轉爐渣熔化溫度的實驗研究

宋佳強

【摘 要】鋼渣是鋼鐵企業固體廢物的主要來源之一，合理利用鋼渣關系到我國鋼鐵企業的健康發展。通過在實驗室測定合成轉爐渣的熔化溫度，得出轉爐渣熔化溫度與各成分之間的回歸方程，為轉爐渣用于鐵水預處理提供理論依據。

【關鍵詞】鋼渣；二次回歸正交設計；熔化溫度

0 前言

鋼渣是鋼鐵企業固體廢物的主要來源之一，能否合理利用這些鋼渣將關系到我國鋼鐵工業的健康發展。基于環境保護和降低成本的需要，鋼渣在鋼鐵企業內部循環利用是一種理想的方法。

轉爐渣具有高堿度、高氧化性的優點，可以替代脫硅劑和脫磷劑中的一部分石灰和氧化劑，返回用于鐵水預處理。本實驗模擬轉爐渣和現行脫磷劑的組成，采用CaF2、Na2O為實驗渣劑的助熔劑，測定渣劑的熔化溫度，為轉爐渣用于鐵水預處理提供理論依據。

1 研究方法

本實驗探討堿度、Fe2O3含量、MgO含量、CaF2含量和Na2O含量對轉爐渣熔化溫度的影響。根據轉爐渣的成分和鐵水預處理脫磷劑的組成，各因素的變化范圍確定如下：

①堿度控制在2～4；

②Fe2O3含量控制在20%～40%；

③MgO含量控制在6%～10%；

④CaF2含量控制在5%～15%；

⑤Na2O含量控制在0～10%。

2 實驗方法及結果

本實驗采用東北大學生產的全自動爐渣熔點熔速測定儀進行實驗。整個爐渣性能動態測量系統由爐溫控制系統、送樣系統、 溫度采集系統、放大成像系統、CCD圖像采集系統及相應的試樣高度圖像處理軟件組成。

實驗方法為半球法，也稱試樣變形法。每個試樣測三次，取最接近的兩次之一作為渣樣的熔化溫度，實驗結果見表2。

由表3可見回歸方程在α=0.025水平上顯著，實驗數據與所采用的二次回歸模型是基本符合的。

將編碼公式代入回歸方程中，得到熔化溫度t關于原變量zj（j= 1，2，…，5）的回歸方程為

3 結果分析

3.1 單組分對合成轉爐渣熔化溫度的影響

考察單組分對合成轉爐渣熔化溫度的影響，令別的組分x值為0，可得出相應的回歸方程，根據回歸方程可得以下趨勢圖。

通過以上的趨勢圖，結合理論分析，可以看出：

（1）隨著堿度升高，高熔點的硅酸鹽2CaO·SiO2（熔點2130℃）和自由氧化鈣（熔點2600℃）含量相對增加，導致了渣劑的熔化溫度呈上升趨勢。當堿度由2增加到4，熔化溫度上升了100℃，可見堿度對熔化溫度的影響是比較大的。

（2）鐵的化合物熔點都較低，FeO（熔點1370℃）、Fe2O3（熔點1457℃）等都是降低渣劑熔化溫度的物質。因此，增加Fe2O3有利于降低渣劑的熔化溫度。隨著Fe2O3的增加，合成渣熔化溫度逐漸降低，當Fe2O3由20%增加到40%，熔化溫度下降了130℃。

（3）隨著MgO的增加，合成渣熔化溫度先降低后升高，在MgO含量在8%左右時合成渣熔化溫度達到最低值。這是由于MgO與CaO形成的二元相圖為共晶型，其共晶體為它們之間互相溶解形成的固溶體，因固溶體組成不同，導致對CaO的熔點影響不同。雖然MgO熔點很高（熔點2800℃），但在含量不超過12%的情況下，加入合適含量的助熔劑，轉爐渣的熔化溫度可以滿足鐵水預處理的溫度要求。

（4）CaF2熔點低（熔點1418℃），能顯著降低爐渣的熔化溫度，促進爐渣流動，被廣泛用于鋼鐵冶煉及鐵合金生產等領域。隨著CaF2含量的增加，合成渣熔化溫度逐漸降低，當CaF2由5%增加到15%，熔化溫度降低幅度達60℃左右。

（5）過多加入CaF2助熔，對爐襯的侵蝕較大，且氟蒸汽污染環境嚴重，Na2O助熔劑可替代部分CaF2助熔劑。隨著Na2O含量的增加，合成渣熔化溫度逐漸降低，當Na2O由0增加到10%，熔化溫度降低幅度達60℃左右。可見，用Na2O替代部分CaF2助熔是可行的。

3.2 二元組分對合成轉爐渣熔化溫度的影響

考察二元組分對合成轉爐渣熔化溫度的影響，令別的組分x值為0，可得出相應的回歸方程。

按照鐵水預處理溫度為1350～1400℃，熔渣過熱度控制在150～180℃，則轉爐渣劑的熔化溫度要求≤1170℃。在每圖中溫度為1170℃作一水平線，討論二元組分對合成轉爐渣熔化溫度的影響。

根據回歸方程可得以下趨勢圖。

通過以上的趨勢圖，結合理論分析，可以看出：

（1）渣劑堿度越大，Fe2O3降低渣劑熔化溫度的能力越強。

不論堿度高低，當CaF2加入量超過10%時，爐渣熔化溫度降低值都較小，所以CaF2加入量不宜超過10%。堿度大于3時，曲線大部分在1170℃以上。

爐渣堿度小于3時，Na2O降低爐渣的熔化溫度能力較強，且曲線大部分在1170℃以下；當堿度大于3時，加入Na2O爐渣熔化溫度降低不大，且曲線大部分在1170℃以上。

綜上，渣劑堿度不宜超過3。

（2）Fe2O3對渣劑熔化溫度的影響很大，當Fe2O3含量小于30%時，爐渣熔化溫度顯著升高，曲線大部分都在1170℃以上，已失去用于鐵水預處理的條件。提高Fe2O3含量有助于脫硅和脫磷反應的進行，所以轉爐渣中Fe2O3含量大于30%為宜。

（3）CaF2含量大于10%時，渣劑熔化溫度變化不大，為了減少CaF2對環境的污染，CaF2的加入量最好不要超過10%；當Na2O含量大于10%時，多加Na2O基本不能降低渣劑的熔化溫度，所以Na2O的加入量也不宜超過10%。

4 結論

（1）回歸方程的計算值與實驗數據擬合是比較好的，回歸方程在顯著系數α=0.025水平上顯著。

（2）對回歸方程進行分析，在鐵水預處理溫度下，為了獲得合適的爐渣熔化溫度，爐渣堿度不宜超過3，Fe2O3含量不宜小于30%，MgO含量為8%左右為宜。

（3）復合助熔劑助熔效果優于單一的助熔劑，助熔劑中CaF2和Na2O的含量都不宜超過10%。

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[責任編輯：湯靜]