（钢铁冶金专业论文）线性电磁搅拌对铁水预处理脱硫的促进作用.pdf

东i i 盘兰亟茔焦逢塞一 擅要 线性电磁搅拌对铁水预处理脱硫的促进作用 摘要 目前，铁水预处理工艺己经成为降低钢中硫含量，生产出高品质钢的关键工 序之一。本论文深入调查了铁水炉外预处理工艺的应用现状、各种脱硫方法、脱 硫剂的优缺点以及电磁搅拌在冶金中的应用优势。为提高铁水预处理脱硫效率， 减少脱硫过程温降，本研究提出了利用电磁搅拌的铁水预处理脱硫新工艺，并进 行了实验研究。 本研究使月jc a o l o c a f 2 脱硫剂，在有和无电磁搅拌条件f 进行了脱硫实 验。实验分成两部分进行。一是为进行铁水。渣界面搅拌而使用衬柯镁砂内衬的白 墨坩埚在高频加热装置加热下进行的实验；另一个是在温度精确控制下，使用刚 玉坩埚在电阻加热装置加热下进行的实验。 在第一个实验中，研究了脱硫剂焙烧、温度( 1 5 3 0 和1 4 2 0 ) 、搅拌位置 ( 侧面和渣一会界面) 与强度( 8 h z ，o 4 0 0 a ) 对脱硫速度的影响：在第二二个实 验中，研究了搅拌方式( 单侧竖直搅拌、“对向”和“对称”对置竖直搅拌、旋转 水平搅拌) 和搅拌强度( 8 h z ，o 5 0 0 a ) 对脱硫速度的影响。 经过对不同时问从铁水中采样取得的样品中硫浓度的分析，得出了不同实验 条件下铁水中硫浓度随时间变化情况，并计算出各个条件下，在脱硫过程中硫的 有效传质系数。得到如下结论： 1 c a o 1 0 c a f 2 脱硫剂经过焙烧预处理后，脱硫能力得到明显提高； 2 在有与无电磁搅拌条件下，脱硫速度随着温度的升高刁i 断提高： 3 存在最佳搅拌电流，使脱硫效率最高，其原因是电磁搅拌能改善脱硫的动 力学条件但过强搅拌电流会使脱硫产物重新卷入铁水中；并在理论上得到 搅拌参数与临界界面铁水流速的关系式； 4 脱硫温度相同的情况下，旋转电磁搅拌脱硫速度最快，载气十电磁搅拌次之。 线性电磁搅拌的搅拌方式对脱硫速度的影响不大。 关键词：脱硫电磁搅拌传质系数铁水预处理脱硫剂材料电磁过程 东北大学硕士论文 a b s t r a c t 3 t h e r ee x i s t sa no p t i m a ls t i r r i n gi n t e n s i t y , a tw h i c ht h ed e s u l p h u r i z a t i o nr a t ei s t h eh i g h e s t i ti sa t t r i b u t e da sf o l l o w i n g ：e m si n c r e a s e st h esm a s st r a n s f e ri n d e s u l p h u r i z a t i o n ，w h i l e m o r e i n t e n s es t i r r i n 9 1c a d s t o t h e i m m i x t u r eo f t h e d e s u l p h u r i z a t i o np r o d u c t si n t om o l t e ni r o n t h ei m m i x t u r ec r i t i c a lv e l o c i t yo f m o l t e ni r o na tt h ei n t e r f a c ew a si n d u c e dt h e o r e t i c a l l y 4 t h ed e s u l p h u r i z a t i o nr a t eo fr o t a t i n ge m si st h eh i g h e s t ，w h i l et h a to fw i t h c a r r y i n gg a s + e m si st h es e c o n d t h et y p eo fl i n e a re m sh a sl i t t l ee f f e c to n t h ed e s u l p h u r i z a t i o nr a t e t h ee l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n go fs l a g m e t a li n t e r f a c e c a l ln o ti m p r o v et h ed c s u l p h u r i z a t i o nr a t e k e y w o r d s ：d e s u l p h u r i z a t i o n ，e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g , m a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，h o t m e t a lp r e t r e a t m e n t ，d e s u l p h u r i z a t i o nf l u x ，e l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s so f m a t e r i a l s 东i b 太差墅堂焦监妻笠二熏绪玲 橼 氧含量低，有利于提高硫的活威i ，硫易向熔淹中转移。生铁液，扣的e ( 住4 6 之问) 比钢液中的( 存1 i5 之蚓) 火，从生铁中脱硫要比钢液中脱硫容易，很容 易将硫降到很低的水平，忆目铁水巾氧含量较低，硫的分配系数相应有所提高， 有利于脱硫。另外，铁水预处理温度低，对预处理装霄的寿命有益。所以说铁水 炉外预处理脱硫的效果好。铁水炉外预处理脱硫可以在鱼雷车和铁水罐中进行， 也呵以在出铁槽中进行，据报道，高炉、炉外精炼和转炉每脱出1 主i 硫的成本分 别是铁水预处理脱硫成本的2 6 倍、6 1 倍、1 6 9 倍。 ( 4 ) 在铁水炉外预处理过程中铁水成分的变化，比炼钢或钢水处理过程中钢 水成分的变化对最终钢种的影响小，而且铁水炉外预处理可以减轻高炉负担，降 低焦比，减少渣量和提高生产率。对炼钢能起到减硫负担，简化操作，提高炼钢 7 # 产率，减少渣量提高金属收得率的作用，并为转炉冶炼高品种钢创造条件。铁 水炉外预处理脱硫与炼铁炼钢脱硫相结合，可以实现对铁水深脱硫从而为转炉 冶炼超低硫钢创造条件。 i | 1 1 铁水脱硫的发展与现状 2 0 世纪5 0 6 0 年代世界上有的钢厂由于铁水含硫高( 大于0 0 8 ) ，而对铁 水脱硫进行了研究和应用。7 0 年代由于第二次世界石油危机使生产成本大幅提 高，世界钢产量1 9 7 8 年突破7 亿吨后到1 9 8 2 年下降到6 4 6 亿吨，同时，汽车工 业为减重、节能也对钢材性能提出了更高的要求。因此，7 0 8 0 年代以降低成本、 提高质量和丌发品种为主的新工艺、新技术得到广泛研究和迅速应用。早在7 0 年代中期，德囤和美国就先后丌发了在鱼雷罐车中用c a o c a 妻；粉剂及铁水包内 用c a o m 2 粉剂，进行喷吹脱硫。6 0 年代后期在西欧、7 0 年代初期在同本铁水预 处理也得到研究，：7 0 年代后期投刖j 二_ i 产，并于8 0 年代在发达网家获得广泛 应用，并成为钢铁生产中必；! i 叮少的：j ：序，完善钢铁生产工艺最有效的技术之， 生产低硫磷( s 】、 霉l 不大于0 叭5 ) 和超低硫磷钢( s 、 霎! 不大于0 n a 5 ) 的必要手段，是实现经济炼钢的必要前提! 】。 我国武钢、太钢、宝钢、攀钢和宣钢等都非常重视铁水预处理技术，7 0 年代 后期就引进了这一技术并进行了研究，8 0 年代陆续投入生产。以后又有十几个钢 铁企业做了大量工作。但由于长期以来突出产量，忽视质量品种的原因，直到1 9 9 8 年我国铁水预处理比才达2 2 左右。我们由钢铁大国向钢铁强国的转变过程中， 铁水预处理技术必然会获得应有的地位，取得重大发展；l = 】。 2 东北盘鲎题圭鲎焦诠支簋二童绪盐 国外钢厂一般采用1 0 0 铁水脱硫预处理，日本的钢铁企业，铁水“三脱”( 脱 s i 、p 、s ) 预处理比已超过9 0 。为适应炼钢生产发展的要求，我国2 0 0 0 2 0 0 5 年冶会科技指南要求，年产量大于1 0 0 万t 的钢厂应进行铁水预处理，全国铁水 预处理比要由2 0 提高到6 0 。我国铁水预处理技术主要采用脱硫处理工艺。我 国f 在为贯彻和实现因家冶金科技指南的技术方针和目标而努力。 铁水脱硫可在铁水罐，铁水包内进行，也可在混铁炉内进行。今后的发展趋 势是采用铁水包作为预处理的容器。目前已丌发的脱硫方法有十几种，例如：铡 撒法、铁水沟处理法、插杆法、流槽法、机械搅拌法( 转简法、摇罐法、d o 法、 r s 法) 和喷射法( a t h 法、t d s 法、l r s l d 法、i s i d 法) 等吲。其中铺撒法 由于烟尘大，污染环境严重，现已不多见；铁水沟处理法因工艺欠完善生产上很 少应用；插杆法及流槽法由于难以控制也用得不多。目前生产中用得较多的是机 械搅拌法( k r 法) 和喷射法( 喷粉法) 尤其是近年开发并在推广的镁基脱硫法和纯 令：属镁脱硫法。机械搅拌法是将氧化钙或碳化钙基脱硫剂加入铁水中借搅拌器( 十 字形叶轮) 的旋转，使粉翻与铁水充分接触反应获得良好脱硫效果。其优点是 效率高( 脱硫到 o 0 0 5 ) ，设备费用少，处理能力大，脱硫剂消耗少。喷粉法是 用惰性气体作载体将脱硫粉剂( 一定比例的c a o 、c a c 2 及m g 的组合) 通过喷枪 喷入铁水中。喷粉法又分为混合喷吹和复合喷吹两种。混合喷吹是将两种以上混 合好的粉奇g ( c a o + m g ，c a c 2 + m g ，c a o + c a f 2 + c ) 喷入铁水：复合喷吹则是将各种粉 剂分别从各自喷粉罐按比例喷入铁水。其优点是脱硫率高，设备简单，操作方便， 容易控制。镁脱硫法分为镁包芯线喂入法及金属镁粒喷入法。由于这种新脱硫工 艺远优于上述脱硫方法，因而正在成为许多厂家新建及改造脱硫装置的首选方案。 我国最常用的两种方法k r 法和喷吹法具有如下特点： ( 1 ) k r 法的动力学条件很优越，而且脱硫率高并且重现性和稳定性好。但喷 吹法因喷吹角度及脱硫剂不能下沉而造成部分死区，这就带来动力学条件差，有 回硫现象及脱硫剂耗量大等缺陷。 ( 2 ) k r 法的脱硫剂一般采用3 5 m m 的萤石粒，不但价格低廉而且在存储中 不必采取封闭、充氮的保护和防爆措施，消防安全措施也可以简化。而喷吹法采 用粉状料，需要一套气送系统和压力罐存储及喷吹系统，成本比较高。 ( 3 ) k r 法的搅拌桨要不断更换，喷吹法的喷枪也要不断更换。 ( 4 ) k r 法设备复杂，次性投资远大于喷吹法。搅拌桨更换也比喷枪复杂。 ( 5 ) k r 法和喷吹法温降都较大。 3 一 东：i 盘芏堑主丝监圭 薹二童垡! 苦 1 1 2 铁水预处理脱硫的影响因素 刘于铁水预处理脱硫影响因素，本论文从不同的角度进行分析。从脱硫反应 的角度出发，通过分析影响铁水脱硫反应的冈桑来分析影响脱硫速度的因素；从 一些工艺参数的角度出发，来分析影响铁水预处理脱硫速度的因素。 一影响脱硫反应的因素【4 】： 首先研究影响脱硫反应的因素 在本实验体系中，p 。，0 1 只，此处f 。，为实验体系的氧分压，所以由钢铁冶余 原理的第四章第九节可知，熔渣与铁液问的脱硫化学反应可写成高了式： 陋】+ ( d 。) = ( s ! ) + p 】 此离子式的标准吉御斯自由能变化为： g 。= 1 0 5 9 4 0 1 1 05 1 r ，j m o l 可知脱硫反应为吸热反应。 此离子反应的反应平衡常数为 y p 互p 0 了丽瓦 1 其中f l t 代表铁液中；o ：代表脱硫剂中； k ：脱硫反应平衡常数； “驴：熔渣中硫离子的活度； “川：铁液扣氧的活度；( 0 2 ：熔渣中氧离r 的活度： 。：铁液中硫的活度；，p ：熔渣中硫离子的活度系数； j c s ，- ：熔渣中硫离子的摩尔浓度； 吐，【o 】：铁水中硫的质量分数； ：铁液中硫的活度系数；陋 ：熔渣中硫的质量分数。 在钢铁冶金中，一般采用硫容束确定脱硫剂的脱硫能力，并能用来计算硫的 分配比。 由钢铁冶金原理第三章中第八节式( 3 11 ) 得硫容4 1 ： t x ( ， m 其中c 。：脱硫荆的礁奔量；( s ) 其中c 。：脱硫剂的硫容量；( s ) 4 ( 12 ) 熔渣巾硫的质量百分比浓度 熔渣中硫的质量自分比浓度 i | ，一，p p 塑川 s d 口一口 | ik 东筮茎题生焦缝塞簋= 圭绪论 ：反应的标准平衡氧分压数；b ：反应的标准平衡硫分压数： 由钢铁冶金原理第三章中第八节式( 4 3 6 ) 得熔渣一铁液间硫的分配比关系 式： ，s 器_ l g c 。一三l g p o ：+ l g 川n 郇， ( 1 ，) 其中妒粥：硫在熔渣一铁液间的分配比。 足h ：气体硫在铁液中溶解的平衡常数，有l gk ：了7 0 5 4 1 2 2 4 ，tj , j f g x , l 温度。 由第三版本钢铁冶会原理的第七章中第五节式( 7 6 5 ) 查得脱硫反应的速率 式【1 1 ： y ，= 一型a r t ( 1 4 ) 式中h s ：脱硫反应中铁水中硫浓度的变化；v ：脱硫反应中脱硫速度。 从上式可以看出，脱硫速度与铁水中硫浓度随时间变化率成正比。 由( 1 3 ) 式可以看出影响脱硫反应的因素。影响因素如下所示： ( 1 ) 金属液的组成 金属液中的s i 、c 等元素能提高，因为 l o g f s = e ：川s + 口；c 】+ p p h 胁】+ e 罗h s f + e ? m p ( 1 5 ) 式中e ，c 8 ，“：为碳，锰等对硫活度的作用系数。 c 、s i 等元素较高时，e 较大，使得【s 】易向渣金液面转移。这些元素在钢 液的中的浓度远低于在铁水中的浓度，在铁水中约为( 4 6 ) ，比在钢液中( 约 为l 1 5 ) 要高，所以铁水中除硫易于钢液中除硫。 ( 2 ) 温度 脱硫反应是吸热反应，升高温度有利于加快脱硫反应，脱硫反应平衡常数k 。 和温度( t ) 的关为l g 磁一6 5 0 0 t + 2 6 2 5 。但厶和温度的关系较小，提高温度能获得 碱度的均匀性熔渣，达到厶的平衡值。总体来说提高温度对脱硫有利。它主要是 通过对硫的扩散系数的影响表现出来的。温度的提高，硫的扩散系数增大。 ( 3 ) 熔渣的组成 5 东盘茎堑茎焦监支签= 童缝捡 与铁水混合状态不理想的问题更为突出，脱硫指标急剧下降，所以投入脱硫剂厉 至丌始受铁时间一般不超过3 分钟”j 。 ( 2 ) 脱硫剂用量 脱硫剂用量与脱硫率关系的实测结果示于图1 2 【5 j ，由图1 2 可见铁水脱硫率 随脱硫剂用量增加丽增加，但当脱硫剂用量达4 k t 以上时，增加脱硫剂用量脱 硫率增加缓慢，这与采用专门的铁水预脱硫喷吹法、搅拌法所用粉剂用量8 l o k g t 铁有相当的出入，这是脱硫剂与铁水混匀不足的缺陷所致。当脱硫剂用量 达到某一限度时，铁水包受铁过程中脱硫剂本身在铁水面上相互托浮，而影响脱 硫剂与铁水的进一步混合，多增加的脱硫荆不是在铁水面上烧损，就是混夹于渣 中而不能充分发挥作用，所以脱硫剂用量以4 k 酢( 铁) 左右为佳【5 】。 脱6 0 硫 蛊 4 0 6 酗1 2 脱硫荆用最( k g ，i ) 和脱硫率的关系 f i g 1 2t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ec o n s u m p t i o no fd e su | o h ur j z a t i o nf l u x ( k g t ) a n d d e s u l p h u r i z a t i o ne m c i e n c y ( 3 ) 铁水包容量 在1 5 t 、2 0 t 、3 0 t 、4 0 t 铁水包上经过测试得出的结果是铁水包容量与脱硫率 没有直接关系，大包脱硫率稍好于小包，这可能是大包工艺因素相对稳定的原因。 所以铁水预处理脱硫方法及探索出的影响因素对中小企业同样适用。 1 1 3 脱硫剂的研究及应用 铁水脱硫的方法很多，采用的脱硫剂种类也比较多，工业上常用的主要有 n a 2 c 0 3 系、c a o 系、c a c 2 系、m g 系( 包括m g + c a c 2 ，m g + c a o 等) 。 一7 一 糸a b 盘雯麴圭生焦逢塞差= 童绪蛩 ( 1 ) n a 2 c 0 3 系 生产中通常把苏打均匀投掷在铁水罐或铁水沟内进行脱硫，其反应式为： n a 2 c o 一2 c 】+ s 】_ ( n a 2 s ) + 3 c o ( g ) ； n a 2 c 0 3 + 【s i + s = ( n a 2 s ) + ( s i 0 2 ) + c o ( g ) ： n a 2 s 可部分被氧化形成n a 2 0 和s 0 2 ，而n a 2 0 只有和第三物质如s i 0 2 化合， 才能稳定存在，用苏打粉作为脱硫剂脱硫时，脱硫率为6 0 一7 0 ，铁水中硫含量 最低可降至o 0 1 5 ，吨铁需要消耗8 k g 一1 0 蝇。不足之处是苏打粉的沸点低，其分 解要吸走大量热量，而且n a 2 c 0 3 的脱硫反应是吸热反应，温降大( 3 0 一4 0 次) ，脱硫剂本身的利用率较低，一般2 5 一3 0 ，而且易回硫，用n a 2 c 0 3 脱硫还 会产生大量的s 0 2 和c 0 2 热汽，恶化环境，苏打分解生成n a 2 0 呈液态，它的含 量高时，渣就会很稀，不易扒渣，并且对罐衬耐火材料侵蚀严重。另外，n a ：c o ， 来源缺，虽然苏打处理后渣中的苏打呈水溶性，可以用湿法回收苏打重复使用， 但要增加额外的设备投资和生产费用，造成价格较高，用于铁水脱硫是不合理的。 所以现在很少有企业采用其作为脱硫剂【8 l 。 ( 2 ) c a o 系 生产中通常用专门的喷吹设备将脱硫剂c a 0 粉喷入铁水并加以搅拌，其反应 式为： c a o ( s ) + s + c 】= c a s ( s ) + c o ( g ) ； 在固体石狄表面反应生成的c a s 是多孔质的，可使s 二向其内的c a o 表面扩 散，但当铁水的硅含量高时，可能生成致密的硅酸钙壳层，降低脱硫反应的速率。 石灰粉用搅拌法脱硫时，脱硫效率可达9 0 ，铁水中硫含量最低可降至2 7 l o 一， 目前已有宣钢、重钢等钢厂使用。为了提高石灰粉的脱硫效率，通常要求石灰粉 应具有较高的浓度，其粒度应小于o 3 m m ，吹粉用的气体最好为惰性气体或还原 性7 t 体。 c a o 系的优点有： 1 ) 在高碳并且有定的醚含射的铁水中，f f 较强的脱碱能力， ：1 3 5 0 ， 反应平衡常数可达到6 4 8 9 ； 2 ) 脱硫产物疏松，扒渣方便，对罐衬侵蚀轻： 3 ) 资源广，价格低，易加工，使用安全； 缺点有： 1 ) 耗量大，渣量大，铁损较大，铁水温降大； 2 ) 流动性差，在料罐中易“架桥”堵塞； 8 东i i 盘堂硒生焦监圭 箍= 童绪论 3 ) 极易吸潮劣化，降低流动性和反应效果，还污染环境，且使运输、储存较 为困难，因此最好密封存储； 4 ) c a 0 脱硫过程是暴露在大气下进行的，铁水中的 s i 】会被氧化成 s i 0 2 ，它 将与c a o 作用生成2 c a o s i 0 2 ，相应的消耗了有效c a o 的量，降低了脱硫效果。 因此，用c a 0 脱硫时，最好能在惰性气体或者在还原性气氛下进行。 ( 3 ) c a c 2 系i 9 】 c a c 2 有很强的脱硫能力，其反应式为： c a c 2 + s _ c a s + 2 c c a c 2 与硫的结合能力很强，且在c a c 2 表面生成的c a s 可溶于c a c 2 中。c a c 2 在高碳系铁水中脱硫时，分解出c a 离子与铁水中的硫有极强的亲和力，因此它 具有很强的脱硫能力。通常用有效的喷吹机械搅拌设备将其喷入铁水中，铁水中 硫含量最低可降至5 1 0 ，脱硫效率高。 c a c 2 系优点有： 1 ) 有很强的脱硫能力； 2 ) 脱硫反应是放热反应，有利于减少温降： 3 ) 消耗量少，渣量少； 4 ) 脱硫产物c a s ，其熔点为2 4 5 0 ，故脱硫后，在铁水面上形成疏松的固体 渣，有利于防止回硫，并且扒渣方便，对铁水罐内衬侵蚀轻。 缺点有： 1 ) 极易吸潮劣化，降低反应效果。所以运输和保存时要采用氮气密封，就使 得运输、贮存困难： 2 ) c a c 2 系熔点高，在铁水中难熔化，故要求将c a c 2 制成很细的粉术，所以 生产能耗高，成本价格昂贵。 ( 4 ) m g 系【6 】 使用传统的脱硫剂脱硫时，一方面难以满足超低硫钢种对硫的要求；另一方 面脱硫剂用量大，产生的渣量多，铁水温降大，热损和铁损严蓖，于是脱硫能力 极强的镁系脱硫剂应运而生。目前采用的m g 系复合脱硫剂主要足m g + c a o ， m g + c a c 2 。其脱硫方法是用惰性气体或低活性气体作载体将镁脱硫剂吹入铁水包 内的铁水中，在载流气体的搅拌下，进行高效的脱硫反应。其反应过程为： m g ( s ) 卜m g ( 1 ) m g ( g ) m g 】 m g ( g ) + 【s 】_ m g s ( s ) ( 1 ) 和 【m 朗+ ( s 】。m g s ( s ) ( 2 ) 镁的蒸气泡只能脱去铁水硫的3 8 ，因此脱硫反应主要是以( 2 ) 式为主。 9 一 东些盘生堑茔焦监主 簋二童绪抡 镁基系脱硫刺的特点是把钝化会桶镁粉与钝化、流态化、活p p 、超细石扶粉( 或 c a c z 粉) 一起喷吹到铁水中去，加入的石狄粉主要起到镁粉的分散剂作用，这样 可避免大量的镁瞬问气化造成喷溅，还可以成为大量气泡的形成核心，从而减小 镁泡的直径，降低镁气泡上浮的速度，提高镁的利用率，当其配比及其它条件合 适时，脱硫效果显著，最低可使s 1 降至1 0 1 0 。以下。本钢已于1 9 9 8 年建成处理 能力2 5 0 万t 以上的现用镁基脱硫剂的铁水预处理车间，取得良好的铁水预脱硫 效果。与用c a c 2 脱硫相比，铁水降温小( 约1 0 次) ，总耗用低( 3 3 8 2 元t ) ， 比用c a c 2 脱硫少1 3 6 元t 。在宝钢一炼钢现场，采用金属镁与碳化钙共吹，终点 硫呵达5 l o 。6 以下。m g 系的优点有： 1 ) 反应速度快，脱硫效率高，并且镁在铁水中有一定溶解度，铁水经镁饱和 后能防止回硫： 2 1 消耗量小，产生渣量少：脱硫处理时j w 短，铁水温降小； 3 1 对铁水温度要求不严格。 缺点有：价格昂贵，加工运输、贮存和使用都有安全问题，操作控制较困难。 随着对钢铁产品质量的要求不断提高，生产纯净钢已越来越重要了，我国近 年来m g 系脱硫剂发展较快，现在已经在宝钢、鞍钢、武钢和马钢投入生产使用， 这也是当今铁水脱硫剂的一种发展趋势。按照我国“十五”计划，在“十血”期间铁 水处理应达到6 0 ，任务艰巨，铁水预处理将会上一个新台阶。因此，铁水预处 理脱硫剂的选择就显得十分关键和重要p 】。 本研究采用c a 0 一l o c a f 2 作脱硫剂，c a f 2 没有脱硫作用，但掺入c a o 粉剂中 之后，c a o 的脱硫速率明显提高( 如图l2 1 ) ，且使硫含量降低。其机理有两种解释： 是c a f 2 的加入降低了包裹在c a o 颗粒表面的脱硫产物2 c a o s i 0 2 的熔点，使 硫易于向c a o 固相扩散；二j 是c a f 2 分解出的氟离子可以破坏2 c a o - s i 0 2 赖以结 合的化学键，使之形成“孔隙”，从而使硫扩散到c a o 粒子内部。c a o c a f 2 粉剂 中，c a f 2 的含量不同得到脱硫率是不同的，二者关系见图1 3 【9 】。从图中可以看出 脱硫剂中的c a f 2 的添加量以1 0 左右为宜，超过此限，随c a f 2 配比的增大，不 仅脱硫率提高的幅度不大，且会加剧渣对耐火材料的侵蚀【l ”。 o 东韭基鲎塑生僮硷支簋= 童绪尘旨 t 脱i t 1 l 硫 葫t o 昙嵋 t * 也 埔 i o 一 l , e 幽1 2 c a f 2 含量对c a o 脱硫速率的影响 f i g 1 2 t h ee f f e c t o f c a f 2 c o n t e n t o nd e s u i p h u r i z a t l o nr a t eo f c a o 柚 _ ：- 疆 簟 1 1 4 铁水预处理中需要解决的几个问题 5i -i j矗 a h 图1 3c a f 2 含鼙对脱硫率的影响 f i g , 1 3t h ee f f e c to ft h ec a f 2c e t _ i t e n to n d e s u l d h u r i z a l i o ne f f i c i e n c y 铁水脱硫过程中还有几个问题需要我们继续努力去解决，只有通过我们的不 断追求，铁水预处理技术爿能更完善，才能更好的满足当今社会对钢材质量的高 要求。目阿存在的问题有： ( 1 ) 寻找简便有效的操作工艺和设备： ( 2 ) 继续研制歼发廉价而实用的脱硫剂； ( 3 ) 提高铁水的温度，注意尽可能不让脱硫渣进入炼钢炉； ( 4 ) 尽可能达到高脱硫效益，低脱硫成本的目的。 1 2 电磁搅拌在冶金中的应用 自从1 9 6 1 年朗金贝格指出，交变电磁场中会将凝固过程的钢锭晶粒细化，使 得泡普麦尔等人把电磁搅拌应用到钢和连铸生产上。磁流体力学不仅应用于金属 的铸造过程，还应用于感应炉、直流电弧炉、炉外精炼、悬浮熔炼、电渣重炼、 i 巳淹焊接、等离子冶金等领域。 电磁搅拌技术之所以能在多种冶金过程中得到广泛应用与发展，一方面是由 于熔融金属为电的良好导体，能因磁场和电流的作用而产生电磁力，利用电磁力 车j k 盘茔塑芏焦盆塞箍= 童盗玲 可以对熔融金属进行非接触性搅拌、输送和形状控制，而这比机械手段要有利； 另一方面在于有利于改善坏境，节省投资，提高冶金企业的产品质量与经济效益。 1 9 8 2 年9 月在英国剑桥大学，由国际理论力学和应用力学协会( n j t a m ) 首 次主持召开磁流体力学在冶金中应用的国际会议，它标志着电磁冶金技术已在固 际学术界引起了重视。1 9 8 3 年r 本钢铁协会决定，把磁流体力学在冶金中的应用 作为日本未来制钢技术的四个主要革新之一。并于1 9 8 5 年建立了“电磁冶金委员 会”。电磁冶金学开始成为冶金学的一个分支。1 9 9 0 年在h 本名古屋孑：j 丌的“第六 届幽际钢铁年会”和1 9 9 2 年在美圈圣地哑哥举行的“m h d 研讨会”，都对电磁冶会 力面的研究成果进仃了p 题时沦。1 9 9 4f ：，在本名l i 屋刽) r 了笫 届利料f 乜磁 冶会国际会议。这次会议充分反映了电磁冶盒方面的最新研究进展及重要地位。 电磁冶金研究最重要的成果之一，就是利用麦克斯韦和纳维尔一斯托克斯方程柬描 述金属熔体在电磁场中的流动行为以及由此引起的冶金效应。1 9 9 4 年和1 9 9 7 年 在门本和法国分别召开的第一、第二届材料电磁冶金国际会议，交流了运用电磁 离心力法对难成形铸管和制备和直接使用的有关研究成果l l “。 我国在2 0 世纪6 0 年代曾对电磁场应用于铸造过程进行研究。2 0 世纪8 0 年 代初期，随着连续铸钢技术的迅速发展，又开展了钢的电磁搅拌方面的研究。我 国在电磁冶盒领域中和突出成果是铝熔池电磁搅拌和铝台盒电磁铸造的研究和丌 发。2 0 世纪8 0 年代切成功地进行了铝合会大断面方锭电磁铸造的工、【k 化试验。 锚熔池电磁搅拌也在：【业 ，“泛应用。结合新工艺的丌发，完成了 些电磁场、 流动场、温度场和凝固组织方面的理论研究工作。并已丌始对分属r 乜磁离心铸造、 钢的磁铸造、悬浮熔炼等进行研究。电磁冶金同益受到国内冶金界的重视，在2 0 0 4 年9 月在东北大学材料电磁过程教育部实验室( e p m ) 召开了亚欧材料电磁过程学 术研讨会议，重点探讨了电磁场对材料加工过程的作用，来自世界各国的研究学者 讲述了各自的研究成果，标志着我国以东北大学e p m 为首的研究学者们正努力 赶上国际的研究水平。 电磁搅拌目前已经应用到了很广阔的领域，在冶金领域主要有：熔炼炉的电 磁搅拌、精炼炉过程电磁搅拌、钢凝固过程中的电磁搅拌和电磁制动等等一1 。 1 2 1 电磁搅拌技术在冶金中的应用 将电磁技术用于控制金属流动、凝固成形已成为一种趋势。在线圈中通入交 流电，交变的电场在空间产生交变的磁场，根据麦克斯韦的电磁场理论电、磁场 1 2 东i b 盘茎塑兰焦诠塞筮= 重绪佥 交互作用产生洛仑兹力，利用该力可对会属熔体进行电磁铸造、电磁制动、电磁 搅拌、电磁悬浮等。近年来，磁性材料磁性能的大幅度提高成为现实永磁体可 产生高强磁场，利用其产生的洛仑兹力进行电磁搅拌或电磁制动成为可能。用电 磁搅拌工艺制备金属基复合材料是一种非常独特新颖的方法，与以往制备会属基 复合材料的机械搅拌法相比，利用电磁力对金属熔体进行搅拌具有不直接接触、 对会属熔体无污染等机械搅拌法所无法比拟的优点。搅拌是在间歇操作条件下加 速冶金反应、促进金属熔体成分和温度均匀化的手段。在一定条件下，搅拌还有 利于排除金属熔体中气体和夹杂物，对提高钢或铝合金熔体的品质有重要的作用。 用于冶金中的搅拌方法大体可分为：机械搅拌、吹氩搅拌、吸吐搅拌和电磁搅拌。 其中电磁搅拌根据直流电动机、感应电动机以及直线电动机运动原理和在固定磁 场下运动导体感应受力的原则可分为以下四种：f 1 ) 移动磁场产生的电磁搅拌；f 2 ) r 1 定磁场产! i 的电磁搅拌；( 3 ) 行波磁场产生的电磁搅拌；( 4 ) 加电后产生的电磁搅 拌。电磁搅拌技术应用于冶金过程已经经历了较长的历史。在2 0 世纪3 0 年代仞 期，瑞典人德雷富斯发现移动的磁场可以在熔融的金属中产生足够大的搅拌力， 达到比较满意的搅拌效果。1 9 5 5 年之前，圆筒形电磁感应搅拌器未得到重视和发 展，当采用了真空冶会技术后，由于它可以解决使熔体的金属全部处于真空氛圜 的问题，才得到重视和发展。 1 9 7 0 年，法国的东方优质钢公司( s a f e ) 进行了了具有代表性的研究工作浚 公司在冷区安装了电磁搅拌器，试验证明铸坯凝固壳不影响磁力线的穿透，这对以 后发展连铸二冷区的电磁搅拌技术起到了关键作用【l ”。我国电磁搅拌技术研究和 应用较晚，北方工业大学自2 0 世纪3 0 年代丌始研究铝熔炉的“炉底平板式”和“炉 墙平板式”电磁搅拌装置并取得了成功。 在当今电磁搅拌主要应用于两个方面：一是应用于连铸上，二是应用f 精烁 上。 连铸电磁搅拌器的主要类型 有： 按电磁搅拌器的搅拌方式来 看，可分： ( 1 ) 旋转型电磁搅拌器：工作 原理如下图l - 4 ( a ) 。 ( 2 ) 直线型电磁搅拌器：又称 为线性搅拌器，主要适用于板坯 图14 电磁搅拌的搅拌方式 f i t1 4t h et y p e so f e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g 1 3 东g t 盘生颤生焦逢塞 签= 童盗蛩 的二冷区的电磁搅拌。其工作原理如下图1 - 4 ( b ) 。 ( 3 ) 螺旋型电磁搅拌器：它是由前面两种 搅拌器的组合，主要适用于方的二 冷区的电磁搅拌。工作原理如下图 1 4 ( c ) 。 按安装的位置划分为： ( 1 ) 结晶器电磁搅拌：m e m s ( 2 ) _ - - 冷端电磁搅拌：s - e m s ( 3 ) 凝固电磁搅拌：f e m s 精炼用电磁搅拌器的主要类 型有： 如图1 5 所示。电磁搅拌还 应用于精炼，而目前主要应用在 钢水的精炼上，主要有以下三磁 场应用于电磁精炼中： ( 1 ) 旋转磁场 ：l ：作原理如图l 6 所示： 舯 ( 2 ) 线性移动磁场 它又分为以下三种： a 整体搅拌：搅拌器包围着整 个被搅拌的钢水如图1 7 。 b 单向搅拌：在被搅拌的钢水 旁边加一个搅拌器，从而进行单向 的搅拌，如下图1 8 。 c 对置搅拌：在被搅拌钢水 两边各加一个磁场，从而对钢水 形成对置搅拌，如f 图卜9 。 葛e ，峨批矾轴f 啼钟# 腓i t 沁#o f 獭b w 帆d 口i 啦l t 智l 圣曩蒜 图15 电磁搅拌连铸技术 f i g 1 5t h et e c h n o l o g yo f e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n gi nc o n t i n u o u sc a s t i n g ； 脚l6 旋转电嵫搅拌 f i g l6t h er o t a t i n ge l e c t r o m a g n e t i cs t ir r i n g 一1 4 一 一 一 l1，jh*目hhh&re#*14 东a b 盘生塑生焦硷塞签= 重绪蛩 一一 图1 7 铁水包中的圆形电磁搅拌模式 f i g 1 7t h es t n gp 砒t e r ni nl a d l e w i t hc y i i n d r i ca js i i r r e r ( 3 ) 普通磁场 普通磁场作用于钢水，产生 的力的分布为：两边小，中间大，使钢 水由中州向两边流动。但是，目| j f 还没对其对化学反应速度的影响进行深 入的研究，因此具有很广阔的研究空间。 1 2 2 国外电磁搅拌技术的研究现状 图l ，8 铁水包中的单向电磁搅拌模式 f i g 1 8t h es l i r r i n gp a t t e r ni nl a d i ew i t ho n e s t r a i 曲ts t j r r e r 图i 9 铁水包中对置电磁搅拌模式 f i g 1 9t h es i jr r i n gp 甜e mi nl a d l ew i t ht w o s 廿置i g h ts t i f r e r sb o mw o r k i n gu d w a r d s 随着连铸比在炼钢生产中的不断提高以及对钢材质量的要求同益严格，连铸 的电磁搅拌技术及其搅拌装置不断得到完善。电磁搅拌技术应用到连铸上，与不 采用电磁搅拌时相比，连铸坯的质量得到明显改善，但也出现了在铸坯中产生负 偏析带等问题。其后，根据电磁搅拌力学的分析，进一步改进了这方面的技术， 研制成功了更加有效的搅拌方法和高效率的搅拌装鬣。由于将搅拌方向、强度、 频率等参数都控制在最佳的范围内，从而使电磁搅拌技术成为能获得高品质铸坯 的有效技术，在国际上得到广泛发展，目前的结晶器电磁搅拌技术、二冷区电磁 1 5 一 东j t 盘茎硒茎焦缝塞 筮= 童绪论 搅拌技术和凝固术段电磁搅拌技术已经成熟，同本神户钢铁公司古川俐的3 号 板坯连铸机所铸的板坯尺、j 为2 3 0 m m 9 6 0 m m 1 7 7 0 m m ，存其：冷区采用了辊内 的l 乜磁搅拌装置。在双流板坯连铸机的每个铸流上设营了4 埘电磁搅拌辊，可 以根据铸速选用其中3 对或4 对搅拌辊进行搅拌i ”】。 电磁搅拌技术因其具有不接触钢液而在钢液中产生搅拌作用的优点，使得电 磁搅拌技术在精炼上应用也很广泛。挪威国家工业电子联合公司丌发的一种钢包 电磁搅拌技术，能使钢包内钢液成分和温度迅速均匀化。同本神户制钢电机公司 丌发了一种用于搅拌金属液的电磁搅拌器本体设置在熔炉的反射炉炉底。随着电 磁搅拌装置开始运转，金属液中产生强搅拌作用。开始运转几分钟后，金属液的 温度和成分达到均匀化。 前苏联铝镁研究院与拉脱维亚科学院磁流体动力学物理研究所设计局共同丌 发的熔铝反射炉外循环搅拌装臀，已于1 9 8 2 年成功地应用于布拉茨克炼铝硅铝 萸晶合会和a t m 合会生广。 近年来，磁流体力学在有色会属、钢铁以及半导体材料的冶会及加：r ：过程的 各个领域中得到广泛应用与发展。如钛合金的熔炼和连续铸造，半导体多晶硅的 连续铸造，钢的连续铸造中应用电磁力强化控制等，都在努力开发研究。目前， 不少学者特别注意材料处理方面和研究工作，但各有各的侧重点。如同本和电磁 冶金基础研究部研究的对象主要针对余属熔体在使用直流电流、磁场所出现的问 题；法国采用交流电场对会属熔体作用而引起的问题作为主要研究范围；英国、 美国及俄罗斯等国则着重于进行电磁场对金属熔体流动的促进以及抑制功能等方 向的研究。此外，美国还较深入地开展了电磁场与金属熔体交互作用过程中的基 本规律的研究一】。 1 2 3 我国电磁搅拌技术的应用现状 我国在2 0 世纪6 0 年代曾对电磁场应用于铸造过程进行研究。2 0 世纪8 0 年 代初期，随着连续铸钢技术的迅速发展，又开展了钢的电磁搅拌方面的研究。我 图在电磁冶会领域中和突出成果是铝熔池电磁搅拌和铝合金电磁 x 东j t 盘茎硒茎焦缝塞 筮= 童绪论 搅拌技术和凝固术段电磁搅拌技术已经成熟，同本神户钢铁公司古川俐的3 号 板坯连铸机所铸的板坯尺、j 为2 3 0 m m 9 6 0 m m 1 7 7 0 m m ，存其：冷区采用了辊内 的l 乜磁搅拌装置。在双流板坯连铸机的每个铸流上设营了4 埘电磁搅拌辊，可 以根据铸速选用其中3 对或4 对搅拌辊进行搅拌i ”】。 电磁搅拌技术因其具有不接触钢液而在钢液中产生搅拌作用的优点，使得电 磁搅拌技术在精炼上应用也很广泛。挪威国家工业电子联合公司丌发的一种钢包 电磁搅拌技术，能使钢包内钢液成分和温度迅速均匀化。同本神户制钢电机公司 丌发了一种用于搅拌金属液的电磁搅拌器本体设置在熔炉的反射炉炉底。随着电 磁搅拌装置开始运转，金属液中产生强搅拌作用。开始运转几分钟后，金属液的 温度和成分达到均匀化。 前苏联铝镁研究院与拉脱维亚科学院磁流体动力学物理研究所设计局共同丌 发的熔铝反射炉外循环搅拌装臀，已于1 9 8 2 年成功地应用于布拉茨克炼铝硅铝 萸晶合会和a t m 合会生广。 近年来，磁流体力学在有色会属、钢铁以及半导体材料的冶会及加：r ：过程的 各个领域中得到广泛应用与发展。如钛合金的熔炼和连续铸造，半导体多晶硅的 连续铸造，钢的连续铸造中应用电磁力强化控制等，都在努力开发研究。目前， 不少学者特别注意材料处理方面和研究工作，但各有各的侧重点。如同本和电磁 冶金基础研究部研究的对象主要针对余属熔体在使用直流电流、磁场所出现的问 题；法国采用交流电场对会属熔体作用而引起的问题作为主要研究范围；英国、 美国及俄罗斯等国则着重于进行电磁场对金属熔体流动的促进以及抑制功能等方 向的研究。此外，美国还较深入地开展了电磁场与金属熔体交互作用过程中的基 本规律的研究一】。 1 2 3 我国电磁搅拌技术的应用现状 我国在2 0 世纪6 0 年代曾对电磁场应用于铸造过程进行研究。2 0 世纪8 0 年 代初期，随着连续铸钢技术的迅速发展，又开展了钢的电磁搅拌方面的研究。我 图在电磁冶会领域中和突出成果是铝熔池电磁搅拌和铝合金电磁铸造的研究和，r 发。2 0 世纪8 0 年代初成功地进行了铝合金大断面方锭电磁铸造的工业化试验。 铝熔池电磁搅拌也在工业上广泛应用。结合新工艺的开发，完成了一些电磁场、 流动场、温度场和凝固组织方面的理论研究工作。并已开始对金属电磁离心铸造、 钢的磁铸造、悬浮熔炼等进行研究。电磁冶金r 益受到国内冶金界的重视，但和 东i b 盘生题茎焦迨童笠二童绪俭 装式m e m s ，在牛产犬断面方坯时效果明显，但在生产小断面力坯时，出于气 隙人，磁场衰减厉害，搅拌力相对不足，效果不佳。目前，一。般都采用内装式， 并且一种规格配一台m e m s 。 ( 3 ) 钢种不合适。e m s 对高碳钢、不锈钢、厚板等特殊钢种的作用比较明显， 普通钢则效果有限。船板钢和某些低合金钢电磁强搅拌后，易产生白亮带和负偏 析，这与钢种、成分含量、搅拌方式和搅拌强度等因素有关，可通过采用交替式 搅拌、调整工艺参数来消除。 因此，国内e m s 的应用虽有冶金效果，但不显著。此外，e m s 的使用和维 护不当，损坏率较高，这些都影响了厂家使用的积极性。彳i 少冶金单位也仍处于 观望中i ”j 。 1 3 本研究的主要内容 1 3 1 本研究的背景 综上所述，一方面，由于近年来铁矿硫含量的增高以及产品的高等级化， 对铁水预处理脱硫的效率的要求越来越高，对于提高脱硫效率的研究也越来越得 到重视。但是，目前最常用的铁水脱硫工艺( 喷吹法和机械搅拌法) 都存在很多问 题。喷吹法对脱硫动力学条件的改善有以下极限：1 ) 喷吹量与速度：过快的喷吹 速度造成脱硫剂在铁水罩的平均停留时间过短，脱硫剂消耗量增高，且会造成铁 水温度急剧降低；2 ) 喷吹范围：山j ：喷吹角度的限制及脱硫剂不能r 沉等原r , q 1 ， 在铁水中会出现脱硫剂无法进入的死隧：和造成凹硫的现象；3 ) 粉剂穿透比：细小 脱硫剂颗粒因为动能小而无法穿透气一液界面进入铁水，造成粉剂的低利用率”。 机械搅拌法是将粒度为 2 5 m 3 0 a 极对数1 对冷却方式绕组直接浸入水中冷却 极间距2 5 0 m m 本研究芏要是利用线性搅拌器产乍的磁场对铁水进行搅拌，而山于铁水义无 法实验零距离接触，铁水和搅拌器之间的距离会直接影响搅拌器加到铁水中的磁 场强度。为此本实验对搅拌电流为4 0 0 a 时线性搅拌器磁场分前】进行测试。对磁 场分却按下图3 5 a 进行测试注：图中a 、b 、c 三点分别为选择的测试点，在各 点的纵向上分别选择了三个测试点，即：纵向中心点为o 的点、纵向中心点上方