铁水炉外脱硅机理
收稿日期:1999205229
基金项目：国家自然科学基金资助项目(59404003)
作者简介：施月循(1939-)，男，江苏张家港人，东北大学教授・
2000年2月第21卷第1期东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern University (Natural Science )Feb.2000Vol 121,No.1
文章编号:100523026(2000)0120073203
铁水炉外脱硅机理
施月循1，林成城2，郑海燕1
(1.东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳　110006;  2.宝钢集团公司炼铁部，上海　200941)
摘  　要：经脱硅实验与计算表明，脱硅反应的表观活化能不大(4219kJ/mol )，温度对脱硅反应影响小・脱硅初期，脱硅受铁水侧传质所控制・EPMA 显示了硅元素在渣铁相本体与渣铁界面存在明显浓度差・所以，一次性投入过多脱硅剂不会增加脱硅速度・加强搅拌有利于提高脱硅效率・关　键　词：铁水脱硅；机理；活化能；传质中图分类号:TF 31111143  　文献标识码:A
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采用固体脱硅剂进行炉外脱硅是实现铁水“三
脱”的方法之一・铁水脱硅反应主要发生在渣铁界面，脱硅达到平衡时，铁水中Si 的质量分数(=
a SiO 2/f Si ・K ・a 2
FeO )达0101%以下，远低于实际脱硅后铁水中硅的浓度・所以为提高脱硅率人们进行了大量工作[1～3]・本研究主要考察温度、铁水初始含硅量对脱硅反应的影响，计算了脱硅反应的表观活化能，并对脱硅渣-铁间的硅元素分布进行探针分析，直观显示了硅在渣铁界面与渣铁本体之间的浓度差，确认脱硅受传质环节控制・
1　实验方法
实验用铁由宝钢高炉生铁(Si ,Mn ,C 的质量
分数分别为(%):01261,0144,4105)与高硅生铁(w Si =1126%)配制而成・实际铁水成分由实验前取样分析而定・以烧结矿粉为脱硅剂，成分列于表1・每次实验用铁500g ，置于刚玉坩埚中(直径44mm ，高80mm )在MoSi 2为发热体的高温炉中加热熔化至实验温度后恒温12min ，用石英管(直径4mm )取样后一次性向熔铁面投入脱硅剂(相当吨铁2912kg )，计时，间断取样・
表1　烧结矿成分(质量分数)
%
TFe CaO SiO 2Al 2O 3MgO FeO Fe 2O 356128
9198
5141
1194
1188
6198
72164
2　实验结果
不同实验条件下，脱硅过程所取铁样，经化学
分析，得铁水含硅量随时间变化示于图1，图2
・
图1　温度对铁水脱硅的影响 —1408℃;○—1450℃;●—1500℃
・
图2　铁水初始含硅量与铁水脱硅的关系●—w Si 0=01663;○—w Si 0=01256・
3　结果分析
311　温度对脱硅反应的影响
对图1中w Si 2t /min 曲线进行指数回归得到不同温度下脱硅过程中铁水硅浓度与时间的关系
式:
w Si 1408=01332e -01728t +01064w Si 1450=01318e -01775t +01060w Si 1500=01326e
-01754t
+01059反应符合一级反应・按k =
1
t
ln
w Si 0w Si
，求得上述三
温度下的反应速度常数k 列于表2・
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表2　不同温度下的k 值
T /K营养成分
1T
・10-4
k lg k
16815195513×10-3-21276
17235180514×10-3-2126817735164515×10-3
-
21260
以lg k -1
T
作图，回归得方程lg k =-11969-01516×104
・1
T
，其斜率为-01516×104
，所以
脱硅反应表观活化能E =-R ・(-01516×104)=4219kJ /mol Si ，一般化学反应活化能为50～100kJ /mol ・所以认为脱硅反应主要受传质控制・
312　铁水侧硅传质对脱硅反应的影响
由于脱硅反应的表观活化能小，碳饱和铁液中硅传质活化能为30kJ /mol [4]，脱硅反应是否受铁水侧硅传质的控制?
对实验过程中硅含量w Si 与铁水初始含硅量
w Si 0的比值随时间变化作图表明，铁水初始含硅
量不同，温度不同，但脱硅过程中lg (w Si /w Si 0)与时间的关系基本一致，在脱硅前4min 内呈直线关系・
按一般的传质速度式，一定条件下硅由铁水本体往渣-铁界面的传质速度与铁水中硅浓度
w Si 与界面处w 3Si 的差(w SI -w 3
Si )成正比:
-
d w Si d t
=k (w Si -w 3
Si )(1)
中国最美十大峡谷由于界面反应速度很快，而且达到平衡硅浓
度很低，即w 3
如何当好中层干部Si  0・因此对上式积分，得脱硅受铁水传质控制的通式:
-ln
w Si
w Si 0电动汽车里程
=kt (2)
由于脱硅反应开始后的前4min 内,lg (w Si /
w Si 0)与时间t 呈直线关系，符合铁水侧硅传质控制的通式，反应的表观活化能与碳饱和铁液中硅扩散活化能相似，所以可认为脱硅反应受铁水侧硅传质所控制・
随脱硅(包括脱Mn 及脱C )的进行，渣中w FeO 的下降，脱硅控制环节转移至渣中物质的传质也是完全可能的・有文献认为[5]，渣中w FeO <10%时，脱硅将受渣中FeO 传质所限制・313　硅传质的实验检验由于渣铁界面脱硅反应迅速，为了解脱硅反应过程中硅在渣铁相中的传质，进行了实验检验・实验用由工业纯铁与硅铁(w Si ～62%)在感应炉上配制成w Si ～20%的铁样・若硅含量低，在实验条件下难熔化；不含碳，避免了脱碳产生CO 气泡引起熔池搅拌・铁样25g 置于刚玉坩埚中，在MoSi 2高温炉内N 2气氛中升至1475℃，再向铁面分两次投入脱硅剂(烧结矿粉14g )，恒温10min ，迅速取出坩埚，在室温中空冷后，剖开坩埚，在渣铁界面两侧进行了探针分析・EPMA 显示了硅元素在渣铁相本体与界面之间存在明显浓差(图3)・即硅在铁水本体中的浓度高于渣铁界面处的浓度，渣铁界面处的浓度高于渣中的浓度
・
图3　硅在渣铁中的分布(EPMA 照片)
(a )—炉渣;(b )—硅在渣中分布;(c )—铁;(d )—硅在铁中分布・
4
7东北大学学报(自然科学版)          　第21卷
4　结  论
(1)脱硅反应的表观活化能不大，因此温度
对脱硅反应的影响也小，要求较高铁水温度，一是确保炉渣流动性，避免粘度增加影响脱硅，二是满足炼钢要求・
(2)脱硅初期脱硅受铁水侧硅传质所控制，所以一次性投入脱硅剂不会增加脱硅速度，反而有助于增加脱碳量，促进泡沫渣的生成・所以均匀加入脱硅剂是合理的・随炉渣氧化性的降低，脱硅将受渣中(FeO )传质所控制，因此改善炉渣物性，有助进一步脱硅・
(3)实验脱硅的控制环节应视具体条件而
定，无疑加强搅拌有利脱硅效率的提高・这也是采
用顶喷法脱硅优于投入法的原因・参考文献:
[1]岑永权・铁水脱硅反应机理及最佳含硅量的确定[J ]・国外钢铁,1986,(2):18-20・[2]王庆祥・铁水脱硅动力学研究[J ]・钢铁,1998,33(12):13-16・
[3]杜洪阳，梁津原・高炉炉前用烧结矿粉进行铁水脱硅试验
[J ]・1989,24(12):14-17・[4]韩其勇・冶金过程动力学[M ]・北京：冶金工业出版社,1987.249・[5]
黄希祜・钢铁冶金原理[M ]・北京：冶金工业出版社,1986.186・
Desiliconization Mechanism in the Hot Metal in the Ladle
S HI Y ue 2x un 1
,L IN Cheng 2cheng 2
,ZHEN G Hai 2yan
1
(1.School of Materials and Metallurgy ,Northeastern University ,Shenyang 110006,China ;  2.Ironmaking Department ,Baosteel (Group )Corporation ,Shanghai 200941,China )
Abstract :It was shown by the desiliconization experiments and the calculations in present study that the apparent activation energy of desiliconization reaction is low (4219kJ/mol Si ).In the initial stage of desiliconization ,the reaction is controlled by mass transfer of silicon in the hot metal.Silicon concentration was found si gnificantly varing at the position of inside slag ,the interface between the hot metal and the slag ,and inside the hot metal.Hence ,disiliconization velocity can not be increased by more desiliconization agent addition at one time but intensifying melt stirring is significant for the desiliconization velocity.K ey w ords :desiliconization of hot metal ;mechanism ;activation energy ,transfer
(Received M ay 20,1999)
5
7第1期          　施月循等：铁水炉外脱硅机理

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