鐵水脫硅動(dòng)力學(xué)研究

鐵981204數據鋼鐵科技期刊NFANG DATAIRON STEEL1998年第33卷第12期鐵水脫硅動(dòng)力學(xué)研究王慶祥(武漢冶金科技大學(xué))摘要研究了鐵水脫硅過(guò)程的機理、組成環(huán)節和控制步驟等動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,提岀了強化過(guò)程和提高過(guò)程速率的方法關(guān)鍵詞鐵水脫硅動(dòng)力學(xué)KINETICSOFHOT METAL DESILICONIZATIONWANG Qingxiang(Wuhan Metallurgical University of Science and Technology)ABStRact The mechanism stages and controlling step of hot metal desiliconization process are investigated and themethods intensifying process and increasing reaction rate are proposedKEY WoRDs hot metal desiliconization kinetics1前言鐵水中的硅,在煉鋼過(guò)程中是重要的發(fā)熱元素,又是不可缺少的造渣元素。但是,如果硅的含量過(guò)高,不僅會(huì )增加煉鋼過(guò)程中的渣量、增加堿性造渣劑單耗、增加爐襯材料溶蝕,而且還會(huì )導致鐵的收得率和鋼的產(chǎn)量下降目前,鐵水預脫硫、預脫磷正逐漸成為鋼鐵生產(chǎn)流程的重要一環(huán)。而低硅鐵水是刈鐵水進(jìn)行經(jīng)濟、有效預脫磷的熱力學(xué)條件,通常硅應低于0.2%鐵水中的硅很容易被氧化鐵渣去除。用此法脫硅還能收到增加鐵量的效果,所以得到了廣泛的應用。然而,在低硅濃度范圍內,脫硅速度急劇下降,要想經(jīng)濟地進(jìn)行深脫硅相當困難,這是因為脫硅技術(shù)還很不成熟。要建立合理的脫硅制度,首先必須弄清楚脫硅過(guò)桯的動(dòng)力學(xué),包括過(guò)程的組成環(huán)節,過(guò)程旳控制步驟等并在此基礎上提岀強化過(guò)程的方法。本文就氧化鐵渣脫除鐵水中硅的過(guò)程進(jìn)行探討。2實(shí)驗2.1裝置實(shí)驗裝置示于圖1實(shí)驗在10杋可控硅碳棒高溫電爐中進(jìn)行。用Pth6%—Ptκh30%熱電偶配合∪」31電位計測定爐溫,爐內等溫帶長(cháng)300mm。實(shí)驗溫度按設定溫度而定,溫度精度≤±5℃。爐內管?chē)栏衩芊?處氬氣保護狀態(tài)。實(shí)驗用坩堝為高純剛玉坩堝。中國煤化工CNMHG數據ile//E ygk/gv981 204H(第1/7頁(yè))201032203249鐵981204D0圖1實(shí)驗裝置示意圖ig. 1 Experimental plant diagram隔熱保溫材料;2—外爐管;3硅碳棒;ψ-內爐管5—剛玉坩堝;6熔渣;7熔鐵;8-隔熱密封材料;9雙鉑銠熱電偶22原料用高純鐵粉和硅鐵試劑按適當比例混合配制成適當組成旳實(shí)驗用含硅鐵。高純鐵粉和三氧化二鐵試劑按適當比例混合,在氬氣保護條件下在1100℃焙燒3h制取FeO;用制得的氧化鐵粉和氧化鈣試劑按適當比例混合,再在1100焙燒3h,制得實(shí)驗用FeO-CaO渣。2.3方法將裝有500g適當組成的實(shí)驗用含硅鐵的剛玉坩堝置于爐中,含硅鐵隨爐升溫至熔化,再升溫至設定溫度穩定?10min后,取初鐵樣。然后加入30g適當組成的Feo-Cao渣,并開(kāi)始記時(shí),按適當時(shí)間間隔用石英管吸取鐵樣。整個(gè)過(guò)程在氬氣保護條件下進(jìn)行。3原理渣一鐵脫硅反應的過(guò)程情景可用圖2表示si+2(e)·=(s0Q2)2+2Fe]'T弊面Sil圖2渣一鐵界面氧化脫硅反應示意圖Fig 2 Oxidizing desiliconization diagram inag過(guò)程可分以下幾步1)[Si]→[S]*,鐵液本體的硅通過(guò)鐵液邊界層擴散到渣—鐵界面2)(Feo)→(Fεo),熔渣本體的FeO通過(guò)渣液邊界層擴散到渣一鐵界面(3)[Si]+2(Fe0)*=(S02)*+2[Fe*,到達界面的硅和Fe在界面上進(jìn)行化學(xué)唇應生成SO和Fe;(4)(Sio2)*→(SO以),界面上生成的so通過(guò)渣液邊界層擴散到熔渣本體;中國煤化工CNMHG5)[Fe*→[Fe],界面上生成的Fe通過(guò)鐵液邊界層擴散到鐵液本體。以上步驟中,(3)為界面化學(xué)反應,(1)、(2)、(4)、(5為反應有關(guān)物質(zhì)在相應擴散層中的擴散過(guò)程。其中,擴散過(guò)程的速率數據ile//E ygk/gv981 204H(第2/7頁(yè))2010-32203249dek.C e式中c—物質(zhì)在相應熔體本體的濃度;C—i物質(zhì)在相界面的濃度βi物質(zhì)在的傳質(zhì)系數A—相界面面積V—相應熔體體積;k;=B積分式(1),并考慮t=0時(shí),G1=c0(Ci-Ci)=In(corc. )-kit4實(shí)驗結果及分折41實(shí)驗結果圖3表示在163、1623和15乃3K三個(gè)溫度水平、初始硅濃度為0.7%的鐵液在進(jìn)行渣—鐵反應脫硅時(shí),[%Si]隨脫硅時(shí)間變化的實(shí)驗結果;圖4為1573張K時(shí),初始硅濃度為0.7%的鐵液中攪拌和不攪拌對于過(guò)程速率的影響。80 2Feo+20 %CaO0.6[si]=0.7%1673K0.5xI6230.40.3(.212151/ min中國煤化工圖3溫度對脫硅速率的影響CNMHGFig 3 Effect of temperature on desiliconization rate數據ile//E ygk/gv981 204H(第3/7頁(yè))2010-32203249鐵9812040.780%Fe0+20%CaO[Si]n=0.7%T=1573K木攪撲o攪撲多85r, min圖4攪拌對脫硅速率的影響Fig, 4 Effect of starring on desiliconization rate42渣—鐵反應氧化脫硅的控制步驟比較圖3和圖4知,溫度對過(guò)程速率的影響不顯著(zhù),攪拌對過(guò)程速率的影響則比較大。因此,界面化學(xué)反應,即步驟(3)不是過(guò)程的控制步驟;攪拌對過(guò)程速率的影響大,表明擴散是過(guò)程的限制性步驟。實(shí)驗表明,在(1)、(2)、(4)、(5四個(gè)擴散步驟中,硅通過(guò)鐵液邊界層向渣—鐵界面的擴散即步驟(1)是全過(guò)程的控制步驟。當鐵液本體的硅通過(guò)鐵液邊界層向反應界面的擴散為渣—鐵反應脫硅過(guò)程的控制步驟時(shí),脫硅過(guò)程速率由硅在鐵液邊界層的擴散速率決定。由式(1)知,此情況下有d[%si]ks:([%Si]-[%Si])由于反應溫度高,反應速度快,渣一鐵界面化學(xué)反應趨近平衡;又由于硅的氧化反應常數很大,反應強烈偏向于生成物一方,故可以認為[%S]=[%S]e=0,式(3可寫(xiě)成dtoL%Si]積分式(4,并考慮t=0時(shí),[%Si]=[%S]In[%Si]=In[ %Si ]ok[ silH中國煤化工(5)式(5)表明,硅在鐵液邊界層的擴散為脫硅過(guò)程的限制步驟時(shí),鐵液中硅的CNMH之間的關(guān)系數據ile//E ygk/gv981 204H(第4/7頁(yè))20103220324980%Fe0+20%CaOT=|673Ki Sia=0:-.50.7min圖5n[%Si]與脫硅時(shí)間(t的關(guān)系(1673K)Fig 5 Relation of In [%Si]1 673 K anddesiliconization time(t)80%Fe0+20%CaOT=1623K·[Si]=0.3%15f/ min圖6hn[%S]與脫硅時(shí)間(t關(guān)系(1623K)Fig 6 Relation of In[ %Si]1 623 Knd desiliconization time (t)中國煤化工CNMHG數據ile//E ygk/gv981 204H(第5/7頁(yè))2010-3220324980‰Fe0+20%Ca0T=1573K·[Si]n=0.3%100.72151/m圖7In[%Si]與脫硅時(shí)間(t)的關(guān)系(1573K)ig. 7 Relation of In [%Si] 1573 Kand desiliconization time(t)圖5-7分別表示在16731623和1573K三個(gè)溫度水平,[%Sj0分別為0.7%0.5%和0.3%條件下,n[%S]與脫硅時(shí)間(t)的關(guān)系。實(shí)驗結果同式(5相符,這表明脫硅過(guò)程的限制性步驟確實(shí)是硅通過(guò)鐵液邊界層的擴散。因此要提高脫硅過(guò)程速率,必須提高硅的擴散速率,一個(gè)重要的措施就是加強攪拌。4.3過(guò)程的表觀(guān)活化能式(3-(5中的ks]有如下關(guān)系A式中D[Si]硅在鐵液的擴散系數5cs]—渣一鐵界面處鐵液邊界層厚度。即oLaVA代入下式EtR+InD)+V凵中國煤化工CNMHG由圖5-河可分別得到k[s],167K,k[s],1623k和k[s],15BK,進(jìn)而由式(6)nk[s1與(1)(T的關(guān)系得到E[s1=61k/mo(s)。此E[s]為硅在鐵液中的擴散活化能,亦即過(guò)程的表觀(guān)活化能。fle∥/ E yak/g(第6/7頁(yè))2010-32203249鐵9812045工業(yè)試驗中鐵水脫硅情況及解釋圖8為某廠(chǎng)向高爐鐵水溝撒氧化鐵皮進(jìn)行脫硅工業(yè)試驗時(shí),氧化鐵皮利用率(η)同鐵水初始硅含量[%Si]σ的關(guān)系。每噸鐵水加入的氧化鐵皮為20~30kg。實(shí)驗表眀,氧化鐵皮利用率隨鐵水初始硅含量增加而線(xiàn)性增加。這一結果同本實(shí)驗結果是一致的。50400.40.60.[Si]。!%圖8氧化鐵皮利用率(n)與[%5i]0的關(guān)系Fig, 8 Relation between oxide scaleavailability(n )and [ %Si]以上事實(shí)說(shuō)明,向高爐鐵水溝內的鐵水撒氧化鐵皮脫硅的過(guò)程速率受鐵水中硅的傳質(zhì)步驟所控制6結語(yǔ)1)脫硅過(guò)程的控制環(huán)節是鐵水中的硅通過(guò)鐵液邊界層向渣—鐵界面的擴散。(2)脫硅過(guò)程的表觀(guān)活化能約為61k」/mol(3)本實(shí)驗結果與在高爐鐵水溝撒氧化鐵皮脫硅的工業(yè)性試驗結果一致。(4為了充分利用脫硅劑,提高其中氧化鐵利用率,必須加強攪拌,以降低擴散層厚度和增加反應界面面積聯(lián)系人:王慶祥,副教授,武漢(430081)武漢冶金科技大學(xué)113信箱中國煤化工CNMHG數據ile//E ygk/gv981 204H(第7/7頁(yè))2010-32203249