铁水预处理脱钛热力学计算与实验分析
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图1 Fig． 1 不同温度下铁水中钛和硅含量平衡值( 质量分数) Equilibrium value of titanium and silicon contents in hot metal
at different temperatures
化验铁水中的钛 和 硅 含 量． 实验 结 果 如 图 1 所示， 在相同温度范围内， 热模 拟 实验 结 果 与理论计算 值 基本一致， 说明在感应炉条件下， 铁水脱钛基本可以 达到钛硅理论平衡值．
中国钢研科技集团冶金工艺研究所，北京 100081 mail: wuwei098@ 163． com 通信作者，E-
摘
要
铁水预处理脱钛已被应用到实际生产中， 铁水中的 硅、 锰、 碳、 磷在 脱钛的 同 时 都 存 在 被 氧 化的 可能． 热力学计算 和
热模拟实验表明， 铁水温度越低越有利于脱钛反应的进行． 脱钛 时， 铁水中 硅 含 量 随 钛 含 量的 变 化 呈 正比 例 下 降， 锰、 磷含 量 变化与钛含量变化关系不大． 铁水中碳的氧化主要受铁水温 度 影响， 温 度 越 高碳 越 容 易 氧 化． 要 做 到 深 脱钛， 需 要 控制 得到 更低的铁水硅含量、 更低的铁水温度以及抑制碳的氧化． 关键词 分类号 铁水预处理; 脱钛; 脱硅; 脱碳 TF 533. 21
Thermodynamic calculation and experimental study of detitanium in hot metal pretreatment
WU Wei ，NI Bing，LIU Zhuangzhuang
Metallurgical Tecnology Institute，China Iron and Steel Research Institute Group，Beijing 100081 ，China Corresponding author，Email: wuwei098@ 163． com
第 33 卷 增刊 1 2011 年 12 月
北
京
科
技
大
学
学
报
Vol． 33 Suppl． 1 Dec． 2011
Journal of University of Science and Technology Beijing
铁 水 预 处 理 脱 钛 热 力学 计算与 实验分析
吴 巍 倪 冰 刘壮壮
1 320 ℃ 下铁水相关组元的活度相互作用系数 e ji
Activity interaction coefficient of the elements in hot metal at 1
0. 005 － 0. 008 0. 002 0. 129
0. 000 － 0. 004
f Ti 为 由式 ( 5 ) 和 式 ( 6 ) 计 算 得 出 f Si 为 14. 45 ， 0. 136． 取铁水温度 T = 1 320 ℃ ， 计算 得到 铁水中 氧 ［ % Si］ = 7. 83． 采用同 样 化反应硅和钛的平衡值为 % Ti］ ［ 1 360 、 1 400 、 方法分别计算出 1 280 、 及 1 440 ℃ 铁水 中硅和钛含量的平衡值， 如图 1 所示． 由图 1 可 知， 向铁水中加入氧化 剂， 铁水中钛 含 量 和 硅 含 量 呈 正 比关系， 其直线的斜率受铁水温度影响， 铁水温度越 低， 直线斜率越小， 越有利于脱钛． 采用 500 kg 感应炉进行热模拟实验． 感 应 炉 加 热功率为 250 kW， 升 温 速 度 为 10 ℃ / min， 实验 原 料 为 200 kg 生铁． 实验开始， 当 铁水 温 度 达 到 1 300 ～ 1 368 ℃ 时， 向炉内加入球团矿， 待 充 分 反 应 后， 取样
1
Ti］ ［ Si］ 脱钛过程中［ 的平衡关系
计算所用铁水( 1 320 ℃ ) 成分如表 1 所示．
· 26·
表1 Table 1 C 4. 48 Si 0. 52 铁水成分( 质量分数)
北
京
科
技
大
学
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报
第 33 卷
渣 相 中 TiO2 的 活 度 ( a ( TiO2) ) = 1 ， 渣相中 平衡 时，
-6 ］ 1 600 ℃ 下铁水相关组元的活度相互作用系数 e ji［3 -
Activity interaction coefficient of the elements in hot metal at 1 600 ℃ Si 0. 080 0 0. 013 0 0. 110 0 0. 000 2 Mn － 0. 012 0 0. 004 3 0. 002 0 0. 000 0 P 0. 051 0 － 0. 006 4 0. 110 0 － 0. 003 5 S 0. 046 － 0. 110 0. 056 － 0. 048 Ti 0. 059 0 0. 013 0 0. 010 0 0. 019 2 ( ［% Ti］ ＜ 2. 4% )
Si Ti
( 4) ( 5) ( 6)
由于铁水中硅含 量 为 0. 52% ， 钛 氧 化的 同 时 硅 可能被氧化， 即同时发生以下反应: ［ Si］+ ［ O］ ( SiO2 )
—
lgf i =
e ji w［ j］ ∑ j
a i = f i· w［ i］
( s)
，
［3 ］
ΔG = － 581 900 + 221. 8 T ［ Ti］+ ［ O］ ( TiO2 ) ( s) ，
钢 中钛与 氮 或 氧生成 Ti ( C． N ) 或 TiO2 夹杂， Ti( C ， N) 是一种 脆 而 硬 的 夹杂物， 在 钢的 加 工过程 中不易变形， 因此在夹杂物尺寸相同的条件下， 其危 ． 、 害远大于其它 夹杂物 特别 是 生产 轴承 钢 高碳钢 Ti ( C ， N ) 夹杂 会 使 钢的 疲 劳 寿命 下 丝及弹簧钢时， 降和断头率提高． 目前冶炼工艺脱钛存在以下问题: 1 ) 在 转炉 和 电炉冶炼过程中， 脱钛与脱碳同时进行， 随熔池温度 升高， 脱钛反 应 受 到抑 制; 2 ) 当 钢水 温 度 提 高 到一 定程度时， 熔池 内 会 发 生 钛的 还原 反 应; 3 ) 为 完 成 深脱钛， 必需深脱碳， 这会 使 钢水中 氧含 量增 加， 使 钢的成本升高和质量下降; 4 ) 在 LF 炉精炼时， 渣中
—
( 1) ( 2) ， ( 3)
f Si 、 f Ti 和 f i 分别为铁水中硅元素、 式中， 钛元素和组元 i 的 活 度 系 数， ［ % Si］和［ % Ti］分 别 为 铁水中 硅 和 e i 为铁水中组元 j 和组元 i 的 活 度 相 钛的质量分数， w［ j］ ai 为 互作用系数， 为 铁水中 组 元 j 的质量分 数， 铁水中组元 i 的活度． 1 600 ℃ 下铁水中组 元 的 活 度 1 873 j 相 互 作 用 系 数 如 表 2 所 示， 由 公 式 e i ( T) = T e ji( 1 873 K) ［4］可计算出 1 320 ℃ 下 铁水中 相 关 组 元 的 活 度相互作用系数( 见表 3 ) ．
ABSTRACT
Detitanium of hot metal pretreatment has been applied in the metallurgy industry． Carbon，silicon，manganese，and
phosphorus may be oxidized during the process of detitanium． The thermodynamic calculation and thermal simulation experiment show that low temperature is beneficial for the detitanium reaction． The content of silicon in hot metal declines proportionally to the content of titanium，while the contents of carbon and manganese change little． The oxidization of carbon in hot metal depends on the temperature，and the higher the temperature，the easier the oxidization of carbon． To remove more titanium，a lower content of silicon and a lower temperature of hot metal are requisite． Apart from these，it also needs to control the oxidation of carbon． KEY WORDS hot metal pretreatment; detitanium; desilication; decarburization
-08 -08 收稿日期: 2011 -
钛会因脱氧被还原
［1 ］
．
［2］
铁水中 元 素 发 生氧 化 反 应 的 顺 序
是 钛、 硅、
锰、 磷、 碳， 向铁水包中加入氧化剂会发生如下反 Ti］ + ( FeO ) ( TiO 2 ) + ［Fe］ ． 因取代气体 应: ［ 氧， 使 用矿石 或 烧 结 矿 等 作 为 固体氧 化 剂 ， 起到 了 降 温 作用 ， 抑 制 了 碳的 氧 化 ， 同 时 在 脱钛 反 应 结 束 后 进行 扒 渣 ， 解 决了 钛的 还原 问题 ． 为 寻 求 更 好 的 脱钛 方 法 ， 本文对铁水包脱钛进行了热力学计算 和 实验分析 ．
2
Ti］ Mn］ 脱钛过程中［ 和［ 的平衡关系
含钛铁水中锰的氧化反应下式所示: ［ Mn］+ ［ O］ ( MnO) ( s) ，
增刊 1
—
吴
巍等: 铁水预处理脱钛热力学计算与实验分析
· 27·
［4 ］ ΔG = － 288 100 + 128. 3 T 将式( 7 ) 和式( 2 ) 合并得到式( 8 ) :
j
［4 ］ ΔG = － 675 000 + 224. 38 T 将式( 1 ) 和式( 2 ) 合并得式( 3 ) :
［ Ti］+ ( SiO2 )
— —
( s)
Si］+ ( TiO2 ) ［
( s)
ΔG = － 93 100 + 2. 58 T
J· 式中， ΔG 为 化 学 反 应 的 标 准 吉 布 斯 自 由 能， －1 mol ; T 为 反 应 温 度， K． 以 纯物 质 为 标 准 态， 反应
( 7) ，
［ Ti］+ 2 ( MnO)
—
( s)
Mn］+ ( TiO2 ) 2［
( s)
0. 136 ; 取铁水温度 T = 1 320 ℃ ， 计算 得出 铁水中钛 2 ［ % C］ = 315. 27． 采用同样方法 分 和碳的平衡值为 ［ % Ti］ 1 360 、 1 400 及 1 440 ℃ 铁水中的碳 别计算出 1 280 、 ， 和钛含量的平衡值 如图 3 所示．
% Ti 0. 10
Chemical composition of hot metal Mn 0. 21 P 0. 115 S 0. 058
SiO2 的活度( a ( SiO2) ) = 1 ， 可以得到式( 4 ) ～ ( 6 ) : lg · ［ % Si］ = 4 862 / T － 0. 13 { ff · ［ % Ti］}
表2 Table 2 组元 C Ti Si Mn 表3 Table 3 320 ℃ 组元 C Ti Si Mn C 0. 165 － 0. 194 0. 212 － 0. 082 Si 0. 094 0. 015 0. 129 0. 000 Mn － 0. 014 P 0. 060 S 0. 054 － 0. 129 0. 066 － 0. 056 Ti 0. 069 0. 015 1. 446 0. 023 C 0. 140 － 0. 165 0. 180 0. 070
at different temperatures
化验铁水中的钛 和 硅 含 量． 实验 结 果 如 图 1 所示， 在相同温度范围内， 热模 拟 实验 结 果 与理论计算 值 基本一致， 说明在感应炉条件下， 铁水脱钛基本可以 达到钛硅理论平衡值．
中国钢研科技集团冶金工艺研究所，北京 100081 mail: wuwei098@ 163． com 通信作者，E-
摘
要
铁水预处理脱钛已被应用到实际生产中， 铁水中的 硅、 锰、 碳、 磷在 脱钛的 同 时 都 存 在 被 氧 化的 可能． 热力学计算 和
热模拟实验表明， 铁水温度越低越有利于脱钛反应的进行． 脱钛 时， 铁水中 硅 含 量 随 钛 含 量的 变 化 呈 正比 例 下 降， 锰、 磷含 量 变化与钛含量变化关系不大． 铁水中碳的氧化主要受铁水温 度 影响， 温 度 越 高碳 越 容 易 氧 化． 要 做 到 深 脱钛， 需 要 控制 得到 更低的铁水硅含量、 更低的铁水温度以及抑制碳的氧化． 关键词 分类号 铁水预处理; 脱钛; 脱硅; 脱碳 TF 533. 21
Thermodynamic calculation and experimental study of detitanium in hot metal pretreatment
WU Wei ，NI Bing，LIU Zhuangzhuang
Metallurgical Tecnology Institute，China Iron and Steel Research Institute Group，Beijing 100081 ，China Corresponding author，Email: wuwei098@ 163． com
第 33 卷 增刊 1 2011 年 12 月
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Vol． 33 Suppl． 1 Dec． 2011
Journal of University of Science and Technology Beijing
铁 水 预 处 理 脱 钛 热 力学 计算与 实验分析
吴 巍 倪 冰 刘壮壮
1 320 ℃ 下铁水相关组元的活度相互作用系数 e ji
Activity interaction coefficient of the elements in hot metal at 1
0. 005 － 0. 008 0. 002 0. 129
0. 000 － 0. 004
f Ti 为 由式 ( 5 ) 和 式 ( 6 ) 计 算 得 出 f Si 为 14. 45 ， 0. 136． 取铁水温度 T = 1 320 ℃ ， 计算 得到 铁水中 氧 ［ % Si］ = 7. 83． 采用同 样 化反应硅和钛的平衡值为 % Ti］ ［ 1 360 、 1 400 、 方法分别计算出 1 280 、 及 1 440 ℃ 铁水 中硅和钛含量的平衡值， 如图 1 所示． 由图 1 可 知， 向铁水中加入氧化 剂， 铁水中钛 含 量 和 硅 含 量 呈 正 比关系， 其直线的斜率受铁水温度影响， 铁水温度越 低， 直线斜率越小， 越有利于脱钛． 采用 500 kg 感应炉进行热模拟实验． 感 应 炉 加 热功率为 250 kW， 升 温 速 度 为 10 ℃ / min， 实验 原 料 为 200 kg 生铁． 实验开始， 当 铁水 温 度 达 到 1 300 ～ 1 368 ℃ 时， 向炉内加入球团矿， 待 充 分 反 应 后， 取样
1
Ti］ ［ Si］ 脱钛过程中［ 的平衡关系
计算所用铁水( 1 320 ℃ ) 成分如表 1 所示．
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表1 Table 1 C 4. 48 Si 0. 52 铁水成分( 质量分数)
北
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第 33 卷
渣 相 中 TiO2 的 活 度 ( a ( TiO2) ) = 1 ， 渣相中 平衡 时，
-6 ］ 1 600 ℃ 下铁水相关组元的活度相互作用系数 e ji［3 -
Activity interaction coefficient of the elements in hot metal at 1 600 ℃ Si 0. 080 0 0. 013 0 0. 110 0 0. 000 2 Mn － 0. 012 0 0. 004 3 0. 002 0 0. 000 0 P 0. 051 0 － 0. 006 4 0. 110 0 － 0. 003 5 S 0. 046 － 0. 110 0. 056 － 0. 048 Ti 0. 059 0 0. 013 0 0. 010 0 0. 019 2 ( ［% Ti］ ＜ 2. 4% )
Si Ti
( 4) ( 5) ( 6)
由于铁水中硅含 量 为 0. 52% ， 钛 氧 化的 同 时 硅 可能被氧化， 即同时发生以下反应: ［ Si］+ ［ O］ ( SiO2 )
—
lgf i =
e ji w［ j］ ∑ j
a i = f i· w［ i］
( s)
，
［3 ］
ΔG = － 581 900 + 221. 8 T ［ Ti］+ ［ O］ ( TiO2 ) ( s) ，
钢 中钛与 氮 或 氧生成 Ti ( C． N ) 或 TiO2 夹杂， Ti( C ， N) 是一种 脆 而 硬 的 夹杂物， 在 钢的 加 工过程 中不易变形， 因此在夹杂物尺寸相同的条件下， 其危 ． 、 害远大于其它 夹杂物 特别 是 生产 轴承 钢 高碳钢 Ti ( C ， N ) 夹杂 会 使 钢的 疲 劳 寿命 下 丝及弹簧钢时， 降和断头率提高． 目前冶炼工艺脱钛存在以下问题: 1 ) 在 转炉 和 电炉冶炼过程中， 脱钛与脱碳同时进行， 随熔池温度 升高， 脱钛反 应 受 到抑 制; 2 ) 当 钢水 温 度 提 高 到一 定程度时， 熔池 内 会 发 生 钛的 还原 反 应; 3 ) 为 完 成 深脱钛， 必需深脱碳， 这会 使 钢水中 氧含 量增 加， 使 钢的成本升高和质量下降; 4 ) 在 LF 炉精炼时， 渣中
—
( 1) ( 2) ， ( 3)
f Si 、 f Ti 和 f i 分别为铁水中硅元素、 式中， 钛元素和组元 i 的 活 度 系 数， ［ % Si］和［ % Ti］分 别 为 铁水中 硅 和 e i 为铁水中组元 j 和组元 i 的 活 度 相 钛的质量分数， w［ j］ ai 为 互作用系数， 为 铁水中 组 元 j 的质量分 数， 铁水中组元 i 的活度． 1 600 ℃ 下铁水中组 元 的 活 度 1 873 j 相 互 作 用 系 数 如 表 2 所 示， 由 公 式 e i ( T) = T e ji( 1 873 K) ［4］可计算出 1 320 ℃ 下 铁水中 相 关 组 元 的 活 度相互作用系数( 见表 3 ) ．
ABSTRACT
Detitanium of hot metal pretreatment has been applied in the metallurgy industry． Carbon，silicon，manganese，and
phosphorus may be oxidized during the process of detitanium． The thermodynamic calculation and thermal simulation experiment show that low temperature is beneficial for the detitanium reaction． The content of silicon in hot metal declines proportionally to the content of titanium，while the contents of carbon and manganese change little． The oxidization of carbon in hot metal depends on the temperature，and the higher the temperature，the easier the oxidization of carbon． To remove more titanium，a lower content of silicon and a lower temperature of hot metal are requisite． Apart from these，it also needs to control the oxidation of carbon． KEY WORDS hot metal pretreatment; detitanium; desilication; decarburization
-08 -08 收稿日期: 2011 -
钛会因脱氧被还原
［1 ］
．
［2］
铁水中 元 素 发 生氧 化 反 应 的 顺 序
是 钛、 硅、
锰、 磷、 碳， 向铁水包中加入氧化剂会发生如下反 Ti］ + ( FeO ) ( TiO 2 ) + ［Fe］ ． 因取代气体 应: ［ 氧， 使 用矿石 或 烧 结 矿 等 作 为 固体氧 化 剂 ， 起到 了 降 温 作用 ， 抑 制 了 碳的 氧 化 ， 同 时 在 脱钛 反 应 结 束 后 进行 扒 渣 ， 解 决了 钛的 还原 问题 ． 为 寻 求 更 好 的 脱钛 方 法 ， 本文对铁水包脱钛进行了热力学计算 和 实验分析 ．
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Ti］ Mn］ 脱钛过程中［ 和［ 的平衡关系
含钛铁水中锰的氧化反应下式所示: ［ Mn］+ ［ O］ ( MnO) ( s) ，
增刊 1
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吴
巍等: 铁水预处理脱钛热力学计算与实验分析
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［4 ］ ΔG = － 288 100 + 128. 3 T 将式( 7 ) 和式( 2 ) 合并得到式( 8 ) :
j
［4 ］ ΔG = － 675 000 + 224. 38 T 将式( 1 ) 和式( 2 ) 合并得式( 3 ) :
［ Ti］+ ( SiO2 )
— —
( s)
Si］+ ( TiO2 ) ［
( s)
ΔG = － 93 100 + 2. 58 T
J· 式中， ΔG 为 化 学 反 应 的 标 准 吉 布 斯 自 由 能， －1 mol ; T 为 反 应 温 度， K． 以 纯物 质 为 标 准 态， 反应
( 7) ，
［ Ti］+ 2 ( MnO)
—
( s)
Mn］+ ( TiO2 ) 2［
( s)
0. 136 ; 取铁水温度 T = 1 320 ℃ ， 计算 得出 铁水中钛 2 ［ % C］ = 315. 27． 采用同样方法 分 和碳的平衡值为 ［ % Ti］ 1 360 、 1 400 及 1 440 ℃ 铁水中的碳 别计算出 1 280 、 ， 和钛含量的平衡值 如图 3 所示．
% Ti 0. 10
Chemical composition of hot metal Mn 0. 21 P 0. 115 S 0. 058
SiO2 的活度( a ( SiO2) ) = 1 ， 可以得到式( 4 ) ～ ( 6 ) : lg · ［ % Si］ = 4 862 / T － 0. 13 { ff · ［ % Ti］}
表2 Table 2 组元 C Ti Si Mn 表3 Table 3 320 ℃ 组元 C Ti Si Mn C 0. 165 － 0. 194 0. 212 － 0. 082 Si 0. 094 0. 015 0. 129 0. 000 Mn － 0. 014 P 0. 060 S 0. 054 － 0. 129 0. 066 － 0. 056 Ti 0. 069 0. 015 1. 446 0. 023 C 0. 140 － 0. 165 0. 180 0. 070