金属镁粒铁水脱硫过程动力学

第42卷　第5期　2007年5月钢铁Iron and Steel　Vol.42,No.5May 2007金属镁粒铁水脱硫过程动力学郭汉杰(北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083)摘　要:通过对金属镁粒铁水脱硫过程动力学的研究发现,金属镁粒的粒径越大,镁粒气化后的气泡在铁液中的停留时间和平均上浮速率就越大,铁液中镁脱硫反应的传质系数减小;上浮速率及停留时间与铁液温度几乎没有关系,但传质系数随温度的增加而增加;在一定的铁液深度和铁液硫含量时,金属镁粒铁水脱硫时镁的利用率随镁粒的粒径增加而减小;温度对镁的利用率的影响在镁粒粒径小时比粒径大时要大,在铁液硫含量小时比硫含量大时影响要大;就脱硫过程动力学而言,温度越高越有利于铁液中镁的脱硫反应,这与热力学结论相反;铁液温度为1573K ,铁液中的w ([S])为0.06%,铁水包的深度为3m ,在镁粒半径范围为(3～16)×10-4m 时,理论计算镁脱硫时镁的平均利用率为83.1%,与宣化钢铁公司生产得到的数据进行了对比,得到很好的吻合。

关键词:脱硫;铁水预处理;动力学中图分类号:TF704.3 文献标识码:A 文章编号:04492749X (2007)0520037205Dynamical B ehaviors in H ot Metal Desulf urization by MagnesiumGUO Han 2jie(School of Metallurgical and Engineering ,University of Science andTechnology Beijing ,Beijing 100083,China )Abstract :Based on research of hot metal pretreatment process for desulf urization with magnesium ,physical chemis 2try behavior of magnesium in hot metal and the dynamical behaviors of desulfurization with magnesium are obtained.When solid magnesium come into hot metal ,some magnesium dissolve and saturate ,the other become air bubbles reacted with sulf urization.More bigger of the radius of solid magnesiums are ,more longer of the residence time and the rate of the magnesium bubble become ,and little of the mass transfer coefficient are in the hot metal.It was founded that the residence time and the rate of the magnesium bubble upward was almost no relation with the tem 2perature ,but the mass transfer coefficient became bigger when the temperature became higher.When the radius of the solid magnesium increase ,magnesium utilization ratio rise.In dynamical behaviors of hot metal desulf urization by magnesium ,higher the temperature is ,more rapid the desulfurization reaction is.K ey w ords :desulfurization ;hot metal pretreatment ;dynamics作者简介:郭汉杰(19572),男,博士,副教授; E 2m ail :ghj0502@ ; 修订日期:2006209209 随着市场对铁水预处理中金属镁粒铁水脱硫的需求日益增加,许多钢铁企业都建了单吹颗粒镁喷吹法铁水预处理设备,一般对铁水脱硫特别是颗粒镁脱硫热力学问题已经进行了深入的研究[1～4],但还没有文献对颗粒镁脱硫动力学问题进行比较细致的研究。

1　金属镁粒脱硫过程反应机理1.1　脱硫机理金属Mg 的熔点低(651℃),沸点也不高(1107℃)。

在铁液中加入金属镁粒后,由于铁水温度在1200℃以上,高于镁的沸点,所以镁在铁水中呈气态。

金属镁粒快速进入铁液后脱硫机理如下:(1)固态颗粒Mg 在一定深度的铁液中升华变为气态;(2)气态镁上浮过程中与铁液中硫的反应发生在镁气泡与铁液的界面上,边反应边上浮,分两种情况:①若镁气泡较大,上浮到铁液表面,镁气泡还没有反应完,则气态镁进入大气,损失掉剩余部分;②若镁气泡较小,上浮到铁液表面,镁气泡反应完全,则镁的利用率高,是生产过程所要求的合理的镁粒尺寸。

(3)镁脱硫反应过程的同时,气态镁在铁液中也发生溶解反应。

1.2　金属镁粒溶入铁水后的几个参数计算设加入铁液的镁粒为圆形小球,其半径多为(3～16)×10-4m 。

直径为D s 的镁颗粒的质量:钢　铁第42卷W=Vρ=43πR3ρ=16πD3sρs直径为D s的镁颗粒摩尔数:n=WM Mg=16πD3sρsM Mg 若镁汽化后受到铁液的大气压力为1101325×105Pa,铁水对气泡的压力为gρm H,其中H为气泡离铁水表面的距离,ρm为铁液的密度。

根据理想气体的状态方程PV=nR T,则镁粒形成球形气泡的体积为:V(g)=nR TP +gρm H=WM Mg(Ρ +gρm H)R T=πD3sρs R T6M Mg(P +gρm H)(1) 若气泡的直径为D g,则V(g)=16πD3g,这与式(1)应该相等。

整理得直径为D s的镁粒汽化后的气体直径:D g=D s[R TρsM Mg(P +gρm H)]13(2)或气泡的半径:r0g=r s[R TρsM Mg(P +gρm H)]13(3)将ρs=1740,R=8.314,M Mg=24代入上式,得r0g=84r S T 1 3(p +gρm H)13(4) 若气泡上浮到一定高度x,压力则减小,定义p0=p +gρm H,此时的半径为:r g=84r s T 1 3(p0-gρm x)13(5) 气泡在上浮过程中的密度为:ρg=WV=n Mg M Mgn Mg R TP=M Mg PR T=M Mg(p0-gρm x)R T(6)2　金属镁粒脱硫反应动力学模型对于球形反应物镁气泡,在未反应的镁气泡界面上,气态镁与铁液在气泡界面的硫发生化学反应,其反应速率方程为-d n sd t=4πr2g k d c S,j(7)又考虑到-d n Mgd t=-4πr2gρgM Mgd r gd t(8)式(7)、(8)相等,则-4πr2gρgM Mgd r gdt=4πr2g k d c S,b(9)分离变量,积分得t=ρg rgM Mg k d C S,b(1-r gr0g)(10)一般采用质量分数w([S])表示,体积摩尔浓度与质量分数的换算为C S,b=w([S])bρmM S(11) 再将式(6)代入式(10),整理得r g=r0g-k d w([S])bρm R TM s(p0-gρm x)t(12) 其中镁气泡完全反应时,r g=0、t=t f,得t f=M S(p0-gρm x)k d w([S])bρm R Tr0g(13) 镁气泡在铁液中上浮过程中,总是面对硫的质量分数为w([S])b的环境。

镁气泡上浮过程中其密度和压强随上浮的高度x变化,x是镁粒变为气泡后,自铁液深度H处上浮的距离。

镁气泡的半径受两方面影响,一方面镁气泡和铁液中的硫反应使其减小,另一方面镁气泡上浮,由于受到的压力逐渐减小而体积膨胀,使其半径增大。

文献[5]指出,当气泡直径大于10mm时,气泡的上浮速率为u=0.7(gr g)12　或者　d xd t=0.7(gr g)12 将r g=84r s T13(p0-gρm x)13代入上式,得d xd t=0.7g[84r s(Tp0-gρm x)13]12(14) 分离变量,积分得t=1230ρm r12s T16[p760-(gρm x)76](15) 这即是一个颗粒镁在距离铁液表面H的位置气化后,经过t时刻,与在铁液中上浮的距离x的关系。

将式(15)代入式(12),并整理得r g=r0g-k d w([S])b T56[p760-(p0-gρm x)76]884r12s(p0-gρm x)(16) 这即是镁气泡与铁液中硫反应时镁气泡的半径与镁气泡上浮距离关系的动力学模型。

3　讨论3.1　传质系数k d的计算在用模型计算和讨论铁水脱硫的动力学模型・83・第5期郭汉杰等:金属镁粒铁水脱硫过程动力学时,要使用传质系数k d,根据表面更新理论模型k d=2Dπt e(17) 文献[6]用实验测量了不同温度下硫在铁液中的扩散系数D,由lg D—1/T作图,得lg D=1898.6T-6.31(18) 由式(18)可以计算不同温度下硫的扩散系数,如表1所示。

镁气泡在铁液中运动时的停留时间按照文献[6]推荐,停留时间的计算公式为:t e=r0g2u(19)式中,u为气泡的上浮速率,u=0.7g r g,由于上浮过程气泡的半径是变化的,所以气泡的上浮速率也是变化的,用以下方法求出气泡上浮的平均速率u-=1H∫Hu d x=2.62r12s T16ρm[(p +gρm H)56-(p )56](20) 计算在1523、1573、1623、1673、1723和1773 K和铁液深度为H时,不同的金属镁颗粒粒度下的平均速率。

并将不同的温度下,用不同粒度的镁粒气化后镁气泡上浮的平均速率对镁的粒度作图,如图1所示。

发现镁粒的粒度不同,对镁粒气化形成气泡后在铁液中上浮的平均速率影响很大,但几乎表1　不同温度下硫在铁液中的扩散系数T able1　Diffusion coeff icients D of S in hot metal T/K152315731623167317231773 D/(108m-2・s-1) 2.8 3.0 3.3 3.5 3.9 4.2图1　不同温度下镁气泡上浮的平均速率与镁的粒度的关系Fig.1　R elation of radius of solid m agnesium with rate of m agnesium bubble upw ard 与铁液温度没有关系。