钢铁脱硫反应
发布时间:2008-08-02 00:00
作者:互联网
来源:百科
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desulfurization in iron and
steel making
在
钢铁冶炼过程中脱除硫的化学反应。硫是
钢中主要的有害杂质之一,它在
铁液中无限溶解,而在固体铁中溶解度很小(在γ-Fe中最多溶解0.05%,在Fe和FeS共晶温度988
时,硫的溶解度仅为 0.013%)。含硫较高的钢液凝固时,硫以化合物[kg2]
FeS[kg2]
等形态富集在晶粒间界上,形成Fe和[kg2]
FeS[kg2]
的低熔共晶体,从而在
热加
工时造成
钢锭及
钢材的“
热脆”现象。
钢铁生产过程中,硫来源于
矿石(包括
球团等)、
金属料(包括
铁合金)、
熔剂及
燃料,而主要是由燃料带入的。在钢铁冶炼的每一
阶段都应对原料和燃料的硫含量有所限制,并且努力创造条件从钢铁
产品中将硫脱除到合乎要求。
生铁允许的最高含硫量为 0.074%,大多数钢种中允许的含硫量为0.015~0.045%,
优质钢的含硫量小于0.02%或更低(易切削钢除外)。
高炉炼铁过程中生铁的
脱硫反应 高炉内的脱硫反应是整个钢铁生产中最重要的脱硫环节。高炉炉料中硫的
载荷一般为每吨生铁4~6公斤,其中
焦炭带入的硫约占总硫量的60~80%,矿
石带入硫量不超过总硫量的1/3。在冶炼过程中,约有5~20%的硫以CS及COS气体随高炉
煤气排出炉外,其余的硫分配于
炉渣与生铁两者之间。通过炉渣除去生铁中的硫的反应是最主要的脱硫反应:
(CaO)+[S]+[C]─→(CaS)+CO[145-1]
或可写作
(O
)+[S]+[C]─→(S
)+CO[145-1]
式中圆括号表示炉渣中的组分,方括号表示铁液中的组分。发生在生铁液滴穿过炉渣层落入炉缸的过程中和在
熔渣-生铁二液相
界面上的脱硫反应,使90%以上的硫进入炉渣。即使炉渣中含硫量达到0.7~1.5%,也可得到含硫量合格的生铁。熔渣的
碱度[kg2]
[174-01]
[kg2]
高,有利于生铁脱硫。中国
高炉渣碱度一般在1.0~1.2之间。炉缸操作温度高也有利于脱除硫。实际生产中硫在高炉渣与生铁二液相间的
分配比[174-02]
的数值为20~80,[kg2]
由于
动力学原因炉缸内脱硫反应不会达到平衡。
炼钢过程中钢液的脱硫反应 炼钢过程的炉渣(电炉炼钢还原期炉渣除外)的氧化性质不利于钢液的脱硫,但形成高碱度的炉渣后,由于O
活度大,仍对钢液有一定的脱硫的作用:
[S]+(O
)─→[O]+(S
)硫在碱性氧化性炉渣与钢水之间的分配比在[kg2]
3~10[kg2]
之间。电炉炼钢还原期炉渣中FeO含量小于0.5%,在有效地对钢液脱氧的同时,也对钢液进行脱硫:
[Fe]+[O]─→(Fe
)+(O
)
[S]+(O
)─→(S
)+[O]硫在炉渣与钢液二相间分配比值可达30~50。炼钢过程中通过气相氧对炉渣中硫的氧化作用:
[174-03]
有部分硫以二氧化硫气体形式逸出,有益于钢液脱硫。
炉外脱硫 对生铁
和钢液都可进行炉外脱硫(见
铁水炉外脱硫)。对生铁进行炉外脱硫比对钢液炉外脱硫更为容易,前者充分利用了生铁氧势低而且溶解于生铁中的
碳、
硅和磷等元素使硫的活度系数增大4~6倍的有利因素。对高质量
合金钢或所谓“
洁净钢”,要求硫含量低于0.01~0.005%,可对钢液进行炉外脱硫。所用脱硫剂有碳酸
钠、
碳化钙、固体或液体合成渣如CaO-CaF
及Al
O
-[kg2]
CaF
、
合金粉料如
硅钙合金及
稀土合
金,也有用浸
镁焦作为炉外脱硫剂的。炉外脱硫反应可以写作:
Na
CO
[145-7]
+[S]+2[C]─→Na
S[145-7]
+3CO[145-1]
(CaO)+[S]+[C]─→(CaS)+CO[145-1]
CaC
[272-1]
+[S]+2[O]─→(CaS)+2CO[145-1]
Ca[145-6]
+[S]─→(CaS)炉外脱硫的操作方法有液流混合法、
机械搅拌法和
喷射法。用氩气流将粒径小于[kg2]
0.5[kg2]
毫米的硅
钙合金粉料经由喷枪喷入钢水时,每吨钢的合金粉料用量为1~2千克,可在7~10分钟内使钢水硫含量自0.03%降至0.002%,脱硫效率达90%以上,并在脱硫的同时对钢水有进一步脱氧和
改善非金属夹杂物形态的作用(见喷射
冶金)。
脱硫反应的
热力学 表[铁液(1600
)中主要元素对]
)中主要元素对" class=image>[硫的相互作用系数
]
" class=image>中列入铁液中主要元素对硫的活度相互作用系数[175-01]
。生铁中碳、硅及磷等元素使硫的活度系数增大4~6倍,从理论上说明钢铁冶炼过程中,脱硫主要应在高炉炼铁时完成。根据已有的硫在铁液中的热力学数据、炉渣的
离子理论及一些经验数据,可以对铁(钢)-熔渣二液相间脱硫反应
[S]+(O
)─→(S
)+[O]所决定的硫在二相间的分配比进行计算:
[175-02]
式中
为FeS在
钢渣二相间分配反应的平衡常数,它与温度有关;[175-03]
分别为炉渣中Fe
及S
离子的活度系数,可由半经验公式计算:
[175-04]
或 [175-05]
为硫在钢液或铁液中的活度系数;
[kg2]
、
[kg2]
、
[fe2]
分别为炉渣中正离子、负离子及Fe
的摩尔数。[175-06]
为炉渣中所有复杂离子摩尔分数之和,[kg2]
而[175-07]
为炉渣内O
离子的摩尔分数。
备注:数据仅供参考,不作为投资依据。