镁在铁水脱硫中的应用.doc

镁在铁水脱硫中的应用
陈辉喻淑仁
摘要镁作为一种强脱硫剂,在铁预处理中应用较为广泛。文中对镁在铁水中的脱硫机理作了简要的叙述,总结了镁脱硫的方法和特点,并分析了影响镁脱硫的主要因素,对镁在脱硫中的应用与发展提出了建议。关键词镁铁水脱硫
ApplicationofMagnesiuminDesulphurizationofHotMetal
ChenHuiYuShuren(WuhanUniversityofScience&Technology)
AbstractMagnesiumhasbeenusedwidelyinpretreatmentofhotmetalasakindofstrongdesulphurizingagent.Thispaperbrieflyintroducesthemechanismofdesulphurizationofhotmetalbymagnesium,summarizesthemethodsandcharacteristicsofdesulphuriazationbyusingmagnesium,andanalyzessomemajorfactorswhichadverselyaffectdesulphurization.Finally,somesuggestionshavebeenputforwardtoimprovedesulphurizationbymegnesium.Keywordsmagnesiumhotmetaldesulphurization
1前言
为满足市场对钢材质量愈来愈高的要求及钢铁生产厂家自身降低成本的需要,寻找合理的工艺流程和有效的冶炼手段一直是冶金行业的重要研究课题。铁水预处理脱硫已被公认是高炉—转炉—连铸工艺流程降低钢中硫含量的最佳工艺,改善高炉和转炉操作的重要手段之一［1,2］。在过去的三十多年里,在热力学、动力学机理及反应器理论方面进行的大量研究,使其工艺技术日趋完善,并得到了广泛的应用。从效率、成本、可靠性和对环境的影响等因素综合考虑,选择合适的脱硫剂倍受关注。当前应用最普遍的脱硫剂是钙基和镁基材料,文中拟对金属镁在铁水预脱硫中的应用作一简要综述。
2镁脱硫的反应机理
2.1镁脱硫反应热力学金属镁具有良好的物理和化学性质,早已应用于工业生产中。其熔点为922K,沸点为1363K。在1473～1723K时,镁的蒸气压可由下式计算:
lgPMg=-6802/T+4.99(1)
式中T——温度/KPMg——镁的蒸气压/atm(1atm=101.325kPa)镁不仅和氧气发生反应,还可同空气中的N2反应［7］:
3Mg+N2(g)=Mg3N2(s)(其中Mg可为气态或液态)(2)
上述反应在573K～1713K的温度范围内可以进行,但Mg3N2不稳定,易被还原为MgO。在碳饱和的铁液中,镁的溶解度可按下式计算:
(3)
在冶金温度下,镁的各种化合物的稳定性大小顺序依次为:MgO、MgS、MgC。当镁和铁水接触时,由于熔解和气化,且镁溶于铁液,故存在下列反应［1,7,8］:
Mg(g)+［O］=MgO(s)(4)ΔG0=-148650+49.78TMg(g)+［S］=MgS(s)(5)ΔG0=-104100+44.07T［Mg］+［S］=MgS(s)(6)ΔG0=-73850+21.88T
一般认为MgS以固态析出,活度为1。故在一定的温度下:
［Mg%］［S%］=常数(7)
理论计算得到的［Mg%］［S%］平衡值的数量级为10-6。不同的研究者得到的［Mg%］［S%］不尽相同,但多数认为其数量级为10-4。可是这和理论计算的［Mg%］［S%］平衡值仍高很多,如图1所示。对这一现象的解释是镁与硫活度相互间的负作用很强的缘故。据实验观察,镁的溶解损失在开始脱硫阶段(硫含量为0.050%时)很小,其后随硫含量的降低,溶解损失成倍地增加,当硫降到0.005%以下时镁主要消耗在溶解上而不是化学反应上,如图2所示。
图1高炉铁水中镁的溶解度
2.2镁脱硫反应动力学如前述,镁在与铁水接触时,会迅速熔化并气化。研究表明:镁粒进入铁水后,才完成加热并开始熔化,之后发生气化。在镁粒直径和喷枪插入深度选择恰当时,镁粒上升到液面之前已气化完毕。因此,镁气泡与铁水接触时,一方面在气液界面上进行多相反应(如式(5)),另一方面,溶于铁水中进行单相反应(如式(6)),可见镁在铁水中的行为很复杂,因而对其动力学的研究颇为困难。
图2脱去一个硫需要的镁及镁在1370℃的铁水中的溶解损失与化学计量上直接反应需要的镁的比较
日本的UNakanishi等研究过镁的脱硫机理,他们提出的动力学模型的推导过程如下:通过计算镁粒脱离气体射流的最小颗粒直径及镁的蒸发速度,认为实验中镁颗粒从载气流中脱离并变成气泡,镁气泡上浮时