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1、1996年6月东北大学学报(自然科学版)Jun.1996第17卷第3期JournalofNortheasternUniversity(NaturalScience)Vol.17,No.3铬矿熔融还原动力学①②张丽娟邹宗树刘爱华肖泽强(东北大学钢铁冶金系,沈阳110006)摘要考察了渣碱度、渣中Al2O3含量以及温度对铬矿被固体碳还原反应的影响,得到渣碱度在0.8～1.5的范围内、渣碱度为1.5时,铁液中最终铬含量最高;随着渣中Al2O3含量的增加,铬矿的初期反应速率明显降低,但对铁液中的平衡铬含量无明显影响.初期零级反
2、应的表观活化能为316kJ/mol.在确定反应控制环节时,利用了改变界面反应条件这一新方法,结合实验分析得到铬矿的还原是由铬矿在渣中的行为及界面反应联合控制.关键词铬矿,熔融还原,动力学,界面反应,铬铁合金,钢的直接合金化.分类号TF557熔融还原技术是在人们寻求新的炼铁技术来适应当今原料条件、短流程、减少环境污染的要求下孕育而生的.铬铁是合金钢(特别是不锈钢)生产中的重要铁合金元素.但常规法生产不仅能耗大而且原料要求严格.因此,为了早日实现熔融还原法含铬不锈钢的工业化生产,对铬矿熔融还原的动力学研究已引起国内外学者的
3、广泛关注.目前的铬矿熔融还原基础研究或工业试验主要是探讨铬矿溶解的影响因素、合理渣型、温度、反应机理及反应模型等方面.但由于实验条件不同,很多认识不统一,尤其是反应机理.本论文考察了渣碱度、渣中Al2O3含量以及温度对铬矿还原反应的影响;利用了改变界面反应条件确定界面反应是否为控制环节.1实验条件及内容实验是在竖式电阻炉中进行,1800型MoSi2棒作为加热体,石墨坩埚内径为44mm,深90mm.用氮气作保护气体,流量控制在1LN/min,实验温度为1500,1550,1580℃.实验原料为碳饱和铁粉120g;铬矿粒径
4、为0.1～0.15mm.预熔渣由常见的CaO-SiO2-MgO-Al2O3四元氧化物组成,5种预熔渣成分列于表1.表1实验用5种预熔渣成分组成质量分数,%渣的代号CaO/SiO2CaOSiO2MgOAl2O3A422810201.5B393110201.2C313910200.8D37.537.515101.0E32.532.515201.01995-05-30收到.①女,26,硕士研究生;②男,60,教授,博士生导师.国家自然科学基金资助项目.第3期张丽娟等:铬矿熔融还原动力学253升温前,加入含碳铁粉和预熔渣,达到
5、预定温度后,加入预热的铬矿作为反应的零时刻.每间隔一定时间取铁液样,分析铁液中铬含量,从而确定不同实验条件下对铬矿还原反应动力学参数的影响.由于铬矿熔点高,还原速率低,解决这一问题的办法就是使铬矿先溶解在渣中,然后渣中铬氧化物被碳还原,所以合理渣型对铬矿还原反应速率尤为重要.另外,温度对铬矿还原这一高温反应一定会有影响.基于这些原因,实验着重考虑了渣碱度、渣中Al2O3含量、温度及改变界面反应条件对铬矿还原反应的影响,分析得出铬矿熔融还原的控制环节.2实验结果及分析2.1渣碱度及渣中Al2O3含量的影响图1是1580℃
6、,3种不同碱度的渣对铬矿还原的影响.可以看出利用A渣的铁液最终铬含量最高.因此在反应终期适当提高渣碱度有利于提高铁液中最终铬含量.用不同的Al2O3含量的D渣和E渣还原铬矿,铁液中铬含量与时间关系示于图2.在初期反应,D渣的熔点和粘度都比E渣低,使反应速率明显高于E渣.在后期,尽管Al2O3含量不同,但因渣碱度相同,而使两者反应速率趋于一致.图11580℃时渣碱度对铬矿还原的影响图21580℃时Al2O3含量对铬矿还原的影响2.2温度的影响选用A渣,考查温度为1580,1550,1500℃对铬矿还原的影响,温度能影响反
7、应速率以及[1][2]传输速率,使铬矿还原的反应速率和最终含铬量不同.实验室研究和工业性试验认为反应初期为零级反应;当(T,Cr)<3%时才受渣中溶解的铬矿量限制,为一级反应.本实验后期的一级反应由于多次取样,一级反应速率不能准确确定,不予以考虑,只考虑前期铁液中[%Cr]与时间t成线性关系的零级反应那一段.则零级表观反应速率公式有:d[%Cr]=K0dt式中,[%Cr]为t时刻铁液中铬的含量(质量百分数).4由Arrhenius公式,得到石墨坩埚中反应初期-lnK与1/T×10间的关系(见图3),得零254东北大学学
8、报(自然科学版)第17卷[3]级反应表观活化能为316kJ/mol.与T.Takaoka所得的活化能344kJ/mol相接近.2.3界面反应条件的影响在以往的铬矿还原文献中还没见到用改变界面反应条件的方法来判断界面反应是否为控制环节.这种研究方法与改变坩埚直径的实验方法比较,它不会引起铁液液面高度和渣层厚度的变化,可靠性更大.因此
