轉爐渣中MgO的飽和溶解度分析與研究

吳 政， 蘭 天

(寶鋼股份，湛江鋼鐵煉鋼廠，廣東湛江 524000)

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轉爐渣中MgO的飽和溶解度分析與研究

吳 政， 蘭 天

(寶鋼股份，湛江鋼鐵煉鋼廠，廣東湛江 524000)

本文分析轉爐鎂碳磚熔損機理可知影響鎂碳磚熔損主要因素之一為爐渣與方鎂石之間的固溶反應；通過分析影響轉爐渣中MgO的飽和溶解度因素，分析表明：鋼水溫度、爐渣堿度和渣中FeO為其主要影響因素，爐渣中MgO的飽和溶解度隨溫度增加而增加，MgO的飽和溶解度隨堿度增加而增加；在酸性渣中，MgO的溶解度隨著FeO含量的增加而降低，并且堿度越小，MgO的溶解度受渣中FeO的影響越大；在高堿度渣中，FeO含量對MgO溶解度幾乎沒有什么影響。根據分析湛鋼現場數據與理論研究可知，為了提高轉爐爐襯的使用壽命，轉爐渣中MgO含量需要達到8%～12%之間，轉爐冶煉前期渣中FeO盡量控制高些，爐渣堿度控制在3～4之間，鋼水溫度在滿足冶煉鋼種要求下盡可能低。

MgO； 轉爐爐渣； 飽和溶解度； 熔損機理

1 引言

要提高轉爐爐齡關鍵是提高渣中MgO含量到飽和或稍過飽和，渣中MgO飽和值成為各企業比較關心的問題。在爐渣涂覆技術中，爐渣中的MgO是一個很重要的因素，若爐渣中MgO含量達不到飽和狀態，則爐渣將與鎂碳磚中的MgO發生固溶反應，加快鎂碳磚的損毀過程。特別在長壽命氧氣轉爐上采用低MgO爐渣是很危險的。

轉爐終渣中的MgO飽和值的主要影響因素是T.Fe、堿度(CaO/SiO2)和溫度。

2 鎂碳磚損毀機理

2.1 鎂碳磚中碳氧化侵蝕

鎂碳磚中含有一定數量的碳，使得其與熔渣的潤濕角較大，其潤濕性比較差，這樣阻礙著熔渣向磚體內的滲透，根據觀察，鎂碳磚殘磚表面較光滑，附著一層0～5 mm的渣層。用肉眼是很難看到熔渣在鎂碳磚表面的滲透出與脫碳層，只有在顯微鏡下才可觀察到滲透層與脫碳層的存在[1,2]。

鎂碳磚在工作過程中，工作表層的碳受到熔渣中FeO、Fe2O3等氧化物及O2、CO2等氧化性氣體的氧化作用以及高溫條件下鎂碳磚內MgO的還原反應使得鎂碳磚工作層形成脫碳層，其反應如下所示[3]。

FeO+C=CO+Fe

(1)

CO2+C=2CO

(2)

MgO+C=CO+Mg

(3)

在電子顯微鏡下觀察鎂碳磚殘磚表面時，發現脫碳層有金屬鐵粒，這從側面證明碳被FeO氧化。鎂碳磚磚體的工作表面由于碳的氧化，使得磚體組織結構松動不完整，形成小氣孔，磚體在爐渣的沖刷下而侵蝕。

2.2 鎂碳磚與爐渣的化學反應侵蝕

當鎂碳磚與堿度低、T.Fe含量低的爐渣接觸時，爐渣中的鈣、硅、鐵等元素會侵入到鎂碳磚表層，與鎂碳磚中方鎂石反應生成CMS(CaO·MgO·SiO2)和C3MS2(3CaO·MgO·2SiO2)等低熔點的礦物。起初這種液相礦物比較粘稠，暫時留在方鎂石晶粒的表面，起到阻礙爐渣的進一步侵蝕。但是隨著反應的繼續，溫度不斷升高，低熔點化合物不斷增加，液相礦物粘度不斷降低，直至不能粘結在方鎂石晶粒表面，引起方鎂石的侵蝕和鎂砂的解體，因而方鎂石晶粒分離浮游而進入熔渣中，磚體熔損也就形成[4]。

2.3 爐渣與方鎂石間的固溶反應

鎂碳磚與堿度高、T.Fe含量高的熔渣接觸時，鐵以FeO的形式侵入磚體，與方鎂石晶粒形成固溶體，也稱鎂浮氏體。當FeO固溶量超過一定限度后，就會形成鎂鐵型礦物、鎂浮氏體與鎂鐵礦物共存。由于FeO的侵入，伴隨著溫度與爐氣氣氛的變化，鎂浮氏體與鎂鐵礦物相互的轉化，其體積亦發生變化，從而產生微細裂紋，此時熔渣中硅、鈣等成分侵入方鎂石晶粒，使方鎂石晶體脫落磚體而流入熔渣中。

3 影響轉爐終渣MgO飽和溶解度的因素

3.1 溫度對MgO飽和溶解度的影響

溫度對MgO飽和溶解度影響很大，周兆保、李素梅等人[4]研究結果表明溫度升高，氧化鎂飽和溶解度增加，溫度每提高約50℃，MgO飽和溶解度提高1%～1.3%，在爐渣終渣堿度為3時，溫度由1600℃升高到1700℃，爐渣中MgO飽和溶解度則由6%增加到8.5%，所以要控制出鋼溫度不宜過高，否則也會加劇爐襯的損壞。

3.2 堿度對MgO飽和溶解度的影響

圖1是CaO-SiO2-FeO-MgO四元系中MgO的溶解度曲線[5,6]，從圖1中可知爐渣堿度對于MgO的溶解度有重要影響。在酸性渣中MgO可以有很高的溶解度；隨著堿度的提高，MgO的溶解度下降。當堿度一定時，渣中FeO升高使MgO溶解度下降，表明FeO在四元系中對MgO的溶解能力低于SiO2。其它關于CaO-SiO2-FeO-MgO系中MgO飽和溶解度的研究結論與畢曉普等人相似，只是表達方式不一樣。

圖1 CaO-SiO2-FeO-MgO四元系中MgO的溶解度(1600℃)

3.3 渣中FeO對MgO飽和溶解度的影響

從圖1中可以看出爐渣中FeO對于MgO的溶解度有重要影響。在酸性渣中，MgO的溶解度隨著FeO含量的增加而降低，并且堿度越小，MgO受渣中FeO的影響越大；在高堿度渣中，FeO含量對MgO溶解度幾乎沒有什么影響[7,8]。在轉爐冶煉過程中，冶煉初期由于堿度比較低，渣中MgO溶解度比較大，到冶煉后期，堿度為3～4，MgO溶解度降低，所以在冶煉過程中盡可能的提高渣中MgO含量，從而減少鎂碳磚中MgO向爐渣中溶解。

圖2為MgO-FeO的二元系相圖，從圖2可知，MgO與FeO可以形成連續的固溶體[9,10]。當FeO達到50%時，此時固溶體的軟化溫度仍高于1800℃。MgO與Fe2O3也能化合成鐵酸鎂(MgO·Fe2O3)，如圖3所示為MgO與Fe2O3二元相圖，鐵酸鎂又能與MgO生成固溶體，這兩種物質都耐高溫。當Fe2O3含量達到70%時，其軟化溫度在1800℃以上。

圖2 MgO與FeO二元系相圖

圖3 Fe2O3與MgO二元相圖

為了使爐渣具有較高的耐火度和粘度，轉爐終渣MgO應控制為：終渣TFe分別為8%～14%、15%～22%、23%～30%時，終渣MgO分別為7%～8%、9%～10%、11%～13%。

4 湛鋼轉爐爐渣MgO值的分析

湛江鋼鐵轉爐(350t)通過用輕燒白云石造渣，吹煉初期把輕燒白云石(MgO含量約為30%)全部加入，約7t，爐渣量25t～35t，出鋼溫度在1650-1710℃之間。通過從湛江鋼鐵現場取轉爐終點爐渣檢測其成分，如表1所示。

表1 湛鋼轉爐爐渣終點成分

從表1可知，渣中MgO含量在4%～8%之間波動，T.Fe含量在15%～25%之間。從溫度對MgO溶解度影響的分析中可知，當溫度達到1700℃時，MgO飽和溶解度為8.5%；從堿度來分析，湛江鋼鐵轉爐渣終點堿度平均值為3.2，平均T.Fe含量為20.9%，從圖1可知，在1600℃時，堿度為3.2，T.Fe含量為20.9%時，MgO飽和溶解度大于8%，又由于溫度越高，MgO飽和溶解度越大，由此可知湛江鋼鐵轉爐終渣中MgO含量遠沒有達到飽和溶解度。

表2 各廠轉爐采用濺護爐操作時終渣樣成分

表3 各廠轉爐濺渣護爐成分

表3為各廠轉爐采用濺護爐操作時在吹煉過程中所取渣樣成分。從表2可知，這幾家渣中MgO含量控制在8%～14%之間。因此根據理論分析與實際廠家對比得出結論：渣中MgO含量不能太低，最好在8%～14%之間。

表3為各廠轉爐濺渣護爐成分，從表3中可知，各廠家濺渣護爐成分雖然各不相同，但爐渣中MgO成分最后調整都比較接近，在9%～14%之間。

5 結論

(1)從理論分析與各廠家數據對比可知，為了提高轉爐爐齡，湛鋼轉爐渣中MgO含量需要提高到8%以上，也即是輕燒白云石需要至少需加入9～10t，并且為了得到更好的濺渣效果，需要調整終渣成分，使渣中MgO含量進一步提高。

(2)轉爐爐渣中MgO飽和溶解度隨溫度增加而增加；MgO飽和溶解度隨堿度增加而增加；在酸性渣中，MgO的溶解度隨著FeO含量的增加而降低，并且堿度越小，MgO受渣中FeO的影響越大，在高堿度渣中，FeO含量對MgO溶解度幾乎沒有什么影響。

(3)為了提高轉爐爐襯的使用壽命，轉爐渣中MgO含量需要達到8%～12%之間，轉爐冶煉前期渣中FeO盡量控制高些，爐渣堿度控制在3～4之間，鋼水溫度在滿足冶煉鋼種要求下盡可能低。

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Analysis and Research of Saturated Solubility of MgO in the Converter Slag

WU Zheng, LAN Tian

(Baoshan Iron & Steel, Steel plant of Zhanjiang Iron & Steel, Guangdong, Zhanjiang 524000, China)

This article analyzed the mechanism of converter magnesia-carbon brick damage. Results show that one of the main factors of magnesia-carbon brick damage was the solid state reaction between the slag. This article also studied the saturated solubility of MgO in the converter slag. The study show that molten steel temperature, slag basicity and the content FeO in the slag was main influencing factors. The saturated solubility of MgO in the slag increased with molten steel temperature and slag basicity. In acidic slag, MgO solubility with increasing FeO content in the slag decreased and MgO solubility was extremely affected by slag FeO when the slag basicity was smaller. In the high basicity slag, the content of FeO is almost no impact on the MgO solubility. According to the analysis of field data and theoretical study of Zhanjiang Iron & Steel, in order to improve the service life of converter lining, the content of MgO in the converter slag needed to be reached between 8%～12%, and the content of FeO need to be higher and slag basicity was controlled between 3～4, the temperature of the molten steel to meet the requirements was controlled as low as possible.

MgO； converter slag； saturated solubility； damage mechanism

吳政(1988-)，男，江西上饒，碩士研究生,中級工程師，研究方向：夾雜物控制.

TF703.6

A

1671-3818(2016)03-0013-04