D0I:10.13374/i.issn1001053x.2001.01.035 第26卷第4期 北京科技大学学报 Vol.26 No.4 2004年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2004 碳还原熔渣中氧化物发泡过程特性参数计算 吴铿李晓冯宝泽郜学夏柱海张飞 北京科技大学治金和生态工程学院，北京100083 摘要分析了高温熔渣中碳还原氧化物的反应和传热机理，确定了还原反应产生气体量和 时间的关系，进而给出了相应的内生气源发泡方程，介绍了计算发泡特性参数软件的特点和 功能，特别是对确定消泡过程的开始时间进行了详细的讨论，将在10kg感应炉测定含TO, 渣的实验结果，通过计算程序确定了内生气源引起发泡过程的特性参数， 关键词高温熔渣：发泡过程：TO,还原 分类号TF01:0648.24 冶金过程中泡沫化的现象一直被国内外学 算程序，得到发泡过程参数，为定量分析内生气 者关注1.近20年来，在高炉冶炼钒钛磁铁矿、 源发泡过程奠定必要的基础， 熔融还原、铁水预处理、炉外精炼和电弧炉、泡 沫铝等工艺的技术处理中都出现针对泡沫渣现 1内生气源发泡过程的方程四 象的研究，泡沫冶金熔体研究已成为治金领域的 熔渣中形成的泡沫是由于气泡积累而产生 一个较为热门的课题.要对发泡过程有深入了 的，在内生气源条件下，气泡积累取决于反应物 解和对整个发泡过程进行控制，其前提是要对发 质生产的气体Q)和排出气体两者速度之差，泡 泡过程进行定量描述.国内外研究者一直在进 沫高度的变化可由下式决定： 行这方面的工作，其中美国Fruehan教授和他的 dh_()-kh (1) 助手将Birkman在低温水溶液中得到的泡沫化指 dt S 数应用到高温冶金熔渣中，定量研究由外引气源 高温熔渣中的氧化物M,O,与碳还原有两种 引起的高温熔体泡沫化现象和熔渣发泡性能与 形式一一与固体碳还原和与铁水中溶解的碳还 熔渣物性的关系.可以说，Fruehan教授在20世 原.在高温条件下，扩散是控制环节，反应采用一 纪0年代初开始进行这项工作，开辟了研究冶 级速度方程表示： 金过程发泡现象研究的新思路. dwue=-A.k.wuo. dr (2) 冶金熔体中的泡沫现象较为复杂，己发现泡 式中，反应面积A不易确定.由整个反应得热平 沫以两种形式存在：多面体泡沫（或称干泡沫）和 衡给出的反应面积与其他参数的关系如下： 球状泡沫（或称湿泡沫）.形成泡沫的气源可以 △H,Wwo=a,A,(T.-TD） (3) MMo. 分成外引气源和内生气源，两种气源引起的发泡 由式(2)求出的表达式，再将式(3)中的A,代 过程是完全不同的.外引气源的发泡过程与时间 入，可给出Q()的表达式： 无关，而内生气源产生的泡沫高度随时间变化， RT dmwo.=IKeK (4) 整个发泡过程是泡沫生成和消亡的动态非平衡 ()MwoP di 过程.Fruehan教授采用的泡沫化指数只适用于 式中，T为一常数八，K为发泡系数K 熔渣为牛顿流体的外生气源引起的发泡过程©. =k△H,形o a,Mio.(T,-T) 本文编写了通过实验数据来拟合理论方程的计 式(4)为渣中氧化物与碳和溶解在渣中的碳 还原产生气体量的表达式.但这两种反应机理不 收稿日期2003-12-04 吴铿男，52岁，教授，博士 同，渣中氧化物与固体碳反应是液体和固体颗粒 *国家自然科学基金资助重点项目No.50034010)6 第 卷 第 期 4 2 年 月 4 2 0 0 8 北 京 科 技 大 学 学 报 J O u r n a l o f n U t 枕比 i i y o f s c i n n e e e a d e T c h n o o l g y B e i j g n i l b V 一 6 N 2 O 一 4 g u . A 4 2 0 碳还原熔渣 中氧化物 发泡过程特性参数计算 吴 铿 李 晓 冯 宝 泽 部 学 夏柱海 张 飞 北京 科技 大学 冶金 和生 态工程 学 院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 分 析 了高温 熔渣 中碳 还原 氧化 物 的反 应和 传热 机理 , 确 定 了还原 反应 产 生气 体量 和 时 间 的关 系 , 进而 给 出 了相 应 的 内生气源 发泡 方 程 . 介 绍 了计算 发泡 特性 参数 软件 的特 点和 功 能 , 特 别是 对确定消 泡过 程 的开始 时间进 行 了详细 的讨 论 . 将 在 10 gk 感 应炉 测 定含 iT q 渣 的实验结果 , 通 过 计算程 序确 定 了 内生气 源 引起发 泡过 程 的特性 参 数 . 关键词 高温 熔渣 ; 发泡过 程 ; IT O Z还 原 分 类号 仰0 1 ; 0 64 8 . 24 冶 金 过 程 中泡 沫 化 的现 象 一 直 被 国 内外 学 者关 注 ’叨 . 近 2 0 年来 , 在 高炉 冶 炼钒 钦 磁铁 矿 、 熔 融 还 原 、 铁 水 预 处理 、 炉 外 精 炼和 电弧炉 、 泡 沫铝 等 工 艺 的 技 术 处理 中都 出现 针 对 泡 沫 渣 现 象 的研 究 , 泡 沫冶 金熔 体研 究 己成 为冶金领 域 的 一个 较为 热 门 的课题 ’ 3] , 要 对发 泡 过 程 有深 入 了 解 和对 整个 发泡 过程 进 行控 制 , 其 前提是要 对发 泡 过程 进 行定 量描 述 , ,4I . 国 内外研 究者 一直 在进 行 这方 面 的 工作 , 其 中美 国 F uer h an 教授 和 他 的 助手 将 iB r 幻n an 在 低温 水 溶液 中得 到 的泡 沫 化指 数 应用 到 高温冶 金熔渣 中 , 定量 研 究 由外 引气源 引 起 的 高温 熔 体 泡沫 化 现 象 和 熔渣 发泡 性 能 与 熔渣物 性 的关 系 ’I] . 可 以说 , Fur e h an 教授 在 20 世 纪 90 年代初 开始进 行这 项 工作 , 开辟 了研 究 冶 金 过程 发 泡现 象研 究 的新 思路 . 冶金熔体 中的泡 沫现 象 较为复 杂 , 已 发现 泡 沫 以两 种 形式 存 在 : 多 面体 泡 沫 (或称 干 泡沫 ) 和 球状 泡沫 ( 或称 湿 泡沫 ) `7 , . 形 成 泡沫 的气源 可 以 分成 外 引气源 和 内生 气源 , 两种气 源 引起 的 发泡 过程 是完全 不 同的 . 外 引气源 的发泡 过程 与 时间 无关 , 而 内生气 源产 生的 泡沫 高度 随 时间 变化 , 整个 发泡 过 程 是 泡沫 生成 和 消 亡 的 动态 非 平 衡 过程侈 ,9l . F ur e h an 教授 采用 的泡沫 化指 数只 适用 于 熔渣 为牛顿 流 体 的外 生气 源 引 起 的发 泡过 程 ` olt . 本 文 编 写 了通 过 实验 数 据 来 拟 合 理 论方 程 的 计 算程 序 , 得 到 发泡 过 程 参数 , 为 定量 分 析 内生气 源 发 泡 过程 奠 定 必要 的 基础 . 1 内生 气源 发 泡 过 程 的方 程 `川 熔渣 中形 成 的 泡 沫 是 由于 气 泡 积 累 而 产 生 的 . 在 内生气 源 条件 下 , 气 泡积 累取 决 于反 应物 质 生产 的气体 区t) 和排 出气 体 两 者 速度 之 差 , 泡 沫 高度 的 变化 可 由下式 决 定 : hd 口(t) 一奋份 二~ 片 名` 一 尤羚 (叮 J ( l ) 高温 熔 渣 中 的氧 化物 xM q 与碳 还 原有 两种 形 式 — 与固 体 碳 还 原 和 与 铁 水 中 溶解 的碳 还 原 . 在高温条 件下 , 扩 散 是控 制环 节 , 反 应采用一 级速 度 方程 表 示 : dw o n 一丈~ = 一 月 ,棍 W M习 、 U 止 (2 ) 收稿 日期 2 0 冬12刁礴 吴铿 男 , 52 岁 , 教 授 , 博 士 * 国家自然科 学基金 资助 重点 项 目 (N o . 50 03 40 1 0) 式 中 , 反应 面 积 A . 不 易确 定 . 由整个 反应 得热 平 衡 给 出的 反应 面积 与 其他 参 数 的 关系 如 下 : △祛 甲神。 。 」 / ~ 一 、 = 号笋 ~ 二 口洲.( .T 一 界) (3 ) 人氏习 , ~ ~ ` . 由式 (2) 求 出的表 达 式 , 再 将 式 (3 ) 中 的.A 代 入 , 可给 出以t) 的表 达式 : ~ , 、 R T d m 。 。 一 , , _ 。 侧 t ) = 一一二军厂罕经 = 厂火七 一 K` ( 4 ) 匕 、 ., 入瓜 习 , P dr ~ 二 。 , 、 ~ ` 。 , R T 牙加M o . , 、 , , 、 、 ` ~ , 式 中 , 厂 ` 为 一 常 数 , 厂 护二 兰等笋书笋 ; K 为 发 泡 系 数 , K 的 ” ` 刀 甲 ~ ’ ` 2偏众 尸 “ ` 月 火 ’ 。 J/ ” 从 ’ ` “ 无△袄 爪 少。 。 a 日 肠 乞。 (兀一 tT ) ’ 式 (4 ) 为渣 中氧 化物 与碳 和溶 解 在 渣 中 的碳 还 原产 生气 体 量 的表 达式 . 但这 两种 反应机 理 不 同 , 渣 中氧化物 与 固体碳 反应 是液体和 固体颗粒 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 04. 035