转炉初渣中石灰石分解与溶解行为的研究

摘要

与传统炼钢工艺采用烧成石灰进行转炉前期造渣相比，采用石灰石直接进行转炉造渣新工艺具有节约能源，减少CO2排放，降低冶炼成本等诸多优点。然而，转炉冶炼条件下石灰石的分解与溶解速率尚缺乏系统研究。 本文基于高温动力学实验，考察了熔渣温度、渣池搅拌速率以及石灰石粒径等工艺条件对石灰石分解与溶解速率的影响规律，建立了熔渣条件下石灰石分解及溶解宏观动力模型，确定了分解与溶解过程的限制性环节。同时，结合对石灰石分解产物层微观结构的研究，探讨了石灰石分解与溶解机制，主要结论如下。 (1)熔渣温度和石灰石粒径对石灰石分解速率有重要影响。对于10mm石灰石在熔渣碱度0.5，转速100r/min条件下的分解过程而言，1400℃时石灰石分解速率是1300℃下分解速率的1.51～3.76倍。15mm石灰石完全分解所需时间是10mm石灰石的1.5倍。 (2)搅拌速率对石灰石分解与溶解速率无明显影响，表明可忽略石灰石颗粒外部边界层的传热或传质阻力对分解与溶解过程的影响。 (3)转炉初渣中石灰石分解过程的限制性环节为CaO产物层内的导热与界面化学反应的联合控制，分解反应的活化能约为159.416kJ/mol。 (4)石灰石分解产物层CaO的晶粒度随熔渣温度升高及分解时间增加而不断增大。1300～1400℃条件下，石灰石分解90～270s时所产生CaO晶粒度约为0.594～0.919μm，小于煅烧CaO1～3μm的晶粒度。CaO层孔隙率随熔渣温度和分解时间增加表现出小幅降低。分解时间90s、分解温度为1300℃和1400℃时，CaO层孔隙率分别为37.91％和35.49％，与煅烧CaO的孔隙率35.28％相当，表明石灰石直接分解所生成CaO适宜于成渣。 (5)熔渣温度和碱度对石灰石溶解速率有重要影响。随温度升高和碱度降低，溶解速率增大，且1400℃条件下的溶解速率为1300℃下溶解速率的3.16～3.39倍;熔渣碱度为0.5的溶解速率为碱度1.0时的1.35～1.61倍。 (6)转炉初渣中石灰石溶解过程的限速环节为所生成石灰的溶解反应，且溶解反应的活化能约为457.893kJ/mol。 (7)石灰石溶解过程中，在CaO-熔渣界面处形成了CaO-FeO富集带，且随着熔渣温度升高及碱度降低，富集带的厚度随之增加。同时，随溶解过程进行，石灰石内部形成渗渣带，表明石灰石的溶解过程是伴随渗渣的CaO溶解至熔渣的过程。

目录

声明

摘要

1．1引言

1．2课题背景

1．3课题目的及意义

1．4课题内容及创新点

第2章文献综述

2．1转炉炼钢工艺概述

2．1．1转炉炼钢发展历程

2．1．2氧气转炉炼钢的冶金特征

2．1．3氧气转炉炼钢的造渣制度

2．2石灰石替代石灰转炉造渣炼钢的研究和应用

2．2．1石灰石替代石灰转炉造渣炼钢的历程

2．2．2石灰石替代石灰转炉造渣炼钢的工业试验研究

2．3石灰石转炉造渣炼钢分解动力学研究

2．3．1石灰石煅烧的研究

2．3．2石灰石分解动力学的研究

2．4石灰石转炉造渣炼钢溶解行为及其动力学研究

2．4．1石灰在转炉炼钢初渣中的溶解行为及其动力学研究

2．4．2石灰石转炉造渣炼钢溶解行为及其动力学研究

2．5本章小结

第3章转炉初渣中石灰石分解行为的研究

3．1实验原料及主要仪器设备

3．1．1石灰石试样

3．1．2熔渣制备用化学试剂

3．1．3主要仪器设备

3．2实验方案

3．2．1石灰石上浮时间的计算

3．2．2熔渣碱度的确定

3．2．3熔渣搅拌速率的计算

3．2．4熔渣温度的选取

3．2．5石灰石粒径的确定

3．2．6分解时间的选取

3．2．7实验气氛的选取

3．3实验装置

3．4实验步骤

3．5实验结果与讨论

3．5．1熔渣温度对石灰石分解的影响及分析

3．5．2粒径对石灰石分解的影响及分析

3．5．3搅拌速率对石灰石分解的影响分析

3．6石灰石分解宏观动力学模型的建立

3．6．1石灰石分解传质模型的建立

3．6．2石灰石分解传热模型的建立

3．6．3石灰石在转炉内分解过程限制性环节的分析

3．7石灰石分解产物层微观结构的分析

3．7．1石灰石分解产物层CaO的形成过程

3．7．2石灰石分解产物层CaO晶体粒度的变化

3．7．3石灰石分解产物层CaO孔隙度的分析

3．8本章小结

第4章转炉初渣中石灰石溶解行为的研究

4．1实验原料及主要装置

4．2实验方案

4．2．1熔渣碱度的选取

4．2．2搅拌强度的选取

4．2．3实验温度的选取

4．2．4石灰石粒径的选取

4．2．5溶解时间的选取

4．3实验装置

4．4实验步骤

4．5实验结果与讨论

4．5．1熔渣温度对石灰石溶解的影响及分析

4．5．2熔渣碱度对石灰石溶解的影响及分析

4．5．3搅拌速率对石灰石溶解的影响及分析

4．6石灰石溶解宏观动力学模型的建立

4．6．1活性石灰的溶解反应

4．6．2(CaO)从石灰石颗粒表面向熔渣的扩散传质

4．6．3石灰石转炉造渣炼钢溶解动力学模型限制性环节分析

4．7石灰石溶解过程微观结构分析

4．7．1熔渣温度对石灰石溶解的影响

4．7．2熔渣碱度对石灰石溶解的影响

4．7．3石灰石转炉造渣炼钢溶解机制的讨论

4．8本章小结

第5章总结论

参考文献

致谢