基于炉渣离子和分子共存理论表征炉渣脱硫、脱磷能力

基于炉渣离子和分子共存理论表征炉渣脱硫、脱磷能力
随着冶金技术的发展,对超低硫,低磷的洁净钢要求越来越高,为了达到这个目的,冶金科研者测量了大量不同渣系的脱硫、脱磷和铁氧化物活度的数据,并试图在大量的实验数据中寻找到炉渣的物化性能,实现生产工艺的优化和发展。

本文主要以离子和分子理论为基础,并通过实验来研究冶金炉渣在不同氧势阶段的脱硫脱磷性能。

炉渣中铁氧化物的反应能力直接影响着炉渣脱硫脱磷,低氧势有利于脱硫,高氧势有利于脱磷己成为冶金工作者的共识,那么可以推论出,如果要准确的预报出炉渣脱硫脱磷能力即首先要做到对炉渣铁氧化物氧化能力的精确表征。

本文通过实验并建立IMCT-NFe,O模型,通过与实验结果和文献报道的10种不同渣系实验数据相比较,结果表明,本研究建立的IMCT-NFe,O模型计算铁氧化物活度和实测值符合很好,此外,NFeO对aFe,O的贡献远大于NFe2O3、 NFeO·Fe2O3对αFe,o的贡献。

高炉炼铁过程中,由于炉缸氧势极低,反应气氛适合脱硫反应的进行,高炉CaO-MgO-SiO2-Al2O3渣系亦可视为较好的脱硫渣系,本文基于国内某钢铁厂高炉现场生产数据设计了高炉渣脱硫实验,并建立了CaO-MgO-SiO2-Al2O3渣系热力学模型。

通过和实验数据对比发现,该模型可相对可靠的预报该渣系的硫分配比和硫化物容量；炉渣组元的质量作用浓度,类似于经典物理化学中的活度,可精确表征炉渣组元的实际反应能力,其精度高于组元的质量百分含量,与渣金间硫分配比的线性关系非常明确；模型可以定量地计算出自由CaO和自由MgO各自对于炉渣脱硫的贡献值,1773 K时自由CaO的脱硫能力占炉渣脱硫能力的97%,而自由MgO的脱硫能力只有3%。

碱性转炉炼钢过程中,炉渣碱度一般为2-5,铁氧化物含量较高,折算成渣金间氧势一般远大于10-11pa,从脱磷基本反应式可知,高碱度、高铁氧化物渣系有利于脱磷。

本文设计了CaO-SiO2-MgO-FeO-Fe2O3-MnO-Al2O3-P2O5转炉渣脱磷实验并建立相关预报模型,实验测得的磷分配比和模型预报的磷分配比值一致,此外,本模型能较好的外延到P2O5 CaO-Si02-FeO-Fe2O3-P205,
CaO-Fe2O3-Al2O3-P2O5, CaO-MgO-FeO-Fe2O3-SiO2-P2O5和
CaO-SiO2-MgO-FeO-Fe2O3-MnO-P205渣系在不同冶金温度范围内的脱磷能力：与脱硫模型相比较,熔渣组元质量作用浓度与磷分配比线性关系较差,究其原因,炉渣脱磷是碱性组元和铁氧化物的综合作用,任一组元的单独作用很难与炉渣脱磷建立联系；基于渣气反应和渣金反应的不同,定义了磷酸盐容量CPO44-和磷酸盐容量指数CPQ43-,index的概念,文中建立的IMCT-CPO43-模型和
IMCT-CPO43-,index模型均能准确预报实验测得的磷酸盐容量CPO43-和磷酸盐容量指数CPO43-,index,以及工业生产所得的磷酸盐容量CPO4-和磷酸盐容量指数CPO43-,index;经计算,炉渣磷酸盐容量的贡献主要是由3CaO·P205和
4CaO·P205提供的,分别为97%和2.88%,其他组元的贡献率相对较低,可忽略不计。

铁液中的硫原子在渣金界面处进入熔渣会置换自由氧原子载体[O],为脱磷反应创造了机会,形成耦合反应,而改变氧势对熔渣的硫化物容量和磷酸盐容量没有影响,但氧势的增加导致炉渣硫分配比减少和磷分配比增加,硫分配和磷分配直线相交处可视为最佳氧势位置,与温度相关,为保持硫和磷的最佳关系,温度升高时,渣中控制应增加相应的铁氧化物含量。

本文建立的脱硫脱磷耦合模型能应用于非高炉闪速炼铁工艺的CaO-SiO2-MgO-Al2O3-FeO五元渣系和文献报道的
CaO-Al2O3-FetO渣系,本文模型能较好预测上述两个模型的硫分配比和磷分配比：上述两个渣系中,均采用改变渣中铁氧化物含量的办法来调节氧势,随着铁氧化物质量作用浓度的增加,可有效降低硫分配比和增加磷分配比,当铁氧化物质量作用浓度为O.13时,渣系的硫分配比和磷分配比趋于平衡。