炼铁主干课3B高炉造渣过程·.doc

冶99主干课钢铁冶金学（炼铁部分）授课资料 北京科技大学 吴胜利 115 3.3高炉造渣过程 高炉造渣目的 生成低熔点化合物，与铁水分离； 完成某些物理化学反应 3.3.1造渣概述 D 炉渣的来源炉料中不能被还原和部分未被还原进入铁水 的组份，以及某些化学反应产物，均进入炉渣。 不能还原的CaO、MgO、Al2O3、CaF2 100 炉渣 部分还原的MnO、SiO2、FeO、TiO2、V2O5、Nb2O5 部分炉渣 脱硫产物S CaS 炉渣 K2O、Na2O 循环富集 炉渣 高炉冶炼对炉渣性能的要求 S 流动性能良好在冶炼温度下，熔化性温度适宜，粘度小 S 化学反应能力强渣焦固-液反应，渣铁耦合反应，脱硫反应 S 表面性质优良表面、界面张力小，渣铁、渣气分离顺畅 S 稳定性好能适应冶炼条件在一定范围内的变化 炉渣的作用  实现铁水与脉石分离； ‚ 完成渣铁间的脱硫[S] S2- ƒ 调整铁水成分炼制钢铁，造碱性渣；铸造铁，造酸性渣 „ 促进高炉顺行 下部透气性良好 保护高炉炉衬炉腹部分砖衬开炉后12月即全部被侵蚀， 仅靠炉渣来保护 形成“渣皮”自我保护。 还有,护炉含TiO2炉料，使TiO223，[Ti]0.050.20 洗炉锰矿、萤石、高FeO均热炉渣等. 炉渣成分 CaO、SiO2、MgO、Al2O3，少量MnO、FeO、CaS、TiO2护炉 复合矿冶炼有TiO2、V2O5攀钢，CaF2、Nb2O5、RExOy包钢 CaO SiO2 MgO Al2O3 95 炉渣碱度 常用3-101 炼低硅铁时用3-102 Al2O3高时用3-104 渣量 由炉料中TFe及脉石含量决定 我国一般 400800 kg/t铁，宝钢 300 kg/t铁 3.3.2炉渣的形成过程 q高炉内炉渣的形成过程分为三种状态 矿石软熔 初渣 中间渣 终渣 初 渣 最初形成的炉渣，起于软熔带上沿，至软熔带下沿开始滴落 S 特点FeO高，一般1030，熔融状态，流动性差 初渣形成的早晚、位置的高低、持续时间长短，直接影响 软熔带的位置和厚度，对高炉顺行影响很大。 终 渣 炉缸积存的渣，从渣口或铁口放出的炉渣 S 特点成分稳定，FeO最低，一般0.5 钢铁厂日常化验的炉渣成分即指终渣。 终渣成分对调整生铁成分及控制铁水质量作用显著， 而且对炉缸、风口、渣口维护作用也较大。 中间渣 从初渣到终渣之间的渣，从软熔带下沿滴落开始直至炉缸 S 特点成分与特性都是不断变化的 如FeO、MnO不断减少 由于还原 CaO、MgO、Al2O3、SiO2不断增加 由于不断溶进 熔点升高，粘度下降，流动性变好 3.3.3炉渣的结构与性能 1.炉渣结构 1 分子结构理论 S要点 炉渣是由各种自由氧化物和复杂化合物“分子”组成； ‚ 自由氧化物与复杂化合物之间存在着生成和分解的平衡反应 如2FeOžSiO2 2 FeO SiO2 2CaOžSiO2 2 CaO SiO2 ƒ 只有未形成化合物的自由氧化物“分子”才能参与化学反应； „ 假定炉渣符合“理想溶液”规律。 S优点可以简单地说明炉渣的某些化学行为和反应计量关系 缺点只能解释热力学规律，不能解释炉渣的电化学性质如导电性 2离子结构理论 S要点 液态炉渣是由各种简单阳离子和复合阴离子所组成； ‚ 金属氧化物离解后能电离； ƒ 金属相与渣相的反应为电化学反应，靠电子传递进行。 如 S2- O2- 炉渣 - - 放出电子 金属 吸收电子 - - [S] [O] [S]原子在渣-金界面获得2个电子形成S2-而转移到渣中去，使金属侧带正电，渣侧带负电，产生了“双电层”，有电位差出现，能阻止[S]继续向渣中转移。但渣中O2-放出电子刚好消除了双电层，使得阴、阳两个半电池反应都得以进行 电中性原理 阴极 [S] 2 eS2- 阳极O2-[O] 2 e 总反应[S] O2-S2- [O] S优点基于实验电导、电解、双电层，能较好地解释炉渣的电化学现象 缺点炉渣不是完全离子，应用离子活度来修正。 S发展建立各种离子溶液模型，导出离子活度计算公式。 3分子-离子共存理论 S根据电导测定结果 CaO、SiO2、MgO、Al2O3、P2O5 比电导低，不电离 分子 FeO、MnO、CaS 电离 离子 FeO Fe2 O2- MnO Mn2 O2- CaS Ca2 S2- S优点能真实地反应炉渣内的实际化学组成 缺点其计算离子、分子活度的公式较复杂，应用较难 2.炉渣的理化性能 1熔化性能 熔化温度及熔化性温度 定义 熔化温度炉渣受热升温过程中固相完全消失的最低温度， 即相图上液相线温度相当于软熔带下沿温度 熔化性温度炉渣可以自由流动时的最低温度 真正具有实际意义 9炉渣的温度，必须高于液相线温度，才可能 有好的流动性；但并非所有高于液相线温度的炉渣都具有足够的流动性 温度，C 粘 度 h ， Pažs A B t转 t熔化性 45 熔化性温度的确定 碱性渣A“短渣” t转就是熔化性温度。 酸性渣B“长渣” h t曲线上斜率为-1 倾角为135切线点的 温度，即为t熔化性。图3-24炉渣熔化性温度的定义 高炉冶炼要求炉渣具有适当的熔化温度，不可过高 也不能太低，以维持炉缸渣铁有适当高的温度， 既保证高炉顺行又可得到合格质量铁水 T熔过高炉料过分难熔、粘滞 “难行”； 渣铁分离困难，铁水质量难保合格 T熔太低软熔带位置过高，熔滴温度过低， 煤气阻损增大 顺行困难； 间接还原不好，固态受热不足 直接还原过高，下部热耗增加 “冷铁” 脱硫不好，铁水质量和温度难保 2流动性能 粘度h 定义 粘度h 流体单位速度梯度、单位面积上的内摩擦系数 单位Pažs Nžs/m2，kgžm-1žs-1，1 Pažs 10泊Poise [N kgžm-1žs-1žm2žmžs-1žm-1] A 高炉冶炼要求炉渣粘度适当，一般以 MgO 炼Mn铁高炉，渣中MnO多，故脱硫好 SiO2、Al2O3不提供O2-，对脱硫不利 ‚渣中与S结合能力强的元素多，如CaS、MnS，使gS2- LS u S LS 但u gS2- LS 脱硫能力 u u ž LS ƒ渣量 3铁水成分f[S]、 [O] C、Si、P f[S] LS p.123，图3-39 Ti、S、Mn、V、Ni、Cr、Cu f[S] LS 高炉中C、Si、P都高 f[S]比转炉高， 高炉 f[S] 46，转炉 f[S] 0.951.5 ‚气氛氧势[O][O] LS [O] [Fe] FeO 高炉a. 还原性气氛，渣中FeO [O] b. [C]、[Si]、[Mn]高，直接还原、耦合反应 [O] 〖故高炉脱硫热力学优于转炉高炉 LS 50100，转炉 LS 110〗 œ实际上高炉内脱硫反应受渣铁氧势和C、Si、Mn耦合反应 综合控制 [S] CaO CaS [O] [S] CaO C CaS CO 3-110 [S] CaO 1/2[Si] CaS 1/2SiO2 3-114 [S] CaO [Mn] CaS MnO E高炉中，热力学理论LS值 50100，实际LS值只有50；转炉实际LS值为110，已接近于平衡值。原因是高炉动力学条件受到限制，脱硫反应远未达到平衡；而转炉动力学条件优于高炉。故提高高炉LS尚需改善动力学条件。 3.高炉内炉渣脱硫反应的动力学 由液-液反应“双膜”理论，可导出化学反应不成为限制性环节 的炉渣脱硫过程速率方程为 式中，A 渣铁交界面积，m2 ； V 铁水体积，m3 ； LS 平衡状态下硫的分配系数，可由平衡常数得出； kS，km 分别为硫在炉渣和铁水中的传质系数，m/s。 E动力学分析提高炉渣脱硫速率的措施 1加大渣铁间交界面面积 A l增加搅拌，加大铁滴与渣滴接触面 高炉炉内渣铁滴落区A大，脱硫优于炉缸渣铁层 l大高炉无渣口，渣铁同出，搅拌使A，有利于脱硫 转炉吹氧强烈搅拌，A大，故脱硫动力学优于高炉 2提高硫分配系数 LS 热力学上 T ； R 3增大硫在铁液及渣液中的传质系数 km 和 kS ∵kS 炉缸煤气量 碳的气化反应、焦炭挥发份释放所致，CO l 进入间接还原区的煤气量和成分计算（p.135） l 炉缸煤气量 进入间接还原区的煤气量 间接还原、熔剂分解、焦炭挥发份释放所致，CO、CO2、H2、H2O l 炉顶煤气量和成分计算（p.136） 煤气上升过程中的体积、成分、温度沿炉子高度的变化 p 炉缸煤气量（3） 鼓风量（2） 两者的差异程度受风中含氧和湿度的影响 因为1/2 O2 ＋ C CO H2O ＋ C CO ＋ H2 一般无富氧情况下炉缸煤气量＝（1.25－1.35）鼓风量 p 炉顶煤气量（1） 炉缸煤气量（3） 两者的差异程度受碳素熔损反应、水煤气反应、碳酸盐分解反应的影响 因为CO2 ＋ C 2CO H2O ＋ C CO ＋ H2 C