鐵水熔池造氣

噴粉脫硫反應(yīng)是在鐵水—熔渣界面進(jìn)行的。脫硫粉劑借助插入式噴槍高速噴入鐵水中后，由于流股的強(qiáng)烈攪拌作用，鐵水與粉劑迅速反應(yīng)，生成的富硫熔渣因密度小而上浮，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間即可用專門的除渣裝置將其排除。射流與鐵水的相互作用如《圖1：射流與金屬熔池相互作用示意圖》所示。

根據(jù)射流在金屬熔池內(nèi)的流體力學(xué)、物理化學(xué)和傳熱傳質(zhì)等方面的特點(diǎn)不同，可在反應(yīng)器內(nèi)大致形成如下幾個(gè)區(qū)域：（1）氣粉射流區(qū)：它是由動(dòng)能較大的氣粉流從噴嘴噴出時(shí)排開(kāi)金屬液而形成的，但在其中也會(huì)卷入一些金屬液滴和渣滴。（2）粉粒侵入?yún)^(qū)：它在氣粉射流區(qū)的下部，是由動(dòng)能較大的粉粒侵入金屬液而形成的。（3）氣體—液體卷流區(qū)：氣泡上浮時(shí)帶動(dòng)金屬液體運(yùn)動(dòng)，在這里發(fā)生強(qiáng)烈的傳質(zhì)過(guò)程和攪拌作用。（4）氣泡逸出區(qū)：它是由上浮的氣泡排開(kāi)熔池表面的渣層而造成的。（5）渣層：熔池表面有渣覆蓋的部分。（6）金屬液水平流區(qū)：氣—液流上升到頂面以后，氣體逸出后液體形成表面流呈放射狀向四周散開(kāi)，在這里發(fā)生熔渣—金屬界面的傳質(zhì)過(guò)程。（7）循環(huán)區(qū)：水平流在熔池壁面附近向下流動(dòng)，在熔池下部又向中心流動(dòng)，再次被氣液流抽引而發(fā)生循環(huán)運(yùn)動(dòng)。噴射后形成的大量氣泡，產(chǎn)生“氣泡泵”作用，鐵水被不斷抽引、提升，而粉劑則在此過(guò)程中與鐵水相互接觸并完成脫硫反應(yīng)，然后成渣上浮，使鐵水得以凈化。

圖1為典型的有渣法埋弧電爐熔池結(jié)構(gòu)。有渣法電爐爐膛是由生料層、軟熔層、焦炭層、熔渣層、金屬熔池等幾個(gè)部分構(gòu)成。在靠近爐墻溫度比較低的部位存在由凝Ⅲ的熔渣和未反應(yīng)的爐料構(gòu)成的死料區(qū)。

電爐內(nèi)爐料下降過(guò)程先后經(jīng)歷的幾個(gè)主要區(qū)域是：爐料預(yù)熱區(qū)、爐料軟熔區(qū)、焦炭層、爐渣層和熔融金屬層。

生料層由術(shù)反應(yīng)的爐料，如焦炭、礦石和熔劑組成。靠近電極的部位溫度較高，爐料熔化速度快，生料層的厚度較薄，而遠(yuǎn)離電極的部位料層較厚，爐料下沉速度相對(duì)較慢。爐氣在通過(guò)松散的乍料層時(shí)與爐料進(jìn)行熱交換，電流通過(guò)導(dǎo)電的爐料產(chǎn)生熱量使料層溫度升高。礦石中的高價(jià)氧化物，如MnO₂、Fe₂O₃，會(huì)住這一部位發(fā)生熱分解或被CO還原成低價(jià)氧化物。在溫度更高的部位，出現(xiàn)FeO的同態(tài)還原，有金屬鐵生成。

在料層溫度低于1300℃的區(qū)域，鉻鐵尖晶石中的Fe₂O₃和FeO被CO和C還原；在料層更深處溫度高于1300℃區(qū)域Cr₂O₃，開(kāi)始出現(xiàn)還原。三價(jià)鐵、二價(jià)鐵和鉻先后從鉻鐵礦中分離出去，在礦石中形成分散的金屬珠；結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全改變的尖晶石仍維持著礦石顆粒形狀。尖品石的熔化溫度很高，只有在溫度更高的深度才會(huì)出現(xiàn)渣化。

當(dāng)料層溫度高于爐料的軟化溫度或還原反應(yīng)產(chǎn)物的熔點(diǎn)時(shí)，爐料出現(xiàn)軟熔現(xiàn)象。這一部位位于焦炭層卜部，稱為軟熔層。錳的高價(jià)氧化物Mn₂O₃和Mn₃O₄。在軟熔層全部還原生成低價(jià)氧化錳MnO并進(jìn)入熔渣。在1300～1500℃發(fā)生的鉻的固態(tài)還原也是這一區(qū)域的主導(dǎo)反應(yīng)，鉻的還原加劇了礦石解體進(jìn)程，大大加快了礦石的熔化。南于錳和鉻的還原遲于鐵的還原，在料層巾金屬顆粒中的錳鐵比或鉻鐵比由上到下逐漸增加。鐵和鉻的還原是強(qiáng)烈吸熱反應(yīng)。輸入爐內(nèi)的熱量有50%以上用于還原金屬氧化物。爐料層和軟熔層所產(chǎn)生的電阻熱量較少，軟熔層所需的熱量足由焦炭層向上傳遞的。軟熔層上下溫差較大，下部是還原反應(yīng)的主要部位。盡管初渣和含鐵較高的金屬珠有一定的流動(dòng)性，但熔點(diǎn)很高的術(shù)還原礦石摻雜在其中，軟熔層整體并沒(méi)有流動(dòng)性。當(dāng)爐料的熔化速度大于還原速度就會(huì)出現(xiàn)爐料過(guò)早熔化，爐膛導(dǎo)電結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致焦炭層上移。

熔池是指因焊弧熱而熔化成池狀的母材部分。包括某些非電弧冶煉的熔煉爐，通常將整個(gè)爐膛空間稱為熔池。但在有的礦熱爐中，熔池則僅指熔渣和金屬液積存的爐膛部分，或是電極周圍爐料不斷下降的工作區(qū)（坩堝），或是電弧高溫所能作用到的區(qū)域。