薛新華

（山西華翔集團(tuán)，山西臨汾 040000）

純氧天然氣回轉(zhuǎn)爐浮碳增碳所用增碳劑的粒度

薛新華

（山西華翔集團(tuán)，山西臨汾 040000）

對(duì)純氧天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐中增碳劑粒度進(jìn)行研究，將形狀不規(guī)則的塊狀增碳劑簡(jiǎn)化為球形粒子，按照回轉(zhuǎn)化鐵爐的熔化工藝和力學(xué)原理，分別利用增碳劑與鐵液間、爐氣間的面接觸率概念，分析了浮碳增碳所用增碳劑的粒度問(wèn)題，討論了影響浮碳增碳效果的因素和其他問(wèn)題，對(duì)回轉(zhuǎn)化鐵爐的有關(guān)試驗(yàn)研究或有一定參考價(jià)值。

回轉(zhuǎn)化鐵爐；增碳劑；粒度

回轉(zhuǎn)化鐵爐是一種以天然氣和純氧為熱源的環(huán)保型鑄鐵熔化爐，目前許多人對(duì)其寄予厚望。該爐常用浮碳增碳，即隨金屬爐料向爐內(nèi)加入一定量的塊狀增碳劑（焦炭、石墨等），利用漂浮在鐵液面上的增碳劑增碳。此外，在鐵液出爐前向鐵液中噴吹一定量的粉狀增碳劑，也可以達(dá)到增碳目的，噴吹增碳需要專門的增碳劑氣力輸送設(shè)備。浮碳增碳方法簡(jiǎn)單、應(yīng)用較廣，但目前尚未發(fā)現(xiàn)有人研究過(guò)該法所用增碳劑的粒度問(wèn)題。本文是該爐熔化試驗(yàn)中關(guān)于增碳劑粒度研究的總結(jié)，將形狀不規(guī)則的塊狀增碳劑簡(jiǎn)化為球形粒子，建立了增碳劑與鐵液間、與爐氣間的面接觸率概念，按照回轉(zhuǎn)化鐵爐的熔化工藝和力學(xué)原理，利用建立的兩個(gè)面接觸率的概念，討論了浮碳增碳所用增碳劑的粒度，對(duì)回轉(zhuǎn)化鐵爐的有關(guān)試驗(yàn)研究或有一定參考價(jià)值。

l 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)回轉(zhuǎn)化鐵爐所用的熔劑包括石灰石、白云石、普通玻璃等三種，熔劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為金屬爐料的4.5%，覆蓋在鐵液面的渣液層厚度在l0 mm～20 mm之間；試驗(yàn)使用了焦炭、石墨、碳化硅等三種粒度不同的增碳劑。將形狀不規(guī)則的塊狀增碳劑簡(jiǎn)化為球形粒子，由于試驗(yàn)使用的幾種增碳劑的密度均小于鐵液密度、甚至小于渣液密度。經(jīng)過(guò)初步計(jì)算知道，一般球形增碳劑在鐵液和渣液中的漂浮狀態(tài)如圖la）所示；大于渣液密度（高密度）而直徑很小的球形粒子浮于鐵液和渣液分界面附近，如圖lb）所示；密度小于渣液密度（低密度，即焦炭）的小直徑球形粒子浮于渣液中，見圖lc）.按圖l所示的三種狀態(tài)為計(jì)算模型分別討論浮碳增碳涉及的增碳劑粒度問(wèn)題。

2 球形增碳劑的面接觸率

增碳劑中的碳主要通過(guò)其與鐵液的接觸面進(jìn)入鐵液，球形粒子浸入鐵液的球冠面積越大，碳原子越容易進(jìn)入鐵液。增碳劑與鐵液間的接觸面積可以衡量其增碳效果，因此提出增碳劑與鐵液間的面接觸率概念。

所謂增碳劑與鐵液間的面接觸率μ鐵，即浸入鐵液的球冠面積S鐵與球的表面積S之比。按有關(guān)附圖中的符號(hào)定義和球體、球冠的面積公式，推得球形增碳劑粒子與鐵液間的面接觸率μ鐵等于浸入鐵液的深度與球徑之比h/d，即：

在回轉(zhuǎn)化鐵爐的浮碳增碳試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，暴露在渣液面以上的增碳劑，在高溫和含二氧化碳、水蒸汽的氣氛中，往往存在著不完全燃燒現(xiàn)象，生成大量黑色濃煙污染環(huán)境；同時(shí)生成的一氧化碳和氫氣在尾氣口補(bǔ)充空氣后劇烈燃燒，產(chǎn)生的熱量對(duì)回轉(zhuǎn)化鐵爐的煙囪等結(jié)構(gòu)件存在嚴(yán)重的破壞作用。因此，不希望增碳劑過(guò)多地暴露在渣液面以上。為此現(xiàn)提出增碳劑與爐氣間的面接觸率（μ氣）概念，即增碳劑渣面以上球冠的面積S氣與球的表面積S之比。推得球形增碳劑粒子與爐氣間的面接觸率μ氣、等于渣面以上球冠的高度與球徑之比h氣/d，即：

圖l 球形增碳劑在鐵液中的懸浮情況

3 浮碳增碳的一般狀況

圖la）表示了浮碳增碳的一般狀態(tài)，球形增碳劑的直徑為d，渣液層厚度為δ，球形粒子浸入鐵液層的深度為h，球形粒子所受的重力為P、所受鐵液的浮力為Fl、所受渣液的浮力為F2，鐵液、渣液、增碳劑的密度分別為ρ鐵、ρ渣、ρ劑，計(jì)算球形增碳劑粒子浸入鐵液的深度h、面接觸率μ鐵和μ氣。

球形增碳劑粒子的體積V、表面積S和所受到的重力P分別：

浸入鐵液的球缺的體積V鐵、球冠面積S鐵及其所受到鐵液的浮力Fl分別為：

球形增碳劑粒子在爐渣層中的體積V渣及其受到渣液的浮力F2分別為：

（3d-6δ）h2-3h3］/6

按照力的平衡原理，即P＝Fl+F2，可以得到：

已知鐵液的密度約為7 kg/dm3，渣液的密度約為 2 kg/dm3，即 ρ鐵=7 kg/dm3、ρ渣=2 kg/dm3，因此式（l）可化為：如果進(jìn)一步設(shè)渣液層的厚度δ=0.l5dm，則式（2）可進(jìn)一步化為：

以下通過(guò)方程（3）分別求解焦炭、石墨、碳化硅等球形增碳劑浸入鐵液的深度。

3.1 焦炭球浸入鐵液的深度

焦炭的密度約為0.4 kg/dm3，將焦炭的密度值代入方程（3），可以得到焦炭球浸入鐵液深度的方程式：

方程式（4）屬于h的一元三次方程，將d=0.ldm、d=0.2 dm、……d=0.8 dm等數(shù)值代入方程式（4），可求解不同直徑焦炭球浸入鐵液的深度h.求解后知道（求解過(guò)程復(fù)雜略去不述），當(dāng)d＜0.6 dm（60 mm）時(shí)，方程（4）無(wú)合理的解；當(dāng) d≥0.6 dm 時(shí)，方程（4）才有合理的解。

按圖la）定義同時(shí)由于爐渣層的厚度為0.l5dm，因此用方程（3）求得增碳劑球浸入鐵液的深度h后，便可以按下式求出增碳劑球暴露在渣面以上的球冠的高度h氣：

表l列出了d≥0.6 dm時(shí)方程（4）的合理解h，同時(shí)按照合理解計(jì)算了焦炭球暴露在爐氣中的球冠高度h氣、相應(yīng)的面接觸率μ鐵和μ氣.

當(dāng)焦炭球的直徑小于60 mm時(shí)方程式（4）無(wú)合理的解，其緣故在于焦炭的密度小于渣液，直徑小于60 mm的焦炭球在渣液浮力的作用下，根本不會(huì)與鐵液接觸?；蛘哒f(shuō)，直徑小于60 mm的焦炭球不符合圖l所示的計(jì)算模型，需使用圖lc）所示的計(jì)算模型。

3.2 石墨球浸入鐵液的深度

石墨的密度約為2.25 kg/dm3，將其密度值代入方程（3），可以得到石墨球浸入鐵液深度的方程式：

同樣，將 d=0.1 dm、d=0.2 dm、……d=0.8 dm 等數(shù)值代入方程式（5），可求解不同直徑的石墨球浸入鐵液的深度h.求解后知道，當(dāng)d=0.1 dm（l0 mm）時(shí)，方程（5）無(wú)合理的解；當(dāng) d≥0.2 dm 時(shí)，方程（5）均有合理的解。表2列出了d≥0.2 dm時(shí)方程（5）的合理解h，同時(shí)順便計(jì)算了石墨球相應(yīng)的面接觸率μ鐵和μ氣.

當(dāng)石墨球的直徑d=0.1 dm時(shí)方程（5）無(wú)合理的解，這是因?yàn)槭虻闹睆絛小于渣液層的厚度δ（l5 mm），不符合圖l所表示的計(jì)算模型，需用圖ld）所示模型計(jì)算。

3.3 碳化硅球浸入鐵液的深度

碳化硅的密度約為3.2 kg/dm3，將其密度值代入方程（3），可以得到石墨球浸入鐵液深度的方程式：

同樣，將d=0.1 dm、d=0.2 dm、……d=0.8 dm等數(shù)值代入方程式（6），可求解不同直徑的碳化硅球浸入鐵液的深度h.求解后知道，當(dāng)d=0.1 dm（l0 mm）時(shí)，方程（6）無(wú)合理的解；當(dāng)d≥0.2 dm時(shí)，方程（6）均有合理的解。表2列出了d≥0.2 dm時(shí)方程（6）的合理解h，同時(shí)順便計(jì)算了碳化硅球相應(yīng)的面接觸率μ鐵和μ氣.

同石墨球同樣的道理，直徑d=0.1 dm碳化硅球此處無(wú)合理的解，需用圖2所示模型計(jì)算。

4 高密度小直徑球浸入鐵液的深度

在上述一般情況的有關(guān)計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，直徑d=l0mm的幾種球形粒子均無(wú)解，需要用圖lb）模型計(jì)算密度大于渣液密度小球徑增碳劑的有關(guān)問(wèn)題。按照?qǐng)Dlb）和有關(guān)力學(xué)關(guān)系，可以得到下式（過(guò)程略）：

向上列方程式中代入鐵液、渣液的密度值，可以得到下式：

如果令d=0.1 dm，上列方程式可以化為：

方程式（7）中代入石墨的密度值，可化為：

解一元三次方程（8），可以計(jì)算直徑0.1 dm（l0 mm）的石墨球浸入鐵液的深度的三個(gè)根hl、h2、h3，其中h3為h的合理解，已列入表2中。

方程式（7）中代入碳化硅的密度值，可化為：

解方程（9），可以計(jì)算直徑 0.ldm（l0 mm）的碳化硅球浸入鐵液的深度的三個(gè)根hl、h2、h3，其中h3為h的合理解，已列入表3中。

5 焦炭球暴露在渣液面上的球冠高

密度小于渣液密度的球形焦炭，當(dāng)球徑小于60mm時(shí)無(wú)法浸入鐵液，需要按圖lc）所示模型計(jì)算焦炭球暴露在渣面以上的球缺高度h氣.按照?qǐng)Dlc）和有關(guān)力學(xué)關(guān)系，可以建立下列方程式（過(guò)程略）：

將爐渣密度ρ渣=2 kg/dm3、焦炭密度0.4 kg/dm3等代入上式，可以得到表示焦炭球渣面以上的球冠高度h氣的一元三次方程：

將焦炭球的不同直徑d代入方程式（l0），可得到不同直徑焦炭球所對(duì)應(yīng)的h氣的各個(gè)解h氣l、h氣2和h氣3，舍棄不合理解h氣l、h氣2后，可以得到焦炭球暴露在渣面以上的球冠高度h氣，見表1.

應(yīng)該順便說(shuō)明，表l、表2和表3中有關(guān)表面接觸率μ鐵和μ氣的數(shù)據(jù)，基于渣層厚度l5 mm、渣液密度2 kg/dm3、鐵液密度7 kg/dm3等數(shù)據(jù)。如果渣液厚度小、密度低，有利于提高表面接觸率μ鐵、降低表面接觸率μ氣；如果可以發(fā)現(xiàn)密度更高的增碳劑，也有利于提高表面接觸率μ鐵、降低表面接觸率μ氣.

表l 焦炭球浸入鐵液的深度和暴露在渣面上的球冠高

6 結(jié) 語(yǔ)

l）從表l到表3可以看出，表面接觸率μ鐵和μ氣，隨著增碳劑粒度的增大均呈增大趨勢(shì)；在盡力提高增碳劑表面接觸率μ鐵的同時(shí)，還需要盡量縮小表面接觸率μ氣、以限制增碳劑在爐氣中的損耗。相對(duì)于焦炭，石墨的密度大于渣液，是一種很好的回轉(zhuǎn)爐增碳劑，如果其粒度小于20 mm，則其表面接觸率μ氣小，受高溫爐氣的影響最小，利用率高而不會(huì)對(duì)煙囪等爐體結(jié)構(gòu)件造成威脅。從一定意義上說(shuō)，密度小于渣液的焦炭并適合作為回轉(zhuǎn)化鐵爐的增碳劑。研究開發(fā)密度更大的增碳劑，對(duì)回轉(zhuǎn)爐的應(yīng)用有積極意義。

2）從表l可以看出，焦炭作為增碳劑不盡人意。如果不考慮回轉(zhuǎn)爐回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的攪拌作用，當(dāng)粒徑大于60 mm的大塊焦炭加入爐內(nèi)后，在沖擊和摩擦、鐵液滲碳、在爐氣中燃燒等各種機(jī)械、化學(xué)、物理化學(xué)力的作用下，當(dāng)其粒徑縮小到60 mm以下時(shí)，會(huì)失去增碳作用；粒徑不大于60 mm的焦炭漂浮在爐渣中、不與鐵液接觸，起不到增碳作用；粒徑不大于80 mm的焦炭，其70%以上的表面積暴露在高溫爐氣中高溫缺氧燃燒。

表2 石墨球浸入鐵液的深度和暴露在渣面上的球冠高

3）表3有意列出了不同球徑的碳化硅粒子的面接觸率μ鐵和μ氣，旨在進(jìn)一步說(shuō)明增碳劑的密度對(duì)有關(guān)面接觸率的顯著影響。純碳化硅中碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%、70%為硅元素。在增碳同時(shí)需要增硅的情況下，可優(yōu)先用碳化硅補(bǔ)充回轉(zhuǎn)爐中的碳、硅元素。

表3 碳化硅球浸入鐵液的深度和暴露在渣面上的球冠高

TG233

A

l674-6694（20l7）05-0053-04

20l7-07-28

薛新華（l958—），男，山西霍州人，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師，一直從事鑄造工藝和設(shè)備的技術(shù)研究。

l0.l6666/j.cnki.issnl004-6l78.20l7.05.0l4