含碱金属氧化物的高炉渣硫容量研究_王亮.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）作者简介：王亮（），硕士；通讯作者：程树森，博士 教授；含碱金属氧化物的高炉渣硫容量研究王 亮 程树森（北京科技大学冶金与生态工程学院）摘 要 基于热力学计算，文章系统研究了不同温度和压力条件下 渣系的硫容量，并用其他学者的研究结果验证了计算方法的可行性。结果显示：硫容量随碱度、含量、碱金属氧化物含量的增加而增大，随 含量的增加而减少；的脱硫能力大于 的；温度升高 ，硫容量的增量为.，压力增大.，硫容量的减量为.。可以通过减小高炉压力和升高炉缸温度来提高炉渣的脱硫能力，建议在设计高炉时延长主沟长度。碱金属氧化物的存在会提高炉渣的脱硫能力，这在一定程度上能够减少碱性氧化物的使用。关键词 硫容量 高炉渣 碱金属 热力学计算文献标识码：文章编号：（）（），.，.，随着资源供应日益紧张，我国高炉不得不大量使用碱金属含量较高的原料，入炉碱金属在高炉内 循 环 富 集，会 对 高 炉 冶 炼 产 生 严 重 危害，因此需要将入炉碱金属及时排出炉外，高炉排碱的主要渠道是炉渣排碱。过去相关的研究主要集中在碱金属及其氧化物对高炉的危害方面，很少关注碱金属及其氧化物对高炉的有益影响，特别是碱金属氧化物对炉渣脱硫的影响。迄今为止，许多学者对高炉脱硫进行了研究。.冶 金 能 源 而关于含碱高炉渣的脱硫虽有研究，但基本都是基于“气渣”和“渣金”平衡法在常压条件下进行的实验研究。实际高炉生产都是在“气渣金”的高温高压条件下进行的，已有的研究与高炉实际生产相差较大。同时，实验不仅很难模拟高炉实际生产条件，而且碱金属会严重侵蚀实验设备。因此，文章基于“气渣金”的平衡原理，借助.软件系统研究了不同温度和压力条件下 渣系的硫容量。计算方法.硫容量概念高炉内的脱硫反应可表示为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）则硫容量定义为：（）（）（）（）（）（）式中：为化学反应平衡常数；（）为炉渣中氧离子活度；（）为炉渣中硫离子活度；为气相中的氧分压；为气相中的硫分压；（）为炉渣中硫离子活度系数；（）为炉渣中硫离子的摩尔分数；为炉渣中阴阳离子的物质的量之和；（）为炉渣中硫的质量百分比，。.计算条件研究了不同温度（、）和不同压力（.、.和.）条件下，碱度（.）、氧化铝含量（）、氧化镁含量（）、镁铝比（.）、碱金属氧化物含量（）对 渣系硫容量的影响。假设炉渣 ，渣铁比为 ，则铁水约为 ，根据高炉炉料的硫负荷，设定铁水中初始的硫元素含量为.，其他元素含量假设为：、：.、：.、：.，气体成分假设为：.、：.、：.。研 究 采 用.软件的 模块进行热力学计算，计算选择 、数据库，利用其中的函数编辑功能，定义了如式（）所示的硫容量，后文提到的硫容量都以该形式表示。计算结果及分析.碱度对硫容量的影响一般认为增大碱度可以提高炉渣的脱硫能力，碱度对 渣系硫容量的影响见表。炉渣碱度每增大.，硫容量的增量为.。相同温度和碱度下，压力在.时，压力每增大.硫容量的减量为.，压力在.时，压力每增大.硫容量的减量为.，且温度越高、碱度越低，硫容量的减量越大。相同压力和碱度下，随着温度升高，炉渣硫容量逐渐增大，温度每升高，硫容量的增量为.，并且压力越大、碱度越高，硫容量的增量越小。随着碱度增加，一方面炉渣结构得到简化，聚合度降低，使得炉渣黏度减小；另一方面，炉渣中 的活度增大，使得炉渣中（）的活度增加，两者共同作用使得炉渣的硫容量增大。.含量对硫容量的影响随着炼铁原料的贫化，高炉渣中的 含量逐渐增加，而 对高炉冶炼是有害的，因此研究 对炉渣脱硫的影响显得至关重要。含量对 渣系硫容量的影响见表。炉渣中 含量每增加，炉渣硫容量的减量为.，且 含量越大，硫容量的减量越大；相同温度和 含量下，压力在.时，压力每增大.硫容量的减量为.，压力在.时，压力每增大.硫容量的减量为.，且温度越高、含量越低，硫容量的减量越大；相同压力和 含量下，随着温度的升高，炉渣硫容量逐渐增大，温度每升高，硫冶 金 能 源 .容量的增量为.。因为随着炉渣中 含量的增大，炉渣黏度增大，炉渣流动性变差，导致炉渣中的质量传输变缓，从而恶化了炉渣脱硫的动力学条件；从炉渣结构来看，随着炉渣中 含量的增加，四面体必然增加，消耗了炉渣中的自由氧，使得渣中桥氧增加、自由氧增减少，导致炉渣中（）的活度减小，最终使得炉渣的硫容量减小，炉渣的脱硫能力降低。表 碱度对炉渣硫容量 的影响温度 压力 碱度.表 含量对炉渣硫容量 的影响温度 压力 .含量对硫容量的影响 含量对 渣系硫容量的影响见表。炉渣中 含量每增加，炉渣硫容量的增量为.，且 含量越大，硫容量的增量越大；相同温度和 含量条件下，压力在.时，压力每增大.硫容量的减量为.，压力在.时，压力每增大.硫容量的减量为.，且温度越高、含量越低，硫容量的减量越大；相同压力和 含量条件下，温度每升高 ，炉渣硫容量的增量为.，并且压力越大、含量越高，硫容量的增量越小。因为随着炉渣中 含量的增加，炉渣黏度减小，流动性得到改善，炉渣中的质量传输加快，为炉渣脱硫提供了良好的动力学条件；从炉渣结构来看，随着 含量的增加，炉渣中桥氧减少、自由氧增加，使得炉渣中（）的活度增加，炉渣的硫容量增大。.冶 金 能 源 表 含量对炉渣硫容量 的影响温度 压力 含量.对硫容量的影响 对 渣系硫容量的影响见表。炉渣中 每增大.，硫容量的增量为.。相同温度和 的条件下，压力在.时，压力每增大.硫容量的减量为.，压力在.时，压力每增大.硫容量的减量为.，且温度越高、越低，硫容量的减量越大；相同压力和 的条件下，温度每升高 ，硫容量的增量为.，并且压力越大、越高，硫容量的增量越小。因为随着炉渣中 的增大，炉渣黏度减小，流动性得到改善，炉渣中的质量传输加快，为炉渣脱硫提供了良好的动力学条件；从炉渣结构来看，随着 的增大，炉渣中 含量增加、含量减少，导致炉渣中 四面体减少，炉渣中桥氧减少、自由氧增加，使得炉渣中（）的活度增加，炉渣的硫容量增大。表 对炉渣硫容量 的影响温度 压力 .碱金属氧化物含量对硫容量的影响随着高炉排碱逐渐得到重视和入炉碱金属的增加，高炉中的碱金属不可避免地进入高炉渣中，对高炉生产产生影响，尤其是高炉脱硫，因此研究含碱高炉渣的脱硫能力至关重要。文章系统研究了不同温度和压力下炉渣碱金属氧化物含量对高炉渣的硫容量的影响，研究结果见表 和表。随着炉渣中碱金属氧化物的增加，炉渣硫容量逐渐增大，且炉渣中碱金属氧化物含量越多，炉渣硫容量的增幅越大；炉渣中 含量冶 金 能 源 .每增加，炉 渣 硫 容 量 的 增 量 为.，含量每增加，炉渣硫容量的增量为.。的半径小于 的半径，形成的脱硫产物 比 更稳定，从而使 的脱硫能力大于 的脱硫能力；相同温度和碱金属氧化物含量条件下，压力在.时，压力每增大.硫容量的减量为.，压力在.时，压力每增大.硫容量的减量为.，且温度越高、碱金属氧化物含量越低，硫容量的减量越大；相同压力和碱金属氧化物含量条件下，温度每升高，炉渣硫容量的增量为.，并且压力越大、碱金属氧化物含量越高，硫容量的增量越小。因为碱金属氧化物能向炉渣中提供（），使得炉渣中（）的活度增加，而且一定含量的碱金属氧化物会使炉渣的黏度减小，优化了脱硫反应的动力学条件，使得硫容量增大、脱硫能力提高。表 含量对炉渣硫容量 的影响温度 压力 .表 含量对炉渣硫容量 的影响温度 压力 .方法验证及提高脱硫措施常压下的计算结果与 、马明鑫、姜喜远、谢海深、刘文果、等人的研究结果基本一致，这说明文章的计算方法是可行的，间接验证了高压下的热力学计算结果。炉渣中碱金属氧化物会提高炉渣的脱硫能力，且 的脱硫能力大于 的。这就说明当入炉的碱金属进入炉渣后，含碱炉渣成为了脱.冶 金 能 源 硫的有利载体，碱金属在一定程度上由“害”变“利”。同时，当高炉脱硫指标不变时，增加炉渣中碱金属氧化物可以减少高炉造渣中碱性氧化物的加入量，尤其是，这样不但可以节约生产成本，降低排渣过程中的能量损失、高炉的渣比以及高炉的能耗，而且可以促进炉渣吸收更多的碱金属，进一步降低高炉的碱金属危害，从而有助于加快高炉炼铁实现“绿色低碳、节能减排”的目标。因此提高炉渣脱硫能力的措施有：（）增大炉渣碱度、减少炉渣 含量、增加炉渣 含量、提高炉渣 ；（）减小高炉压力和提高炉缸温度；（）使炉渣尽可能多的容纳更多的碱金属氧化物。结论（）炉渣碱度每增大.，硫容量的增量为.；炉渣中 含量每增加，炉渣硫容量的增量为.；炉渣中 每增大.，硫容量的增量为.；炉渣中 含量每增加，炉渣硫容量的减量为.。（）温度每升高 ，硫容量的增量基本为.，且温度升高，硫容量的增量增大；压力在.时，压力每增大.硫容量的减量为.，随着压力的增大，硫容量的减量减小；出铁过程，渣铁处在常压下，特别是渣铁混出时，延长渣铁混合流动的时间，有利于铁水脱硫，建议在设计高炉时延长主沟长度。（）炉渣中 含量每增加，炉渣硫容量的增量为.，含量每增加，炉渣硫容量的增量为.。这说明碱金属氧化物会提高炉渣的脱硫能力。（）提高炉渣脱硫能力的措施有：增大炉渣碱度、减少 含量、增加 含量、提高 ，使炉渣含有一定量的碱金属氧化物，减小高炉压力和提高炉缸温度。参考文献 杨金福，王霞，张英才，等.高炉中有害元素的平衡分析及其脱除 中国冶金，（）：.戴晓天，陈乾业，齐渊洪，等.高炉煤气精脱硫技术的半工业试验 钢铁，（）：.张建良，尉继勇，刘征建，等.中国钢铁工业空气污染 物 排 放 现 状 及 趋 势 钢 铁，（）：.肖恒，甘敏，陈许玲，等.钢铁粉尘与高氯飞灰协同脱 除 有 害 元 素 的 试 验 钢 铁，（）：.谢洪恩.（，）对高钛型高炉渣脱硫能力的影响 中国冶金，（）：.杜长坤，杨静，赵贤哲，等.超高 含量高炉渣的黏度及脱硫行为 钢铁研究学报，（）：.张淑会，穆红旺，孙艳芹，等.高铝中钛高炉渣脱硫的动力学机制 钢铁，（）：.，（）：.，（）：.吕庆，李福民，顾林娜，等.含碱高炉渣排碱、脱硫能力的实验研究 东北大学学报（自然科学版），（）：.马明鑫.高炉含碱炉渣冶金性能的研究 唐山：河北理工大学，.姜喜远.高碱度 六元渣系脱硫性能的研究 赣州：江西理工大学，.谢海深，李福民，马明鑫，等.含碱高炉渣硫容量的研究 钢铁，（）：.，（）：.吕学伟，严志明，庞正德，等.对高炉渣物化性能和结构影响研究综述 钢铁，（）：.刘云彩.对炉渣黏度的影响 中国冶金，（）：.（下转第 页）冶 金 能 源 .潘贻芳，赵宏欣，吴燕，等.转炉渣与镁质耐火材料的润湿机制 钢铁，（）：.程礼梅，张立峰，沈平.钢铁冶金过程中的界面现象 工程科学学报，（）：.，（）：.沈平，张立峰，杨文，等.精炼渣对镁碳质基片的 润 湿 性 和 渗 透 性 钢 铁，（）：.，：.，（）：.，（）：.，（）：.万 雪编辑（上接第 页）姜鑫，沈峰满，韩宏松，等.高炉渣适宜镁铝比分段管控的分析与应用 钢铁，（）：.，（）：.刘文果.系高炉渣脱硫排碱实验研究 西安建筑科技大学，.，（）：.，（），（）：.，（）：.常治宇，焦克新，张建良，等.和 对炉渣热焓的影响及热力学分析 冶金能源，（）：.万 雪编辑.冶 金 能 源