006-铁液喷镁脱硫的几个工艺理论问题.doc

第十三届全国炼钢学术会议铁液喷镁脱硫的几个工艺理论问题颜根发 唐希伦 孙维（马鞍山钢铁股份有限公司）摘 要 研究了镁粒在喷吹过程中，能穿透气液界面的纯化镁粒下临界直径值。分析了镁气泡直径以及镁在铁液中停留总时间与镁粒直径和喷吹深度的关系。推导了侵入铁液的镁粒，被完全吸收、溶解时间的计算式。探讨了防止镁粒在铁液中，还未被完全吸收、溶解，镁气泡就浮出铁液面而被烧损的纯化镁粒上临界直径值。本研究可为铁水喷镁脱硫工艺优化，提供理论基础。关键词 铁水镁脱硫 穿透界面 停留时间 溶解时间 直径临界值On Several Technological and Theoretical Problems in Desulfurization of Hot Metal With Mg Particle InjectionYan Genfa Tang Xilun Sun Wei(Maanshan Iron & Steel Co., Ltd)Abstract: In this article, the minimum critical diameter of passivated Mg particle, which can run through gas-liquid interface during injection, is researched. The relationship between diameter of Mg gas bubble and total remained time of Mg particle in hot metal, the relationship between diameter of Mg particle and injection depth is analyzed. The formula of time for Mg particle in hot metal which being fully dissolved and absorbed is deduced, the maximum critical diameter of passivated Mg particle which is not burnt out because its floating over the surface of hot metal before its uncompleted dissolving and absorbing is also discussed. This research can provide theoretical basis to optimize technology of desulfurization of hot metal with Mg particle injection.Key word: desulfurization of hot metal with Mg injection, run through interface, remained time, dissolved time, critical diameter1 前言铁液喷镁脱硫技术，从上世纪九十年代起，在我国宝钢、武钢、首钢、马钢、本钢、太钢和唐钢等企业得到迅速推广，但在实际生产中，还存在一些问题，特别是价格昂贵的钝化镁的脱硫利用率较低，一般只有2035%。因此，如何提高纯化镁的脱硫利用率是目前我国铁水喷镁脱硫最关键的问题之一。提高钝化镁的脱硫利用率，可以从两个方面入手。首先是使镁粒尽可能多地穿透射流的气液界面侵入铁液，防止其被包裹在载气气泡里，上浮到渣层而被烧损；其次是防止镁粒在铁液中完全吸收、溶解的时间大于其能在铁液中停留时间，避免镁气泡浮入渣层的损耗。从理论上搞清楚上述两方面的问题，最终能明确得到可应用于实际生产中的，关于喷吹镁粒的粒度，喷枪插入深度，喷枪出口速度及其载气流量和喷嘴直径等最佳的喷吹工艺参数。2 钝化镁粒的“穿透”与下临界直径2.1 钝化镁粒的“穿透”问题气粉两相流从喷枪喷出后形成射流，载气形成了“载气气泡”而上浮，而钝化镁粒简单地说有下列三种情况：（1）穿透气液界面，侵入铁液；（2）停留在气液界面上，一部分侵入铁液；（3）被包裹在载气气泡内，随载气气泡上浮，不与铁液接触。这三种情况的出现，完全是喷粉中镁粒具有不同的动能造成的。只有足够大动能的镁粒，才能克服气液界面能而侵入铁液，而为此消耗的能量必须从镁粒的动能中获得。据D.Apelian等人的研究1，气液界面能是： 镁粒穿透气液界面的动能变化是：当镁粒穿透气液界面，u=0时的临界条件见下式： （1）镁粒直径越大，出口速度越高，则动能越大，越易穿透气液界面而侵入铁液。2.2 钝化镁粒下临界直径问题钝化镁粒下临界直径是确保镁粒在一定出口速度下，能穿透气液界面的最小直径的临界值。在铁液喷镁生产实际条件下，取=1.6N/m，100，=1738Kg/m3，代入式（1）可得钝化镁粒下临界直径简便计算式（参见表1与图1）。 （2）表1 钝化镁粒下临界直径与出口速度关系U/m/s4651576580929699103108113d/mm0.60.50.40.30.20.150.140.130.120.110.10图1 钝化镁粒下临界直径与U0的关系尽管实际气流速度要比粉粒速度高一些，但在喷粉工业应用中，往往近似地把喷嘴出口处的两相速度当作相等，常用的计算式如下2： 一般铁水喷镁的质量粉气比（Gs/Gg）波动在1050，体积粉气比（Qs/Qg）约波动在0.010.04。因此可求得实际生产中两相流出口速度波动在50100m/s范围内。对照表1与图1可见。其相应的钝化镁粒下临界值为0.60.13mm。因为在工业生产中，镁粒出口速度一般100m/s，所以镁粒下临界直径下限是0.13mm。3 镁粒在铁液中总停留时间问题镁粒在铁液中总停留时间是指侵入铁液的镁粒，从固态变成液态，从液态变成气态以及镁气泡上浮到铁液表面所需的时间。根据资料3 ，以铁水温度1623K，镁粒直径2mm为例，侵入铁液的固态镁粒大约经2.010-3秒的时间加热到922K，开始熔化。经约9.010-3秒完全熔化后，又经约1410-2秒的时间加热到1380K，液态镁气化。也即从固态镁直至气化的总时间只不过2.510-2秒，因此镁粒在铁液中总停留时间的长短，完全取决于镁气泡上浮的时间。31镁气泡直径与镁粒直径关系（见图2）图2. 镁气泡直径与镁粒直径的关系根据阿伏伽德罗定律和理想气体方程，一摩尔镁在1623K时，镁气泡体积是：V g=0.133P直径为ds的镁粒，产生镁气泡的总体积是：Vg=0.133P=5dP103又因为Vg =（/6）d ，所以可推导出：dg=21.2Pds （3）3.2镁气泡上浮时间3.2.1镁气泡上浮速度根据资料4，当气泡直径大于10mm，在低的或中等粘度的液体中，其上升速度为：ug=1.02（gdg/2）1/2将式（3）中的dg值代入上式可得：ug=10.4Pd （4）3.2.2镁气泡上浮距离镁气泡上浮距离是喷吹深度减去固态和液态镁上浮的距离，即：hg=h-（hs+hl）关于固态镁上浮距离（hs）：著名的斯托克斯公式只适用d0.1mm的粒子，对较大的粒子，其上浮速度可用下式5： us=1.74（）1/2d （5）按固态计算的上浮时间为全固态时间加50%的熔化时间，合计约6.510-3秒，求得：hs=3.1d10-2关于液态镁上浮距离（h1）：简便计算可根据液态镁的密度1570Kg/m3，其相应的“直径”d1=1.03ds，代入式（5）得：u1=4.88d按液态计算的上浮时间为全液态时间加50%的熔化时间，合计约18.5 10-3 秒。所以液态镁上浮的距离为：h1=9.0 d10-2根据hs和h1的计算式，即便镁粒直径为2mm，（hs+hl）也只不过5.4mm，而一般喷镁粉的喷吹深度2000mm，因此可忽略不计，镁气泡上浮距离近似地认为就是喷镁的喷吹深度。3.2.3镁气泡上浮时间 (6)3.3镁粒在铁液中总停留时间（见图3）图3. 镁粒在铁液中总停留时间与直径和喷吹深度的关系= （7）4 镁粒完全溶解时间问题镁粒完全溶解时间是指侵入铁液的镁粒，从固态一直变成气态以及镁气泡被铁完全吸收、溶解所需的时间。4.1镁气泡完全溶解时间溶解开始前，镁气泡摩尔浓度为：溶解t时后，镁气泡摩尔浓度为：镁气泡溶解速度，在液相侧传质为限制环节时为：=当镁气泡被铁液完全吸收、溶解后，镁被吸收、溶解的总摩尔数为：形成该镁气泡的原镁粒直径为ds，其总摩尔数为：根据上述两式相等，并以A=d 代入，其dg值按式（3）计算，经整理后可得：式中 %Mg0是镁气泡开始溶解前的重量百分比浓度。 %Mg0=d将 %Mg0值代入上式得：gr= (8)虽然目前还未见到镁在铁液中扩散系数的资料，但鉴于各种金属在铁液中的扩散系数值，在1473-1873K温度下，一般都在10-9m2/s的数量级上，所以完全可以借用原子直径与镁（3.2）相近Ni（2.5）的扩散系数值，根据资料6，Ni在铁液中（1553-1703K）的扩散系数见下式：D0.910-8exp（）镁在铁液内的传质系数可用下式计算7：k0.41（）先将D值带入上式，并取T1623K，Fe11.510-7m2/s，则可得K2.7210-4m/s。再将K值代入式（8）可得简化计算式：1.287=1.287104 （9）从式（9）可见，镁粒直径越大，其溶解时间越长，喷吹深度越浅，PMg越小，则完全溶解同样直径镁粒所需得时间越长。4.2镁粒完全溶解时间（见图4）=()+=0.025+1.287104 =0.025+1.287104 (10)图4.镁粒在铁液中完全溶解时间与直径和喷吹深度的关系（图中曲线为t与ds关系）5 钝化镁粒上临界直径问题钝化镁粒上临界直径是确保镁粒在铁液中停留时间大于其完全溶解时间的最大直径的临界值。从图3与图4中可以看出，随ds不断增大和喷吹深度（h）得不断减小，不断减小，而相反，是不断增加。在同一ds和h得情况下，两者必有一个交点（参见图4），这个交点就是钝化镁粒上临界直径值，大于这个直径，则，也即镁还未完全溶解，已浮出铁液面，进入渣层而被烧损。上临界点，将式（7）与式（10）代入后可得钝化镁粒上临界直径为：= （11）由式（11）可见，钝化镁粒的上临界直径是喷吹深度的函数（见表2与图5）。实际工业生产中喷吹深度为2.0-4.5m，相应钝化镁粒上临界直径为0.81-1.67mm，因为在工业生产中，喷吹深度一般4.5，所以镁粒上临界直径上限是1.67mm。图5.钝化镁粒上临界直径与h的关系表2钝化镁粒上临界直径与喷吹深度关系h / m2.02.53.03.54.04.5dCL / mm0.81.0.991.161.331.501.676 结论（1）镁粒穿透气液界面浸入铁液的临界条件是。能穿透气液界面的镁粒下临界直径。在工业生产实际中，在U0100m/s情况下，钝化镁粒下临界直径的下限是0.13mm。（2）侵入铁液的固态镁粒，在极短的时间内被铁液加热到922K，开始熔化变成液态，液态镁又被铁液继续加热到1380K，液态镁气化。镁气泡直径与原镁粒直径的关系是。（3）镁粒在铁液中总停留时间随喷吹深度的增加，镁粒直径的减少而增加。其关系式是（4）镁粒被铁液完全吸收、溶解的时间随喷吹深度的减少，镁粒直径的增大而增加。其关系式是（5）随侵入铁液镁粒直径的不断增加和喷吹深度的不断减少,t是不断减少，而r是不断增加，其交点就是钝化镁粒上临界直径。大于这个直径，则，也即镁还未被铁液完全吸收、溶解，就浮出铁液面被渣层烧损。钝化镁粒上临界直径与喷吹深度的关系是。在工业生产实际中，h4.5m的情况下，钝化镁粒上临界直径的上限是1.67mm。符号说明d-直径mM-摩尔质量Kg/molh-喷吹深度m-密度Kg/m3A-扩散面积m2P-压力Pa105V-体积m3-界面张力N/m-角度T-温度K-时间sn-摩尔数U-速度m/sC-摩尔浓度mol/m3-音速m/sD-扩散系数m2/sG-质量流量Kg/s-运动粘度m2/sQ-体积流量m3/sk-传质系数m/s下标S-固态l-液态g-气态i-界面t-停留r-溶解C-临界s-小的L-大的o-喷嘴出口，初始参 考 文 献1、FOeters著，钢包冶金原理，倪瑞明译，北京，北京钢铁学院，198