含铌铁水连续处理过程硅—铌分离氧化的数学模拟.pdf_大学文库

前 ‘ 目门口 ‘口包头钢铁公司生产的高炉铁水中，含有左右的妮和左右的硅，如采用一般的处理工艺由该铁水中提取含捉炉渣，铁水中的硅和妮会一同氧化至清中，从而降低妮演中呀豹品位。为了解决这一问题，北京钢铁学院与日本金属材料技术研究所，经过近三年的试验研究，联合升羞，弃莞成脱硅一提锐分段连续铁水处理这一新工艺，〕由包钢铁水中提取出含，。为在铁水处理过程中，除了硅和祝的互仁的泥渣氧花以外，述发生脱锰、脱碳、脱钦、脱硫以及铁的氧化等反应。多个反应交织在一起，互相影响，互为制约，使整个反应体系变得十分复杂。为了更好地解释试驳结果，明除反疏理，优化工艺参数改进并完善整个工艺流程，借助数学模型对反应过程进行模拟分析是非常有效的手段。为此，作者从连续式反应器体系中，从反应速度与反应介质在反应器内停留时间这一基木矛盾出发，将传质模型用于含妮铁水连续处理脱硅阶段的硅一泥分离氧化过程，同时预报铁水和炉渣中多个组元随停留时间的变化，井根据计算结果分析讨论了影响硅一锭分离程度的主要因素。叫含妮铁水连续处理试验含妮铁水的处理分脱硅和提妮两个阶段，脱硅段的主要任务是在祝很少氧化损失的前提下，将铁水中的硅脱除至飞 ‘ ，然后再在提锭段氧化回收铁水中的泥。图连续铁水处理工艺示意图有关含锐铁水连续处理的试验情况已有专门报告，本文不再赘述。图为试验所用 ‘ 工艺示意图，表为试验中典型炉次所用工艺参数及试验结果

停留时间的变化。如用重量百分浓度表示，铁水中组元浓度的变化为 △ 〔位〕 △ · 二〔〕一〔 ‘ 炉渣中组元重量的变化为 △ △ · 二。 · 二一。 · 计算中△ 取为秒，为了简化计算，将处理过程中供入的氧气，参照其流量全部折合或户加人炉内，从而得出了供氧速度对处理过程的影响。有关数据的选取、确定卜计算中所用铁水原始成分、铁水流量、氧气流量等均取实际处理过程选用的工艺参数见表，铁水初始氧量取与硅相平衡之氧含量，炉内温度取铁水处理前后的平均温度。由于缺乏各个组元在铁水和炉渣中传质系数的数值，计算中将它们取为常数，其数值以及反应界面积的值均通过试算得出 · 一 ’ ， · 一 ’ ，二。铁水密度取为 · 一 ” ，炉渣密度取为 · 。一 “ 。表计算中采用的有关组元的活度系数坛饭一一汇已， ‘ 」，。二，付〔，〕。。。。。。。。，，。，一，见目艺欲八匕户，少，‘ … 月‘ 飞﹄，、布‘月卫氏犷，门曰田问尸曰声尸目习之叫户巴︸，场朽昌任卜计算有效平衡常数尹时所用的有关组元的活度系数见表，活度系数计算过程中所用的铁液中元素相互作甩系数。 ’均选几自文献〔〕。由于目前缺少较为可靠的有《关钦在铁液中以及和在举渡中的 “ 活度值，计算中所用的和尸期扫实际过程中的脱钦和脱硫速度加以试算得出产，邹 ’ ， ‘ 亏一天奥。一丘习 · 一。李二、、、火，一一一一一甲乡 · 才毕沐军 ” 闪卜土二毕一一一一福 ” 图多心，，爪铁水成分随停留时间的变化。一下模型计算结果图和图分别为计算得出的铁水、炉渣成分随停留时间的变化。可以看出，在所用的工艺条件下，铁水中硅、锰、碳、锭等的脱除程度主要取决于铁水在炉内的停留时

闻。由于硅和钛较其他元素易于氧化，因此在很短的停留时间内，炉渣中的SO,和 TO即达到最大含量，然后逐渐减少。由于铁水中高的硅、碳含量，因此反应界面 -SiU2 40 处的氧含量很低，在这样小的氧含量下， 5) -n0 铌只能有很少量的氧化。由图2、图3以及表3给出的模型计吃算结果与实际处理结果相比较可以看出， 015) 对于铁水脱硅处理这一复杂反应体系，本模型能够同时预报多个组元在铁水和炉渣中的行为，得出的计算结果与实际处理结 20 Time,min 果比较一致。脱硅段铁水处理的目的是使硅一铌分图3矿渣成分随停留时间的变化离氧化，对于影响其分离程度的因素，可 Fig.3 Composition (hange of slag with 以借助数学模型进行分析讨论。 residence 表3计算结果与实际处理结果的比较（停留时间6分钟） Table 3 Comparison of the calculating results with the observed results (residence'time,6 min) Hot metal composition, Slag composition,% Conditions C Si Ma S Nb Ti FeO SiOa Mno S TiO; Calculating re5ult3.7470.1271.0880.02060.08950.0113 5.0341.9934.490.3380.5853.97 Experimeatal re3uut3,730.l31.070.0210.0880.014 4.2141.5134.260.2430.46 3.91 铁水脱硅处理的试验结果表明，炉渣中∑FO含量显著影响硅一铌分离氧化的程度。将上节给出的其他计算数据保持不变，只改变供氧强度，计算得出的工FeO含量与供氧量的关系见图4。随着供氧速度的增加，∑FεO含量上升使反应界面处〔%)·增大，从而提高了铌的氧化损失程度（图5）。但是，由于反应体系的动力学条件仍然保持良好(km,k不变)，当氧 9 气流量增加时，所增加的大部分氧气主要消耗于铁水中硅、锰等的氧化反应。即使当氧气流量提 2 100200300400500 高到400Nl/min,FeO的含量仍不足7%，当 O2 Flow rate,N1.min' 硅脱除到0.13%左右时，铌的氧化损失也只有12，图4氧气流量对炉凌zFe0含量的影响 %。由于实际过程中所用氧流量的范围一般为Fig.4 The influence of the 200~350N1.min-',因此在动力学条件良好的情 oxygen flow rate on Feo content 况下，供氧强度的适当提高对硅一铌分离氧化的 in slag 22

曰阳乙引曰川︸犷日卜飞、厂﹄卜︺试卜︶︵的户︸。州，︶︵﹄乞夕︵三价，︶︵况刃，︸︵之咬间。由于硅和钦较其他元素易于氧化，因此在很短的停留时间内，炉渣中的和即达到最大含量，然后逐渐减少。由于铁水中高的硅、碳含量，因此反应界面处的氧含量很低，在这样小的氧含量下，视只能有很少量的氧化。由图、图以及表给出的模型计算结果与实际处理结果相比较可以看出，对于铁水脱硅处理这一复杂反应体系，本模型能够同时预报多个组元在铁水和炉渣中的行为，得出的计算结果与实际处理结果比较一致。脱硅段铁水处理的目的是使硅一泥分离氧化，对于影响其分离程度的因素，可以借助数学模型进行分析讨论。于一多斗丁，图矿渣成分随停留时间的变化州表计算结果与实际处理结果的比较停留时间分钟巾，，一，忽 ‘ ，。了。。。。。。二吕。。。。。。。。。。。铁水脱硅处理的试验结果表明，炉渣中万含量显著影响硅一锐分离氧化的程广雳邑，气诊电度。将上节给出的其他计算数据保持不变，只改变供氧强度，计算得出的万含量与供氧量的关系见图。随着供氧速度的增加，艺含量上升使反应界面处〔。〕 ‘ 增大，从而提高了泥的氧化损失程度图。但是，由于反应体系的动力学条件仍然保持良好二，，不变，当氧气流量增加时，所增加的大部分氧气主要消耗于铁水中硅、锰等的氧化反应。即使当氧气流量提高到，乙的含量仍不足，当硅脱除到。左右时，妮的氧化报失也只有。由于实际过程中所用氧流量的范围一般为。一 ’ ，因此在动力学条件良好的情况下，供氧强度的适当提高对硅一妮分离氧化的成，卜一一一一一一一一一一一一一，月，图暇气流对炉渣公含的影响魂

程度没有显著的影响。值得注意的是，当动力学条件保持良 14 5UON1. 好时，供氯量的提高并不改变硅、锰、铌 12 等氧化反应的先后顺序，却能显著加快反9 应的速度。例如，计算中当氧流量由290 提高到400N1.min~1时，铁水在炉内只需 6 停留4min,便可完成脱硅处理，将硅.由 4:: 0.43脱除到0.13，而铌的氧化量只增加了大约0.002%。由此可以设想，在实际 0.10 铁水处理过程中。只要保持良好的动力学 20304约1访新"7市一0 Berava】rnte of S4" 条件，适当提高供氧强度，便可以相应地图5氧气流量对铌氧化率的影响增加铁水流量，减少铁水在炉内的停留时Fig.5 The Influence of the oxygen 间，从扩大设备的处理能力，而不恶化flow rate on the degree of the 硅一铌分离的效果。 deniobiumization 将上节给出的计算数据保持不变，·只改变组元在铁水和炉渣内的传质系数，计算得出的传质系数与渣∑FO含量的关系见图6。由图中可以看出，传质系数的大小对 ∑FeO含量有十分显著的彩响，当km小于0.05cm.s'时，工FeO的含量随km减小急剧增高。在铁水处理过程中，炉渣∑FO的含量主要取决于供氧强度和渣铁之间反应的平衡程度。当供氧量一定时，炉内熔池的搅拌均匀程度愈好，渣铁之间的反应便愈接近平衡，炉渣中二FO的含量便会愈低。传质系数的大小反映熔池动力学条件的优劣，传质系数的降低意味着组元在渣铁两相内的传质速率减慢，此时供入的氧气由于不能很快被脱硅、脱锰和脱碳等反应所消耗，便与铁反应生成氧化铁，从而恶化硅一铌分离氧化的程度，增大铌的氧化损失（图7）。 is iransfey coefficient in olag,m.1 11.10.20.30.40.50.6 24 26 2 16 6 12 0.j 8 0.6 10 1,2 0 2030405060700 霄 Removal rate of Si,先 00.20.40.60.81.01.2 I'asa tansfer coefficicnt in metal,mme" 图7传质系数对能氯化率的影响 Fig.7 The influence of the mass 图6传质系数对炉楂F0含量的影响 Fig.6 The influence of the mass transfer oefficient on the degree transfer coefficient on Feo contant of denioiumization 23

程度没有显著的影响。值得注意的是，当动力学条件保持良好时，供氧量的提高并不改变硅、锰、 · 妮等氧化反应的先后顺序，却能显著加快反应的速度。例如，计算中当氧流量由提高到一 ’ 时，铁水在炉内只需停留场，便可完成脱硅处理，将硅由禅除到，而锭的氧化量只增加了大约。由此可以设想，在实际铁水处理过程中。只要保持良好的动力学条件，适当提高供氧强度，便可以相应地增加铁水流量，减少铁水在炉内的停留时间，从而扩大设备的处理能力，而不恶化硅一泥分离的效果。协广‘ ，“ ‘ 伪，。心。，，，卜刁日尸【旧去、﹄战工曰，。山口门。巴‘ 川协站飞汀飞只，汗叭，犷，王。认图。权气旅母对妮权化率的影响全扛将上节给出的计算数据保持不变，】只改变组元在铁水和炉渣内的传质系数，计算得出的传质系数与炉渣名，含量的关系见图。由图中可以看出，艺含量有十分显著的影响，当。小于。一 ’ 时，高。传质系数的大小对￡的含量随减小急剧增在铁水处理过程中，炉渣艺的含量主要取决于供氧强度和渣铁之间反应的平衡程度。当供氧量一定时，炉内熔池的搅拌均匀程度愈好，渣铁之间的反应便愈接近平衡，炉渣中乙的含量便会愈低。传质系数的大小反映熔池动力学条件的优劣，传质系数的降低意味着组元在渣铁两相内的传质速率减慢，此时供人的氧气由于不能很快被脱硅、脱锰和脱碳等反应所消耗，便与铁反应生成氧化铁，从而恶化硅一妮分离氧化的程度，增大妮的氧化损失图。 … 只门月芝︸，乙留艺工︺巴‘朴。 ‘典目︸胡多乡、图传质系数对泥筑化率的影响全，，、乞。几

图7给出的计算结果表明，单凭热力学条件并不能保证良好的硅一铌分离效果的获得，只有在良好的动力学条件下，铁水中各组元的氧化顺序才能基本符合热力学规律，这与文献〔8〕的作者由底吹转炉铁水提铌试验得出的结果一致。结论作者从连续式反应器体系中，反应速度与反应介质在反应器内的停留时间这一基本矛盾出发，将传质模型用于含铌铁水连续处理脱硅阶段的硅一铌分离氧化过程，同时对铁水和炉渣中多个组元的行为进行预报，计算结果与实际过程相吻合。借助数学模型对影响硅一铌分离氧化程度的因素进行了分析，发现：在良好的动力学条件下，在200~400N1mn'的氧气流量范围内，供氧强度的提高不会显著增加铌的氧化损失程度。熔池的动力学条件对硅一铌分离氯化程度有显著的影响，只有在良好的 ·动力学条件下，才能得到较满意的硅一铌分离氧化效果。符号表 A:反位界面积，cm2 M:克分子量，g.mol1 C:浓度， mo1.cm-3 r:反应速度，mol.cm-3.s1 K':有效平衡常数 V:体积， cms K:平衡常数 W,质量， g J:传质通量，mo1.cm2.s-1 Wad:处理过程中加人量，g.s1 kmt铁水中组元传质系数，cm.s1 P:密度， g.cm-a k·炉渣中组元传质系数， cm.s-I C:炉渣中总的克分子数参考文献 C1) 福尺章，钢铁，8(1984)，56 〔2) 林宗彩，周荣章，黄哔，姜均普：北京钢铁学院学报，铁水提铌专集，1985 年10月，P42 〔3)日本学术振舆会制钢第19委员会编影制钢反应②推奖平衡值，改订增补， 1984 〔4) Elliott,J.F.Thermochemistry for steelmaking,vol.2,Addison- Wesley,1963 C5]Elliott,J.F.:Electric turnace Proceedings,32(1974),62 〔6)藤田春彦，丸桥茂昭：铁上钢，55(1970)，830 〔7)陈伟伏，周荣章，林宗彩：北京钢铁学院学报，铁水提铌专集，1985年10月， P74 〔8)林宗彩，周荣章：钢铁，5(1981)，6 24

图给出的计算结果表明，单凭热力学条件并不能保证良好的硅一铭分离效果的获得，只有在良好的动力学条件下，铁水中各组元的氧化顺序才能基本符合热力学规律，这与文献〔〕的作者由底吹转炉铁水提锭试验得出的结果一致。结论作者从连续式反应器体系中，反应速度与反应介质在反应器内的停留时间这一基本矛盾出发，将传质模型用于含妮铁水连续处理脱硅阶段的硅一泥分离氧化过程，同时对铁水和炉渣中多个组元的行为进行预报，计算结果与实际过程相吻合。借助数学模型对影响硅一妮分离氧化程度的因素进行了分析，发现在良好的动力学条件下，在 ‘ 卜饭一 ‘ 的氧气流量范围内，供氧强度的提高不会显著增加扼的氧化损失程度。熔池的动力学条件对硅一锭分离氧化程度有显著的影响，只有在良好的动力学条件下，才能得到较满意的硅一铂分离氧化效果。符号表勺反应界面积，浓度，。一 “ 产有效平衡常数平衡常数传质通量，一，『，。铁永中组元传质系数，，护渣中组元传质系数， ‘ 一 ‘ 】克分子量， ‘ · ‘ 一 ‘ … 『反应速度，， · 一 ‘ · 一 ’ 体积， ‘ ，质量，处理过程中加入量， · 一 ‘ 。密度， · 一，名护渣中总的克分子数参考文献〔〕福沐章钢铁，，〔〕林宗彩，周荣章，黄哗，姜均普北京钢铁学院学报，铁水提妮专集，年月，魂〔〕日本学术振舆会制钢第委员会编，制钢反应。推奖平衡值，改订增补，〔〕，，，，〔〕，。，，〔〕藤田春彦，丸桥茂昭铁七钢，，〔〕陈伟庆，周荣章，林宗彩北京钢铁学院学报，铁水提妮专集，年月，〕林宗彩，周荣章钢铁，