氮在渣-钢间传质系数的测定

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1997.03.013 第19卷第3期 北京科技大学学报 Vol.19 No.3 1997年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 1997 氮在渣一钢间传质系数的测定 项长祥)T.El.Gammal2) I)北京科技大学应用科学学院，北京1000832)德国阿亨工业大学冶金所，Aachen50266 摘要使用A1,O,坩埚在真空感应炉内测定了1600℃时氮在含C还原渣和钢液之间的总传质系 数3。，研究表明，B。与气相中氨分压P、的大小有关，随着P的增加B。增大.由物料平衡计算得出， 在本实验条件下，B为3.7×104cms. 关键词氮，传质系数，钢渣 中图分类号TF01 中性及氧化性条件下，氮在渣中的溶解度很小1~1，因此中性及氧化性渣如同绝缘层一 样可有效地防止氨在钢液及气相间的传质.而在还原条件下，由于C的还原作用，渣中氮的溶 解度增大1~.同时气相中的氮也可以（的形式通过渣层由气相进入钢液.文献[7]利用 石墨坩埚研究了1200℃时氮在碳饱和铁和Na,O-SO,渣间的反应动力学，并测定了氮在 铁液和渣之间的传质系数.或许是由于坩埚的抗渣性不易解决，至今有关氮在钢液和渣之间 反应动力学的研究，特别是气相中氮分压对氮在钢液和渣之间传质的影响的研究报道甚 少，本工作在这方面进行了实验研究. 1实验设备及方法 1.1实验设备 实验在真空感应炉内进行，加料与取样均通过一个换气室在密封条件下操作，取样时将 一个真空石英管用钼丝捆在钼棒上，以做到同时抽取钢样和渣样.所用坩埚为抗渣性极好的 电熔氧化铝坩埚，坩埚内径为中44mm,高78mm。 1.2实验方法 将约500g的钢料放人A1,O,坩埚中，钢料成分(w/%)为：C一0.18，Mn-1.07, A1-0.026,Si-0.31,P-0.009,S-0.009,0-0.006,N-0.01.A1,0,坩埚放人感应炉内的 石墨坩埚中，将炉内抽真空，用氩气反复冲洗炉腔.在氩气下升温至1600℃，待钢料熔化后 取原始钢样.加入占炉料10%~15%预先配制好的含C的C0-Al,0,渣，待渣熔化并完全 覆盖熔池后，迅速将氮分压保持约70min,同时抽取钢样和渣样各若干份. 2实验结果 不同含C还原渣覆盖下的实验结果见图1~图4. 1996-09.17收搞 第一作者男52岁副教授硕士上 ◆T.E].Gammal教授为北京科技大学兼职博士导师

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 氮在渣 一 钢 间传质系数的测 定 项 长祥 ’ 百 北 京科技 大 学 应 用 科学 学 院 ， 北 京 德 国阿 亨工 业大学 冶金 所 ， 摘要 使 用 柑 祸 在 真 空 感应 炉 内测 定 了 ℃ 时氮在含 还 原渣 和 钢 液之 间的总传质 系 娜 。 · 研究 表 明 ， 刀 。 与气相 中氮分 压 气 的大小 有关 ， 随着 气的增 加 夕 。 增大 · 由物料平衡计算得 出 ， 在本 实验 条件下 ， 几为 “ 一 耐 “ · 关键词 氮 ， 传质系数 ， 钢渣 中图分类号 中性 及 氧 化性 条 件 下 ， 氮 在渣 中 的溶解 度 很 小〔 ’ 一 “ ， 因此 中性 及 氧化性 渣 如 同绝缘层 一 样 可 有 效地 防止 氮在钢 液及 气相 间的传 质 而 在 还 原条件下 ， 由于 的还原作用 ， 渣 中氮的溶 解 度 增 大 ’ 一 〕 同 时气相 中 的氮 也 可 以 材 一 的形 式通 过 渣 层 由气相 进人 钢液 文 献 〔 利用 石 墨 柑 祸 研 究 了 ℃ 时氮 在 碳 饱 和 铁和 一 渣 间的反 应 动力学 ， 并 测定 了氮在 铁液 和 渣 之 间 的传 质 系数 或 许是 由于 柑 涡 的抗 渣 性 不 易解 决 ， 至 今有关氮在钢液和 渣 之 间 反 应 动 力 学 的 研 究 ， 特 别 是 气 相 中氮 分 压 对 氮 在 钢 液 和 渣 之 间传 质 的影 响 的研 究 报 道 甚 少 本 工 作 在 这方 面进 行 了 实 验研 究 实验设备及方法 实验设备 实 验 在 真 空 感 应 炉 内进行 ， 加 料 与取 样 均 通 过 一 个换气 室 在 密封 条件下操作 取样 时将 一个 真 空 石 英 管 用 钥 丝 捆 在 钥棒 上 ， 以 做到 同时抽 取 钢样 和渣样 所 用柑 祸 为抗渣性极 好的 电熔 氧 化 铝钳 祸 ， 增 祸 内径 为 中 ， 高 。 实验方法 将 约 的 钢 料 放 人 ， 柑 涡 中 ， 钢 料 成 分 耐 为 一 ， 一 ， 一 · ， 一 ， 一 ， 一 · ， 一 ， 一 · 钳 祸 放 人 感 应 炉 内的 石 墨 柑 祸 中 ， 将 炉 内抽 真 空 ， 用 氢气 反 复 冲洗 炉 腔 在 氢气下 升温 至 ℃ ， 待 钢料熔化 后 取 原 始钢 样 · 加 人 占炉料 一 预 先 配 制 好 的含 的 一 渣 ， 待渣熔化 并完全 覆 盖 熔池 后 ， 迅 速将氮分压保持约 ， 同时抽 取 钢样和渣样各若干份 实验结果 不 同含 还 原渣 覆 盖下 的实验结 、 果 见 图 一 图 一 一 收 搞 第 一 作 者 男 岁 苗」教授 硕 上 ‘ 孔泣 教 授 为北 京科技 大学 兼职 博 士 导师 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1997．03．013

Vol.19 No.3 项长样等：氮在渣一钢间传质系数的测定 ·283· 50r 50.a 50- 50o 1.1 40% P:/pe=0 0.9 40叶2401 [No 0.9 ×30×30 试验54 30 30 P、./P8=0.5 7 试验53 20叶 主20 (C 0.5 20 20 ,(C) 10 10 [C 10 [Cm 0.3 0.3 。S(N) (N)黄 0 90.1 30.1 0 102030 405060 70 0 10 203040 50 60 70 1/min 1/min 图1'S0.4%,wsg=1.03%的还原渣覆盖下钢液的增氨 2505 0.30 试验49 2 [N) 50f 50 P、/Pe=0.95 1.0 200 P、/P°=0.73(N)d 0.25 40 [No 试验51 4(O)a 0.8 1[C] 4 0.20 C 0.15 20 20 [C里 50 0.10 10 10 0.2 0.05 ol ONC(N 0.0 0102030405060 70 010203040506070 1/min 1/min 图2 WΣ0.024%，Σc0.26%的还原渣覆盖 图3 4'0.284%,wSc0.76%的还原渣 下钢液的增氨 覆盖下钢液的增氨 从图1~图3以看出，前20n内钢液中氮含量及碳含量迅速增加，而渣中氨含量和 碳含量迅速下降，大约20min以后，变化趋于平稳. 3结果讨论 3.1氨的物料平衡 表1给出了每次实验中前2个试样之间氨的物料平衡结果. 表11600℃下氨的物料平衡 实验号 P\pe 钢液量/g w1N/% 4N2/% △WIg 54 0 415 0.0041 0.0361 0.133 53 0.50 540 0.0063 0.0299 0.127 49 0.70 540 0.0075 0.0095 0.011 51 0.95 540 0.0057 0.0348 0.148 实验号 渣量/g n/% /% △W,Ig △W-△Mg 54 55 0.400 0.091 0.145 0.012 53 40 0.400 0.067 0.133 -0.006 49 40 0.024 0.012 0.006 -0.005 51 35 0.284 0.075 0.073 0.075

项 长样 等 氮在渣一钢 间传质系数的测 定 · ， 钾 一 ， 厂 一 ’ 一刃不二 。 伙 试验 片 ’ ’ 、 、 栩 卜下卜迄理奥 尽俘丝攀泛二乌 泛三石 图 、 马，一 ， 乙。 一 的还原渣搜盖下钢液的增氮 笋二只票过二上或 凡 ， 尸 ， 【阴俐 试验 后下 ’ 以 叹 二夕 决义 ， ‘、 二 － ‘ 嘴夸卜滋泛， 一一 一 一 岁 口 多 。 奢 岁七 一沁宝 公︹已︶卜 沁 、 。一公全宣已 而 图 艺内司 ， 司 的还原渣祖盖 下钢液的增氮 图 、 二阎司 ， 、 的还原渣 祝盖下钢液的增氮 从 图 一 图 可 以 看 出 ， 前 山 内钢 液 中氮 含 量 及 碳 含量 迅 速 增 加 ， 而 渣 中氮 含量 和 碳 含量 迅 速 下 降 ， 大 约 以后 ， 变化 趋 于 平稳 结果讨论 氮 的物 料平衡 表 给 出 了每 次 实验 中前 个 试样 之 间氮 的物料平衡结果 一一一一一一一一一一一一一一一一盛廷卫匹丝上王复 实验号 凡 尸。 钢液量 △川 ︺ ‘，，、 入，，︺、产 … 自 ” ， 阅 络︸伟月 络口气︶气‘ 实验号 渣量 ︵ 哟均 林 ， 阅 刀 哟 △哄 △城 一 △附 一 一 乃 一︸气，介、 ︸，气、 一、 ︸︸

·284· 北京科技大学学报 1997年第3期 表1中△W表示第2个钢样中氮量的增加值，△W表示第2个渣样中氨量的减少值.可以 看出二者并不相等.当△W一△W为正值时，表明渣中氮除进人钢液外，还有一部分进人了气 相（气相P低时）：当△W,一△W为负值时，表明气相中一部分氮通过渣层进入了钢液（气相 P高时). 3.2渣一钢间氨的传质系数 氮反应的控速应由两部分构成：一部分是氨在渣中的传质，另一部分是氮在钢液中的传 质在渣中，其物质流J为： J=B.(C,-C) (1) 式(I)中，阝，为氮在渣中的传质系数(cm/s);C,为渣内部的氮浓度(g/cm);C为渣一钢界面 处渣侧氮浓度(g/cm). 同样在钢液中物质流J为： J=Bm(Cm-Cin) (2) 稳态时二者应相等，即： J=-J贺 (3) 同时在渣一钢界面处氨浓度存在一个分配平衡： =是 (4) 式(4)中h是氮的浓度以质量浓度(gCm)表示的氨的分配比. 将式(1)~式(4)式合并可得到氨的物质流J为： +9 (5) f,·hfm 如果渣和钢液中氨的总质量保持不变，则渣中氨的浓度C,可通过钢液中氮浓度的变化 △Cm乘以钢液体积V,与渣体积V之比来表示：C=(△Cm)'m/',然而，由于氮也向气相中散 失，故必须采用实验所确定的渣中氮浓度值.用钢液中质量分数表示时，式(5)可改写为： dw'tN)dr (4p8o/w)[(WIN)-W(N P)] (6) 式⑥中，A,=11京+ p为钢液密度(g/cm); W为钢液质量(g): A为界面面积(cm); P为用质量分数表示的氮的分配因数； P。为总传质系数(cm/s). 式(6)反映了氮的传质速率与驱动力之间的关系.以驱动力("N/P-W)为横坐标，速 率dw@!为纵坐标作图可得一直线，由直线斜率p邮。/W可求得氮的总传质系数B。,以图1 中实验54为例，其回归分析结果如图4所示，所得B。=1.62×10-4cm/s. 将4组实验所得氨的总传质系数P。与气相中氮分压P、的关系绘于图5

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 表 中 △叫表 示 第 个钢样 中氮量 的增 加值 ， △次 表示第 个渣样 中氮量 的减少值 可 以 看 出二 者 并 不相 等 · 当 △ 城一 △川为正值 时 ， 表 明渣 中氮 除进入 钢液外 ， 还有 一部分进人 了气 相 气 相 气 ， 低 时 当 △次一 △川为 负值 时 ， 表 明气相 中一部 分 氮通 过 渣层 进人 了钢 液 气相 气 高 时 渣 一 钢 间氮 的传质 系数 氮 反 应 的控 速 应 由两 部分 构 成 一 部 分 是 氮 在渣 中的传 质 ， 另 一 部 分 是 氮在钢液 中的传 质 在 渣 中 ， 其物质 流 孙为 礼 月 一 魂 式 中 ， 户 、 为氮 在渣 中的传质 系数 为渣 内部 的氮浓度 叹为渣一钢界 面 处渣 侧氮浓 度 同样在 钢液 中物质流 罚为 男 声 一 功 稳 态 时二 者应相 等 ， 即 礼二 一 罚 同时在渣一钢界 面处氮浓 度 存在 一 个分 配平衡 二于 益 式 中 是 氮 的浓 度 以 质量 浓度 ， 表示 的氮 的分 配 比 将式 一 式 式 合并 可 得 到 氮 的物质流 人为 、 ， － ， 一 二二 囚 、 ” ‘ 下丁 丁 十 下犷 户 儿 如 果 渣 和 钢 液 中氮 的总 质 量 保持 不 变 ， 则渣 中氮 的浓 度 可 通 过钢 液 中氮浓度 的变 化 △喘乘 以 钢液 体积 蛛 与渣 体积 代之 比来 表示 △ 代 ， 然而 ， 由于 氮也 向气相 中散 失 ， 故 必 须 采 用 实验 所 确 定 的渣 中氮浓度值 用 钢液 中质 量分数表示 时 ， 式 可改写 为 一 ” ， 一 巾月 。 哟 一 均 式 ‘ ，电声 。 一 “ 啸 分 为钢液 密度 为钢液 质量 月 为界 面 面 积 尸 为用 质 量 分 数表示 的氮 的分 配 因数 声 。 为总传质 系数 式 反 映 了氮 的传质速率与驱 动力 之 间 的关系 · 以 驱 动力 叭 尸 一 囚 为横 坐 标 ， 速 率 〔 为纵 坐 标作 图可得 一 直 线 ， 由直 线斜率 巾声 。 附可 求得 氮 的总传质 系数 声 。 · 以 图 中实验 为例 ， 其 回 归分 析结果 如 图 所示 ， 所得 月 。 二 一 “ · 将 组 实验所 得 氮 的总传质 系数 声 。 与气相 中氮分压 氏 ， 的关系绘 于 图

Vol.19 No.3 项长样等：氮在渣一钢间传质系数的测定 ·285· 7.0 试验54 6.0上 50 4.0 3.0f 2.0f 1.0L 0.0 0.4 0.8 1.2 0.0 0.20.40.60.81.0 (WN P-WIN)% P/p 图4氨的传质速率与驱动力关系 图5总传质系数与氨分压关系 从图5看出，氮从渣相向钢液传质的总传质系数与气相中氮分压有关，其B。值随气相 Px的增大而增大.从表1中氮的物料平衡数据看，大约当P/P°=0.6时，△W-4W0,即 渣中氮向钢液传质不受气相氨分压影响.从图5求得P、/Pe=0.6时，B。≈3.7×10-4cm/S, 此值可作为1600℃下CaO一A1,O,渣中氮向钢液中传质的总传质系数.该值与文献[7]测得 的1200℃时，氨从饱和铁向Na,0-SiO,渣中传质的总传质系数B。=2.2×10~4cms比较符 合 4 结论 ()渣中氨向钢液中传质的总传质系数与气相中氮分压有关，其值B。随气相中氮分压 P的增加而增大. (2)P。=3.7×10-4cms可作为1600℃时，Ca0一A1,0,渣中氮向钢液中传质的总传质系 数值. 参考文献 I Majdic A,Ammerling W J,Schenk H.Aufstikung von Schlacken des Systems CaO-Al,O.Arch. Eisenhuetten Wes,1970,41:11-17 2 Choh T,Hanaki Y,Kato T,Inouye M.Nitrogen Absorption of Liquid Cao-Al,O,and Cao-Al,O, -Schmelzen at 1 600 C.Slag Under Reducing Atmosphere.Trans ISIJ,1973,13:218~225 3 Schwerdtfeger K,Schubert H G.Loeslichkeit von Stickstoff in Ca-Al,O,-Schmelzxen bei 1 600 C in Graphittiegel.Arch Eisenhuettenwes,1974,45:649~665 4 Oelsen W,Keller H,Schubert H G,Brockmann H.Arch Eisenhuettenwes,1969,40:939~958 5 Schwerdtfeger K,Schubert H G.Solubilty of Nitrogen and Carbon in CaO-Al,O,Melts in the Presence of Graphite.Communication Solubility of Nitrogen and Carbon in ESR Type Slag.Metall

项 长样等 氮在渣一钢 间传质系数的测定 试验 ︵ 一·︶一日。喊、 户三已 · 乞惑一套卫息未︻乙 匕一 “ 飞耐 图 氮的传质速率与驱动力关系 凡 、 严 图 总传质系数与氮分压关系 从 图 看 出 ， 氮从 渣 相 向钢 液 传 质 的总传质 系数 与气相 中氮 分 压 有 关 ， 其 声 。 值 随气相 尸 的增大而 增 大 · 从表 中氮 的物料平衡数据看 ， 大 约 当 凡 尸。 一 时 ， △琪 一 。 岭， 即 渣 中氮 向钢液传质不 受 气相 氮分压影 响 · 从 图 求得 入 尸“ 一 时 ， 月 。 “ 一 ‘ 耐 · 此值可作 为 ℃ 下 一 渣 中氮 向钢液 中传质 的总传质 系数 · 该值 与文献 〔 测得 的 ℃ 时 ， 氮从饱和 铁 向 一 渣 中传质 的总传质 系数 月 。 一 ‘ 一 ‘ 耐 比较符 结论 渣 中氮 向钢 液 中传质 的总传质 系 数与气相 中氮分 压 有 关 ， 其值 月 。 随气相 中氮分 压 凡 ， 的增 加 而 增 大 月 。 一 ‘ 一 ‘ 而 可 作 为 ℃ 时 ， 一 渣 中氮 向钢液 中传质 的总传质系 数值 参 考 文 献 ， ， 朗 一 月 代 · ， ， 一 ， 卜巨 南 ， ， 两 眺 山 一 一 一 ， ， 一 ， 一 一 ℃ 代 ， ， 一 ， ， ， 代 ， ， 一 长 · 两 一

·286· 北京科技大学学报 1997年第3期 Trans,1977,8B:535 6 Schwerdfeger K,Schubert H G.Communication Solubility of Nitrogen and Carbon in ESR Type Slag. Matall Trans,1977,8B:689 7 Tsukihashi F,Fruehan R J.The Nitrogen Reaction between Carbon Saturated Iron and Na,O-SiO, Slag:Part I.Thermodynamics,Part II.Kinetics.Metall Trans,1986,17B:535 ~545 Measurement of Transport Coefficients of Nitrogen between Slag and Liquid Steel Xiung Chungxiang T.El.Gammal2 1)Applied Science School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Institute of Ferrous Metallurgy,RWTH Aachen 52066 ABSTRACT The total transport coefficients of nitrogen from reducing slag containing carbon into liquid steel in Al,O,crucible at 1 600c have been measured.The result shows that B has been related to the partial pressure of nitrogen in gas phase PB increases with the increase of P.The calculated results of mass balance was shown that under this experimental condition Bo =3.7 x 10cm/s. KEY WORDS nitrogen,mass transfer coefficience,steel scoria 子味味乐味子子子保子子味味子乐天 《工程索引》(EI)简介（Ⅱ） 我国科技期刊被《EI》收录情况：1988年40种，1989年18种，1995年82种，1996年有所减 少. 《EI》收录科技期刊采用淘汰制，即进入《EI》并非永久性的.如某大学《学报》1993年被收 录24篇，而1994~1995年则1篇也未被收录. 我校《学报》（中文版）于1994年进人《EI Page one》,每年平均收录60~70篇，但至今仍 未进入《EI Conpendex Plus》. 据有关人士介绍，进人《EI》必须具备下述条件：1)期刊的内容应反映出当代科学的先进 水平，并相对集中在《EI》编辑部所关心的学科领域；2)英文摘要必须符合《EI》的要求，即采 用“信息性文摘”撰写格式，它由三部分组成一一目的、过程及方法和结果，文摘长度一般约为 150个词，可以适当长些，便于摘用；3)期刊编辑部要善于宣传自己，经常保持与《EI》编辑部 的联系，期刊定期寄出，不得中断；4)英文版较易被选用. 《EI》是国际著名检索机构，《学报》编辑部为本刊进人《EI》将作努力， 此外，《科学引文索引》(SC)、《化学文摘》(CA)、《科学文摘》(SA)、《科学技术文献速 报》(CBST)、《文摘杂志》(PK)、《剑桥科技文摘》等国际性文摘机构，编辑部也同时保持经常 联系.以便使本刊刊载的论文更快进人国际知名文摘类检索机构. 子好☒好好好子呸☑☑好好好子子子子好还好好好好好好子子好好好子好

， ， ， ’ 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 长 两 洲〕 ， 一 ， ， ， 一 ，了 万 不 及 ， ， ， ， ， 认叮践 而 户 气 ， 月 气 · 山 山 详‘ 月 。 一 一 ‘ 而 、 ， ， 函任嗒 之函函函函函函吩函函函函吩函吩子吩母函于函函函函函中吩备函函函矛函函函于函吩函备函于函吩吩吩函函于于 《 工 程索引》 简介 且 我 国科 技 期 刊被《 》 收 录情 况 年 种 ， 】 年 种 ， 年 种 ， 年有所减 少 《 》 收 录科 技 期 刊采 用 淘 汰 制 ， 即进入《 》 并 非永久性 的 如某 大学《学报》 年被 收 录 篇 ， 而 一 年 则 篇 也 未被 收 录 我 校《 学 报》 中文 版 于 年 进人《 》 ， 每 年平 均 收 录 一 篇 ， 但 至 今仍 未 进 人《 详 》 据有 关人 士 介 绍 ， 进 人《 》 必须 具 备下 述 条 件 期 刊 的 内容应 反 映 出 当代科 学 的先 进 水 平 ， 并 相 对集 中在《 》 编 辑 部 所 关 心 的学 科 领 域 英 文摘要 必 须 符合《 》 的要 求 ， 即采 用 “ 信息性 文摘 ” 撰 写格 式 ， 它 由三 部分组 成－ 目的 、 过程及 方法 和结果 文摘 长度一般约为 个词 ， 可 以 适 当长 些 ， 便 于 摘 用 期 刊编 辑 部 要 善于 宣 传 自己 ， 经 常保持 与《 》编 辑部 的联 系 ， 期 刊定 期 寄 出 ， 不得 中断 英 文 版较易被 选用 《 》 是 国 际著名 检 索机 构 ， 《 学 报》 编辑部 为本 刊进人《 》 将作努力 此 外 ， 《 科 学 引 文 索 引》 、 《 化 学 文 摘 》 、 《 科 学 文 摘 》 、 《 科 学 技 术 文 献 速 报》 、 《 文 摘 杂 志》 、 《 剑 桥 科 技 文摘》 等 国 际性 文摘 机 构 ， 编 辑部 也 同 时保持 经 常 联 系 以便 使 本 刊刊载 的论 文 更快 进 入 国 际知名 文摘类检索机 构 函函函函母备函函函函函函函函承函函函母函备函函函函函函函函函函函于函函函于函函函函函备函函函函函函中吩函