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高磷铁水预处理脱磷动力学模型研究

杨福1，毕学工1，周进东1，程建文2，吴志清3

(1．武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北武汉430081；2．武汉钢铁(集团)公司人力资源部，湖北武汉430080；3．武汉钢铁(集团)公司烧结厂，湖北武汉430083)

摘 要：针对铁水预处理工艺并基于喷粉冶金原理，建立了高磷铁水预处理脱磷动力学模型。通过将实验室试验结果与模型计算结果对照，验证了模型的有效性，并应用模型计算分析了熔渣脱磷能力和工艺条件对脱磷效果的影响。结果表明：铁水温度控制在1350℃、渣中ω(CaO)控制在50%、高磷铁水预处理的初始ω(P)为0．35%、ω(FeO)为5%左右，碱度为3具有较强的脱磷能力。

关 键 词：铁水预处理；脱磷；动力学模型

铁水预处理作为现代钢铁生产的关键技术在降低钢中杂质元素含量、提高转炉生产效率和提高合金元素收得率方面发挥着重要作用，因而得到了广泛应用。大规模开发利用湖北省西部高磷鲕状赤铁矿的关键问题之一是研究开发高效环保型高磷铁水预处理脱磷剂。作者已经在实验室条件下进行了提高高磷铁水预处理粉剂的利用率、缩短处理时间和减少铁水温降等方面的研究[1]，为鄂西高磷矿的开发利用打下了良好的基础，但还有必要通过建立高磷铁水预处理的动力学模型优化高磷铁水预处理的操作条件。

有关铁水预脱磷的动力学模型研究较多，但针对的大都是低磷铁水(铁水的初始ω(P)均在0．1%左右)[2-3]。本文基于喷粉冶金原理，建立了高磷铁水(ω(P)≥0．30%)预处理脱磷动力学模型。通过将实验室试验结果与模型计算结果对照，验证了模型的有效性，并应用模型计算分析了熔渣脱磷能力和工艺条件对脱磷效果的影响。

1  铁水预处理脱磷数学模型的建立

假定渣相和金属相界面的传质是脱磷反应的控制性环节，则速度方程如下[4]：

式中：kp为总括传质系数，m／s；ω(P)铁水为铁液中的磷质量分数(初始磷质量分数为0．30%～0．50%)；ω(P)液渣为液态渣中的磷质量分数；t为时间，s；Lp为磷在渣相和金属相之间分配比；A为反应界面积，m2；V为铁水体积，m3。

磷的总括传质系数由公式(2)表示：

式中：km为金属液侧传质系数，m／s；ρm为铁水密度，kg／m3；ks为渣液侧传质系数，m／s；ρs为渣的密度，kg／m3。

用以下公式计算磷的分配比[5]：

式中：Sh为表征流体传质特征的谢伍德准数；Re为表征流体流动特性的雷诺数；Sc为表征同时有动量扩散及质量扩散流体的施密特准数；up为喷入粉剂的上浮速度，m／s；Dm，X为金属侧元素X的扩散系数，m2／s；dp为喷入粉剂的直径，m；ηm为铁液的黏度，Pa·s。

式中：D0，X=1．34×10-6m2／s，ED，x=99．53×103J／mol，R为气体常数，8．314J／(K·mol)；T为铁液的温度，K。

根据阿累尼乌斯公式，铁液的粘度采用以下公式计算[7]：

式中：η0=0．30805×10-3Pa·s；Eη=43．936×103J／mol。

喷吹粉剂上浮速度up的计算。喷吹粉剂在上浮过程中受到重力、浮力以及阻力的作用，喷吹粉剂上浮速度采用下式计算[8]：

式中：g为重力加速度，9．81m／s2；ρp为粉剂的密度，kg／m3。

2)渣侧传质系数的计算

式中：Ds，X采用文献中数值，1．0×10-10m2/s。

2  模型求解

针对喷粉预处理工艺，应用以上动力学模型研究了各种工艺条件的变化对脱磷效率的影响。计算采用的初始条件和工艺参数列于表1中。

本模型利用MATLAB建立界面，编写模型程序。通过输入基本参数，模型计算可得出铁水中磷含量随时间变化的曲线图。

2．1  反应温度对脱磷效果的影响

反应温度对脱磷效果的影响如图1所示。从图1可看出，在较低温度(1350℃)脱磷后，铁水的终点ω(P)低；温度越高，脱磷后期回磷越严重。所以，从模型的计算结果来看，较低温度有利于脱磷，适宜的温度为1350℃左右。以下各因素对脱磷的影响均在1350℃下讨论。

2．2  初始ω(P)对脱磷效果的影响

其他条件相同，初始ω(P)不同对脱磷效果的影响如图2所示。

从图2可知，初始ω(P)无论是在0．35%左右，还是在0．5%左右，在较短的时间内，ω(P)都能降到0．1%左右。

2．3  渣中ω(CaO)对脱磷效果的影响

其他条件相同，渣中ω(CaO)对脱磷效果的影响如图3所示。

从图3的模型计算结果来看，渣中ω(CaO)越高对脱磷越有利，因为渣中ω(CaO)越高，渣的碱度越高，磷的分配比也越高。

2．4  喷吹脱磷剂粒度对脱磷效果的影响

其他条件相同，脱磷粉剂粒度对脱磷效果的

由图4可知，粉剂粒度越小，在相同反应时间内的ω(P)低一些。这是因为在喷吹粉剂量相同时，粉剂粒度越小，粉剂表面积就越大，粉剂与铁水反应接触面积增加，反应速度较快，也较为彻底。生产很细粒度的粉剂会使设备磨损大，且能耗高。考虑到生产成本，脱磷粉剂的粒度在0．147×10-6m(100目)左右较为合适。

2．5  磷的分配比对脱磷效果的影响

其他条件相同，磷的分配比对脱磷效果的影响如图5所示。

从图5可知，随着磷分配比的增大，脱磷的整体速度加快，终点磷也较低，而当磷的分配比较小时(例如LP=45)，脱磷后期回磷严重。在实际生产中，随着脱磷反应的进行，脱磷渣中ω(Feo)以及ω(CaO)是变化的，所以严格来讲，LP也是一个的变量。从总体上看，要提高脱磷的效果，应采用高氧化铁、高碱度的渣系。这样的渣系能使P强烈氧化，形成稳定的磷酸盐，减少回磷的程度[10-11]。

3  模型验证

为了验证模型的有效性进行了实验研究，实验从温度、铁水初始ω(P)等方面验证模型的有效性。实验在高温碳管炉中进行，实验用高磷铁由高炉生铁配加磷铁制成；将500g样品放到坩埚中熔化，当达到1350℃后，保温大约5min，开始喷吹脱磷剂；同时开始计时，并每隔3min取铁水样，直至实验结束，然后分析铁样中的ω(P)。

3．1  反应温度对脱磷效果的影响

由于脱磷反应是放热反应，较低温度有利于脱磷。同时，又需要一定的高温以保证脱磷渣能熔化，从而促进脱磷反应的充分进行。反应温度对脱膦效果的影响如图6所示。从图6可知，当脱磷反应温度为1400℃时，末期回磷严重，脱磷反应进行到12min时，铁水中的ω(P)大约为0．15%。综合模型计算结果和实验结果，适宜的温度为1350℃左右，既能保证渣的熔化，又有利于脱磷反应的充分进行。

3．2  初始ω(P)对脱磷效果的影响

其他条件相同，初始ω(P)不同对脱磷效果的影响如图7所示。

从图7可知，与模型计算的结果一样，初始ω(P)无论是在0．35%左右，还是在0．5%左右，在较短的时间内，ω(P)都能降到0．1%左右。但是随着初始ω(P)的增加，脱磷剂的加入量也要增加，根据计算，初始ω(P)每增加0．01%，脱磷剂消耗量就增加0．8kg／t左右。随着脱磷剂的增加，需要吸收更多的热量用以化渣，会使铁水的温降较大，不利于后续的炼钢工序。另外，脱磷剂消耗量的增多会减少铁水预处理容器的装入量，即铁水处理量减少从而减少产量，同时，会使脱磷终渣的渣量增加，使铁损也增多。所以，预处理高磷铁水合适的初始ω(P)为0．35%左右。

3．3  渣中ω(CaO)对脱磷效果的影响

其他条件相同，渣中ω(CaO)对脱磷效果的影响如图8所示。

从前面图3的模型计算结果来看，渣中ω(CaO)越高对脱磷越有利，因为渣中ω(CaO)越高，磷的分配比越高。但在实际生产中，渣中ω(CaO)过高，使渣的熔点升高，流动性变差，不利于脱磷反应的进行，反应后期易回磷[12]。根据图8所示的实验结果，脱磷渣中的ω(CaO)应该控制在50%左右。

4  结论

1)用实验的方法，从反应温度、初始ω(P)等方面对模型进行了验证，验证了模型的计算结果和实验结果有很好的一致性。对高磷铁水预脱磷而言，影响模型计算结果的重要参数还包括脱磷粉剂粒度、磷的分配比等，准确获取这些参数的信息是提高模型计算精度的必要条件；

2)模型计算结果和实验结果表明，较低温度有利于脱磷，适宜的温度为1350℃左右；初始ω(P)无论在0．35%左右，还是在0．5%左右，在较短的时间内，ω(P)都能降到0．1%左右；渣中ω(CaO)较高(50%左右)对脱磷有利。

3)从总体上看，要提高脱磷的效果，应采用高氧化铁、高碱度的渣系。

参 考 文 献:

[1]   杨福，毕学工，周进东．助熔剂种类与配比对高磷铁水脱磷渣高温性能的影响[J]．武汉科技大学学报，2010，33(5)：482—485．

[2]   罗志国．利用转炉渣的铁水预处理脱磷过程模拟[D]．东北大学博士学位论文，2003：89—95．

[3]   Shin-ya KITAMURAT．Development of analysis dephosphorization process and control by computer method for hot metal[J]．ISIJ International，1991，31(11)：1329—1335．

[4]   Shin-ya KITAMURA，Ken-ichiro MIYAMOTO．Analysis of dephosphorization reaction using a simulation model of hot metal dephosphorization by multiphase slag[J]．ISIJ International，2009，49(9)：1333—1334．

[5]   C M Lee，R J．Fruehan．Phosphorus equilibrium between hot metal and slag[J]．Ironmaking and Steelmaking，2005，32(6)：503—508．

[6]   Yasuji Kawai，Yutaka Shirishi．Handbook of physico-chemical properties at high temperature[M]．ISIJ，1988，105—108．

[7]   J．Lumsden．Physical chemistry of process metallurgy[M]．New York：Interscience Publishers，1961：165．

[8]   赵成林．CAS-OB喷粉精炼过程模拟研究[D]．沈阳：东北大学，2006：65．

[9]   Robert Ewald Treybal．Mass transfer operations[M]．New York：McGraw-Hill College，1980：101．

[10]   曾建华，张敏．转炉用复合脱磷剂的开发与应用[J]．炼钢，2007，23(6)：3-4．

[11]   黄希祜．钢铁冶金原理[M]．北京：冶金工业出版社，2004．374．

[12]   Pan WEI，Masamichi SANO，Masahiro HIRASAWA，et a1．Kinetics of phosphorus between iron oxide containing slag and high carbon concentration of molten iron under Ar-O2 atmosphere transfer[J]．ISIJ International，1993，33(4)：479—487．