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高爐煉鐵如何脫硫

高爐中硫的來源進入高爐的硫來自其原燃料,如礦石、燒結礦、球團礦、焦炭、熔劑和噴吹燃料。通常焦炭帶來的硫最多,約占爐內總硫的60% ~ 80%。焦炭中的硫主要以有機硫CnSm和灰分中的硫化物和硫酸鹽的形式存在。在天然礦石和熔劑中,硫以黃鐵礦(FeS2)和硫酸鹽(CaSO4、BaSO4等)的形式存在。).燒結礦和球團中的硫以FeS和CaS的形式存在。每噸生鐵冶煉時爐料所帶的硫總量(見硫負荷)壹般為4 ~ 6公斤。

硫在高爐中的行為隨著爐料的減少和溫度的升高,爐料中的部分硫逐漸揮發成氣體。焦炭中30% ~ 50%的有機硫首先以CS、COS等化合物形式從爐身下部揮發到爐腹,其余在風口前氣化反應和燃燒過程中生成SO2、H2S等氣態化合物進入煤氣。礦石和熔劑中的部分硫分解或反應生成硫蒸氣或SO2進入氣體。進入氣相的硫有壹小部分在上升過程中隨煤氣逸出高爐,大部分被下落的爐料吸收。在高爐的高溫區和低溫區之間形成硫循環。硫在高爐爐料、鐵水和爐渣中的分布如圖所示。在塊狀帶中,礦石在200 ~ 900℃吸收硫較少,在1000℃左右吸收加速。在軟熔區,爐料的吸硫條件好,硫含量增加。在滴落帶,熔渣和鐵劇烈吸收氣體中的硫,同時硫從鐵轉移到渣中。在爐膛內,鐵液滴穿過反應條件良好的渣層,脫硫反應大量進行。在聚集在爐膛內的渣鐵界面處,脫硫反應壹直持續到出鐵,出鐵口通道內的渣鐵仍在脫硫。生產實踐和研究表明,高爐冶煉煉鋼生鐵時,約有5%的硫隨煤氣逸出高爐,而冶煉鑄造生鐵時,這壹數值可達10% ~ 15%。高爐冶煉錳鐵、矽鐵等鐵合金時,由於焦比高、爐頂溫度高,隨煤氣逸出高爐的硫量增加,但也在50%以下,其余硫分布在爐渣和生鐵之間。因此,高爐脫硫主要依靠爐渣在上述三個位置脫除鐵水中的硫。

爐渣脫硫的化學反應硫以各種硫化物的形式存在於爐渣中。主要硫化物按穩定性從小到大依次為FeS、MnS、MgS和CaS,其中FeS也能溶於鐵水。爐渣的脫硫反應是爐渣中的CaO、MgO等堿性氧化物與鐵水中的硫反應,生成不溶於鐵水但溶於爐渣的CaS、MgS等穩定化合物,使鐵水中的硫轉移到爐渣中而被除去。在高爐還原氣氛下,熱焦炭中的硫和溶解在鐵水中的碳發生脫硫反應;

(CaO)+[S]+[C]-(CaS)+CO(1)

或者(CaO)+[FeS]+[C]-(Cao)+[Fe]+Co。

或者可以寫成(O2-)+[S]+[C]-(S2-)+CO (2)。

方程式(1)可以用分子理論解釋反應機理,即鐵水中的FeS通過渣鐵界面擴散到渣中,與渣中的CaO反應生成CaS和FeO,反應生成的FeO被C還原為Fe,生成的C0離開反應界面進入氣體。方程式(2)可以通過離子理論解釋反應機理。離子遷移過程在液態渣和鐵的界面上進行。鐵水中的中性原子硫在渣界面吸收渣中的電子,成為硫陰離子S2-進入渣中,而渣中的氧陰離子O2-在界面失去電子,成為中性原子進入鐵水,與鐵水中的C結合生成CO,從鐵水中排出。由於鐵水中存在Si、Mn等其他元素,這些元素也與鐵水中的S相互作用,以偶聯反應的形式脫硫:

2[S]+[Si]+2(CaC))-2(CaS)+(SiO 2)(3)

[S]+[Mn]+(CaO)-(CaS)+(MnO)(4)

或者可以寫成2 [s]+[Si]+2o2-2s2-+(SiO2) (5)。

[S]+[Mn]+O2——S2—+(MnO)(6)

當高爐渣與鐵水之間的脫硫反應(1)達到平衡時,爐渣與鐵水之間硫的質量百分濃度比稱為硫分配比,這是衡量爐渣脫硫的最終能力。在生產和研究中簡化為硫分配系數。從高爐渣脫硫的熱力學分析,Ls是反應平衡常數Ks、鐵水中硫的活度系數、爐渣氧勢和以堿度表示的爐渣成分的函數。在1500oC的爐膛溫度下,鐵水中硫的活度系數在4 ~ 6之間,爐渣中氧化鐵的含量約為0.5%,爐渣的堿度約為1.0。當反應達到平衡時,Ls可達200以上。但在實際生產中,由於條件的限制,脫硫反應不能達到平衡,Ls值只能達到20 ~ 50,最高不超過80。因此,應努力改善高爐煉鐵脫硫的熱力學和動力學條件,以提高Ls值,降低鐵水中的[S]。

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