外引氣源下熔渣泡沫化的高溫模擬

張宇航，朱 榮,王美晨,董 凱，魏光升

(1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院 北京科技大學(xué), 北京 100083；2.高端金屬材料特種熔煉與制備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

熔渣泡沫化在冶金工藝過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。電弧爐冶煉中熔渣泡沫化對(duì)穩(wěn)定電弧、保護(hù)爐襯，提高熱效率等都有重要的作用[1]。當(dāng)爐渣不發(fā)泡時(shí)，渣層相對(duì)過(guò)薄，不能完全屏蔽電弧。當(dāng)爐渣發(fā)泡后，渣層厚度達(dá)電弧長(zhǎng)度的2倍以上，熔池吸收了電弧產(chǎn)生的大多數(shù)熱量，爐襯的熱負(fù)荷降低。采用高電壓、低電流的形式提高了供電效率，降低了電極消耗電爐的熱效率。提高泡沫化高度有利于改善化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件[2]，提高冶煉效率和能量利用效率[3]。

1 熔渣泡沫化原理及發(fā)展

熔渣泡沫化程度通常用發(fā)泡高度來(lái)衡量[4]，F(xiàn)ruehan[5]測(cè)量EAF爐渣的發(fā)泡性能，證明了泡沫高度與表觀氣體速率Q成正比，比例常數(shù)稱為泡沫指數(shù)∑。泡沫指數(shù)可以作為判斷爐渣發(fā)泡程度的特征參數(shù)，也可以理解為氣體在泡沫中的停留時(shí)間，其值由方程(1)計(jì)算可得

(1)

(2)

Ito等[5]向CaO-SiO2-FeO渣中通入氬氣，提出泡沫化指數(shù)這一概念，并通過(guò)尺寸分析獲得了CaO-SiO2-FeO渣的發(fā)泡指數(shù)Σ的經(jīng)驗(yàn)方程，得出了泡沫高度隨氬氣流量增加而增大的結(jié)論。Surlnder S[6]等人通過(guò)將泡沫穩(wěn)定結(jié)構(gòu)與氣泡破裂過(guò)程建立了普通的泡沫發(fā)泡模型。得出了影響泡沫內(nèi)氣泡滯留的最主要因素是氣泡直徑的結(jié)論。Qiu[7]研究了爐渣內(nèi)部氣體的發(fā)泡過(guò)程。得出了泡沫高度隨爐渣內(nèi)部氣體增大而增大；液體黏度越高，泡沫高度越低，這與外部氣體引起的起泡規(guī)律相反。增大表面張力可以有效地阻止起泡，縮短起泡消除時(shí)間。朱果靈等研究了N2流量、堿度和FeO含量對(duì)泡沫漲泡高度的影響[8]，認(rèn)為在吹氣條件下，氣體流量越大，泡沫壽命也變長(zhǎng)。本質(zhì)上，泡沫化高度的演變與泡沫結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[9-11]。通過(guò)查閱文獻(xiàn)[12-13]得知，影響冶金熔渣泡沫化的因素主要分為兩個(gè)方面：一是外引氣源的參數(shù)，包括氣體流量、氣體種類(lèi)和氣泡尺寸等；二是熔渣自身的物理性質(zhì)，包括其黏度、表面張力和密度等。鑒于之前高溫下冶金熔渣泡沫化實(shí)驗(yàn)的研究集中在氬氣等穩(wěn)定氣體，且為了達(dá)到發(fā)泡效果通常會(huì)向渣中加入碳質(zhì)發(fā)泡劑用于發(fā)泡。

本文利用高溫模擬實(shí)驗(yàn)，研究不同條件下熔渣泡沫化情況。通過(guò)向熔渣中吹入不同氣體、改變氣體吹入時(shí)間及改變?nèi)墼煞郑瑢?duì)比分析泡沫渣的發(fā)泡情況，為提高熔渣泡沫化的發(fā)泡高度研究提供了參考和依據(jù)。

2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)參考國(guó)內(nèi)電爐選用CaO-SiO2-Al2O3-FeO渣系作為試驗(yàn)渣，渣系化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)渣系化學(xué)成分

渣系中含有8%的Al2O3是為了確保實(shí)驗(yàn)溫度下?tīng)t渣中的Al2O3趨于飽和，從而防止?fàn)t渣從Al2O3材質(zhì)坩堝壁中過(guò)度溶解Al2O3，在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)前爐渣熔化保溫時(shí)間為1 h，以滿足爐渣熔化均勻以及達(dá)到Al2O3飽和的要求。試驗(yàn)渣中的FeO由純鐵粉和Fe2O3按比例混合得到。

Fe+Fe2O3=3FeO

(3)

試驗(yàn)通過(guò)外引氣源的方式研究爐渣的發(fā)泡情況，外引氣源分別為純度為99.9%的CO2、N2、Ar，爐渣的高溫熔化和泡沫化是在管式爐中完成的。在做關(guān)于時(shí)間及不同氣體對(duì)熔渣泡沫化的影響試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)渣選擇試驗(yàn)渣1。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示，將配好的200 g試驗(yàn)爐渣放入高溫管式爐內(nèi)的氧化鋁坩堝中，氧化鋁坩堝外有石墨坩堝作為保護(hù)坩堝，以氬氣作為試驗(yàn)保護(hù)氣，管式爐升溫至1 500 ℃后保溫1 h再進(jìn)行試驗(yàn)，泡沫渣發(fā)泡高度監(jiān)測(cè)是通過(guò)電源、萬(wàn)用表、鉬棒探針和爐渣組成回路檢測(cè)電信號(hào)轉(zhuǎn)化得到。在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，其中一根鉬棒探針深入到爐渣底部，通過(guò)上下移動(dòng)另一根鉬棒，依照萬(wàn)用表上的電信號(hào)判斷該鉬棒底部是否已經(jīng)接觸到泡沫渣上沿，再根據(jù)原先刻好在鉬棒上的刻度，便可精確地測(cè)量出泡沫渣高度。

圖1 管式爐測(cè)量泡沫渣發(fā)泡高度示意圖

在研究熔渣成分對(duì)泡沫高度的影響時(shí)，選擇流量為200 mL/min的CO2作為外引氣源，在吹入氣體2 min后進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，對(duì)比分析試驗(yàn)渣堿度對(duì)熔渣泡沫化程度的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 吹氣時(shí)間對(duì)熔渣泡沫高度的影響

在試驗(yàn)研究外引氣源的種類(lèi)及吹入流量對(duì)熔渣泡沫化的影響前，首先對(duì)吹入氣體的時(shí)間對(duì)熔渣泡沫高度的影響進(jìn)行研究，確定出最大泡沫高度時(shí)的氣體吹入時(shí)間，為接下來(lái)的熔渣泡沫化試驗(yàn)的研究打下基礎(chǔ)。

分別采用外部吹入氣體的方式對(duì)堿度為0.75的爐渣CaO-SiO2-Al2O3-FeO渣系吹入高純度CO2、Ar氣體，流量設(shè)定為200 mL/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，在氣體剛吹入渣中時(shí)，泡沫高度隨著吹入氣體時(shí)間的增加而增大，在120 s時(shí)泡沫高度達(dá)到最大值，在120～180 s泡沫高度隨著時(shí)間的增加而逐漸降低，在180～300 s泡沫高度趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)殡S著氣體的吹入，在吹入初期時(shí)熔渣中的氣泡逐漸形成、長(zhǎng)大，體積增大，從而使得泡沫化高度增大，但隨著吹入時(shí)間的變長(zhǎng)，氣泡數(shù)量不斷增多，氣泡上浮過(guò)程阻力變大，導(dǎo)致泡面高度降低，在通氣時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，內(nèi)部氣泡的產(chǎn)生、長(zhǎng)大、上浮、破裂整個(gè)過(guò)程趨于穩(wěn)定，因此泡沫高度也逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2 泡沫化高度隨時(shí)間的變化情況

3.2 氣體種類(lèi)及流量對(duì)熔渣泡沫高度的影響

圖3為CO2、N2、Ar三種氣體在不同流量下的泡沫化高度，隨著氣體流量的增大，泡沫化高度先增高后降低，主要是因?yàn)樵跉怏w流量逐漸上升時(shí)，氣體流量增大主要會(huì)使熔渣中的氣體體積增大，從而使得熔渣泡沫高度增大，但當(dāng)氣體流量足夠大的時(shí)候，過(guò)大的流量會(huì)使氣泡尺寸增大，氣泡破裂速度加快，因此泡沫化高度下降。

圖3 泡沫化高度隨流量的變化情況

圖4為不同氣體的最大泡沫化高度，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果得出，在吹入相同流量的氣體時(shí)，CO2的泡沫化高度最高，分析認(rèn)為，CO2吹入后影響熔渣表面的表面張力，使氣液界面的表面張力降低，使得CO2氣泡相比其他氣體氣泡體積更小，因此最大泡沫化高度更高。

圖4 最大泡沫化高度隨氣體的變化情況

在試驗(yàn)結(jié)束后待冷卻后對(duì)熔渣表面進(jìn)行觀察，圖5(a)為未吹入氣體的試驗(yàn)渣表面，圖5(b)為吹入流量為200 mL/minCO2試驗(yàn)后泡面渣的表面。對(duì)比吹入氣體和未吹入氣體的試驗(yàn)渣表面，可以觀察到外引氣源條件下形成的泡沫渣表面氣泡。在吹氣管吹入處的氣泡尺寸小且氣泡質(zhì)密，距離吹氣管遠(yuǎn)的氣泡尺寸大，是由多個(gè)氣泡合并而成。因此，為提高熔渣泡沫化程度，因盡量減小吹氣管直徑，使吹入氣體時(shí)產(chǎn)生的氣泡相對(duì)較小。

圖5 熔渣表面形貌

3.3 熔渣成分對(duì)熔渣泡沫高度的影響

不同熔渣在低堿度條件下泡沫化高度隨時(shí)間的變化過(guò)程如圖6所示，隨著熔渣堿度的提高，熔渣的發(fā)泡速度加快，但熔渣最大發(fā)泡高度降低，如圖7所示。

圖6 泡沫化高度隨堿度的變化情況

隨著渣中SiO2含量的增多，熔渣的發(fā)泡也逐漸提高。Cooper[14]認(rèn)為SiO2促進(jìn)熔渣發(fā)泡主要是由于對(duì)熔渣表面性質(zhì)的影響。SiO2的增多可降低熔渣表面張力。SiO2是表面活性物質(zhì),體積較大的硅酸根離子吸附于氣泡表面,延長(zhǎng)了氣泡的壽命。另一方面，熔渣堿度的改變使得熔渣的黏度改變。熔渣黏度隨著堿度的升高而逐漸降低，黏度的降低導(dǎo)致氣泡的生成加快，因此隨著堿度的提高，熔渣的發(fā)泡速度加快。但在黏度較低的條件下生成的氣泡隨著氣泡的長(zhǎng)大、上浮過(guò)程中更容易出現(xiàn)破裂情況，因此隨著堿度提升，熔渣黏度下降，熔渣最大泡沫化高度降低。

圖7 最大泡沫化高度隨堿度的變化情況

4 結(jié) 論

(1)在外引氣源的條件下，熔渣泡沫化程度隨氣體吹入的時(shí)間先升高后降低，最終趨于穩(wěn)定，在吹入氣體2 min時(shí)泡沫化高度達(dá)到最大。為接下來(lái)研究其他條件對(duì)熔渣泡沫化的影響提供了幫助。

(2)熔渣泡沫化程度隨氣體流量的增加先上升后下降，其中不同種類(lèi)氣體吹入后的泡沫高度不同，CO2的泡沫化高度最高。

(3)在吹入CO2作為外引氣源的條件下，隨著熔渣堿度的提高，熔渣的發(fā)泡速度加快，但熔渣最大發(fā)泡高度降低。