鎂的脫硫成本最低，每噸鐵約19.34元，遠遠低于噴吹其它幾種脫硫劑；KR法脫硫(CaO粉)的脫硫成本比噴吹鈍化顆粒鎂工藝還要低，每噸鐵僅為17.21元，每噸鐵水節省脫硫成本2.13元。假設1個大型鋼鐵企業煉鐵廠每年生產900萬t鐵水，有80％的鐵水經過預脫硫處理，也即每年經預處理脫硫的鐵水為720萬t，則使用KR法脫硫(CaO粉)將比使用噴吹鎂粉復合CaO粉劑每年節省1533萬元，經濟效益顯著。
具體比較噴吹鈍化顆粒鎂脫硫和KR法脫硫(CaO粉)可知：KR法脫硫(CaO粉)在脫硫劑成本方面低于噴吹鈍化顆粒鎂脫硫，另外，KR法攪拌頭噸鐵損耗也低于噴吹法噴槍的噸鐵損耗。噴吹鈍化顆粒鎂脫硫工藝則在溫降和鐵損方面的成本費用更低。總的比較，目前，KR法脫硫(CaO粉)的噸鐵脫硫成本稍低于噴吹鈍化顆粒鎂脫硫。
從發展的角度看，噴吹鈍化顆粒鎂脫硫在噴槍成本上還有較大的壓縮空間，而KR法脫硫(CaO作脫硫劑)工藝在減少溫降和渣鐵損失方面尚有較大潛力可挖掘。
3、結論
通過上述分析可得到以下結論：
(1)在噴吹法脫硫工藝中噴吹純顆粒鎂脫硫工藝的脫硫成本最低，僅為噴吹CaO粉脫硫工藝的65％，成本優勢明顯；
(2)KR法(CaO作脫硫劑)脫硫工藝的脫硫成本約為噴吹純顆粒鎂脫硫工藝的89％，在所有鐵水脫硫工藝中的成本最低。
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