增刊1 年武等:氧气转炉采用石灰石造渣炼钢铁水中硅挥发的分析 ·125· C0+1/202=C02, 参考文献 △G=-278628+83.762T,Jmol-1.(14) [1]Li H.Qu Y.A Technique on Limestone Instead of lime for Slagging lgPo.=2g2e-29108.821T+8.75.(15) in BOF Steelmaking Process.China Patent,CN101525678.2009- 09-09 Pco (李宏,曲英.一种在氧气顶吹转炉中用石灰石代替石灰造渣 根据式(15)估算可以得出,对Pco/pco,取102~ 炼钢的方法.中国专利,CN101525678.20090999) 10°,在1400-2300K范围内,P0,≈10-5-10-数 22]Li H.A technique on limestone addition instead of lime for energy- 量级 saving and emission reduction in BOF steelmaking.Met World, 2010(4):6 4 与铁水中S]挥发量的比较 (李宏.氧气转炉用石灰石代替石灰造渣炼钢节能减排技术 金属世界,2010(4):6) 铁水中Si]约有20%~30%挥发,应该认为是 B]Li H,Qu Y.Discussion on limestone addition instead of lime for 生成了Si0之故.铁水面上的气相主要由C0和 energy-saving and emission reduction in the BOF steelmaking. Si0构成,Pso和总压之比应该正比于Si0气体量与 China Metall,2010,20(9):45 气相总量之比,即Pso=Si0体积/气相总体积,因此 (李宏,曲英.氧气转炉用石灰石代替石灰造渣炼钢节能减排 初探.中国治金,2010,20(9):45) 可根据开吹前2min内铁水表面的气体总体积和 4]Li H,Guo L F,Li Z O,et al.Research of low-carbon mode and Pso,估算出前2min内气相中的Si0体积.设前 on limestone addition instead of lime in the BOF steelmaking.I 2min内气相中的Si0体积为Qso,前2min内气相 Iron Steel Res Int,2010,17 (Suppl 2):23 总体积为Q,可以列出方程: 5] Wang X L.Ferrous Metallurgy (Ironmaking Part).2nd Ed.Bei- Qso=Q×Pso· (16) jing:Metallurgical Industry Press,2009 (王筱留.钢铁治金学(炼铁部分).2版.北京:治金工业出 一般情况下每吨钢转炉吹氧速率约为4m3/ 版社,2009) min,在开吹后的4~5min内都要高枪位操作,根据 [6] Deng S Q.The research of silicon reduction in blast furnace.fron- 文献2]估计,在开吹后的2min内约有3/4的02 making,1983(3):17 用于氧化Fe、[Si]、Mn]元素,因此在石灰造渣条 (邓守强.高炉内硅还原研究.炼铁,1983(3):17) 件下铁水面上形成的C0仅有约2m3/min.根据本 Tokuda M,Tsuchiya N,Ohtani M.Thermodynamical considera- tions on the transfer of Si in blast furnace.Tetsu-to-Hlagane, 文第1节的分析,加入石灰石造渣时铁水面上最多 1972,58(2):219 可比石灰造渣多出C0约10m3/min,则前2min内 (德田昌則,槌谷暢男,大谷正康.高炉内DS移行亿闋寸石 气相总体积Q约为24m3,气体量约相当于石灰造 熱力学的考察.铁上解,1972,58(2):219) 渣时的6倍左右.设开吹时铁水S]的质量分数为 [8] Li H,Feng J,Li YQ,et al.Thermodynamic analysis of limestone 0.4%,其中的25%挥发,生成的Si0质量即有1.6 decomposition and CO2 oxidation effect in the early stage of BOF steelmaking.J Unir Sci Technol Beijing,2011,33(Suppl):83 kg,换算成气体量Qso,为0.81m3.当Q=24m3时, (李宏,冯佳,李永卿,等.转炉炼钢前期石灰石分解及C02 Pso≈0.81/24=0.034.由此可知Pso的大致数值, 氧化作用的热力学分析.北京科技大学学报,2011,33(增刊 与前几节的计算大致吻合.当然石灰石的加入时机 1):83) 对此有影响,这里就不一一表述 Dong D X,Feng J,Nian W,et al.Experimental study on using limestone instead of lime for slagging in 60 t converter.China Met- 5结论 all,2013,23(11):58 (董大西,冯佳,年武,等.石钢601转炉采用石灰石替代石 (1)标准状态下,CO,与铁水中的[C]、Mn]、 灰造渣炼钢试验.中国治金,2013,23(11):58) Fe()及Si]生成Si02(I)的反应都可自发进行,与 [10]Ji C L,Qi G J.Activity coefficient of silicon and its interaction P]的反应难以进行,而与Si]生成Si0(g)的反应 coefficients in Fe-C-Si melt at 1773K.Trans Jpn Inst Met,1985, 26(11):832 只在接近火点区的高温条件下才有可能进行. 01] Guo HJ.Metallurgical Physical Chemistry Course.Beijing:Met- (2)温度从1400K升高到2300K,使得Si0 allurgical Industry Press,2006 稳定存在的Pco/Pco,可以逐渐降低,该气氛条件相 (郭汉杰.治金物理化学教程.北京:治金工业出版社, 当于p0,在10-5~10-B数量级,且随温度升高而 2006) 增大. [12]Mantani S.Ironmaking and Steelmaking.LI H translated.Bei- jing:Metallurgical Industry Press,2001 (3)如果石灰石在2min内加入,生成Si0挥发 (万谷志郎.钢铁治炼.李宏译.北京:治金工业出版社, 时的Pso大致在10-2数量级. 2001)增刊 1 年 武等: 氧气转炉采用石灰石造渣炼钢铁水中硅挥发的分析 CO + 1 /2O2 = CO2, ΔGθ = - 278628 + 83. 762T,J·mol - 1 . ( 14) lg pO2 = 2lg pCO2 pCO - 29108. 82 /T + 8. 75. ( 15) 根据式( 15) 估算可以得出,对 pCO /pCO2取 102 ~ 103 ,在 1400 ~ 2300 K 范围内,pO2 ≈10 - 25 ~ 10 - 13 数 量级. 4 与铁水中[Si]挥发量的比较 铁水中[Si]约有 20% ~ 30% 挥发,应该认为是 生成了 SiO 之故. 铁水面上的气相主要由 CO 和 SiO 构成,pSiO和总压之比应该正比于 SiO 气体量与 气相总量之比,即 pSiO = SiO 体积/气相总体积,因此 可根据开吹前 2 min 内铁水表面的气体总体积和 pSiO,估算出前 2 min 内气相中 的 SiO 体 积. 设 前 2 min 内气相中的 SiO 体积为 QSiO,前 2 min 内气相 总体积为 Q,可以列出方程: QSiO = Q × pSiO. ( 16) 一般情况下每吨钢转炉吹氧速率约为 4 m3 / min,在开吹后的 4 ~ 5 min 内都要高枪位操作,根据 文献[12]估计,在开吹后的 2 min 内约有 3 /4 的 O2 用于氧化 Fe、[Si]、[Mn]元素,因此在石灰造渣条 件下铁水面上形成的 CO 仅有约 2 m3 /min. 根据本 文第 1 节的分析,加入石灰石造渣时铁水面上最多 可比石灰造渣多出 CO 约 10 m3 /min,则前 2 min 内 气相总体积 Q 约为 24 m3 ,气体量约相当于石灰造 渣时的 6 倍左右. 设开吹时铁水[Si]的质量分数为 0. 4% ,其中的 25% 挥发,生成的 SiO 质量即有 1. 6 kg,换算成气体量 QSiO,为 0. 81 m3 . 当 Q = 24 m3 时, pSiO≈0. 81 /24 = 0. 034. 由此可知 pSiO的大致数值, 与前几节的计算大致吻合. 当然石灰石的加入时机 对此有影响,这里就不一一表述. 5 结论 ( 1) 标准状态下,CO2与铁水中的[C]、[Mn]、 Fe( l) 及[Si]生成 SiO2 ( l) 的反应都可自发进行,与 [P]的反应难以进行,而与[Si]生成 SiO( g) 的反应 只在接近火点区的高温条件下才有可能进行. ( 2) 温度从 1400 K 升 高 到 2300 K,使 得 SiO 稳定存在的 pCO /pCO2可以逐渐降低,该气氛条件相 当于 pO2在 10 - 25 ~ 10 - 13 数量级,且随温度升高而 增大. ( 3) 如果石灰石在 2 min 内加入,生成 SiO 挥发 时的 pSiO大致在 10 - 2 数量级. 参 考 文 献 [1] Li H,Qu Y. A Technique on Limestone Instead of lime for Slagging in BOF Steelmaking Process. China Patent,CN101525678. 2009- 09-09 ( 李宏,曲英. 一种在氧气顶吹转炉中用石灰石代替石灰造渣 炼钢的方法. 中国专利,CN101525678. 2009-09-09) [2] Li H. A technique on limestone addition instead of lime for energysaving and emission reduction in BOF steelmaking. Met World, 2010( 4) : 6 ( 李宏. 氧气转炉用石灰石代替石灰造渣炼钢节能减排技术. 金属世界,2010( 4) : 6) [3] Li H,Qu Y. Discussion on limestone addition instead of lime for energy-saving and emission reduction in the BOF steelmaking. China Metall,2010,20( 9) : 45 ( 李宏,曲英. 氧气转炉用石灰石代替石灰造渣炼钢节能减排 初探. 中国冶金,2010,20( 9) : 45) [4] Li H,Guo L F,Li Z Q,et al. Research of low-carbon mode and on limestone addition instead of lime in the BOF steelmaking. J Iron Steel Res Int,2010,17( Suppl 2) : 23 [5] Wang X L. Ferrous Metallurgy ( Ironmaking Part) . 2nd Ed. Beijing: Metallurgical Industry Press,2009 ( 王筱留. 钢铁冶金学( 炼铁部分) . 2 版. 北京: 冶金工业出 版社,2009) [6] Deng S Q. The research of silicon reduction in blast furnace. Ironmaking,1983( 3) : 17 ( 邓守强. 高炉内硅还原研究. 炼铁,1983( 3) : 17) [7] Tokuda M,Tsuchiya N,Ohtani M. Thermodynamical considerations on the transfer of Si in blast furnace. Tetsu-to-Hagane, 1972,58( 2) : 219 ( 徳田昌則,槌谷暢男,大谷正康. 高炉内のSi 移行に関する 熱力学的考察. 鉄と鋼,1972,58( 2) : 219) [8] Li H,Feng J,Li Y Q,et al. Thermodynamic analysis of limestone decomposition and CO2 oxidation effect in the early stage of BOF steelmaking. J Univ Sci Technol Beijing,2011,33( Suppl) : 83 ( 李宏,冯佳,李永卿,等. 转炉炼钢前期石灰石分解及 CO2 氧化作用的热力学分析. 北京科技大学学报,2011,33( 增刊 1) : 83) [9] Dong D X,Feng J,Nian W,et al. Experimental study on using limestone instead of lime for slagging in 60 t converter. China Metall,2013,23( 11) : 58 ( 董大西,冯佳,年武,等. 石钢 60 t 转炉采用石灰石替代石 灰造渣炼钢试验. 中国冶金,2013,23( 11) : 58) [10] Ji C L,Qi G J. Activity coefficient of silicon and its interaction coefficients in Fe-C-Si melt at 1773K. Trans Jpn Inst Met,1985, 26( 11) : 832 [11] Guo H J. Metallurgical Physical Chemistry Course. Beijing: Metallurgical Industry Press,2006 ( 郭 汉 杰. 冶金物理化学教程. 北 京: 冶 金 工 业 出 版 社, 2006) [12] Mantani S. Ironmaking and Steelmaking. LI H translated. Beijing: Metallurgical Industry Press,2001 ( 万谷志郎. 钢铁冶炼. 李宏译. 北京: 冶金工业出版社, 2001) ·125·