摘要
位于稀有金属之列的钒被称作现代工业味精，含钒产品广泛应用于各种行业，其中85％的产品应用于合金钢领域，在铁水中添加钒铁合金生产含钒钢。V2O5及钒合金的生产均是提钒路线，导致钒钢冶炼流程长，钒利用率低下。2018年钒在钢铁行业中的消费比例上升至91％，新国标的颁布，取消了HRB335添加了HRB600型号钢筋，进一步促进钒的消费。为了减少钒钢生产流程、降低市场对钒铁合金等产品需求，缓解生产压力，课题组提出高炉含钒铁水不经过提钒操作，直接喷吹CO2弱氧化剂进行选择性氧化，达到除杂保钒的目的。本文基于该背景进行含钒铁水“脱磷保钒”的机理研究。 本文对CO2脱磷热力学进行计算，建立了一种多元渣系的质量作用浓度模型，采用单因素实验考查了不同脱磷渣系对脱磷终点的影响，对喷吹不同比例CO2-N2气体进行考查，利用CO2喷吹脱碳，对温度及喷吹流量进行考察，得出以下结论。 (1)标准状态下，温度在1523～1973 K下进行热力学计算，结果表明CO2气体可与熔池内除磷以外的所有元素发生氧化反应，当CaO参与反应时磷的直接氧化才会发生。钒的平衡氧势大于磷的平衡氧势，二者氧势差随着[C]含量的增大而增大，[C]含量与磷的活度呈线性关系。[V]、[P]的平衡氧势差随温度的升高而减少，在1900K前恒为正。CaO-SiO2-Fe2O3-FeO-Al2O3-P2O5-V2O5多元渣系模型计算结果表明，铁氧化物的活度随着炉渣碱度的升高。 (2) BaO和Na2CO3的加入，能大幅度提升渣系的脱磷能力，Na2CO3系渣脱磷效果优于BaO。两组实验都展示出先氧化后还原的规律，Na2CO3的加入使钒在氧化阶段的氧化峰值变大。添加BaO渣系的脱磷率峰值平均为23.451％，实验终点脱磷率平均为14.876％;添加Na2CO3渣系的脱磷峰值平均为30.990％，实验终点脱磷率为14.565％。 (3)对喷吹CO2-N2混合气体分压单因素实验研究表明，喷吹纯CO2气体脱磷效果最佳，终点磷含量为0.0401％，终点钒含量为0.301％。在80％CO2分压下磷持续被氧化，钒氧化物进入还原阶段，证明了[V]、[P]的氧势差存在，在CO2分压为60％时脱磷反应达到平衡，终点磷含量为0.0613％。对氧化钡含量变化单因素进行喷吹CO2分压为80％气体，终点磷含量品均值由0.0721％降到0.0540％，脱磷效果提高到2.5倍。 (4)在温度1550℃、CO2流量为1000 mL/min条件下，持续脱碳50 min可得到含钒半钢，碳含量为0.113％，钒含量为0.276％，磷含量为0.0426％。脱碳动力学研究表明，二氧化碳脱碳反应的活化能为26.43 kJ/mol，经数据拟合为零级反应，在高碳时反应控速步骤为气相传质过程。
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