专利名称：一种高效的镁基铁水预处理方法
技术领域：
本发明涉及一种铁水预处理的方法，尤其涉及一种提高铁水中镁精炼反应效率的方法，属于钢铁冶金技术领域。
背景技术：
镁能与铁水中的硫、氧反应生成稳定的化合物(MgS、MgO)，大幅降低其浓度从而达到脱硫和脱氧的目的，是已知的高效精炼剂。由于镁的价格昂贵，若采用传统的方法，镁的利用效率低，精炼的成本高，故在铁水精炼中并不常使用。
以前，铁水的镁添加主要有镁焦、钝化镁、镁芯线等各种方法。然而，由于铁水温度在镁的沸点以上，在传统的镁添加过程中，镁与铁水接触时急速蒸发，在铁水中生成纯镁的大气泡，而且气泡在上升的过程中反复分裂与合并。因此，镁的脱硫精炼反应效率很低，很难达到深脱硫、脱氧的目标，较少应用于实际的铁水预处理操作中。
本发明的发明人对镁精炼反应效率低下的原因进行了理论和实验的分析，认为那是由于气泡中镁分压太高以及在铁水内分散的气泡太大造成的。基于此研究结果，本发明的发明人还提出了提高铁水中镁的脱硫脱氧反应效率方法。此方法中，由氧化镁的铝热还原反应或者加热金属镁生成的镁蒸气与氩气输送气体等被一起吹入熔体中，对铁水进行脱硫和脱氧预处理。此方法的特点是根据铁水中的硫和氧浓度控制相应的输送气体流量，保持吹入气泡中镁的分压在最佳值，从而提高镁的脱硫和脱氧效率。
然而，为了保持镁分压的最佳值，需要大量的输送气体-氩气。对低硫和低氧铁水，镁的脱硫和脱氧效率降低。为了深脱硫、深脱氧，不得不加大镁的添加量，这些都是必须解决的课题。
发明内容
1、发明目的本发明提供一种高效的镁基铁水预处理方法，其目的是解决传统用镁精炼铁水的工艺中，镁气泡过大，反应效率低、效果差等方面存在的问题，通过促进镁蒸气气泡微细化，提高镁的精炼反应效率，从而减少输送气体使用量，大幅降低镁的使用量，降低生产成本。
2、技术方案本发明是通过以下技术方案来实现的一种高效的镁基铁水预处理方法，其特征在于是在铁水中吹入镁蒸气及输送气体的混合气体，对铁水进行脱硫、脱氧预处理；采用带有搅拌桨的浸入式旋转喷嘴，在喷嘴内装入金属镁粒并通入少量的输送气体后，镁粒在喷嘴内气化形成蒸气，和输送气体一起吹入铁水内，喷嘴旋转时带动搅拌桨旋转，在旋转的搅拌桨冲击下使大气泡微细化，从而提高镁的精炼反应效率，同时大幅度减少Mg的使用量。
一种高效的镁基铁水预处理方法，其特征在于是在铁水中吹入镁蒸气及输送气体的混合气体，对铁水进行脱硫、脱氧预处理；采用带有多个吐气口的浸入式旋转喷嘴，在喷嘴内装入金属镁并通入少量的输送气体后，在喷嘴内气化的镁蒸气和输送气体一起从多个吐气口被吹入铁水内，喷嘴旋转时产生的剪切力使大气泡微细化，同时使铁水内气泡向更大范围内分散，防止气泡合并，从而提高镁的精炼反应效率，同时大幅度减少Mg的使用量。
采用带有搅拌桨和多个吐气口的浸入型旋转喷嘴，在喷嘴内装入金属镁并通入少量输送气体后，镁蒸气在喷嘴内气化并和输送气体一起吹入铁水内，喷嘴旋转时带动搅拌桨旋转使气泡微细化，且从多个吐气口喷出的气泡在更大范围内分散，从而提高铁水中镁的精炼反应效率。
一种高效的镁基铁水预处理方法，其特征在于是在铁水中吹入镁蒸气及输送气体的混合气，对铁水进行脱硫、脱氧预处理；在炉中设有回转搅拌桨，在搅拌桨的垂直或斜下方设有浸入喷嘴，在喷嘴内装入金属镁并通入少量的输送气体后，在喷嘴内气化的镁蒸气和输送气体一起被吹入铁水内，同时搅拌桨旋转，在旋转的搅拌桨冲击下使大气泡微细化，从而提高镁的反应效率，同时大幅度减少Mg的使用量。
在镁输入的过程中，使喷出的镁气泡微细化，镁气泡直径为1～2cm。
输送用的气体为惰性气体、H2、N2、碳化氢，输送流量为0.01～0.02Nm3/s。
金属镁的粒径为0.8mm～1.2mm，镁的供给速度为0.3～1kg/min。
喷嘴的旋转速度为70～120rpm。
喷嘴或搅拌桨可根据铁水罐大小设置若干个。
3、优点及效果通过本发明技术方案的实施，能够很好地解决传统镁基铁水预脱硫工艺中，镁气泡过大，反应效率低、效果差等方面存在的问题，通过采用喷嘴或搅拌桨回转、设置多个吐气口等措施，达到1)增大气泡分散领域，2)减少每一个气体吐出口的气体流量，3)促进气泡微小化的目的，提高镁的精炼反应效率，从而减少输送气体使用量，大幅降低镁的添加量，降低生产成本。
四
附图1为本发明中采用的带搅拌桨的浸入式喷嘴的结构示意图；附图2为本发明中采用的带多个吐气口的旋转浸入式喷嘴的结构示意图；附图3为本发明中采用的喷嘴在搅拌桨的斜下方的结构示意图；附图4为本发明中采用的带搅拌桨且设置有多个吐气口的浸入式喷嘴的结构示意图；附图5为本发明中铁水熔池深度1.5m、硫浓度为100[ppm]时镁的脱硫效率ηS，Mg和气泡中的初始镁分压PMg关系的计算结果图；附图6为本发明中铁水熔池深度1.5m、硫浓度为20[ppm]时镁的脱硫效率ηS，Mg和气泡中的初始镁分压PMg关系的计算结果图。
五具体实施例方式本发明为一种高效的镁基铁水预处理技术，该工艺采用多种形式喷嘴，在喷嘴内装入粒状或者线状的金属镁并通入少量的输送气体(惰性气体、H2、N2或碳化氢等)后，镁粒在喷嘴内气化形成镁蒸气和输送气体一起吹入铁水中，对铁水进行高效脱硫、脱氧处理。可以保证镁精炼反应的高效率。同时，由于镁的添加量大幅降低，输送气体使用量减少。因此确保了这是一种低成本、高效率，且可生产高品质、高洁净钢的铁水预处理技术。
实施例1如附图1所示，本发明采用带有搅拌桨的浸入式旋转喷嘴，将粒状或者线状的金属镁和少量输送气体同时供给浸入在铁水中的耐火喷嘴中，由于高温铁水的加热作用，使耐火喷嘴管内的镁在管内蒸发，生成的镁蒸气和输送气体同时吹入铁水中，输送气体主要使用氩气，但根据精炼阶段或者是制造的钢种不同，可以通过并用N2、H2、碳化氢而减少氩气的使用量。另外，N2、H2、碳化氢等可以降低吹入气体的氧势以及发挥钢水脱氧补助剂的作用，通常，为在短时间内精炼处理大量的铁水，镁蒸气的流量较大，因此生成大气泡。为使这些大气泡微小化，输送气体的流量为0.015Nm3/s，在喷嘴内气化的镁蒸气和输送气体一起由搅拌桨的下方吹入铁水内，从喷嘴生成的大气泡在上升过程中与旋转搅拌桨发生冲撞从而细小化。搅拌桨和喷嘴的转速为100rpm，生成的镁气泡直径大约为1cm左右，从而提高镁精炼反应效率，大幅降低镁的添加量。
实施例2如附图2所示，本发明是采用带有多个吐气口的旋转喷嘴，向设有多个气体吐出口的浸入式旋转喷嘴内装入金属镁并通入少量的输送气体后，减少每个气体吐出口的气体流量，输送流量为0.010Nm3/s。镁蒸气在喷嘴内气化并和输送气体一起被吹入铁水内，喷嘴同时以转速90rpm转动，由喷嘴回转产生的剪切力使气泡微细化，使被吹入的小气泡广泛地分布在熔池中，避免了大气泡的产生，生成的镁气泡直径大约为1cm左右，同时使气泡熔在溶体内向更大范围内分散，防止气泡互相合并，从而提高镁精炼反应效率，大幅降低镁的添加量。
实施例3如附图3所示，本发明采用搅拌桨与喷嘴分开的方法，操作性好，装置维修简便。向浸入式喷嘴内装入金属镁并通入少量的输送气体后，输送流量为0.016Nm3/s，喷嘴内气化产生的镁蒸气和输送气体从回转搅拌桨的斜下方吹入，同时搅拌桨以转速110rpm转动，由于搅拌桨的冲击使生成的大气泡微细化，生成的镁气泡直径大约为1cm左右，从而提高镁精炼反应效率，大幅降低镁的添加量。
实施例4如附图4所示，也可以采用多个吐气口的浸入式旋转喷嘴上加装搅拌桨的方法，在喷嘴内装入金属镁并通入少量的输送气体后，喷嘴内气化的镁蒸气和输送气体经多个吐气口喷出后形成的镁气泡经搅拌桨的回转剪切作用，实现气泡的细微化，并且由于喷嘴多吐气口的设置使气泡在更大范围内分散，提高镁精炼反应效率，大幅降低镁的添加量。
在上述各方法中可根据铁水罐的大小均匀设置4个或5个喷嘴和搅拌桨，这样就保证了气泡在大范围分散的均匀性，更好地保证反应效果，提高精炼反应效率。
下面详细阐述采用向铁水内同时吹入镁蒸气及少量输送气体进行高效的脱硫脱氧，使镁的添加量大幅降低的铁水精炼工艺的机理。
本发明的发明人在与本发明相关的基础研究中发现，利用镁蒸气的铁水脱硫脱氧反应为(1)所示的反应，主要在气泡界面进行。
(1)其中，Mg的一部分在铁水中溶解。
Mg(g)＝Mg (2)因此，下述的反应也可能同时发生。
这里，Mg(g)为镁蒸气、X为溶解于铁水中的硫或氧、Mg为溶解于铁水中的镁，MgX(s)为固体的硫化镁及氧化镁。
另外，气泡中镁分压较高的情况下，镁的精炼反应速度几乎由铁水中硫、氧向气泡界面的移动速度决定。因此，在气泡内镁分压比较高，铁水中硫、氧浓度较低的情况下，含有未反应的镁蒸气的气泡脱离铁水表面，造成镁的精炼反应效率低。作为防止这种镁的精炼反应效率低的方法的例子，以往提出将吹入的气泡中镁压力控制在0.3大气压以下。然而为此，需要更多的稀释气体，这就提高了脱硫脱氧的成本。
为解决这个问题，本发明通过细化吹入的气泡，只使用少量的输送气体，稀释气体几乎不需要，并且镁精炼的反应效率增加，镁的添加量也大幅减少。
如果忽略镁向铁水中的溶解，利用一个气泡中的镁的铁水精炼速度可用下式表示-dnMg/dt＝kMgA(PMg-PMg，1)/RT (4)-Vd[X]/dt＝kLA([X]-[X]1) (5)-dnMg＝-dnX＝-pLVd[X]/100MX(6)其中，nMg、nX分别为气泡中的镁，铁水中的不纯物(硫、氧)的摩尔数，t为时间，kMg、kL分别为气体侧、铁水侧的物质移动系数，A是气泡表面积，R是气体常数，T是铁水温度，PMg、PMg，1分别为气泡中、气泡-铁水界面的镁分压，[X]、[X]1分别为铁水中、气泡-铁水界面的不纯物的质量％，PL为铁水密度，V为铁水体积，MX为不纯物的原子量。
使用(4)～(6)的基础式，计算气泡生成时、上升时的气泡中的镁分压的变化，下式可以计算镁的精炼反应效率ηX，Mg。
ηX，Mg＝1-PMg，F/PMg，O(7)其中，PMg，F、PMg，O分别为从熔池中脱离的气泡中的镁分压、吹入气泡中的初始镁分压。
关于铁水的脱硫，以生成气泡直径为参数，如附图5、图6所示，它表示了吹入深度1.5m、铁水温度1400℃时的镁的脱硫效率ηX，Mg和吹入气中的镁分压PMg的关系。另外，图5、图6分别表示铁水中的硫浓度[ppmS](101mass％)分别为ppmS＝100、20时的情况。图5中的ppmS＝100，气泡直径1cm、2cm的时候，气泡内镁分压在0.1～1.0atm，镁的脱硫效率大致为100％。但是，当气泡直径变得大于3cm时，在PMg＞0.1atm时，随着镁分压的增加，镁的脱硫效率显著减小。因而，在硫浓度比较高的时候，通过减小气泡直径，即使不使用稀释气体，镁的脱硫效率也非常大。另一方面，气泡直径大时，为了提高镁的脱硫效率，需要更多的稀释气体，脱硫成本提高。另外，由图6中的ppmS＝20中可知，气泡直径对镁的脱硫效率的影响更大，气泡直径1cm这样小时，即使镁的分压是1.0atm，镁的脱硫效率60％以上。但是，可以明确的是，气泡直径在2cm以上时，即使通过稀释气体控制吹入气体的镁的分压，镁的脱硫效率也相当低。
另外，在通过吹入镁蒸气使钢水脱氧方面，气泡直径对脱氧效率的影响也与此机理完全相同。
综上所述，为了提高镁的精炼反应效率，气泡微小化是非常有效的，因此，可明显减少镁的添加量，基本上不需要稀释气体，且使精炼的成本大幅降低。
但是，若采用以往精炼过程中所采用的气体吹入方法，气泡的微小化是相当困难的。这是由于吹入气体的流量太大会导致大气泡的生成，且气泡在上升的过程中反复分裂与合并。例如，在底吹转炉中，分散气泡的直径推定值约为8cm大。本发明的发明人通过基础研究表明，在气泡分散领域内，在气体流量大的情况下，由于气泡的合并速度变大，就变成了大气泡。
本发明的上述实施例通过采用喷嘴或搅拌桨回转、设置多个吐出口等措施，达到1)增大气泡分散领域，2)减少每一个气体吐出口的气体流量，3)促进气泡微小化的目的，提高镁的精炼反应效率，从而减少输送气体使用量，大幅降低镁的添加量，降低生产成本。
实施例5将50t高炉铁水盛放在铁水罐中。在铁水罐中设置KR搅拌机，在其斜下方安装内径20mm的钢质浸入喷嘴，其尖端内径为15mm，并通入氮气。而且，浸入喷嘴的外侧覆有耐火材料层。另外，KR搅拌机在熔池内的浸入深度为1.5m，浸入喷嘴前端的浸入深度2m。之后，将粒径约为1mm的金属镁粒，放入浸入喷嘴，进行铁水脱硫预处理操作。细小的镁粒在遇热时快速蒸发气化，并且在喷嘴的吐气口喷出时由于搅拌桨的回转剪切作用不会形成较大的气泡。采用的主要工艺参数为金属镁的供给速度0.6kg/min，输送用氮气流量0.014Nm3/s，KR搅拌机的旋转数是90rpm，处理时间15分钟，金属镁的使用量是9kg。脱硫过程中未观察到由未反应的镁生成的白烟。通过15分钟的脱硫处理后，硫浓度由240ppm降到34ppm，镁的脱硫效率是87％。铁水温度处理前1380℃，处理后1350℃。
作为比较，发明人在不使用KR搅拌机和与上述相同的反应条件下，也进行了铁水的脱硫预处理试验。其结果，铁水中的硫浓度由230ppm下降至120ppm，铁水温度处理前后分别为1375、1360℃。在本处理条件下，因为气泡未被细小化，所以未反应的镁由铁水表面脱离，产生了大量白烟。最终，镁的脱硫效率为46％，与采用KR搅拌机例相比较，大幅降低。
基于以上研究可以看出，采用本发明的方法，增大了气泡分散领域，减少每一个气体吐出口的气体流量，通过实施由喷嘴的旋转或者与搅拌桨的冲撞给予气泡机械能等对策，有效地实现气泡的微小化，提高了镁的精炼反应效率，基本不使用稀释气体，只使用少量的输送气体，达到了大幅削减镁基精炼剂添加量的目的。
权利要求
1.一种高效的镁基铁水预处理方法，其特征在于是在铁水中吹入镁蒸气及输送气体的混合气体，对铁水进行脱硫、脱氧预处理；采用带有搅拌桨的浸入式旋转喷嘴，在喷嘴内装入金属镁粒并通入少量的输送气体后，镁粒在喷嘴内气化形成蒸气，和输送气体一起吹入铁水内，喷嘴旋转时带动搅拌桨旋转，在旋转的搅拌桨冲击下使大气泡微细化，从而提高镁的精炼反应效率，同时大幅度减少Mg的使用量。
2.一种高效的镁基铁水预处理方法，其特征在于是在铁水中吹入镁蒸气及输送气体的混合气体，对铁水进行脱硫、脱氧预处理；采用带有多个吐气口的浸入式旋转喷嘴，在喷嘴内装入金属镁并通入少量的输送气体后，在喷嘴内气化的镁蒸气和输送气体一起从多个吐气口被吹入铁水内，喷嘴旋转时产生的剪切力使大气泡微细化，同时使铁水内气泡向更大范围内分散，防止气泡合并，从而提高镁的精炼反应效率，同时大幅度减少Mg的使用量。
3.根据权利要求1或2中所述的一种高效的镁基铁水预处理方法，其特征在于采用带有搅拌桨和多个吐气口的浸入型旋转喷嘴，在喷嘴内装入金属镁并通入少量输送气体后，镁蒸气在喷嘴内气化并和输送气体一起吹入铁水内，喷嘴旋转时带动搅拌桨旋转使气泡微细化，且从多个吐气口喷出的气泡在更大范围内分散，从而提高铁水中镁的精炼反应效率。
4.一种高效的镁基铁水预处理方法，其特征在于是在铁水中吹入镁蒸气及输送气体的混合气，对铁水进行脱硫、脱氧预处理；在炉中设有回转搅拌桨，在搅拌桨的垂直或斜下方设有浸入喷嘴，在喷嘴内装入金属镁并通入少量的输送气体后，在喷嘴内气化的镁蒸气和输送气体一起被吹入铁水内，同时搅拌桨旋转，在旋转的搅拌桨冲击下使大气泡微细化，从而提高镁的反应效率，同时大幅度减少Mg的使用量。
5.根据权利要求1、2或4中所述的一种高效的镁基铁水预处理方法，其特征在于在镁输入的过程中，使喷出的镁气泡微细化，镁气泡直径为1～2cm。
6.根据权利要求1、2或4中所述的一种高效的镁基铁水预处理方法，其特征在于输送用的气体为惰性气体、H2、N2、碳化氢，输送流量为0.01～0.02Nm3/s。
7.根据权利要求1、2或4中所述的一种高效的镁基铁水预处理方法，其特征在于金属镁的粒径为0.8mm～1.2mm，镁的供给速度为0.3～1kg/min。
8.根据权利要求1、2或4中所述的一种高效的镁基铁水预处理方法，其特征在于喷嘴的旋转速度为70～120rpm。
9.根据权利要求1、2或4中所述的一种高效的镁基铁水预处理方法，其特征在于喷嘴或搅拌桨可根据铁水罐大小设置若干个。
全文摘要
本发明涉及一种高效的镁基铁水预处理技术。该铁水预处理工艺是在铁水罐内设置装有搅拌桨的中空回转喷嘴，或设置装有多个气体吐出口的回转喷嘴，或设置与搅拌桨相组合的浸入式喷嘴，将金属镁粒与输送气体(气体氩、N
文档编号C21C7/04GK1786207SQ20051004778
公开日2006年6月14日 申请日期2005年11月23日 优先权日2005年11月23日
发明者佐野正道, 丸川雄净, 赫冀成 申请人:赫冀成, 佐野正道, 丸川雄净, 薛向新, 张廷安