高磷鐵水預(yù)處理脫磷動(dòng)力學(xué)模型研究

1、高磷鐵水預(yù)處理脫磷動(dòng)力學(xué)模型研究楊福1，畢學(xué)工1，周進(jìn)東1，程建文2，吳志清3(1武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430081；2武漢鋼鐵(集團(tuán))公司人力資源部，湖北武漢430080；3武漢鋼鐵(集團(tuán))公司燒結(jié)廠，湖北武漢430083)摘 要：針對鐵水預(yù)處理工藝并基于噴粉冶金原理，建立了高磷鐵水預(yù)處理脫磷動(dòng)力學(xué)模型。通過將實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果對照，驗(yàn)證了模型的有效性，并應(yīng)用模型計(jì)算分析了熔渣脫磷能力和工藝條件對脫磷效果的影響。結(jié)果表明：鐵水溫度控制在1350、渣中(CaO)控制在50%、高磷鐵水預(yù)處理的初始(P)為035%、(FeO)為5%左右，堿度為3

2、具有較強(qiáng)的脫磷能力。關(guān) 鍵 詞：鐵水預(yù)處理；脫磷；動(dòng)力學(xué)模型鐵水預(yù)處理作為現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)在降低鋼中雜質(zhì)元素含量、提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率和提高合金元素收得率方面發(fā)揮著重要作用，因而得到了廣泛應(yīng)用。大規(guī)模開發(fā)利用湖北省西部高磷鮞狀赤鐵礦的關(guān)鍵問題之一是研究開發(fā)高效環(huán)保型高磷鐵水預(yù)處理脫磷劑。作者已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了提高高磷鐵水預(yù)處理粉劑的利用率、縮短處理時(shí)間和減少鐵水溫降等方面的研究1，為鄂西高磷礦的開發(fā)利用打下了良好的基礎(chǔ)，但還有必要通過建立高磷鐵水預(yù)處理的動(dòng)力學(xué)模型優(yōu)化高磷鐵水預(yù)處理的操作條件。有關(guān)鐵水預(yù)脫磷的動(dòng)力學(xué)模型研究較多，但針對的大都是低磷鐵水(鐵水的初始(P)均在01%左右)2

3、-3。本文基于噴粉冶金原理，建立了高磷鐵水(P)030%)預(yù)處理脫磷動(dòng)力學(xué)模型。通過將實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果對照，驗(yàn)證了模型的有效性，并應(yīng)用模型計(jì)算分析了熔渣脫磷能力和工藝條件對脫磷效果的影響。1 鐵水預(yù)處理脫磷數(shù)學(xué)模型的建立假定渣相和金屬相界面的傳質(zhì)是脫磷反應(yīng)的控制性環(huán)節(jié)，則速度方程如下4：式中：kp為總括傳質(zhì)系數(shù)，ms；(P)鐵水為鐵液中的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)(初始磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為030%050%)；(P)液渣為液態(tài)渣中的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)；t為時(shí)間，s；Lp為磷在渣相和金屬相之間分配比；A為反應(yīng)界面積，m2；V為鐵水體積，m3。磷的總括傳質(zhì)系數(shù)由公式(2)表示：式中：km為金屬液側(cè)傳質(zhì)系數(shù)，ms；m為鐵

4、水密度，kgm3；ks為渣液側(cè)傳質(zhì)系數(shù)，ms；s為渣的密度，kgm3。用以下公式計(jì)算磷的分配比5：式中：Sh為表征流體傳質(zhì)特征的謝伍德準(zhǔn)數(shù)；Re為表征流體流動(dòng)特性的雷諾數(shù)；Sc為表征同時(shí)有動(dòng)量擴(kuò)散及質(zhì)量擴(kuò)散流體的施密特準(zhǔn)數(shù)；up為噴入粉劑的上浮速度，ms；Dm，X為金屬側(cè)元素X的擴(kuò)散系數(shù)，m2s；dp為噴入粉劑的直徑，m；m為鐵液的黏度，Pa·s。式中：D0，X=134×10-6m2s，ED，x=9953×103Jmol，R為氣體常數(shù)，8314J(K·mol)；T為鐵液的溫度，K。根據(jù)阿累尼烏斯公式，鐵液的粘度采用以下公式計(jì)算7：式中：0=030805&

5、#215;10-3Pa·s；E=43936×103Jmol。噴吹粉劑上浮速度up的計(jì)算。噴吹粉劑在上浮過程中受到重力、浮力以及阻力的作用，噴吹粉劑上浮速度采用下式計(jì)算8：式中：g為重力加速度，981ms2；p為粉劑的密度，kgm3。2)渣側(cè)傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算式中：Ds，X采用文獻(xiàn)中數(shù)值，10×10-10m2/s。2 模型求解針對噴粉預(yù)處理工藝，應(yīng)用以上動(dòng)力學(xué)模型研究了各種工藝條件的變化對脫磷效率的影響。計(jì)算采用的初始條件和工藝參數(shù)列于表1中。本模型利用MATLAB建立界面，編寫模型程序。通過輸入基本參數(shù)，模型計(jì)算可得出鐵水中磷含量隨時(shí)間變化的曲線圖。21 反應(yīng)溫度對脫

6、磷效果的影響反應(yīng)溫度對脫磷效果的影響如圖1所示。從圖1可看出，在較低溫度(1350)脫磷后，鐵水的終點(diǎn)(P)低；溫度越高，脫磷后期回磷越嚴(yán)重。所以，從模型的計(jì)算結(jié)果來看，較低溫度有利于脫磷，適宜的溫度為1350左右。以下各因素對脫磷的影響均在1350下討論。22 初始(P)對脫磷效果的影響其他條件相同，初始(P)不同對脫磷效果的影響如圖2所示。從圖2可知，初始(P)無論是在035%左右，還是在05%左右，在較短的時(shí)間內(nèi)，(P)都能降到01%左右。23 渣中(CaO)對脫磷效果的影響其他條件相同，渣中(CaO)對脫磷效果的影響如圖3所示。從圖3的模型計(jì)算結(jié)果來看，渣中(CaO)越高對脫磷越有利，

7、因?yàn)樵?CaO)越高，渣的堿度越高，磷的分配比也越高。24 噴吹脫磷劑粒度對脫磷效果的影響其他條件相同，脫磷粉劑粒度對脫磷效果的由圖4可知，粉劑粒度越小，在相同反應(yīng)時(shí)間內(nèi)的(P)低一些。這是因?yàn)樵趪姶捣蹌┝肯嗤瑫r(shí)，粉劑粒度越小，粉劑表面積就越大，粉劑與鐵水反應(yīng)接觸面積增加，反應(yīng)速度較快，也較為徹底。生產(chǎn)很細(xì)粒度的粉劑會(huì)使設(shè)備磨損大，且能耗高?？紤]到生產(chǎn)成本，脫磷粉劑的粒度在0147×10-6m(100目)左右較為合適。25 磷的分配比對脫磷效果的影響其他條件相同，磷的分配比對脫磷效果的影響如圖5所示。從圖5可知，隨著磷分配比的增大，脫磷的整體速度加快，終點(diǎn)磷也較低，而當(dāng)磷的分配比較

8、小時(shí)(例如LP=45)，脫磷后期回磷嚴(yán)重。在實(shí)際生產(chǎn)中，隨著脫磷反應(yīng)的進(jìn)行，脫磷渣中(Feo)以及(CaO)是變化的，所以嚴(yán)格來講，LP也是一個(gè)的變量。從總體上看，要提高脫磷的效果，應(yīng)采用高氧化鐵、高堿度的渣系。這樣的渣系能使P強(qiáng)烈氧化，形成穩(wěn)定的磷酸鹽，減少回磷的程度10-11。3 模型驗(yàn)證為了驗(yàn)證模型的有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)從溫度、鐵水初始(P)等方面驗(yàn)證模型的有效性。實(shí)驗(yàn)在高溫碳管爐中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)用高磷鐵由高爐生鐵配加磷鐵制成；將500g樣品放到坩堝中熔化，當(dāng)達(dá)到1350后，保溫大約5min，開始噴吹脫磷劑；同時(shí)開始計(jì)時(shí)，并每隔3min取鐵水樣，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，然后分析鐵樣中的(P)。3

9、1 反應(yīng)溫度對脫磷效果的影響由于脫磷反應(yīng)是放熱反應(yīng)，較低溫度有利于脫磷。同時(shí)，又需要一定的高溫以保證脫磷渣能熔化，從而促進(jìn)脫磷反應(yīng)的充分進(jìn)行。反應(yīng)溫度對脫膦效果的影響如圖6所示。從圖6可知，當(dāng)脫磷反應(yīng)溫度為1400時(shí)，末期回磷嚴(yán)重，脫磷反應(yīng)進(jìn)行到12min時(shí)，鐵水中的(P)大約為015%。綜合模型計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，適宜的溫度為1350左右，既能保證渣的熔化，又有利于脫磷反應(yīng)的充分進(jìn)行。32 初始(P)對脫磷效果的影響其他條件相同，初始(P)不同對脫磷效果的影響如圖7所示。從圖7可知，與模型計(jì)算的結(jié)果一樣，初始(P)無論是在035%左右，還是在05%左右，在較短的時(shí)間內(nèi)，(P)都能降到01%左

10、右。但是隨著初始(P)的增加，脫磷劑的加入量也要增加，根據(jù)計(jì)算，初始(P)每增加001%，脫磷劑消耗量就增加08kgt左右。隨著脫磷劑的增加，需要吸收更多的熱量用以化渣，會(huì)使鐵水的溫降較大，不利于后續(xù)的煉鋼工序。另外，脫磷劑消耗量的增多會(huì)減少鐵水預(yù)處理容器的裝入量，即鐵水處理量減少從而減少產(chǎn)量，同時(shí)，會(huì)使脫磷終渣的渣量增加，使鐵損也增多。所以，預(yù)處理高磷鐵水合適的初始(P)為035%左右。33 渣中(CaO)對脫磷效果的影響其他條件相同，渣中(CaO)對脫磷效果的影響如圖8所示。從前面圖3的模型計(jì)算結(jié)果來看，渣中(CaO)越高對脫磷越有利，因?yàn)樵?CaO)越高，磷的分配比越高。但在實(shí)際生產(chǎn)中

11、，渣中(CaO)過高，使渣的熔點(diǎn)升高，流動(dòng)性變差，不利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)后期易回磷12。根據(jù)圖8所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，脫磷渣中的(CaO)應(yīng)該控制在50%左右。4 結(jié)論1)用實(shí)驗(yàn)的方法，從反應(yīng)溫度、初始(P)等方面對模型進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證了模型的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的一致性。對高磷鐵水預(yù)脫磷而言，影響模型計(jì)算結(jié)果的重要參數(shù)還包括脫磷粉劑粒度、磷的分配比等，準(zhǔn)確獲取這些參數(shù)的信息是提高模型計(jì)算精度的必要條件；2)模型計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，較低溫度有利于脫磷，適宜的溫度為1350左右；初始(P)無論在035%左右，還是在05%左右，在較短的時(shí)間內(nèi)，(P)都能降到01%左右；渣中(CaO)較高(5

12、0%左右)對脫磷有利。3)從總體上看，要提高脫磷的效果，應(yīng)采用高氧化鐵、高堿度的渣系。參 考 文 獻(xiàn):1 楊福，畢學(xué)工，周進(jìn)東助熔劑種類與配比對高磷鐵水脫磷渣高溫性能的影響J武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33(5)：4824852 羅志國利用轉(zhuǎn)爐渣的鐵水預(yù)處理脫磷過程模擬D東北大學(xué)博士學(xué)位論文，2003：89953 Shin-ya KITAMURATDevelopment of analysis dephosphorization process and control by computer method for hot metalJISIJ International，1991，31(11)

13、：132913354 Shin-ya KITAMURA，Ken-ichiro MIYAMOTOAnalysis of dephosphorization reaction using a simulation model of hot metal dephosphorization by multiphase slagJISIJ International，2009，49(9)：133313345 C M Lee，R JFruehanPhosphorus equilibrium between hot metal and slagJIronmaking and Steelmaking，2005

14、，32(6)：5035086 Yasuji Kawai，Yutaka ShirishiHandbook of physico-chemical properties at high temperatureMISIJ，1988，1051087 JLumsdenPhysical chemistry of process metallurgyMNew York：Interscience Publishers，1961：1658 趙成林CAS-OB噴粉精煉過程模擬研究D沈陽：東北大學(xué)，2006：659 Robert Ewald TreybalMass transfer operationsMNew York：McGraw-Hill College，1980：10110 曾建華，張敏轉(zhuǎn)爐用復(fù)合脫磷劑的開發(fā)與應(yīng)用J煉鋼，2007，23(6)：3-411 黃希祜鋼鐵冶金原理M北京：冶金工業(yè)出版社，2