LF泡沫精煉渣脫硫動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究

1、2003年6月June 2003鋼鐵研究Research on Iron &S teel第3期(總第132期N o.3(Sum132LF 泡沫精煉渣脫硫動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究張東力王曉鳴鄒宗樹(shù)沈峰滿(東北大學(xué)摘要對(duì)CaO -Al 2O 3-S iO 2系泡沫精煉渣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室脫硫動(dòng)力學(xué)研究,得到的硫傳質(zhì)系數(shù)為1.459×10-5m s 。還就泡沫精煉渣中發(fā)泡劑對(duì)其脫硫能力的影響進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞脫硫LF 泡沫渣動(dòng)力學(xué)LABORATOR Y STU DY ON DESU LFURIZATION DYNAMICSOF LF FOAMING SLAGZhang D ongli Wang

2、X iaoming Z ou Z ongshu Shen Fengman(N ortheastern University Synopsis A laboratory study on desulfurization dynamics of CaO -Al 2O 3-S iO 2system foaming slag was made by the authors.The trans fer coefficient of sulfur in m olten steel (1.459×10-5m s was obtained based on the laboratory data.I

3、n addition ,the effect of foaming agent on the slag desulfurization capacity was als o investigated.K eyw ords desulfurization LF foaming slag dynamics聯(lián)系人:張東力,博士生,沈陽(yáng)市(110004東北大學(xué)312信箱1前言傳統(tǒng)的鋼包精煉爐用還原渣為石灰螢石渣系,但也存在一些缺點(diǎn)。首先,螢石的大量存在對(duì)鋼包渣線的耐火材料工作層侵蝕嚴(yán)重;其次,高含氟的精煉渣在高溫下有較強(qiáng)的揮發(fā)性,易對(duì)環(huán)境造成污染,也對(duì)操作者造成危害,無(wú)氟或低氟的CaO -Al 2O

4、3-SiO 2精煉渣系具有較高的硫容量,高溫下流動(dòng)性很好,可以滿足生產(chǎn)的需要1,2。另外,LF 精煉渣的泡沫化技術(shù)可以達(dá)到埋弧加熱,是降低生產(chǎn)成本、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要手段。本研究主要針對(duì)CaO -Al 2O 3-SiO 2渣系低氟泡沫精煉渣的脫硫性能進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)研究,并考察爐渣泡沫化對(duì)精煉渣脫硫速度的影響。2實(shí)驗(yàn)渣成分的選擇CaO -Al 2O 3-SiO 2渣系的脫硫性能,前人已有研究,在選擇LF 泡沫精煉渣時(shí)應(yīng)首先考慮脫硫性能34。針對(duì)CaO -Al 2O 3-SiO 2渣系的發(fā)泡性能,作者曾做過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究,在該渣系硫容量較高的組成范圍內(nèi),渣的發(fā)泡指數(shù)(與渣成分之間的關(guān)系式為:=1.84

5、88-0.02045(X CaO +X MgOX Al 2O 3X SiO 2-1308.39X 2CaF 2+76.299X CaF 2濃度適用范圍:X CaF 2<0.06或渣中w (CaF 2小于7%。LF 泡沫精煉渣所用發(fā)泡劑主要為碳酸鹽和碳化物以及其復(fù)合物等。本實(shí)驗(yàn)為簡(jiǎn)化操作采用CaC O 3單一發(fā)泡劑,與精煉渣混合后使用。根據(jù)以上的研究結(jié)果,實(shí)驗(yàn)中所采用的精煉渣組成范圍為:w (CaO 為50%55%、w (Al 2O 3為30%35%、w (SiO 2為10%15%、w (MgO 為5%、w (CaF 2為3%5%。613實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)在有氬氣保護(hù)的M oSi2實(shí)驗(yàn)電爐中進(jìn)行

6、,實(shí)驗(yàn)溫度為1600,采用MgO坩堝(內(nèi)徑45 mm,石英管取樣。將裝有鋼料的坩堝隨爐一起升溫,達(dá)到實(shí)驗(yàn)溫度后取空白樣。加入由化學(xué)純?cè)噭┡渲频木珶捲?渣量10%,隔一定時(shí)間用石英管取鋼樣進(jìn)行成分分析。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析4.1預(yù)備實(shí)驗(yàn)為了確定實(shí)驗(yàn)中取樣的時(shí)間,做了精煉渣脫硫的預(yù)備實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的精煉處理后,鋼水中w(S不再發(fā)生變化,可以確定動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的精煉渣處理時(shí)間為90min。4.2泡沫精煉渣脫硫動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果各爐次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1 。圖1預(yù)備實(shí)驗(yàn)鋼水中w(S與處理時(shí)間的關(guān)系精煉渣對(duì)鋼水進(jìn)行的脫硫反應(yīng)過(guò)程可表示為:表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理時(shí)間min實(shí)驗(yàn)爐次12

7、3456789S+(O2-=(S2-+O(1從脫硫反應(yīng)的各步驟來(lái)看,高溫下的電化學(xué)反應(yīng)步驟不會(huì)成為控制性環(huán)節(jié)。在傳質(zhì)步驟中,熔渣相對(duì)于鋼水來(lái)說(shuō)傳質(zhì)路徑較短,而在鋼水中硫的傳質(zhì)速度比氧要慢。因此,在低w(S的鋼水脫硫過(guò)程中,控制環(huán)節(jié)應(yīng)該是硫在鋼水中的傳質(zhì)。以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示脫硫反應(yīng)方程為:JS=-dw(Sdt=As k mV mmw(S-w(SL S式中LS硫的分配系數(shù)k m硫在鋼水中的傳質(zhì)系數(shù)A渣鋼反應(yīng)界面積V m鋼水體積m鋼水密度s熔渣密度根據(jù)脫硫質(zhì)量平衡:w(S=w(S0-w(SW mW s可得到:JS=As k mV mmw(S1+W mL S W s-1L Sw(S0+w(S0W mW

8、s(4分離變量并積分上式得:ln(w(S-=-t+lnw(S-(5式中:=Ask mV mm(1+W mL S W s(6=Ask mV mm L Sw(S0-w(S0W mW s(7由公式(5可以得到下式:lnw(S-lnw(S0-=-t(8根據(jù)式(6(7(8整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得表2。如果令:71表2處理后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)間s-lnw (S -lnw (S 0-12345678901.72552.3049 1.7656 1.18742700 1.8959 2.1897 2.2625 2.0218 2.3049 2.06 2.18073600 2.6184 2.4446 2.47895400 2.672

9、8 2.7845 2.9891 3.0958 2.4446 2.8436 2.7803 3.134 2.784510-4 5.3434 4.7073 5.2059 5.0711 4.5591 4.8881 5.3335 5.7351 5.1153k m 10-51.52671.34491.48741.4489 1.30261.39661.52391.63861.4615注:k m 平均值為1.459×10-5m sY =lnw (S -lnw (S 0-以Y 為縱坐標(biāo),處理時(shí)間t 為橫坐標(biāo)作圖。則各爐次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后可以發(fā)現(xiàn),其規(guī)律與理論分析推得的公式是符合的,這也可以從另一方面說(shuō)

10、明理論分析的正確性。說(shuō)明鋼水脫硫的控制環(huán)節(jié)在于硫的傳質(zhì),由此可以有針對(duì)性地使精煉渣處理的動(dòng)力學(xué)條件改善,以促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。根據(jù)式(6可以計(jì)算k m ,得到k m 平均值為1.459×10-5m s (見(jiàn)表2。4.3泡沫精煉渣中發(fā)泡劑對(duì)脫硫速度的影響LF 的泡沫渣精煉技術(shù)是保護(hù)鋼包壁、提高熱效率的有效手段,本次實(shí)驗(yàn)中以CaC O 3為發(fā)泡劑考察了泡沫精煉渣的脫硫動(dòng)力學(xué)。與此相對(duì)照,將泡沫精煉渣中的發(fā)泡劑組員去掉進(jìn)行了相同條件下的實(shí)驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖2。 圖2發(fā)泡劑對(duì)精煉渣脫硫的影響對(duì)比圖上可以看出,由于泡沫精煉渣中增加了發(fā)泡劑的成分,可以加速精煉渣脫硫的速度。由于精煉渣脫硫的控制環(huán)節(jié)為傳質(zhì)步驟,所以泡沫精煉渣中增加發(fā)泡劑的成分后,發(fā)泡劑在高溫下分解或反應(yīng)產(chǎn)生氣體,在使熔渣泡沫化的同時(shí)也對(duì)整個(gè)坩堝中的渣鋼熔體擾動(dòng),加速了傳質(zhì)過(guò)程,這對(duì)于缺乏攪拌的實(shí)驗(yàn)坩堝有著較大的影響,所以脫硫速度有了較為明顯的變化。另一方面,圖中可以看出,在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,精煉脫硫后期接近平衡時(shí)鋼水中的w (S 近似。這說(shuō)明少量的發(fā)泡劑加入精煉渣中,精煉渣的成分改變很小,對(duì)于精煉渣的精煉能力沒(méi)有不利影響。5結(jié)論通過(guò)對(duì)LF 精煉渣脫硫的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究,可以知道反應(yīng)的控制環(huán)節(jié)是硫在鋼水中的傳質(zhì)步驟,由此可以推得脫硫的動(dòng)力學(xué)方程。