天然礬土原料對(duì)轉(zhuǎn)爐鋼渣熔點(diǎn)的影響

余 超，鄧承繼，祝洪喜，丁 軍，劉水旺，樊國棟，冷光輝

（1． 武漢科技大學(xué)，省部共建耐火材料與冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081；2． 河南東大高溫節(jié)能材料有限公司，河南 鶴壁 458030）

天然礬土原料對(duì)轉(zhuǎn)爐鋼渣熔點(diǎn)的影響

余 超1，鄧承繼1，祝洪喜1，丁 軍1，劉水旺1，樊國棟2，冷光輝2

（1． 武漢科技大學(xué)，省部共建耐火材料與冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081；2． 河南東大高溫節(jié)能材料有限公司，河南 鶴壁 458030）

以天然礬土原料為改質(zhì)劑引入轉(zhuǎn)爐鋼渣中，研究了不同礬土添加量對(duì)MgO飽和溶解、轉(zhuǎn)爐鋼渣堿度及半球點(diǎn)溫度的影響。隨礬土加入量的增加，MgO飽和溶解度沒有發(fā)生明顯改變，轉(zhuǎn)爐鋼渣的堿度逐漸下降，而半球點(diǎn)溫度呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)。

礬土；轉(zhuǎn)爐鋼渣；半球點(diǎn)

0 引 言

鋼鐵冶煉是以冶金用金屬鐵為主料、渣為輔助料，經(jīng)高溫?zé)崽幚砗笕刍癁閮蓚€(gè)互不相溶解的液相，使鋼液和雜質(zhì)分離，而其中分離出的雜質(zhì)為鋼渣[1,2]。轉(zhuǎn)爐鋼渣是轉(zhuǎn)爐煉鋼結(jié)束后產(chǎn)生的一種廢渣，其出爐時(shí)呈液態(tài)且溫度超過1400 ℃，主要化學(xué)成分由CaO和SiO2組成；而礦物相主要為C3S、C2S、鈣鐵橄欖石、游離氧化鈣等。爐渣的成分與鋼水成分、終鋼碳含量、供氧制度、造渣制度和冶煉工藝等因素有關(guān)[3-5]。

改質(zhì)渣是在轉(zhuǎn)爐出完鋼后通過添加少量石灰或鎂質(zhì)材料，主要是調(diào)整爐渣的過熱度和粘度使改質(zhì)渣滿足濺渣的要求，其成分與堿度基本和終渣相同。轉(zhuǎn)爐終渣成分的主要影響因素有：冶煉鋼種、改質(zhì)劑、材料條件、操作水平、精煉及澆注方式等。改質(zhì)劑的作用是改變終渣的性能，包括耐火度和流動(dòng)性[6,7]。經(jīng)過改質(zhì)后的改制渣被噴濺到爐襯上，具有一定的耐火度和抗渣潤濕性，以保護(hù)爐襯免受終渣的潤濕。

礬土資源豐富，已在耐火、化工、冶金等多個(gè)行業(yè)中應(yīng)用[8-10]，為了開辟礬土資源高效綜合利用的新途徑。本工作以天然礬土原料為改質(zhì)劑，研究了礬土對(duì)轉(zhuǎn)爐鋼渣堿度、MgO飽和溶解度及半球點(diǎn)溫度的影響，為提高礬土的應(yīng)用范圍提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

本文采用轉(zhuǎn)爐鋼渣和礬土生料作為基本原料，化學(xué)成分見表1和表2。實(shí)驗(yàn)測(cè)試采用半球法，將稱量好的渣和礬土按表3進(jìn)行配料，將原料均勻混合后裝入模具，壓制成Φ3 mm×Φ3 mm的圓柱試樣，置入110 ℃烘箱中。將干燥的試樣放在墊片上，將內(nèi)導(dǎo)管推入爐內(nèi)高溫區(qū)，調(diào)整鏡頭架的位置，使試樣在屏幕的影像最清晰，大小適當(dāng)，記下試樣影像在屏幕上的高、寬尺寸，然后通電加熱，不斷觀察爐溫和試樣影像。當(dāng)爐溫接近試樣熔點(diǎn)時(shí)盡量放慢升溫速率，當(dāng)試樣高度將至3/4時(shí)的溫度為軟化點(diǎn)，當(dāng)試樣高度降至1/2時(shí)的溫度為半球點(diǎn)，當(dāng)試樣高度降至1/4時(shí)的溫度為流動(dòng)點(diǎn)。對(duì)14個(gè)試樣依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 轉(zhuǎn)爐鋼渣的成分 (wt.%)Tab.1 The composition of slag sample (wt.%)

表2 鋁礬土的成分 (wt.%)Tab.2 The composition of bauxite (wt.%)

表3 初始原料配比 (wt.%)Tab.3 The composition of starting materials (wt.%)

2 結(jié)果與討論

圖1 渣的堿度隨礬土加入量的變化Fig.1 The basicity of BOF slag with different bauxite content

從圖1可以看出，隨著礬土量的增加，渣的堿度呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)。鋁礬土的主要成分為SiO2和Al2O3，根據(jù)二元堿度公式R=C/S，堿度呈下降趨勢(shì)。

從圖2可以看出，隨著礬土量的增加，MgO的飽和溶解度呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)，且變化幅度很小。根據(jù)Park J M的渣中氧化鎂飽和值半經(jīng)驗(yàn)公式[11]，飽和溶解度與渣中TFe和SiO2的含量有關(guān)，而加入礬土中的TFe和SiO2含量較低，因此MgO的飽和溶解度變化不大。

圖2 MgO飽和溶解度隨礬土加入量的變化Fig.2 The saturated solubility of MgO with different bauxite content

式中，a=7．9890-0．1547WTFe+0．001232WTFe2；

b=-0．4374+0．01034WTFe；

c=0．01354；

WCaO+WSiO2+WTFe=100%；

WTFe=WFeO+WFe2O3

T=絕對(duì)溫度，K。

圖3給出了不同礬土含量渣的軟化溫度、半球點(diǎn)溫度和流動(dòng)溫度。從圖中可以看出，當(dāng)?shù)\土含量為0-10wt．%時(shí)，隨著渣中礬土含量的增加，渣的熔點(diǎn)呈下降的趨勢(shì)。當(dāng)?shù)\土的含量為10wt．%-20wt．%時(shí)，渣的軟化溫度、半球點(diǎn)溫度和流動(dòng)溫度變化較小，大體呈現(xiàn)出緩慢增加的趨勢(shì)；當(dāng)?shù)\土含量為20wt．%-40wt．%時(shí)，三種溫度均表現(xiàn)出顯著增加的趨勢(shì)；當(dāng)含量為40wt．%-50wt．%時(shí)，三種溫度增加趨勢(shì)減緩。

圖3 半球點(diǎn)溫度隨礬土加入量的變化Fig.3 The hemisphere point temperature of BOF slag with different bauxite content

圖4 堿度與渣系半球點(diǎn)溫度的變化關(guān)系Fig.4 The relationship between the basicity and the hemisphere point temperature of BOF slag

圖4 給出了改質(zhì)渣的堿度和其軟化溫度、半球點(diǎn)溫度及流動(dòng)溫度的變化關(guān)系。從圖中可以看出，隨著渣堿度的增加，軟化溫度、半球點(diǎn)溫度和流動(dòng)溫度呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)。在堿度為2．1-2．2時(shí)，三種溫度均緩慢下降；在堿度為2．2-2．3時(shí)，三種溫度呈現(xiàn)出急速下降的趨勢(shì)；在堿度為2．3-2．55時(shí)，三種溫度的變化趨于平緩；當(dāng)堿度為2．55-2．6時(shí)，三種溫度都呈現(xiàn)出急劇增加的趨勢(shì)。

通過熱力學(xué)軟件FactSage計(jì)算了在1250 ℃-1400 ℃、0．1 MPa條件下系統(tǒng)中礬土加入量與系統(tǒng)內(nèi)部物相變化的關(guān)系，其中橫坐標(biāo)定義為礬土加入量與總質(zhì)量之比，橫坐標(biāo)的取值范圍為0-0．5。根據(jù)圖5可知，礬土加入量的增加有利于尖晶石的生成，隨礬土加入量增加，C2S向C3S和鈣黃長石轉(zhuǎn)化，影響轉(zhuǎn)爐鋼渣的熔點(diǎn)；進(jìn)一步增加礬土含量，當(dāng)?shù)\土加入量與總質(zhì)量之比≥0．4時(shí)，CaO開始出現(xiàn)，對(duì)轉(zhuǎn)爐鋼渣的熔點(diǎn)起到提升作用。根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算，相同溫度下隨礬土加入量的增加，轉(zhuǎn)爐鋼渣中的Ca元素由C2S逐步向C3S、鈣黃長石及CaO轉(zhuǎn)化，與半球點(diǎn)溫度的變化基本相符。

圖5 不同溫度下隨礬土加入量增加系統(tǒng)的物相組成Fig.5 Phases change of BOF slag with different temperature and bauxite content

3 結(jié) 論

本文研究了天然礬土原料加入量對(duì)MgO飽和溶解度、轉(zhuǎn)爐鋼渣堿度及半球點(diǎn)溫度的影響。隨鋁礬土加入量的增加，堿度呈下降趨勢(shì)，MgO的飽和溶解度呈現(xiàn)出微弱下降的趨勢(shì)，半球點(diǎn)溫度呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)。熱力學(xué)計(jì)算表明，相同溫度下隨礬土加入量的增加，轉(zhuǎn)爐鋼渣中的Ca元素由C2S逐步向C3S、鈣黃長石及CaO轉(zhuǎn)化，與改質(zhì)渣熔點(diǎn)的變化基本符合。

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Effect of Bauxite on Melting Point of BOF Slag

YU Chao1, DENG Chengji1, ZHU Hongxi1, DING Jun1, LIU Shuiwang1, FAN Guodong2, LENG Guanghui2
(1. The State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, Hubei, China; 2. Henan Dongda High Temperature & Energy Saving Material Co., Ltd, Hebi 458030, Henan, China)

The effects of bauxite content on the saturated solubility of MgO, basicity and hemisphere point temperature of BOF slag have been investigated by using bauxite and BOF slag as the starting materials. With the increase of bauxite content, the saturated solubility of MgO showed no signif i cant change, the slag basicity decreased, and the hemisphere point temperature showed the trend which fi rst decreased and then increased.

Bauxite; BOF slag; hemisphere point temperature

TQ174.4

A

1006-2874(2017)02-0010-04

10.13958/j.cnki.ztcg.2017.02.002

2016-10-15。

2016-10-18。

國家自然科學(xué)基金(51574187)；國際合作項(xiàng)目(2015DFR50800)聯(lián)合資助。

鄧承繼，男，博士，教授。

Received date:2016-10-15. Revised date: 2016-10-18.

Correspondent author:DENG Chengji, male, Ph.D., Professor.

E-mail:cjdeng@wust.edu.cn