C熔融还原底吹铬矿粉的动力学研究.doc

C熔融还原底吹铬矿粉的动力学研究 Masahiro KAWAKAMI，Youharu KITAfIMA，Kaoru HASHIMOTO和Koin ITO 摘要 铬矿粉从熔炉底部喷入至含有碳的20kg铁水中，以便铬矿被熔融的碳还原。测定反应温度、铬矿喷射速率、气体流速和铬矿颗粒大小对铬收得率和还原速率的影响。 铬的收得率随温度呈线性增长，铬的收得率随铬矿喷射速率的增加而降低，收得率随颗粒平均直径的增加而降低。然而，气体流速对铬的收得率几乎没有影响。当反应温度为1680°C、铬矿喷射速率低于20g/min时，铬可以获得最高的收得率，接近于100%。从反应过程中Si的行为可以得出结论：氧在铁水中的传递是该反应的控速步骤。还原反应过程可以分为瞬时反应和永久反应。在1500°C和1600°C时，瞬时反应的分数范围是60%～75%，而在1680°C时，反应分数达到80%以上。瞬时反应的速率与2/3的铬矿粉末喷射速率成正比，与颗粒平均直径的平方根倒数成反比。气体的流速对反应速率影响不大。反应的表观活化能是46.0kcal/mol。 关键词：熔融还原；铬矿；还原动力学；铬的产出率；瞬时反应；喷吹粉末 一、引言 目前，铬矿的熔融还原在日本被广泛研究。大部分的研究工作包括铬矿和合成渣共融，以及焦炭的还原。然而，目前有些研究人员提出了另外的途径，即利用熔融的C和铁水中的Si还原喷入熔体中的铬矿粉。这个想法来源于氩氧脱碳法。在氩氧脱碳法过程中，喷吹的氧气氧化熔融的铁、溶解在熔体中的铬以及在风口附近的熔融碳。但是，被氧化的铬和铁又被熔体中的碳还原，从而导致C的选择性氧化1,2)。如果有人能专门利用后者的机理，就可能开发出一种新的制取Fe-Cr合金的方法。P. Sjovall.有过相类似的想法3)，但是，他只是定性的从热力学观点和动力学观点探讨反应的可能性，而没有给出实验结果。在本论文中，作者通过喷吹铬矿粉至熔体中得出实验结果，并且，证明了上述想法可以有效的应用于铬矿制备Fe-Cr合金工艺中。在本论文中，作者利用脱硅铁水得到了详细的实验结果，并给出了喷射条件对铬收得率和还原速率的影响，并且，探讨了此还原反应的机理。 二、实验 实验装置简图如图1.所示，更详细的装置信息可以在先前的论文中看到4)。预先准备好的12kg脱硅生铁在熔炉中熔化，然后，从熔炉底部充入氮气。几百克的铬矿粉加入到熔体的表面，以便测量铁水表面的还原速率。加热30分钟后，开始从熔炉底部喷吹铬矿粉。矿粉每分钟的喷吹数量可以用数字太平测量，喷射速率按预定好的速率进行手动控制。粉末喷射完成以后，再喷吹气体30分钟，以便测量没有被还原的矿粉末的还原速率。 铬矿的组成成分如表1.所示，熔体的原始成分为5%C，0.1%Si，几乎不含Cr。实验条件如表2.所示。 实验中最常用70～150目铬矿粉，当进行测量颗粒大小对反应的影响的实验时除外。气体的流速近15Nl/min，当测定气流速度的影响时除外。颗粒大小和气流速度对反应的影响是在温度为1600°C、喷射速率为50g/min时测定的。 三．实验结果。 1. 过程概况 图2显示了在1680°C时反应的变化趋势。图中的小三角形表示矿粉的变化，开始时， 800g铬矿粉末加入到熔体表面，然后，铬矿粉末以35g/min的速率喷射到炉内。在开始喷射铬矿粉末30分钟前，熔体中的铬含量平缓增加，在铬矿喷射过程中，熔体中铬含量呈直线上升。甚至，在铬矿喷射终止后，铬含量也呈现直线上升，但直线斜率比喷射过程中的斜率小，说明未被还原的铬矿依然存在于熔体中。熔体中C的含量随着Cr含量的升高而降低，Si含量在粉矿喷射过程中只是呈现轻微增加，而喷射终止后，Si的含量增加更显著。1500°C和1600°C时，Si的含量只在喷射终止后才开始增加。这个过程中，Si含量的变化对反应机理的影响，我们在后面会进行探讨。整个反应过程中，熔体表面没有形成熔渣。当铬的产出率不超过80%时，未被还原的矿粉浮在熔体表面，形成直径为10～30mm的粉末球团。 被还原铬的量可以通过产品中铬的含量[%Cr] 和熔体的重量来计算，并且必须考虑到样品的微小误差。还原铬的量随时间的变化如图3所示。在这一系列的实验中，加入到熔体表面的量为600g，矿粉的喷射速率是20g/min。可以更加清楚的看出，在喷射矿粉之前的30分钟内，被还原铬的量只是轻微增加，在喷射过程中，被还原铬的量呈直线上升，终止喷射后，也呈直线上升，只是直线的斜率变小了。还原速率可以从各曲线的斜率得到。在开始喷射粉矿的前30分钟，反应的还原速率可以从时间为20—30min的曲线斜率得到。在喷射粉矿过程中铬的产出率可以用如下方程表示。 ×100% 2．第一个30分钟矿粉的还原 图3所示，被还原铬的量随时间缓慢增加。图4表示被还原铬的数量随时间的平方