铁水脱硅动力学研究[1]

实验装置示于图 1。 实验在 10 kV ·A 可控硅碳棒高温电炉中进
图 1 实验装置示意图 F ig11 Exp erim en ta l p lan t d iag ram 1—隔热保温材料; 2—外炉管; 3—硅碳棒; 4—内炉管; 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
ci3 )
(1)
图 3 温度对脱硅速率的影响 F ig13 Effect of tem p era tu re on desilicon iza tion ra te
412 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。
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
钢 铁
·15·
图 4 搅拌对脱硅速率的影响 F ig14 Effect of sta rring on desilicon iza tion ra te
=
-
k [Si] ( [% Si] -
[% Si]3 )
(3)
由于反应温度高, 反应速度快, 渣—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 [ % Si]3≈
[ % Si]eq≈ 0, 式 (3) 可写成
d[% Si] dt
=
-
k [Si] [ % Si]
式中 ci—— i 物质在相应熔体本体的浓度;
ci3 —— i 物质在相界面的浓度;
Βi—— i 物质在的传质系数;
A ——相界面面积;
V ——相应熔体体积;
k i=
Β
A V
。
积分式 (1) , 并考虑 t= 0 时, ci= c0
ln (ci - ci3 ) = ln (c0 - ci3 ) - k it
就是加强搅拌。 413 过程的表观活化能
式 (3) ～ (5) 中的 k [Si]有如下关系:
∆[Si] ——渣—铁界面处铁液边界层厚度。
即
D [ si] =
k [ si]
∆[ si]V M
A
k [ si] =
Β[ S i ]
A VM
=
D [ si] A
∆[Si] V M
式中 D [Si] ——硅在铁液的扩散系数;
行。用 P t·R h6 % —P t·R h30 % 热电偶配合U J 31 电位计测定炉温, 炉内等温带长 300 mm。实验温度 按设定温度而定, 温度精度≤±5 ℃。炉内管严格密
α 联系人; 王庆祥, 副教授, 武汉 (430081) 武汉冶金科技大学 113 信箱 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
K INET ICS O F HO T M ETAL D ES IL ICO N IZAT IO N
W AN G Q ingx iang
(W uhan M eta llu rg ica l U n iversity of Science and T echno logy) ABSTRACT T he m echan ism , stages and con t ro lling step of ho t m eta l desilicon iza t ion p ro2 cess a re invest iga ted, and the m ethod s in ten sify ing p rocess and increa sing react ion ra te a re p ropo sed1 KEY WO RD S ho t m eta l, desilicon iza t ion, k inet ics
第 33 199
卷 第 12 8年12
期 月
钢 铁
IRON AND ST EEL
V o l. D ecem
33, ber
N o. 199
12 8
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, 提出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α
(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 61 kJ m o l。 (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。
渣液边界层扩散到渣—铁界面; (3) [ S i]3 + 2 (F eO ) 3 = (S iO 2) 3 + 2 [ F e ]3 , 到
达界面的硅和 FeO 在界面上进行化学反 应 生 成 S iO 2 和 F e;
(4) (S iO 2) 3 → (S iO 2) , 界面上生成的 S iO 2 通 过渣液边界层扩散到熔渣本体;
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 弄清楚脱硅过程的动力学, 包括过程的组成环节, 过 程的控制步骤等, 并在此基础上提出强化过程的方 法。本文就氧化铁渣脱除铁水中硅的过程进行探讨。 2 实验 211 装置
温度水平, [ % Si]0 分别为 017 %、015 % 和 013 %
条件下, ln [ % Si] 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
图 6 ln [ % Si] 与脱硅时间 (t) 关系 (1 623 K) F ig16 R ela tion of ln [ % Si] 1 623 K and desilicon iza tion tim e (t)
·14·
1998 年第 12 期
封, 处氩气保护状态。实验用坩埚为高纯刚玉坩埚。 212 原料
用高纯铁粉和硅铁试剂按适当比例混合配制成 适当组成的实验用含硅铁。 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1 100 ℃ 焙烧 3 h 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1 100 ℃焙烧 3 h, 制得实 验用 FeO 2CaO 渣。 213 方法
lnk [ si] = -
E [ si] R
1 T
+
ln
D 0[Si]A
∆[Si]V M
(6)
由图 5～ 7 可分别 得 到 k [ si], 1 673 K , 和 k [ si], 1 623 K
, k [ si], 1 573 K
进而由式
(6)
lnk
与 [ si]
1 T
的关系得到
E
[ si]
(2)
4 实验结果及分折
411 实验结果
图 3 表示在1 673、 1 623 和1 573 K 三个温度水
平、初始硅浓度为 017 % 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 1 573 K 时, 初始硅浓度为 017 % 的铁液中搅拌
i] = -
E [si] 1 + RT
lnD 0[ si]
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
·16·
1998 年第 12 期
图 7 ln [ % Si] 与脱硅时间 (t) 的关系 (1 573 K ) F ig17 R ela tion of ln [ % Si] 1 573 K and desilicon iza tion tim e (t)
1 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。而低硅铁水是对铁水进行经济、 有效预脱磷的热力学条件, 通常硅应低于 012 %。
将装有 500 g 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 10 m in 后, 取初铁样。然后加入 30 g 适当组成的 FeO 2CaO 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—铁脱硅反应的过程情景可用图 2 表示。
积分式 (4) , 并考虑 t= 0 时, [ % Si] =
(4) [% Si]0