冶煉前期轉爐渣熔體結構的轉變行為

馮曉明

（承德建龍特殊鋼有限公司，河北 承德 067000）

轉爐煉鋼是一個復雜的多相反應過程，轉爐渣在整體的冶煉中作用非常重要，對脫磷脫碳，以及其效率的掌控均有著重要的影響，同時將直接關系到冶煉過程中穩定性的控制。對合理的轉爐渣成分進行控制，以此更好的適用于各個冶煉階段，是相關行業研究人員一直致力的問題。提高成渣的速度是轉爐冶煉初期的重要目標，這樣才可以實現促進脫磷、脫硅、脫碳操作的順利進行。泡沫化的操作是穩步實現冶煉初期目標的核心手段。爐渣泡沫化的黏度以及表面的張力是一種物理性質，存在緊密的聯系[1]。而微觀結構將決定爐渣的物理性質，也就是說爐渣泡沫化的性能是由熔體的結構來決定的。合理的解釋與詳細的分析轉爐渣的熔體結構，對于轉爐吹煉過程中冶金行為的理解與控制具有十分重要的含義與價值。

1 實驗方法

參考相關書籍中工業轉爐渣在不同的吹煉階段所包含的成分，選用CaO-SiO2-FexO來用作基礎的渣系，設計了四組實驗渣，這四組實驗渣伴隨著堿度的升高其FexO質量分數將逐漸的降低，使用這樣的方法來模擬冶煉初期轉爐渣具體的成分變化。

實驗中實驗渣的配置將使用分析純試劑CaO、SiO2以及Fe2C2O4.2H2O，由Fe2C2O4.2H2O來折算FeO與Fe2O3的用量。使用高溫淬火爐對實驗渣進行制備。實驗中加入高純的氬氣，用作保護性的氣體，以恒定的速度將溫度升高至1450℃，維持這一溫度一小時之后移開滑蓋，松動鉬絲，在冰水的混合物中加入鉑坩堝迅速進行淬冷。然后把干燥之后的淬冷試樣細磨成粉，制成0.074mm以下大小的微粒，玻璃相是預熔渣的主要成分，這樣就可以是熔體的溫度狀態維持在高溫狀態。

實驗中使用激光聚焦Raman光譜儀來對轉爐渣的微觀結構進行測試。Raman光譜儀的掃描波數數值范圍為100cm～4000cm-1，激光波總長488nm，狹縫寬度為300μm，分辨率為0.65cm-1。將完成測試的數據使用計算機進行分析，使用Origin9.0軟件來平滑原始的譜線，并將其基線去除，之后使用高斯擬合線法來對譜線進行分縫操作。

2 實驗結果與討論

在冶煉的初期其成分會受到CaO-SiO2-FexO熔渣的結構的直接影響。整個波段中特征最為明顯的波峰出現在中頻區400cm～780cm-1，以及高頻區780cm～1100cm-1的范圍之內。根據相關文獻資料中記載，585cm-1與cm-1附近分別是與[FeO6]9-八面體，以及[FeO4]5-四面體結構相關的特征峰，853、914、972以及1027cm-1，其附近的橋氧數值為0、1、2、3的硅氧四面體，這之中的Si-O可以經過堆積形成具備伸縮振動功能的特征峰。多組分硅酸鹽渣系中的Qi位置受到不同陽離子的直接影響，所以需要保證特征一致的峰如果存在于不同的渣系，需要具備足夠的差異性。

如果熔渣的堿度為0.35.硅氧四面體的峰值在1019cm-1處，就會出現峰肩[2]。峰肩將會伴隨堿度的增加不斷左移。如果堿度為0.96，肩峰則轉移至855cm-1的位置，這就說明了高聚合態中的硅氧四面體在熔渣中的含量越來越少，但是低聚合態的硅氧四面體含量卻在一點一點增加。

實驗渣絡合峰的明顯變化發生在500cm～780cm-1頻率范圍內。FexO含量的不斷減少，使得[FeO6]9-八面體與[FeO4]5-四面體的特征峰不斷發生疏散的變化，同時，[FeO4]5-四面體特征峰的峰寬越來越窄，峰形越來越尖銳，這就說明[FeO4]5-四面體在Fe3+中占據的比例逐漸增大，形成認定的結構單元。硅氧四面體之間Si-O-Si鍵的彎曲振動可以由400cm～500cm-1段的位移來表示，聚合程度的變化情況可以通過這一峰值的強弱變化來直接反映。熔體的聚合程度較高，那么峰值就較強。

一號-四號的實驗渣中，硅氧基團的含量越來越少，而鐵氧基團的含量卻越來越多[3]。熔渣中的SiO2/FexO含量變化是導致這一情況發生的主要原因。同時，[FeO4]4-四面體相對面積的面積分數與[FeO4]5-四面體的相對面積分數比較要大得多，是熔體結構中的主要物質?？刂迫墼酆隙鹊闹饕罁荹FeO4]4-四面體的結構形態。因此，以Qi的相對面積分數為條件來對熔渣的非橋氧數進行計算，即可評估熔渣具體的聚合程度。摩爾分數以及非橋氧數具體的計算公式如下。

堿度的增加Q0的相對面積分數也不斷的增加，而Q3相對面積分數越來越少，Q1和Q2整體的相對面積分數變化不大。這一現象的出現原因是由于熔渣的成分影響。研究表明，堿度或堿土金屬氧化物極易對Si4+的結構形態產生影響，CaO可使[FeO4]4四面體的復雜結構進而重新分解聚集形成簡單的結構。因此，強化熔渣的解聚能力可以通過增加堿度來實現。

同時，結合通Qi相對面積分數的變化，說明Q2-破壞網絡結構時能夠與成分復雜的硅氧四面體進行結合，進而發生Q3-Q2-Q1-Q0的解聚過程，這就導致熔渣中Q0相對面積分數增多，而Q3相對面積分數減少[4]。在Q0、Q1、Q2和Q3的綜合作用下，熔渣的NBO/T明顯增高，進而大幅度的降低了熔渣的聚合程度，這與譜線的分析結果是一樣的。

一號至四號試驗渣，[FeO4]5-四面體相對面積分數越來越大，[FeO6]9-八面體相對面積分數越來越少，原因是因為Fe3+的存在形式與Fe3+/∑Fe之間存在緊密的聯系。隨著FexO相對面積分的減少，渣中Fe3+/∑Fe含量也越來越少，自由O2-的相對面積分數不斷減少，Fe3+形成八面的變化效果越來越不明顯，[FeO6]9-八面體的相對面積分數不斷減少。

3 結論

（1）熔渣中存在Q0、Q1、Q2、Q3，其堿度會伴隨著冶煉的進行而逐漸的增大，高聚合度的結構單元將會發生由Q3-Q2-Q1-Q0的解聚過程，這就讓熔渣當中的NBO/T數值不斷上漲，但是熔渣的聚合程度不斷減弱。

（2）Fe3+在CaO-SiO2-FexO渣系中以[FeO4]5-四面體與[FeO6]9-八面體的形式存在。如果Fe3+/∑Fe含量的不斷減少，會幫助Fe3+以[FeO4]5-四面體的結構形式存在。