D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1995.s1.019 第17卷增刊 北京科技大学学报 Vol.17 1995年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec,1995 熔渣脱氮动力学模型 徐学禄 赵沛 成国光 王林英 北京科技大学冶金系100083 摘要在熔渣脱氮动力学实验的基础上，利用双膜传质理论建立了相应的数学模型，根据该模型 可预测熔渣脱氮的反应进程.并可通过分析模型的数学表达式得出进一步提高熔渣脱氨效果的措 施和加速脱氨反应的途径。 关键词炉渣，脱氨，动力学，模型 Kinetic Model of Nitrogen Removal by Fluxes Xu Xuelu Zhao Pei Cheng Guoguang Wang Linying Dept.of Metallurgy.University of Science and Technology,Beijing 100083 ABSTRACT Started from the kinetic experiments of nitrogen removal by fluxes and the mass transfer theory of double film a mathematical model of nitrogen removal has been developed.Based on the model,the removal pro- cess of nitrogen can be prodicted and the methods increasing the effect and rate of nitrogen removal by fluxes can be obtained. KEY WORDS slag,nitrogen removal,kinetics,model 目前有关熔渣脱氨的研究主要集中于一些渣系的热力学方面，即氯在渣中的存在形式和 结构，渣的氮容量和氮在渣钢之间的平衡分配比，有关熔渣脱氨动力学的研究则较少，已有 的文献2均认为利用高氨容量的渣系来脱除钢液中的氮时，脱氯的限制性环节为氮在钢液 中的传质，由此推导出了氮在钢液中的传质系数.但熔渣脱氮的模型研究还很少见 本文在熔渣脱氮动力学实验的基础上，利用双膜传质理论建立了熔渣脱氮动力学模型， 1 熔渣脱氮动力学实验的主要结果 熔渣脱氨动力学实验是在多功能真空感应炉上进行的，使用的渣系是高氮容量的渣，组 ·1995一04-30收稿
第 17 卷 增刊 1 9 9 5年 1 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i ty o f Sc i e n e e a n d T e e h n o l o g y Be i ji n g V o l . 1 7 D e e . 1 9 9 5 熔渣脱氮动力学模型 徐 学禄 赵 沛 成 国 光 ` 王 林 英 北京科技大学冶金系 10 0 08 3 摘要 在熔渣脱 氮动力学实验的基础 上 , 利用双膜传质理论建立 了相应 的数学模型 , 根据该 模型 可预测熔渣脱氮 的反应进 程 . 并可通过分析模型的数学表达式得 出进一 步提高熔渣脱 氮效果 的措 施 和加速脱氮反应 的途径 . 关键 词 炉渣 , 脱氮 , 动 力学 , 模型 K i n e t i e M o d e l o f N i t r o g e n R e m o v a l b y F l u x e s X u 压tP . X ue lu Z h ao eP i hC en g G u og ua n g p口a n g L in y ’zn g o f M e t a ll u r g y , U n 一v e r s 一t y o f cS i e n e e a dn T e e h n o l o g y , Be i j i n g 2 0 0 0 8 3 A B S T R A C T S t a r r e d f r o m t h e k i n e t i e e x p e r i m e n t s o f n i r r o g e n r e m o v a l b y f l u x e s a n d t h e m a s s t r a n s f e r r h e o r y o f d o u b l e f il m a m a rh e m a t i e a l m od e l o f n i t r o g e n r e m o v a l h a s b e e n d e v e l o p e d . B a s e d o n t h e m记 e l , t h e r e m o v a l p r -o e e s s o f n i t r o g e n e a n b e p r浏 i e r e d a n d r h e m e t h闭 5 i n e r e a s i n g t h e e ff e e t a n d r a t e o f n i t r o g e n r e m o v a l b y f l u x e s e a n b e o b t a i n e d . K E Y W O R D S s l a g , n i t r o g e n r e m o v a l , k i n e t i e s , m 记 e l 目前 有 关熔 渣脱 氮 的研 究主 要集 中于一些 渣 系的热 力学 方面 , 即氮 在 渣 中 的存 在形式 和 结构 , 渣的 氮容 量和 氮在 渣 钢之 间 的平衡 分配 比 , 有关 熔渣 脱氮动 力学 的 研究 则较少 . 已有 的文 献 .l[ 2 , 3〕均认 为利用 高 氮容 量的 渣 系来脱 除钢液 中的氮 时 , 脱氮 的 限制 性环节 为氮在 钢液 中的传 质 , 由此 推导 出 了氮 在钢液 中的 传质 系数 . 但熔 渣脱 氮 的模型研 究 还很 少 见 . 本 文在熔 渣 脱氮 动力 学 实验 的基 础上 , 利 用双 膜 传质理 论建 立 了熔渣 脱氮 动力 学模 型 . 1 熔渣脱氮动力学实验 的 主 要结果 熔 渣 脱氮 动力 学实 验是 在 多功 能真 空感 应炉 上 进行 的 , 使用 的 渣系 是高 氮 容 量 的渣 , 组 1 9 9 5 一 0 4 一 3 0 收稿 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1995. s1. 019
徐学禄等：熔渣脱氨动力学模型 ·91· 成为50%SiO2一10%TiO2一40%B203,通过分析实验数据可以得到以下主要结果. 1.1熔渣的脱氮效果 60 图1是66.7Pa真空度和1600C条件下 50 熔渣脱氨的实验结果，从曲线可以看出，该熔 渣脱氨效果明显. 40 0 1.2钢液中铝含量对熔渣脱氨的影响 ÷30 20 熔渣脱氮的离子反应式为： [N]+(O2-)=(N3-)+[O] (1) 10 氯容量的定义式为： 0 10 15 20 CNd- - t/min (2) JNJ·rNJ 图11873K66.7Pa真空度下试验熔渣的脱氨曲线 氨容量只与渣的组成和温度有关，它能准确地反映熔渣 溶解和固定氮的能力 渣钢之间氮的的分配比可由下式表示： 25f Ln=IN=Sw·fN (3) I[N]o]2 20 由(3)式可知，氮在渣钢之间的分配比随渣氨容量 的增加而增加，随钢液中的氧位升高而下降.当渣的组 成和温度一定时，氮容量一定，氨的分配比受氧位控制.子 钢液中的铝含量能有效地控制氧位.图2是钢液中 10 铝含量对氮在渣钢间平衡分配比的实验关系曲线，可以 看出，铝含量越高，则氨在渣钢间的平衡分配比越大， 1.3熔渣脱氨反应的限制性环节 0.01 0.020.030.040.05 w/% 由双膜传质理论，方程式(1)描述的熔渣脱氮反应 可分为5个步骤：(1)渣中()2-)向钢渣界面传质： (2)钢液中[N]向钢渣界面传质；(3)[N门和(O2-) 图2LN与x实验关系曲线 在渣钢界面发生化学反应；(4)生成的(N3-)向渣液扩散；(5)生成的[O]向钢液扩散. 文献[1~3]及作者的关于熔渣脱氮的限制性环节研究结果表明，氨在钢液中的扩散是 整个熔渣脱氮反应的限速环节.氨在钢液中传质的速度方程也即整个熔渣脱氮反应的速度方 程为： drcn(ro) (4) 式中：N为氮在钢液中传质系数；A、V分别为钢渣有效接触面积和钢液体积；)一xI
徐学禄等 : 熔 渣脱氮动 力学模 型 成为 50 % 51 0 2 一 10 % TI O Z 一 40 写 B : 0 3 , 通过 分 析 实验数 据 可 以 得 到 以 下主 要结 果 · 熔渣的脱氮效果 罗 ,. 。一 图 1 是 6 6 . 7 P a 真 空 度 和 1 6 0 0 ` C 条 件 下 熔渣脱氮 的 实验 结果 . 从 曲线可 以 看出 , 该熔 渣脱氮效果 明显 . 2 钢液中铝 含量对熔渣 脱氮的影响 n j 勺.皿 一 11 了`、 熔渣脱氮 的离子 反应 式为 : [ N ] + ( 0 2一 ) = ( N 3 一 ) + [ O ] 氮 容量 的定 义式 为 : 】. - - - ~ O } 万卜~ ~ { l 10 15 2 0 k , · a 之断兰 印 3一 ~ - 了小了 一 /而 n x ( N ) . a [ 。 〕 3 尹 2 f[ N ] · x [ N〕 (2 ) 图 1 18 73 K “ . 7P 。 真 空度下试验熔渣 的脱氮曲线 氮容 量 只与渣 的组成和 温度 有关 , 它 能准 确地 反 映熔 渣 溶解 和 固定氮 的能力 . 渣钢 之间氮 的的分 配 比可 由下 式表 示 : L 、 一 鱼理〕 x 〔 N j 心 N 3一 . 几J N 3一 ( 3 ) a 〔 。 〕 3 / 2 由 ( 3 ) 式 可知 , 氮在渣钢 之 间的分 配 比随 渣氮 容量 的增 加而 增加 , 随钢液 中的氧 位 升高而 下 降 . 当渣 的组 1 5 成和 温度 一定 时 , 氮 容量一 定 , 氮 的分 配 比受 氧位控 制 · 才 钢液 中的铝 含量能有 效地控 制 氧位 · 图 2 是钢 液 中 l 。 铝含 量对氮 在渣钢 间平衡 分配 比的 实验 关 系 曲线 , 可 以 看出 , 铝含 量越高 , 则氮 在渣钢 间 的平 衡分 配 比 越 大 . 5 3 熔 渣脱氮 反应 的限制 性环节 / / - 一 . 一, 丫 止 / / 0力 3 毛、 汀u0/ 0 0 4 0 0 5 由双 膜传 质理论 , 方程 式 ( 1) 描 述 的熔 渣 脱氮 反应 可分 为 5 个 步骤 : ( l) 渣 中 ( O 艺一 ) 向钢 渣 界面 传 质 ; ( 2 ) 钢 液 中 [ N 」向钢 渣界 面传质 ; ( 3 ) [ N ] 和 ( 0 2一 ) 图 2 L N 与 x 协 l] 实验关 系曲线 在渣钢 界面 发生化 学反 应 ; (4 ) 生成 的 ( N 3 一 ) 向渣液 扩散 ; (5 ) 生 成 的 [ 0 ] 向钢 液 扩散 . 文 献 [ 1一 3 〕及 作者 川 的关 于熔 渣脱 氮 的限制 性环节 研 究结 果表 明 , 氮在 钢 液 中 的扩 散是 整个 熔渣 脱 氮反应 的限速 环 节 . 氮在 钢液 中传质 的速 度方程 也 即整 个熔 渣脱 氮 反应 的速 度方 程 为 : d x 〔 N 」 A , 丽走[ N 〕{ x [ N 〕 x l N : } ( 4 ) 式 中 : 气 N 〕为 氮在钢 液 中传质系数 ; A 、 V 分 别 为钢渣 有效 接触面 积和 钢 液体积 ; x 囚 一 二I N :
·92· 北京科技大学学报 分别为氮在钢液体内和氯在钢渣界面的浓度. 假定氮在渣钢间的平衡分配比为Iw,则Iw=xN/rN 而tN)=IN] 所以INg=CN,/LN (5) 6)式代入4).得：=-w-L) (6) 2熔渣脱氨动力学模型的建立 2.1模型建立的几个基本条件和假定 1)熔渣脱氨反应符合双膜传质理论； 2)熔渣脱氨体系即渣一钢体系不与外界发生氯的交换传递，钢中氨只从钢液进入渣相， 渣中氨能够稳定地存在： 3)氮与氧的传质方向相反，传质的动力是氮与氧在体内与界面上的摩尔浓度差，渣液与 金属液内的成分是均匀的： 4)熔渣脱氯反应的限制性环节为氯在钢液中的传质，整个反应的速度方程表达式为 (6)式. 2.2模型的建立 根据质量守恒原理，任一时刻渣中氮浓度为： XN)=INB十(IN。-IiN)Q (7) 式中：Q为钢液与渣液质量之比；xN,、x。分别为反应初始时刻钢液与渣液内的氮浓度； xN、xN分别为任一时刻钢液与渣液内的氮浓度，浓度单位均为%. 将(7)式代入(6)式并整理得： ()()srdt drN) (8) 将(8)式两边从0到：时刻积分整理有： N=。+w,十Q L+Q (9) N+Q (9)式即为熔渣脱氨动力学反应模型的数学表达式. 3模型的分析讨论和验证 3.1模型的分析讨论 分析表达式(9)可知：对于·个选定的反应体系，当钢液和渣液的初始含量不变，钢渣 比一定时，钢中氨含量变化取决于氯在渣钢间的平衡分配比和传质系数的大小. 钢中氨被脱除的水平和限度由(9)式右边的第二项表示，即
· 9 2 · 北 京 科 技 大 学 学 报 , , 一匀认曰ǎ 子 `` 分另lJ为氮 在钢 液 体 内和 氮在钢 渣 界 面的浓 度 . 假定氮 在渣 钢 间的平 衡 分配 比 为 L 、 , 则 L 、 一 城 N ) / x 囚 而 二 ; N ) 一 ` 卜 : 所以 二 I N : 一 、 〔 、 ) / 大N (5 ) 式代 入 (4 ) , 得 : d . 介 明 A 二 日万 一 一 丽凡 [N 〕、 沈 [N ’ 一 J `“ 〕 / 石N 少 熔渣脱 氮动力学模型的 建立 模型 建立 的几 个基本 条件 和 假定 l ) 熔 渣脱 氮反 应 符 合双 膜 传 质理 论 ; 2) 熔 渣脱 氮体 系 即渣一钢 体 系不 与外 界发 生氮 的交换 传 递 , 钢 中氮 只从 钢 液进入 渣 相 , 渣 中氮 能够 稳 定地 存在 ; 3) 氮 与氧 的 传质 方 向相反 , 传质 的 动力 是氮 与氧 在体 内与 界面 上 的摩 尔 浓度 差 , 渣 液 与 金属液 内 的成分 是均 匀 的 ; ( 6 ) 2 . 2 x [ N 〕 、 4 ) 熔 渣脱 氮 反 应 的 限制 性 环节 为 氮 在 钢 液 中 的传 质 , 整 个 反 应 的 速度 方程 表达 式为 式 . 模型的 建立 根据质量 守恒 原 理 , 任一时 刻渣 中氮浓度 为 : ` 、 。 一 了 ( 、 ) 。 + ( x [ N 〕 。 一 , : N : ) Q ( 7 ) 式 中 : Q 为钢 液 与 渣液 质量 之 比 ; 毛 N」 、 二、 N ) 。 分 别 为反 应初 始 时刻钢 液与 渣液 内的 氮浓 度 ; 二 ( N )分别 为 任一 时刻 钢液 与 渣液 内 的氮浓 度 , 将 ( 7) 式 代入 (6 ) 式并 整理 得 : d 犷: 、 : 浓度 单位均 为 % . 、厂 : 、 : ( 1 + Q / L 、 ) 一 ( 二: N 二 + 二 [ 、 : 〔 Q ) / L N 将 (8 ) 式 两边 从 。 到 t 时 刻积 分 整理有 : A , ~ 一 二二 走 厂、 〕 d t V ( 8 ) 了 「N ] = “ 一 L N 几大N 一 了 ( N) 〔 一 杀 ` + , 〔 、 )。 + 了: N : 。 Q L N + Q L N + Q ( 9 ) ( 9) 式即 为熔渣 脱 氮动 力学 反应 模 型的 数学 表达 式 . 3 模型 的分析讨论 和验 证 .3 1 模型的分析讨论 分析 表达式 ( 9) 可 知 : 对于 一 个选 定的 反应 体 系 , 当钢 液和 渣液 的 初始 含量 不 变 , 钢 渣 比一定时 , 钢 中氮含 量变 化取 决 于 氮在渣 钢 间的 平衡 分配 比 和传 质系 数 的大 小 钢中氮被脱 除的 水平 和 限度 由 ( 9) 式 右 边 的第二 项 表示 , 即
徐学禄等：熔渣脱氨动力学模型 ·93· 平衡分配比L值愈大，该值愈小，熔渣脱氮的程度愈高，L值愈小，该值愈大，脱氮程度 就愈低.趋于极限氮含量的速度由(9)式中右边的第一项表示，即[(xwLN一xa)/(LN十 Q)]·ewv. 传质系数飞值愈大，则该值越小，表明反应速度愈快，k值愈大，则反应速度愈慢 因此熔渣脱氯的关键在于选取高氨平衡分配比的渣系和改善脱氮动力学条件，加速氨的 传质过程。 由(3)式及动力学实验结果，高氮平衡分配比有赖于选取高氮容量的渣系及采用较高的 钢液铝含量来尽可能地将钢液的氧位控制得低一些. 3.2模型的验证 图3是不同实验参数条件下的实验脱氨曲线和模型计算曲线的对比图，可以看出，实验 脱氨曲线与模型计算曲线基本吻合，从而说明了模型的正确性. 70 50 60 40 50 ● 30 ×40 要0 320 20 10 1 0 10 16 t/min t/min 图3不同参数下模型计算和实验脱氮曲线对比图 4结论 熔渣脱氮动力学模型的数学表达式为(9)式·影响熔渣脱氨的主要因素是氨在渣钢间的 平衡分配比和氨在钢液中的传质系数、这两者越大，越有利于脱氯. 参考文献 1 Tsukihashi F,Fruehan R J.Metall Trans B.1986,535 2 Sasagawa M,et al.Metall Trans B,1991.781 3郭文卓，第8届全国炼钢学术会议论文集.1994,552 1徐学禄.〔学位论文]：北京科技大学、1995
徐学禄等 : 熔渣 脱氮动 力学模 型 平 衡分 配 比 L N 值 愈 大 , 该值 愈 小 , 熔 渣 脱 氮 的 程度 愈 高 , L N 值 愈 小 , 该值 愈 大 , 脱氮 程 度 就 愈低 · 趋 于 极 限 氮 含 量 的速 度 由 ( 9) 式 中右 边的 第 一 项 表示 , 即 「( x : N 〕 。 L 、 一 x N( ) 。 ) / ( L 、 十 )Q 〕 · e 一 ” : 布 . 传 质 系数 k 值愈大 , 则 该值越小 , 表 明反 应速 度 愈快 , k 值 愈大 , 则 反 应速度 愈慢 . 因此熔渣 脱氮 的关键 在于 选取 高氮 平衡分配 比 的渣 系和 改 善脱氮 动力 学条 件 , 加 速 氮 的 传质 过程 . 由 ( 3 ) 式 及动 力学 实验 结果 , 高氮 平衡 分配 比有 赖 于选取高 氮 容量 的渣 系 及采 用较高 的 钢液铝 含 量来 尽 可能 地将钢 液 的氧 位控 制得 低一 些 . 3 . 2 模型的验 证 图 3 是不 同 实验 参数条 件 下的 实验脱 氮 曲线和 模 型计 算曲线的对 比 图 , 可 以 看 出 , 实验 脱氮 曲线 与模 型计 算 曲线基 本 吻合 , 从而 说 明 了模 型 的正 确性 . 气一接 , - ! 气 \ 从 、 、 、 卜 了一荞。 r了 l m n 图 3 t / 一刊 n 不同参数下模型计算 和实验脱氮 曲线对 比图 4 结论 熔 渣脱 氮 动力学 模型 的数学 表达 式 为 ( 9) 式 . 影 响熔渣 脱 氮 的主要 因素是氮 在 渣钢 间 的 平衡分 配 比 和氮 在钢液 中 的传质 系数 , 这两 者越 大 , 越 有利 于 脱氮 . 参考文献 T s 、』 k l h a s h i F , F r t . e h a n R J . M e r a ll T r a n s B , 1 9 8 6 , 5 3 5 S ;、 、 a g a w a M , e r : 一1 . M e t a ll T r a n s B , 1 9 9 1 , 7 8 1 郭文 卓 . 第 8 届 全 国 炼钢学 术会议 论文 集 . 1 9 94 , 5 5 2 徐学禄 . 「学位论 文 」 : 北京科技大学 , 1 9 9 5