鐵水預處理順序的選擇
1 CaO作“三脫”劑
（1） 脫硅－脫硫－脫磷順序
——鐵水溝處鐵鱗脫硅
鐵水脫硅是放熱反應，鐵水溫度越低，脫硅的效果越好。考慮到鐵水的脫硫溫降和運輸、等待溫降，若將脫硅置于脫硫之后，脫硅時的鐵水溫度將較鐵水溝脫硅更低，鐵水預脫硅工序應盡量置于脫硫之后，而不是在脫硫之前。
——脫硫
反應平衡時 [%S]達10-4數(shù)量級，可滿足所有鋼種的要求；溫度的變化對鐵水脫硫效果的影響很小，因此脫硫可考慮提至脫硅之前，在確保脫硫效果的同時使脫硅也處于較好的熱力學條件下。
——轉(zhuǎn)爐內(nèi)脫硅、脫磷
有資料表明：鐵水中[%Si]大于0.15時為脫硅期，[%Si]小于0.15時脫磷反應才會開始，脫磷反應是放熱反應，較低溫度的脫磷爐內(nèi)脫硅的熱力學條件應是最佳的。因此應取消鐵水溝處的高溫脫硅，將其移至脫硫之后的脫磷轉(zhuǎn)爐內(nèi)和脫磷一同進行。
（2） 脫硫－脫硅、磷順序
“脫硫—脫硅、脫磷”順序的情況下，脫硫反應平衡時量[%S]下降了一個數(shù)量級。將脫硅任務放在脫硫之后完成，能明顯改善CaO粉劑脫硫的熱力學條件。
（3） 脫硅、脫磷－脫硫順序
在“脫硅、脫磷—脫硫”順序的情況下，脫硫反應平衡時 [%S]為10-3數(shù)量級，而在“脫硅—脫硫—脫磷”順序下，[%S]為10-4數(shù)量級，在“脫硫—脫硅、脫磷”順序下，[%S]為10-5數(shù)量級。顯然“脫硫—脫硅、脫磷”順序下CaO粉劑脫硫反應的熱力學條件更好。
（4） 同時“三脫”
機理研究表明：用氮氧復合氣體作載氣噴吹CaO粉同時進行鐵水預處理“三脫”反應時，脫硅、脫磷主要是在噴槍附近的高氧勢區(qū)進行的瞬時接觸反應；脫硫則是還原性渣和鐵水之間的持久接觸反應。
對鐵水預處理脫硅來說，脫磷轉(zhuǎn)爐頂吹氧加CaO粉劑脫硅的熱力學條件是最優(yōu)的。
CaO的脫磷能力受鐵水溫度的影響很大，在其它操作條件允許的情況下，應該盡量在低溫下脫磷。 “脫硫－脫硅、脫磷”順序下，專用脫磷轉(zhuǎn)爐脫磷時鐵水的溫度較同時“三脫”時低。綜合比較認為：CaO作三脫劑時，脫磷應在脫硫之后，并在專用轉(zhuǎn)爐內(nèi)進行最佳。
噴吹CaO粉劑同時進行鐵水“三脫”的脫硫能力相對最弱。
從熱力學角度分析原因：同時“三脫”在同一個容器中既要實現(xiàn)氧化脫磷、脫硅，又要完成還原脫硫，兩者都要兼顧，在熱力學上存在著矛盾，工藝上也不好實現(xiàn)。而將脫硅、脫磷和脫硫分階段處理，分別創(chuàng)造氧化和還原的氣氛，顯然比同時“三脫”的熱力學條件更優(yōu)化。
由以上計算與分析可知，CaO作三脫劑時的最佳預處理順序為：脫硫－脫硅、脫磷。
2 鎂粉作脫硫劑，CaO作脫硅、脫磷劑
從熱力學角度看，理論上“脫硅、脫磷－脫硫”順序下鎂粉能將鐵水中的[%S]降至10-6～10-7數(shù)量級，而“脫硫－脫硅、脫磷”順序下鎂粉只能將鐵水中的[%S]降至10-5～10-6數(shù)量級。但由圖1可知，溫度對脫硫的影響較小，但對硅磷卻有著很大的影響，高溫不利于脫硅磷，1500℃時，硅、磷含量在0.01%以上，不能滿足要求，此時硫含量為20ppm，滿足要求，因此綜合考慮，鎂粉作脫硫劑，CaO作脫硅、脫磷劑最佳順序為：脫硫－脫硅、脫磷 。
圖1 鎂粉為脫硫劑時溫度對“三脫”效果的影響
3 CaC2作脫硫劑，CaO作脫硅、磷劑
CaC2脫硫的反應式為：CaC2+[S]＝CaS(S)+ 2[C]，計算結果見表1、2。
表1 脫硫－脫硅、磷順序反應平衡時[%S]
T
1723K
1673K
1623K
[%S]
2.18×10-6
1.02×10-6
4.57×10-7
表2 脫硅、磷－脫硫順序反應平衡時[%S]
T
1673K
1623K
1573K
[%S]
1.29×10-6
5.89×10-7
2.53×10-7
表3 專用轉(zhuǎn)爐脫硅脫磷平衡時[%P]
T
1673K
1623K
1573K
[%P]
1.35×10-4
4.33×10-4
6.16×10-5
比較表1、2可以看出，CaC2作脫硫劑時，不同預處理順序?qū)γ摿蛐Ч绊懖淮螅杀?3知，低溫利于脫硅、磷，因此“脫硫－脫硅、脫磷”順序能改善脫硅、脫磷反應的熱力學條件。
4 蘇打灰作脫硫劑，CaO作脫硅、磷劑
蘇打灰的主要成分為Na2CO3，用蘇打灰脫硫，工藝和設備簡單，主要缺點是：鐵水中加入蘇打時產(chǎn)生大量的氧化鈉揮發(fā)物，操作環(huán)境惡劣。此外，渣中氧化鈉侵蝕鐵水包襯，并且因渣的流動性過好，造成機械扒渣困難。Na2CO3與鐵水中[S]的作用，一般認為按下式進行：Na2CO3(l)+[S]+2[C]＝Na2S(l)+3CO(g)。經(jīng)過熱力學計算，不同預處理順序下的結果如表4、5所示。
表4 脫硫－脫硅脫磷順序反應平衡時[%S]
T
1773K
1723K
1673K
1623 K
[%S]
4.89×10-4
1.07×10-3
2.40×10-3
5.7×10-3
表5 脫硅、脫磷－脫硫順序反應平衡時[%S]
T
1673K
1623K
1573K
[%S]
3.08×10-3
7.90×10-3
1.86×10-2
比較表4、5可知，“脫硫－脫硅、脫磷”順序更具優(yōu)勢，分析其的有利條件包括：1)在相對較高的溫度下脫硫，Na2CO3脫硫反應是吸熱反應，高溫更有利于Na2CO3脫硫反應的熱力學要求；2)脫硫時鐵水中含有較高的[Si]、[C]、[P]，這三種溶質(zhì)提高了鐵水中硫的活度系數(shù)，從而提高鐵水中硫的活度，促進了Na2CO3脫硫反應的進行。
因此，使用Na2CO3做脫硫劑時，“脫硫－脫硅、脫磷”順序下Na2CO3脫硫反應的熱力學條件更好，能明顯改善脫硅、脫磷反應的熱力學條件。
預處理容器及方法選擇
1 預處理脫硫
有研究用FLUENT軟件計算出260t魚雷罐的速度分布圖，如圖2所示。
圖2 噴頭在中心點時的速度圖
圖3 鐵水包KR法脫硫的流場示意圖
由圖2知：魚雷罐內(nèi)流場極不均勻，漩渦橫向發(fā)展，造成的死角多，尤其是魚雷罐兩頭、底部、以及中間部分區(qū)域的鐵水流動性較差，在很大程度上惡化了脫硫的動力學條件；由于噴吹的攪拌對上述區(qū)域的鐵水影響較小，粉劑不易到達，加之粉劑很快上浮，所以脫硫終了時這部分鐵水的含硫量仍相對較高，影響到整罐鐵水的脫硫效果。
鐵水包KR法流場如圖3所示，KR攪拌形成了鐵水的循環(huán)流動，大大改善了脫硫的動力學條件，減少了脫硫劑的消耗。武鋼生產(chǎn)實踐表明：攪拌時間只需要5分鐘就可使脫硫劑得到充分的利用，脫硫速度快、效果好，鐵水原始硫含量為300ppm時，處理終點硫含量可達10個ppm以下。有文獻認為：較之噴吹法，攪拌法的出現(xiàn)使得脫硫過程中的動力學條件得到了根本性的改善。
鐵水包噴吹法脫硫流場如圖4所示：
圖4 鐵水包噴吹法脫硫的流場示意圖
由圖4可知，鐵水罐底部及與噴吹口成90°夾角的區(qū)域是噴吹的死區(qū)，由于噴吹角度的限制及脫硫劑上浮的原因脫硫劑始終到不了這一區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)鐵水流動不足，動力學條件較差，使得該這部分鐵水的脫硫效果基本上等于零。脫硫完畢，死區(qū)內(nèi)鐵水的硫就會漸漸擴散到整罐鐵水中，使得鐵水硫量回升。
鐵水包噴吹法脫硫的基本原理是靠一定壓力和流量的載氣，把脫硫劑噴入到鐵水中脫硫。脫硫劑在上浮的過程中與鐵水的硫進行化學反應，同時載氣和脫硫劑的沖擊與上浮能夠帶動鐵水流動起到攪拌作用，但它們上浮造成的鐵水對流運動是很弱的(動量平衡原理)，脫硫劑只有部分與硫反應，導致脫硫劑耗量比KR法大，脫硫效率較低。
綜合比較，在三種預處理脫硫工藝中，鐵水包KR法脫硫的動力學條件是最優(yōu)的。在實際生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)也表明， KR法的脫硫效率更高，粉劑消耗更少。
2 預處理脫硅
為了提高脫硅反應速度、充分利用脫硅劑，動力學要求必須加強攪拌，以降低擴散層厚度和增加反應界面面積。魚雷罐和鐵水包的容積小，容易產(chǎn)生噴濺，限制了噴吹的強度。特別是魚雷罐車，其形狀是兩頭小中間大，反應空間決定了它的動力學條件較差。而轉(zhuǎn)爐的熔池大，渣層較薄、渣鐵接觸面積大于魚雷罐和鐵水包；爐容比大，幾乎不存在噴濺問題，可以允許更高的噴吹強度，若加上底吹，可進一步改善了其動力學條件，縮短了處理時間。
3 預處理脫磷
圖5、圖6是兩種脫磷方法的曲線圖。
圖5 魚雷罐脫磷曲線
圖6 轉(zhuǎn)爐脫磷曲線
比較兩圖可知，專用轉(zhuǎn)爐噴CaO粉脫磷只需要10分鐘就能將磷脫至50個ppm以下，而魚雷罐則需要40分鐘左右，說明轉(zhuǎn)爐脫磷的動力學條件優(yōu)于魚雷罐，效率更高。
結論
（1）通過對不同“三脫”劑、不同處理順序的熱力學計算比較得出最佳鐵水預處理順序為：預處理脫硫－預處理脫硅、脫磷。
（2）對不同處理容器、不同處理方法的動力學條件比較得出預處理容器應選定為：鐵水包KR脫硫，專用轉(zhuǎn)爐脫硅、脫磷。
（3）鐵水預處理模式確定為：高爐鐵水－鐵水包KR法脫硫－專用轉(zhuǎn)爐脫硅、脫磷。
