高炉炉缸喷吹氧化性气体实现低硅冶炼的基础研究

现代制造业对钢铁材料的硫、磷含量要求越来越严格，为了实现铁水深脱磷，需要将铁水[Si]降至0.10%～0.15%。普通高炉生产低硅铁水操作困难，而铁水预处理脱硅存在泡沫渣、能耗高、渣量大等问题。理论分析表明提高炉缸氧分压可提高炉渣氧势，有利于获得低硅铁水。因此，本课题首次提出向高炉炉缸喷入适量氧化性气体以实现高炉低硅冶炼的新工艺。若在普通高炉上实现低硅冶炼，将省去铁水预处理脱硅工序，并可促进高炉降焦节能、炼钢提高生产效率。本研究以高炉炉缸中熔渣与死料柱焦炭、熔渣与铁液两个反应体系为研究对象，采用实验和数学模型方法研究喷吹气体操作可能产生的影响，分析吹氧方式、温度等因素对熔渣还原、硅在渣铁中分配的影响规律，讨论喷吹操作对泡沫渣产生、渣中铁损以及炉缸局部热平衡的影响，从而提出炉缸喷吹的可行工艺参数，为该技术的设计和实施提供理论依据。

理论分析表明提高炉缸氧分压可提高炉渣氧势，有利于获得低硅铁水。为了考察高炉炉缸喷入氧化性气体实现低硅冶炼的可行性，项目采用实验和数学模型方法研究了炉缸喷吹气体与铁液、熔渣与死料柱焦炭体系的反应规律。. 针对高炉冶炼特点，选择CO2作为氧化剂，研究了渗碳和无渗碳条件下CO2与铁水反应规律，探讨了温度、气体喷吹量等因素的影响。结果表明：（1）CO2在铁水温度较低时脱硅容易，而高温脱碳容易。（2）CO2脱硅反应的限制性环节是气体传质。（3）无渗碳条件下，脱碳反应的限制性环节是气体传质.铁水温度越高，气体流量越大，铁水中碳降低的程度越大。渗碳条件下，碳含量将趋于稳定值。根据试验结果，得出了较好的脱硅条件为1300℃以及0.6L/min的喷吹量。（5）CO2喷吹对铁液中Mn、P、S的含量未发现有影响。. 对不同温度、碱度条件下FeO含量对还原反应速率的影响进行了研究。结果表明：（1）石墨碳还原CaO-SiO2-MgO-Al2O3-FeO熔渣中FeO的反应为表观二级反应。反应的表观活化能为342.37kJ/mol，碳的气化反应活化能为152.98kJ/mol，渣中FeO的扩散传质活化能为355kJ/mol。（2）还原反应速率受渣中FeO的扩散传质和界面化学反应(直接还原以及碳的气化反应)共同控制，其中渣中FeO的扩散传质是反应速率的最主要限制环节。（3）研究得出了一定条件下各组试验的总反应速率，近似为渣中FeO的传质速率。（4）由反应的表观速度常数可知，试验条件下温度对还原反应速度影响最大、渣中FeO含量次之、碱度最小。. 分析了封闭体系下喷吹CO2对铁水温度的影响：喷吹气体量增加，铁水温降增大；不同初始铁水温度条时铁水温降不同。喷吹CO2后高炉下部热平衡分析表明：喷吹CO2气量增加时，高炉热利用系数KT增加，高温区热损失占全炉热损失的比例下降，但高炉焦比增加。. 以流体力学有关理论为基础，建立了炉缸三维流体数学模型，应用FLUENT软件模拟计算并分析了高炉铁口深度、死料柱浮起高度、空隙度及铁口布置对于内壁和炉底温度、应力分布的影响，讨论喷吹操作对炉缸工况的影响。结果表明喷入炉缸气体量决定了喷吹区熔渣的氧势，喷吹量过小则作用不明显，过大则可能导致铁损增加。因此，气体喷吹位置和喷吹量必须合适，才能保证铁水、炉渣物理化学性能适宜，高炉稳定顺行。