铁水脱硅动力学研究

铁981204数据钢铁科技期刊NFANG DATAIRON STEEL1998年第33卷第12期铁水脱硅动力学研究王庆祥(武汉冶金科技大学)摘要研究了铁水脱硅过程的机理、组成环节和控制步骤等动力学问题,提岀了强化过程和提高过程速率的方法关键词铁水脱硅动力学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前言铁水中的硅,在炼钢过程中是重要的发热元素,又是不可缺少的造渣元素。但是,如果硅的含量过高,不仅会增加炼钢过程中的渣量、增加碱性造渣剂单耗、增加炉衬材料溶蚀,而且还会导致铁的收得率和钢的产量下降目前,铁水预脱硫、预脱磷正逐渐成为钢铁生产流程的重要一环。而低硅铁水是刈铁水进行经济、有效预脱磷的热力学条件,通常硅应低于0.2%铁水中的硅很容易被氧化铁渣去除。用此法脱硅还能收到增加铁量的效果,所以得到了广泛的应用。然而,在低硅浓度范围内,脱硅速度急剧下降,要想经济地进行深脱硅相当困难,这是因为脱硅技术还很不成熟。要建立合理的脱硅制度,首先必须弄清楚脱硅过桯的动力学,包括过程的组成环节,过程旳控制步骤等并在此基础上提岀强化过程的方法。本文就氧化铁渣脱除铁水中硅的过程进行探讨。2实验2.1装置实验装置示于图1实验在10杋可控硅碳棒高温电炉中进行。用Pth6%—Ptκh30%热电偶配合∪」31电位计测定炉温,炉内等温带长300mm。实验温度按设定温度而定,温度精度≤±5℃。炉内管严格密封,处氩气保护状态。实验用坩埚为高纯刚玉坩埚。中国煤化工CNMHG数据ile//E ygk/gv981 204H(第1/7页)201032203249铁981204D0图1实验装置示意图ig. 1 Experimental plant diagram隔热保温材料;2—外炉管;3硅碳棒;ψ-內炉管5—刚玉坩埚;6熔渣;7熔铁;8-隔热密封材料;9双铂铑热电偶22原料用高纯铁粉和硅铁试剂按适当比例混合配制成适当组成旳实验用含硅铁。高纯铁粉和三氧化二铁试剂按适当比例混合,在氩气保护条件下在1100℃焙烧3h制取FeO;用制得的氧化铁粉和氧化钙试剂按适当比例混合,再在1100焙烧3h,制得实验用FeO-CaO渣。2.3方法将装有500g适当组成的实验用含硅铁的刚玉坩埚置于炉中,含硅铁随炉升温至熔化,再升温至设定温度稳定ˆ10min后,取初铁样。然后加入30g适当组成的Feo-Cao渣,并开始记时,按适当时间间隔用石英管吸取铁样。整个过程在氩气保护条件下进行。3原理渣一铁脱硅反应的过程情景可用图2表示si+2(e)·=(s0Q2)2+2Fe]'T弊面Sil图2渣一铁界面氧化脱硅反应示意图Fig 2 Oxidizing desiliconization diagram inag过程可分以下几步1)[Si]→[S]*,铁液本体的硅通过铁液边界层扩散到渣—铁界面2)(Feo)→(Fεo),熔渣本体的FeO通过渣液边界层扩散到渣一铁界面(3)[Si]+2(Fe0)*=(S02)*+2[Fe*,到达界面的硅和Fe在界面上进行化学唇应生成SO和Fe;(4)(Sio2)*→(SO以),界面上生成的so通过渣液边界层扩散到熔渣本体;中国煤化工CNMHG5)[Fe*→[Fe],界面上生成的Fe通过铁液边界层扩散到铁液本体。以上步骤中,(3)为界面化学反应,(1)、(2)、(4)、(5为反应有关物质在相应扩散层中的扩散过程。其中,扩散过程的速率数据ile//E ygk/gv981 204H(第2/7页)2010-32203249dek.C e式中c—物质在相应熔体本体的浓度;C—i物质在相界面的浓度βi物质在的传质系数A—相界面面积V—相应熔体体积;k;=B积分式(1),并考虑t=0时,G1=c0(Ci-Ci)=In(corc. )-kit4实验结果及分折41实验结果图3表示在163、1623和15乃3K三个温度水平、初始硅浓度为0.7%的铁液在进行渣—铁反应脱硅时,[%Si]随脱硅时间变化的实验结果;图4为1573张K时,初始硅浓度为0.7%的铁液中搅拌和不搅拌对于过程速率的影响。80 2Feo+20 %CaO0.6[si]=0.7%1673K0.5xI6230.40.3(.212151/ min中国煤化工图3温度对脱硅速率的影响CNMHGFig 3 Effect of temperature on desiliconization rate数据ile//E ygk/gv981 204H(第3/7页)2010-32203249铁9812040.780%Fe0+20%CaO[Si]n=0.7%T=1573K木搅扑o搅扑多85r, min图4搅拌对脱硅速率的影响Fig, 4 Effect of starring on desiliconization rate42渣—铁反应氧化脱硅的控制步骤比较图3和图4知,温度对过程速率的影响不显著,搅拌对过程速率的影响则比较大。因此,界面化学反应,即步骤(3)不是过程的控制步骤;搅拌对过程速率的影响大,表明扩散是过程的限制性步骤。实验表明,在(1)、(2)、(4)、(5四个扩散步骤中,硅通过铁液边界层向渣—铁界面的扩散即步骤(1)是全过程的控制步骤。当铁液本体的硅通过铁液边界层向反应界面的扩散为渣—铁反应脱硅过程的控制步骤时,脱硅过程速率由硅在铁液边界层的扩散速率决定。由式(1)知,此情况下有d[%si]ks:([%Si]-[%Si])由于反应温度高,反应速度快,渣一铁界面化学反应趋近平衡;又由于硅的氧化反应常数很大,反应强烈偏向于生成物一方,故可以认为[%S]=[%S]e=0,式(3可写成dtoL%Si]积分式(4,并考虑t=0时,[%Si]=[%S]In[%Si]=In[ %Si ]ok[ silH中国煤化工(5)式(5)表明,硅在铁液边界层的扩散为脱硅过程的限制步骤时,铁液中硅的CNMH之间的关系数据ile//E ygk/gv981 204H(第4/7页)20103220324980%Fe0+20%CaOT=|673Ki Sia=0:-.50.7min图5n[%Si]与脱硅时间(t的关系(1673K)Fig 5 Relation of In [%Si]1 673 K anddesiliconization time(t)80%Fe0+20%CaOT=1623K·[Si]=0.3%15f/ min图6hn[%S]与脱硅时间(t关系(1623K)Fig 6 Relation of In[ %Si]1 623 Knd desiliconization time (t)中国煤化工CNMHG数据ile//E ygk/gv981 204H(第5/7页)2010-3220324980‰Fe0+20%Ca0T=1573K·[Si]n=0.3%100.72151/m图7In[%Si]与脱硅时间(t)的关系(1573K)ig. 7 Relation of In [%Si] 1573 Kand desiliconization time(t)图5-7分别表示在16731623和1573K三个温度水平,[%Sj0分别为0.7%0.5%和0.3%条件下,n[%S]与脱硅时间(t)的关系。实验结果同式(5相符,这表明脱硅过程的限制性步骤确实是硅通过铁液边界层的扩散。因此要提高脱硅过程速率,必须提高硅的扩散速率,一个重要的措施就是加强搅拌。4.3过程的表观活化能式(3-(5中的ks]有如下关系A式中D[Si]硅在铁液的扩散系数5cs]—渣一铁界面处铁液边界层厚度。即oLaVA代入下式EtR+InD)+V凵中国煤化工CNMHG由图5-河可分别得到k[s],167K,k[s],1623k和k[s],15BK,进而由式(6)nk[s1与(1)(T的关系得到E[s1=61k/mo(s)。此E[s]为硅在铁液中的扩散活化能,亦即过程的表观活化能。fle∥/ E yak/g(第6/7页)2010-32203249铁9812045工业试验中铁水脱硅情况及解释图8为某厂向高炉铁水沟撒氧化铁皮进行脱硅工业试验时,氧化铁皮利用率(η)同铁水初始硅含量[%Si]σ的关系。每吨铁水加入的氧化铁皮为20~30kg。实验表眀,氧化铁皮利用率随铁水初始硅含量增加而线性增加。这一结果同本实验结果是一致的。50400.40.60.[Si]。!%图8氧化铁皮利用率(n)与[%5i]0的关系Fig, 8 Relation between oxide scaleavailability(n )and [ %Si]以上事实说明,向高炉铁水沟内的铁水撒氧化铁皮脱硅的过程速率受铁水中硅的传质步骤所控制6结语1)脱硅过程的控制环节是铁水中的硅通过铁液边界层向渣—铁界面的扩散。(2)脱硅过程的表观活化能约为61k」/mol(3)本实验结果与在高炉铁水沟撒氧化铁皮脱硅的工业性试验结果一致。(4为了充分利用脱硅剂,提高其中氧化铁利用率,必须加强搅拌,以降低扩散层厚度和增加反应界面面积联系人:王庆祥,副教授,武汉(430081)武汉冶金科技大学113信箱中国煤化工CNMHG数据ile//E ygk/gv981 204H(第7/7页)2010-32203249