高磷铁水预处理脱磷动力学模型研究

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1、http://www.gtjia.com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

2、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

3、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

4、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]：http://www.gtjia.com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；

5、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、

6、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。http://www.gtjia.com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

7、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

8、影响如图3所示。http://www.gtjia.com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