高Al2 O3 含量高爐渣的脫硫行為

郭永春，沈峰滿，劉春城，鄭海燕，李 洋，王中華，韓 濤

（1.東北大學 冶金學院，沈陽 110819；2.河鋼集團 宣鋼公司，河北 張家口 075100）

隨著高Al2O3鐵礦石使用量的增加，爐渣中Al2O3含量（質量分數，下同）大幅度增加，爐渣流動性和穩定性變差，脫硫性能下降，對高爐順行造成一定影響［1-4］.迄今為止，許多學者對高爐渣冶金性能進行了大量研究.Ma 等［5-6］采用氣-渣平衡法試驗測定了CaO-SiO2-MgO-Al2O3四元渣系在1 773～1 823 K 溫度下的硫容，在他們的研究中，爐渣脫硫能力隨R［w（CaO）／w（SiO2），下同］或w（MgO）的增大而增大.Seo 等［7］利用氣-渣平衡法試驗測定了CaO-SiO2-MgO-Al2O3四元渣系在1 773 K 時的硫容，在他們的研究中，爐渣脫硫能力隨R或w（MgO）的增大而增強，隨w（Al2O3）的增大而下降.雖然許多研究人員對爐渣的脫硫能力進行了大量研究，但關于高Al2O3型CaOSiO2-MgO-Al2O3四元高爐渣系的研究相對比較匱乏.

本文中以高Al2O3型CaO-SiO2-MgO-Al2O3四元高爐渣系為研究對象，利用雙層坩堝模擬鐵液滴下穿過爐渣的過程，探尋高Al2O3型高爐渣脫硫能力隨R，w（MgO）／w（Al2O3）和w（Al2O3）變化的規律，為高Al2O3含量下合理選擇造渣制度提供理論依據.

1 試驗方法

1.1 試驗原料及設備

試驗在高溫管式爐內進行，以特制雙層石墨坩堝為反應器，模擬鐵液穿過渣相的過程，如圖1所示.該管式爐溫度采用PID 控制器控制.本文中所用的試驗生鐵樣品為某鋼廠的生鐵，生鐵及脫硫渣樣成分分別見表1 和表2.

表1 生鐵成分（質量分數）Table 1 Chemical compositions of hot metal（mass fraction） %

表2 渣樣成分（質量分數）Table 2 Composition of slag（mass fraction）

圖1 試驗設備示意圖Fig.1 Schematic of experimental apparatus

試驗準備階段如下：將試驗渣樣所需的CaO，SiO2，MgO 和A12O3化學試劑在105 ℃分別烘干12～13 h，之后，按照不同的質量分數稱取試劑放入石墨坩堝，待馬弗爐的爐溫升至1 250 ℃時，將裝有化學試劑的石墨坩堝放入馬弗爐內進行預熔處理.

試驗開始之前，將鐵和渣按照質量比3 ∶1 取樣，在下層石墨坩堝中放入渣樣，高溫管式爐中依次放入雙層石墨坩堝，并用石墨塞棒擰緊開關.在渣樣和鐵樣完全熔化且高溫管式爐中的溫度升至1 500 ℃時，打開石墨塞棒開關，使鐵液從石墨塞棒和坩堝的縫隙中流入，穿過渣層后流至下坩堝底部并沉積，以此來模擬鐵液滴落穿過爐渣的過程，并開始計時.在前期的試驗中［8］，為了確保試驗過程反應達到平衡，以保證結果的準確性，故選擇編號1 渣樣，在其他試驗條件完全相同的情況下進行試驗，發現試驗進行至90 min 時已達到平衡.此時迅速用石英管吸取鐵樣進行冷卻、制樣并分析鐵中硫的含量（質量分數，下同）.

1.2 試驗原理

高爐渣脫硫主要通過渣中堿性氧化物與鐵液中硫反應使硫以硫化物形態進入渣中.分子-離子共存理論認為渣中只有自由的（Ca2＋＋O2-）和（Mg2＋＋O2-）離子對才具有脫硫能力，且S2-以（Ca2＋＋S2-）和（Mg2＋＋S2-）離子對的形式存在于渣中.爐渣脫硫反應示意圖如圖2 所示，如果按照離子理論，爐渣脫硫反應式可表示為

圖2 脫硫反應示意圖Fig.2 Schematic diagram of desulfurization process

2 結果與討論

針對高Al2O3型高爐渣系，本文中利用雙層石墨坩堝，模擬鐵液滴下穿過爐渣的過程，對R，w（MgO）／w（Al2O3）和w（Al2O3）進行等溫單變量脫硫試驗，結果列于表3.圖3 和圖4 分別是脫硫試驗渣樣和鐵樣的面掃描圖.從圖3 和圖4 中可以看到，硫均勻分布在脫硫試驗渣樣和鐵樣中，表明爐渣脫硫反應已達到平衡，此時脫硫試驗鐵樣中的硫含量可以代表爐渣的脫硫能力.

圖3 脫硫試驗渣樣面掃描Fig.3 Slag surface scan results

圖4 脫硫試驗鐵樣面掃描Fig.4 Iron surface scan results

表3 脫硫試驗結果Table 3 Desulfurization test results

2.1 R 對爐渣脫硫能力的影響

由圖5 可知，當w（MgO）／w（Al2O3）＝0.50，w（Al2O3）＝20%時，R由1.05 提高到1.35，鐵液中的w［S］從0.02%降低到0.011%，減少了45%.R增加，渣中CaO 的質量分數增加，MgO 和Al2O3的質量分數不變，SiO2的質量分數減少；CaO 為強堿性氧化物，能在渣中解離出O2-（CaO→Ca2＋＋O2-），促使反應式（1）正向進行.此外，提高R，渣中自由的O2-使復雜硅氧離子體解體為簡單硅氧離子體［10］，可以有效改善爐渣的流動性和脫硫的動力學條件，降低爐渣黏度，提高爐渣的脫硫能力.

圖5 R 對脫硫能力的影響Fig.5 Effect of R on desulfurization ability

2.2 w（MgO）/w（Al2 O3）對爐渣脫硫能力的影響

由圖6 可知，當w（Al2O3）＝20%，R＝1.30時，w（MgO）／w（Al2O3）由0.25 提高到0.55，鐵液中的w［S］從0.018%降低到0.012%，減少了33.3%.w（MgO）／w（Al2O3）增加，渣中MgO 質量分數增加，解離出的O2-增加，促使反應式（1）正向進行.此外，隨著w（MgO）／w（Al2O3）的增加，爐渣的黏度逐漸降低，改善了爐渣的流動性和脫硫的動力學條件，這主要是因為MgO 具有稀釋作用［11］.

圖6 w（MgO）/w（Al2O3）對脫硫能力的影響Fig.6 Effect of w（MgO）/w（Al2O3）on desulfurization ability

2.3 w（Al2O3）對爐渣脫硫能力的影響

由圖7 可知，當w（MgO）／w（Al2O3）＝0.40，R＝1.30時，w（Al2O3）由12%提高到20%，鐵液中的w［S］從0.011%增加到0.014%，增加了27%.Al2O3能與渣中的O2-發生反應，生成AlxOy z-復合陰離子，消耗爐渣中自由的O2-，抑制反應式（1）正向進行.此外，根據CaO-SiO2-MgO-Al2O3四元相圖可知，隨著w（Al2O3）的增加，爐渣中容易生成鎂鋁尖晶石這種高熔點復雜化合物［12］，導致爐渣流動性變差，黏度增加，惡化脫硫的動力學條件.

圖7 w（Al2O3）對脫硫能力的影響Fig.7 Effect of w（Al2O3）on desulfurization ability

3 結論

（1）當w（MgO）／w（Al2O3）＝0.50，w（Al2O3）＝20%時，R由1.05 提高到1.35，爐渣的脫硫能力增強.

（2）當w（Al2O3）＝ 20%，R＝1.30 時，w（MgO）／w（Al2O3）由0.25 提高到0.55，爐渣的脫硫能力增強.

（3）當w（MgO）／w（Al2O3）＝0.40，R＝1.30時，w（Al2O3）由12%提高到20%，爐渣的脫硫能力下降.