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      高Al2 O3爐渣脫硫能力的研究

      2014-03-21 01:10:48馬濤趙陽陽康金祥貴永亮
      關(guān)鍵詞:渣鐵鐵液生鐵

      馬濤,趙陽陽,康金祥,貴永亮

      (1.河北聯(lián)合大學以升創(chuàng)新教育基地,河北唐山063009;2.河北聯(lián)合大學冶金與能源學院,河北唐山063009)

      近年來,鋼鐵企業(yè)為降低生產(chǎn)成本,特別是降低煉鐵環(huán)節(jié)的成本控制成為了各大企業(yè)亟待解決的問題。但是大型高爐由于精料的要求以及考慮到爐渣中 Al2O3含量,通常需配用大量精礦,但是這些礦因品位高、Al2O3含量低而價格昂貴。同時,隨著鋼鐵產(chǎn)量的提高,鐵礦的供求矛盾亦日趨突出,世界范圍內(nèi)精礦資源日益緊張,因此冶金企業(yè)不得不選擇礦石價格相對低廉的高Al2O3礦石以降低煉鐵成本。[1]但低渣比生產(chǎn)和高比例使用高Al2O3礦石必然引起爐渣中w(Al2O3)的升高。隨著自產(chǎn)粉礦嚴重不足,國內(nèi)鋼鐵企業(yè)越來越依賴于進口鐵礦石,目前國內(nèi)進口的礦粉主要是澳礦巴西礦與印度礦,這些礦粉中w(Al2O3)普遍偏高,澳礦w (Al2O3)為2.16%,印度礦w(Al2O3)為2.48%[2]。另外,隨著精料技術(shù)的進步,渣量顯著降低,同時高爐入爐品位的提高以及高煤比噴吹的需要,很多高爐的渣鐵比已接近或降到300kg/t(鐵)以下;而噴煤量的增加致使渣中w(Al2O3)又有增高的趨勢。Al2O3的升高會導致爐渣粘度的增加,從而降低了硫在爐渣中的傳質(zhì)速度,惡化了爐渣的脫硫能力。一些以使用進口礦石為主的鋼鐵企業(yè),能否增加部分或全部使用廉價的高鋁礦資源令人關(guān)注,特別是爐渣中Al2O3含量超越15%時對爐渣脫硫能力影響的是個亟待研究的課題。

      1 爐渣中Al2O3的來源以及危害

      高爐爐渣中Al2O3來源有2個:燃料(焦炭和煤粉)和礦石。國內(nèi)鐵礦石雖然Al2O3含量多數(shù)在1.0%以下[3],但是由于儲量小,貧礦多的特點,加之近年來國內(nèi)鋼鐵產(chǎn)量的大幅提升,我國鋼鐵企業(yè)依然大量使用進口的外礦,而這些礦石,特別是其中低價的礦石,Al2O3含量都在2.00%左右,甚至更高。大量使用勢必造成爐渣中Al2O3含量的升高。

      近年來為降低煉鐵生產(chǎn)成本,低價鐵礦石的使用增加,礦石中高含量的Al2O3通常引起高爐渣中Al2O3的含量升高。Al2O3屬于中性,但在高爐冶煉中可以認為是酸性物質(zhì),它的熔點是2050℃。高爐冶煉中Al2O3與SiO2混合生成同樣高熔點的物質(zhì),造成渣鐵流動性變差,使渣鐵分離困難。由于高鋁渣的過于粘稠,其終渣流動性極差,不利于脫硫反應(yīng)的擴散作用,脫硫的效果差。特別是當爐渣中Al2O3含量大于18%時,爐渣脫硫能力極度下降。另外,高Al2O3含量爐渣的初渣會堵塞爐料間隙,使得料柱的流動性變差,增加了煤氣通過時的阻力。該渣還容易在爐腹部位的爐墻上結(jié)瘤,引起爐料下降不順,造成懸料和崩料等影響。高鋁渣也容易堵塞爐缸,不宜從爐缸中流出,使爐缸壁結(jié)厚,縮小爐缸的體積,造成高爐操作上的困難,嚴重制約了高爐的正常生產(chǎn)。而高爐渣的脫硫效果不僅取決于脫硫反應(yīng)的熱力學條件,而且取決于脫硫反應(yīng)的動力學條件。只有當爐渣物理化學性能良好且高爐順行的條件下,才能冶煉出低硫生鐵,而爐渣的化學成分是保證爐渣性能的前提。爐渣中w(Al2O3)在15%以下時,能夠改善爐渣的穩(wěn)定性[5]。若w(Al2O3)超過15%時,爐渣的穩(wěn)定性會明顯變差。爐渣粘度的增加,降低了硫在爐渣中的傳質(zhì)速度,惡化了爐渣的脫硫能力。

      爐渣w(Al2O3)小于19%時,爐渣w(Al2O3)每增加1%,爐渣溶化性溫度tm會提高10℃左右[4]。爐渣溶化性溫度的提高會使得高爐渣過分的難溶,甚至在爐內(nèi)呈現(xiàn)半熔融半流動的狀態(tài),這會嚴重阻礙硫從鐵液中向渣鐵界面的擴散,阻礙了爐渣脫硫反應(yīng)的進行。

      2 高爐渣脫硫的熱力學及動力學分析

      2.1 高爐渣脫硫的熱力學分析

      硫在熔渣內(nèi)溶解的反應(yīng)為:

      反應(yīng)的平衡常數(shù) KΘ=as2-/ao2-*[po2/ps2]1/2

      對于一定溫度及熔渣組成,將上式中可測量數(shù)據(jù)w(s),po2集中到等式一邊,則得

      式中Cs就為硫容量的定義。

      由硫容量的定義可見:

      (1)KΘ由溫度決定,是溫度的單值函數(shù)。鐵液中硫的平均離子活度因子(γs2-)主要由鐵液中其他元素含量所決定,其中鐵液中[C]、[Si]、[P]量可以促使γs2-的值增大,但是Al2O3含量對γs2-的影響很小。

      (2)當爐渣中Al2O3含量過高時,會與O2-結(jié)合形成鋁氧復合負離子,這樣會降低降低爐渣中氧離子濃度,即x(O2-)降低,其他因素不變時Cs會降低,爐渣熔硫減少。

      2.2 高爐渣脫硫的動力學過程分析

      爐渣脫硫反應(yīng)主要由三個環(huán)節(jié)組成:

      (1)硫在鐵液中向渣鐵交界面的擴散

      (2)界面上的化學反應(yīng)

      (3)生成硫化物有反應(yīng)界面向渣液中擴散

      爐渣脫硫的速率方程為d[s]/d t=A﹛[S]-(S)/Ls﹜/M(1/ksLs+km)

      式中A為鐵水與渣的接觸面積;

      M為鐵水重量;

      ks為硫在渣中的傳質(zhì)系數(shù);

      km為硫在鐵中的傳質(zhì)系數(shù)。

      若要增加硫進入爐渣的速率,主要可以增大交界面積A或增大硫在鐵液中的傳質(zhì)系數(shù)ks及km即降低爐渣粘度。

      隨著Al2O3含量的增加爐渣的粘度升高。[6]Al2O3是一種弱酸性的氧化物,在堿性渣中能夠形成復合陰離子,在爐渣中比較容易形成如尖晶石和鋁酸鈣等的高熔點復雜化合物,這便使爐渣的溶化性溫度升高,同時還伴隨著大量非均勻相的形成。因此,隨著渣中Al2O3含量的增加,特別在超過15%時,爐渣的粘度會隨之升高,溶化性溫度同樣升高,流動性會變差。這樣使爐渣中的自由氧離子向鐵界面遷移時的阻力變大,又使反應(yīng)后的硫離子從渣鐵反應(yīng)界面遷移到爐渣內(nèi)部阻力變大,惡化了爐渣脫硫的動力學條件,會導致爐渣脫硫能力下降。

      3 Al2O3含量及MgO/Al2 O3對高爐渣脫硫能力的影響

      3.1 實驗步驟

      實驗采用的高溫爐額定功率為6 kW,最高溫度可達到1650℃。工作溫度可達1600℃。加熱體采用U型硅鉬棒。由于實驗中采用的石墨坩堝易被氧化,所以實驗中擬采用氬氣作為保護設(shè)備。實驗裝置圖1所示。

      圖1 實驗設(shè)備

      實驗采用的配合渣為20 g,實驗用渣為7 g(即渣量為350 kg/t)。鐵樣中的初始硫含量為0.26%。將稱量好的配合渣放于坩堝下層,將事先稱量好的鐵樣放入上層石墨坩堝中,用石墨棒堵住上層坩堝小孔,通入0.1 L/min氬氣,打開高溫爐電源,進行閉環(huán)升溫階段。溫度達到鐵樣融化溫度1500℃后恒溫20 min,拔出石墨棒,并取出上層坩堝。在達到脫硫時間后提取并檢驗剛玉管中鐵樣的硫含量。實驗時間確定為60 min。

      圖2 Al2O3含量對爐渣脫硫能力的影響

      3.2 Al2 O3含量對爐渣脫硫能力的分析

      在爐渣二元堿度和MgO含量不變的前提下,Al2O3含量對高爐渣脫硫能力的影響如圖2所示。由圖2可知,當二元堿度固定為1.14,MgO含量控制在10%左右時,爐渣中Al2O3的含量為15.8%時,生鐵中硫含量在0.027%,而當Al2O3含量在19.8%時,生鐵中硫含量在0.0374%。說明爐渣中Al2O3含量升高,爐渣脫硫能力降低。同時值得注意的是,實驗室采用的設(shè)備以及實驗條件從熱力學和動力學方面都要優(yōu)于生產(chǎn)實際的條件,脫硫效果要好于高爐生產(chǎn)實際。由此,高爐中爐渣Al2O3含量若接近20%,則生鐵中硫含量可能會超過0.05%,無法達到二級生鐵的要求。

      在二元堿度和MgO含量不變的條件下,隨著爐渣中Al2O3含量增加,Al2O3吸收O2-形成的鋁氧及硅鋁氧復合陰離子的量不斷增加,從而渣中自由的O2-減少;同時,當Al2O3含量過高時,Al2O3易與MgO形成高熔點的尖晶石等固體懸浮物,使爐渣的流動性明顯變差,惡化了脫硫反應(yīng)的動力學條件,對脫硫也有不利的影響

      3.3 MgO/Al2 O3對高爐渣脫硫能力的影響

      MgO/Al2O3會對爐渣脫硫能力產(chǎn)生影響。當爐渣中Al2O3含量控制為15.8%時,保持爐渣二元堿度不變,依然維持在1.14時.MgO/Al2O3與生鐵中硫含量如圖3所示,MgO/ Al2O3渣鐵中硫分配系數(shù)Ls關(guān)系如圖3所示。

      由圖3看出,隨著爐渣中MgO/Al2O3升高,生鐵中硫含量逐漸降低,當 MgO/Al2O3為0.5時,生鐵中硫含量為0.0356%,當MgO/Al2O3升高到0.7時,生鐵中硫含量降低到0.0212%。當MgO/Al2O3在0.7時,生鐵中硫含量在0.0212%,即使高爐生產(chǎn)中爐渣脫硫能力低于實驗時的爐渣脫硫能力,但也依然可以滿足二級生鐵的硫含量要求,甚至硫含量小于0.03%,達到一級生鐵的要求。這是由于MgO屬于堿性氧化物,能破壞酸性的復合硅氧陰離子,促使大的硅氧陰離子斷裂為較小的硅氧陰離子,因而能降低粘度。因此,MgO對爐渣有稀釋的作用,能改善爐渣的流動性和提高爐渣的穩(wěn)定性,即改善脫硫的動力學條件,因而,提高MgO比例能提高爐渣的脫硫能力。

      圖3 MgO/Al2 O3對爐渣脫硫能力的影響(Al2O3=15.8%)

      所以,在二元堿度保持不變的條件下,適當提高MgO/Al2O3,可以增強高Al2O3爐渣的脫硫能力。但是MgO/Al2O3比不宜過高。因為隨著MgO/Al2O3比的升高,爐渣中高熔點物質(zhì)增多,如鎂鋁尖晶石等。這樣使得爐渣的粘度升高,從動力學角度而言會阻礙硫在渣鐵間的傳質(zhì),對爐渣脫硫產(chǎn)生不利的影響。

      6 結(jié)論

      (1)若在爐渣二元堿度和MgO含量不變,爐渣中Al2O3的升高,硫在渣鐵之間的分配系數(shù)降低,生鐵中的硫含量升高,說明爐渣中Al2O3含量升高,爐渣脫硫能力降低。

      (2)當爐渣中Al2O3含量不變時,隨著爐渣中MgO/Al2O3升高,生鐵中硫含量逐漸降低,硫在渣鐵間的分配系數(shù)不斷升高。MgO/Al2O3升高有利于提高高Al2O3爐渣脫硫能力。

      [1] 張維彬,蔣武鋒,劉鵬君.唐鋼3200 m3高爐煉鐵技術(shù)進步[J].河北聯(lián)合大學學報(自然科學版),2012(2):14-17.

      [2] 楊志泉.武鋼高爐渣中w(Al2O3)異常升高原因分析及對策[J].煉鐵,2006,25(1):21.

      [3] 王筱留.鋼鐵冶金學(煉鐵部分)第二版[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2005:9-10.

      [4] 陳培敦,孫守建,趙樹民.高氧化鋁爐渣對高爐生產(chǎn)的影響[J].山東冶金,2005 27(1):1.

      [5] 胡夏雨,林李全,李遼沙.高Al2O3爐渣性能的研究[J].中國冶金,2006 16(2):39.

      [6]楊建煒.高Al2O3高爐渣冶金性能的研究[D].唐山:河北理工大學,2005,32.

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